Способ окрашивания керамических изделий

 

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для окрашивания керамических изделий, преимущественно лицевого кирпича. Способ окрашивания лицевого кирпича состоит в пропитке поверхностного слоя изделия водным раствором основной соли производной амфотерного гидроксида элемента первого рада переходных элементов Периодической системы Д.И.Менделеева. Основная соль производная амфотерного гидроксида может быть получена путем растворения амфотерного гидроксида в кислоте, либо путем подщелачивания средней соли этого элемента. Способ окрашивания керамических изделий обеспечивает качественное окрашивание без усложнения и удлинения технологического процесса изготовления кирпича. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для окрашивания керамических изделий, преимущественно лицевого кирпича.

Известны способы объемного окрашивания лицевого кирпича металлическими рудами и окислами металлов путем их введения в шихту в сухом порошкообразном виде или в виде шликера [1]. Наибольшее распространение в данном способе в качестве добавок получили марганцевая руда, двуокись марганца, железная руда, окись железа, хромитовая руда, в частности хромит железа и двуокись титана.

Недостатками известных способов являются высокие материальные затраты, связанные с потреблением большого количества добавок, необходимых для окрашивания всей шихты, низкое качество окрашивания, наличие на поверхности кирпича пятен, образование которых связано с пластическими свойствами глины и трудностью получения гомогенной массы на основе глины.

Известен способ нанесения цветного покрытия за счет выполнения кирпича двухслойным с формированием основного бруса из обычной шихты и нанесением поверхностного слоя толщиной 3-6 мм из лицевой массы на основе светло-жгущейся глины с добавлением кварцевого стекла, в которую для придания изделию цвета вводят красители, в частности двуокись марганца, окись хрома, окись кобальта, двуокись титана и др. окислы металлов [2].

Двухслойный кирпич формируют на ленточном вакуум-прессе, а лицевой слой наносят с помощью второго ленточного пресса или методом вибрации в виброкамере.

Шихту для лицевого слоя приготавливают шликерным способом с тщательным измельчением и смешиванием компонентов.

Способ позволяет значительно сократить расход красителей.

Недостатками известного способа являются сложный и трудоемкий, требующий специального оборудования процесс подготовки лицевой массы, нанесения массы на брус, недостаточно высокие прочностные характеристики, наличие тенденции лицевого слоя к отслаиванию при перепадах температур, низкая ударная прочность и т.п.

Известен способ окрашивания лицевого кирпича внедрением в его поверхностный слой минеральных солей и окислов металлов в процессе обжига в печи путем подачи их в топку и протягивания через садку кирпича печными газами [3].

Недостатками известного способа являются низкое качество окрашивания изделий, связанное с неравномерностью обтекания садки с кирпичом пламенем и газами печи, трудность управления процессом и загрязнение окружающей среды.

Известен способ окрашивания лицевого кирпича путем пропитки поверхностного слоя сухого кирпича-сырца водным раствором соли или окисла металла с последующей повторной сушкой и обжигом [4].

Поверхностный слой сухого кирпича обладает достаточно хорошей впитывающей способностью, что позволяет с минимальными затратами красителей путем опрыскивания, окунания или облива заготовок пропитывать поверхностный слой водным раствором красителей, который в процессе обжига при реакции с красителями приобретает нужную окраску.

Недостатками известного способа являются усложнение и удлинение технологического процесса и необходимость дополнительного оборудования, связанные с установкой устройства для пропитки перед печью для обжига и транспортировкой пропитанных заготовок назад на вход сушильной камеры; неравномерность окрашивания, связанная с неравномерностью впитывания водного раствора красителей из-за неравномерной плотности глиняной массы в поверхностном слое.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, путем пропитки поверхностного слоя свежеотформованного изделия окрашивающим соединением, его сушки и обжига [5]. Пропитку поверхностного слоя осуществляют нанесением солевого раствора, в который дополнительно вводят поверхностно-активное вещество (ПАВ). Использование в качестве добавки ПАВ обеспечивает повышение впитывающей способности влажной глиняной массы.

При добавлении ПАВ окрашивающее водорастворимое вещество закрепляется в поверхностном слое. В качестве окрашивающего соединения использовали хлорид марганца и сульфат марганца, а в качестве ПАВ натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ).

В зависимости от типа глины меняется концентрация ПАВ.

Недостатком известного способа является то, что с увеличением дисперсности и свободной поверхности глины и ухудшением ее сушильных свойств концентрация ПАВ увеличивается. Для глины монтморилланитового типа, изделия из которой сушатся 48 часов и более, даже при высоких концентрациях ПАВ невозможно предотвратить миграцию окрашивающих веществ в тело изделия. Поэтому готовые изделия имеют недостаточно насыщенные (сочные) цвета.

При резке бруса на кирпичи возможно нарушение однородности окрашивания тычковых поверхностей.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, пропиткой поверхностного слоя окрашивающим соединением, которое обеспечило бы качественное окрашивание изделий из всех типов глины без усложнения и удлинения технологического процесса и без применения ПАВ, что в свою очередь обеспечивает экономичность способа.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, путем пропитки поверхностного слоя свежеотформованного изделия окрашивающими соединениями, его сушки и обжига, согласно изобретению, пропитку поверхностного слоя производят основной солью производной амфотерного гидроксида элемента первого ряда переходных элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.

Предпочтительный вариант для окрашивания лицевого кирпича из кембрийской глины предполагает облив свежеотформованного глиняного бруса водным раствором основной соли производной амфотерного гидроксида хрома, полученной путем растворения амфотерного гидроксида хрома в кислоте, при этом для получения оттенков цветов светло-коричневого - темно-коричневого используют раствор, содержащий, мас.%: Cr(OH)₃ - 6,9-7,0 HCl - 2,8-4,7 H₂O - Остальное Вариант для окрашивания лицевого кирпича из кембрийской глины с получением оттенков цветов малиновый - темно-малиновый предполагает облив свежеотформованного бруса водным раствором основной соли производной амфотерного гидроксида железа, полученного подщелачиванием средней соли железа, при этом раствор содержит, мас.%: FeCl₃ - 10,22-17,6 NaOH - 4,6-9,3 H₂O - Остальное Предложенный способ окрашивания керамических изделий предполагает совершенно другой механизм закрепления окрашивающих соединений в поверхностном слое изделия.

На поверхность бруса, выходящего из мундштука пресса, наносят раствор, содержащий водорастворимое окрашивающее соединение. По мере впитывания в брус раствор взаимодействует с минералами глины, в результате этого взаимодействия водорастворимое окрашивающее соединение переходит в нерастворимое состояние и откладывается в поверхностном слое изделия. Это происходит благодаря тому, что частицы глины имеют преимущественно отрицательный заряд и при впитывании раствора основной соли, имеющей избыток положительно заряженных катионов, на поверхности глиняных частиц начинается интенсивное их осаждение. Параллельно кислотная составляющая раствора взаимодействует с минералами глины и происходит интенсивное осаждение гидроксида на поверхности частиц глины.

Таким образом предотвращается дальнейшая миграция окрашивающего состава в глубину изделия и достигается высокая однородность окраски без применения ПАВ, независимо от типа глины и времени сушки изделия, что наиболее существенно при окрашивании изделий из глин монтморилланитового типа.

В качестве окрашивающего соединения используется водный раствор основной соли производной амфотерного гидроксида элемента первого ряда переходных элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.

Первый ряд переходных элементов включает следующие химические элементы [6]: Sc; Ti; V; Cr; Mn, Fe; Co, Ni; Cu; Zn.

В силу особенностей электронного строения этих элементов они могут образовывать амфотерные гидроксиды и водорастворимые основные соли на их основе.

Такие растворы имеют более низкую кислотность, нежели растворы средних солей и поэтому очень чувствительны к изменению кислотности и при малейшем снижении последней, из них начинается активное осаждение нерастворимого гидроксида. При впитывании такого раствора в глиняный брус, как мы уже отмечали выше, его кислотная составляющая вступает в химическое взаимодействие с минералами глины, в результате чего кислотность раствора понижается и на поверхности минералов отлагается нерастворимый гидроксид.

Меняя кислотность раствора и его концентрацию, можно регулировать интенсивность и глубину окрашивания изделия.

Для каждого типа глины кислотность и концентрацию раствора подбирают опытным путем. Основная соль может быть получена путем прямого взаимодействия амфотерного гидроксида и кислоты или подщелачиванием средней соли.

При обливе свежеотформованного глиняного бруса водным раствором основной соли производной амфотерного гидроксида элемента первого ряда переходных элементов Периодической системы Д.И. Менделеева происходит эффективное впитывание и равномерное распределение в поверхностном слое бруса.

Это позволяет производить качественное окрашивание изделий из всех сортов глины без нарушения обычного технологического процесса, при котором производят пропитку поверхностного слоя свежеотформованного глиняного бруса его обливом, с последующей резкой бруса на кирпичи, а также сушкой и обжигом, при этом равномерность окраски тычковых поверхностей не нарушается.

Более подробно заявляемое техническое решение рассматривается на примерах его осуществления.

Окрашивание производили при изготовлении лицевого кирпича из кембрийской глины в соответствии с технологическим процессом, включающим приготовление шихты из глины, приготовление раствора для поверхностной обработки заготовки, формирование глиняного бруса на вакуум-прессе, нанесение раствора на глиняный брус путем облива его, например с помощью насосного аппарата, резку бруса на кирпичи с помощью струнного аппарата, сушку отформованного кирпича в туннельной сушилке при t до 95^oC, обжиг кирпича в туннельной печи t до 950-970^oC. Облив производили водными растворами основной соли производной амфотерного гидроксида элемента первого ряда переходных элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.

При обливе раствором основной соли производной амфотерного гидроксида хрома, полученной путем растворения амфотерного гидроксида хрома в кислоте при проведении реакции по формуле
3Cr(OH)₃ + 3HCl ---> CrCl₃ + 3H₂O + 2Cr(OH)₃
после сушки и обжига получали
а) при проведении реакции при следующем соотношении компонентов: Cr(OH)₃ - 6,9 мас.%, HCl - 4,7 мас.%, H₂O - 88,4 мас.% - окраску светло-коричневого цвета;
б) при соотношении компонентов: Cr(OH)₃ - 6,9 мас.%, HCl - 3,5 мас.%, H₂O - 89,6 мас.% - окраску коричневого цвета;
в) при соотношении компонентов: Cr(OH)₃ - 7,0 мас.%, HCl - 2,8 мас.%, H₂O - 90,2 мас.% - окраску темно-коричневого цвета.

Расчет производился следующим образом.

Для проведения реакции мы брали компоненты в следующих количествах:
1. Весовое соотношение
Cr(OH)₃ - 23,22 г
HCl - 7,28 г
H₂O - 300 г
В процентном соотношении
Cr(OH)₃ - 7,0%
HCl - 2,2%
H₂O - 90,8%
100%
В данном случае наблюдалось начало выпадения гидроксида хлора в осадок.

2. Весовое соотношение
Cr(OH)₃ - 23,22 г
HCl - 15,97 г
H₂O - 300 г
В процентном соотношении
Cr(OH)₃ - 6,9%
HCl - 4,7%
H₂O - 88,4%
100%
Получали слабо-коричневое окрашивание поверхности.

3. Весовое соотношение
Cr(OH)₃ - 23,22 г
HCl - 11,62 г
H₂O - 300 г
В процентном соотношении
Cr(OH)₃ - 6,9%
HCl - 3,5%
H₂O - 89,6%
100%
Получали окраску коричневого цвета.

4. Весовое соотношение
Cr(OH)₃ - 23,22 г
HCl - 9,44 г
H₂O - 300 г
В процентном соотношении
Cr(OH)₃ - 7,0%
HCl - 2,8%
H₂O - 90,2%
100%
Насыщенный коричневый цвет
5. Весовое соотношение
Cr(OH)₃ - 23,22 г
HCl - 24,69 г
H₂O - 300 г
В процентном соотношении
Cr(OH)₃ - 6,7%
HCl - 7,1%
H₂O - 86,2%
100%
В результате такой реакции получается средняя соль (окрашивание не наблюдалось).

Пример 2.

При обливе раствором основной соли производной амфотерного гидроксида железа, полученной путем подщелачивания средней соли железа при проведении реакции по формуле
3FeCl₃ + 6NaOH ---> 2Fe(OH)₃ + 6NaCl + FeCl₃
после сушки и обжига получали
а) при проведении реакции при следующем соотношении компонентов:
FeCl₃ - 10,22 мас.%; NaOH - 4,6 мас.%; H₂O - 85,18 мас.% - окраска малинового цвета;
б) при соотношении компонентов:
FeCl₃ - 17,6 мас.%; NaOH - 9,3 мас.%; H₂O - 73,1 мас.% - окраска темно-малинового цвета.

Во всех случаях имела место равномерность окрашенной поверхности.

Разрушение образцов показало проникновение красителей в поверхностный слой на глубину до 2 мм.

Для облива использовали насосный аппарат, применяемый для пропитывания поверхностного слоя веществом, предотвращающим высолы.

Заявляемое техническое решение полностью выполняет задачу, стоящую перед изобретением.

Заявляемое техническое решение с характеризующими его отличительными признаками на настоящее время в Российской Федерации и за границей не известно и отвечает требованиям критерия "новизна".

Заявляемое техническое решение является оригинальным, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники и отвечает требованиям критерия "изобретательский уровень".

Заявляемый способ может быть реализован в условиях серийного промышленного производства с использованием известных технических средств, технологий и материалов и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".

Список литературы
1. И. А. Альперович "Производство лицевого глиняного кирпича". Обзор М., ВНИИЭСМ, 1978, стр. 19-26.

2. "Производство двухслойного облицовочного кирпича". Техническая информация, серия "Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей", М., ВНИИЭСМ, 1974, вып. 1.

3. "Окрашивание кирпича газовым пламенем". Р.Ж. "Химия", М., ВИНИТИ, 1957, 23943.

4. "Способ производства цветного лицевого кирпича". Реферативная информация, серия "Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей". М., ВНИИЭСМ, 1979, вып. 9, стр. 31.

5. Патент RU N 2130443, МКИ⁶: C 04 B 41/50, 33/14, 1999 г. - прототип.

6. А. В. Суворов, А.Б. Никольский "Общая химия", С-Пб, "Химия", 1997, стр. 508-509.

Формула изобретения

1. Способ окрашивания керамических изделий, в частности лицевого кирпича, путем пропитки поверхностного стоя свежеотформованного изделия водорастворимыми окрашивающими соединениями, его сушки и обжига, отличающийся тем, что пропитку поверхностного слоя осуществляют водным раствором основной соли производной амфотерного гидроксида элемента первого ряда переходных элементов Периодической системы Д.И.Менделеева.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окрашивание лицевого кирпича из кембрийской глины производят обливом свежеотформованного глиняного бруса водным раствором основной соли производной амфотерного гидроксида хрома, полученной путем растворения амфотерного гидроксида хрома в кислоте, при этом для получения оттенков цветов светло-коричневого-темно-коричневого используют раствор, содержащий, мас.%:
Сr(OH)₃ - 6,9 - 7,0
HCl - 2,8 - 4,7
H₂O - Остальное
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что окрашивание лицевого кирпича из кембрийской глины производят обливом свежеотформованного бруса водным раствором основной соли производной амфотерного гидроксида железа, полученного подщелачиванием средней соли, при этом для получения оттенков цветов малиновый-темно-малиновый используют раствор, содержащий, мас.%
FeCl₃ - 10,22 - 17,6
NaOH - 4,6 - 9,3
Н₂О - Остальное