Εφαρμογή ανόργανων χρωστικών ενώσεων βάσεως βολλαστονίτη σε διάφορες κατηγορίες υλικών και μελέτη της επίδρασης τους στις ιδιότητες των υλικών αυτών

Abstract

Στη παρούσα Μεταπτυχιακή Εργασία διερευνήθηκε η σύνθεση ανόργανων χρωστικών ενώσεων, χαμηλού κόστους πρώτων υλών και παραγωγής, και η εφαρμογή τους σε πλαστικά και κεραμικά υλικά, με σκοπό τη βελτίωση της αισθητικής όψης των υλικών και των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Οι νέες αυτές ανόργανες χρωστικές («χρωστικές ενώσεις» ή πιγμέντα») έχουν ως βάση φυσικά ορυκτά που βρίσκονται σε αφθονία στην Βόρεια Ελλάδα. Για το σκοπό αυτό παρασκευάστηκαν τέσσερα κύρια μίγματα που αποτελούνταν από το βασικό μίγμα βολλαστονίτη (CaSiO3) και ανθρακικού νατρίου (Na2CO3) και μίας ποσότητας διαφορετικής χρωμοφόρας ένωσης κάθε φορά. Οι χρωμοφόρες ενώσεις που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι εξής: διχρωμικό κάλιο (K2Cr2O7), οξείδιο του κοβαλτίου (Co3O4) και υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO4). Παρασκευάσθηκαν, για κάθε χρώμα ξεχωριστά, διαφορετικών ποσοτικών συστάσεων μίγματα σε βολλαστονίτη και ανθρακικό νάτριο και με προσθήκη το ίδιο ποσοστό (10%) της χρωμοφόρας ουσίας. Από κάθε μία συνταγή, διαφορετικού χρώματος και διαφορετικής σύστασης, παρασκευάστηκαν δείγματα σε σχήμα χαπιού τα οποία θερμάνθηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασίες και σε διάφορους χρόνους έψησης. Συγκεκριμένα τα δείγματα που περιείχαν στην αρχική τους σύσταση διχρωμικό κάλιο θερμάνθηκαν για 30 λεπτά σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες [(800, 900, 1000)°C], ενώ τα δείγματα κοβαλτίου σε τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες [(800, 900, 950, 1000)°C] για χρόνο έψησης 30 λεπτών εκτός εκείνων που θερμάνθηκαν στους 1000 °C, που είχαν τέσσερις διαφορετικούς χρόνους έψησης [(20, 30, 40, 60)min]. Το δείγμα με μαγγάνιο θερμάνθηκε στους 900 °C για 30 λεπτά. Στη συνέχεια εξετάστηκε η επίδραση της αρχικής σύστασης, της θερμοκρασίας και του χρόνου έψησης των πιγμέντων στο μέγεθος των κόκκων των προϊόντων και τη μορφολογία τους μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Έπειτα τα πιγμέντα προστέθηκαν σε χρώμα επιφανειών νερού και βερνικόχρωμα, ύαλο, σμάλτο, εποξειδική ρητίνη, πολυαιθυλένιο και πολυπροπυλένιο και εξετάστηκε η επίδραση της σύστασης, της θερμοκρασίας και του χρόνου έψησης των πιγμέντων στο χρώμα που απέκτησαν τα υλικά και στις μηχανικές τους ιδιότητες. Συγκεκριμένα, στα χρώματα επιφανειών, που προστέθηκαν τα πιγμέντα, εξετάστηκε η επικαλυπτική τους ικανότητα και η ικανότητα απορρόφησης λινελαίου, στους χρωματισμένους ύαλους και στα χρωματισμένα σμάλτα που παράχθηκαν εξετάστηκε η αντοχή σε σημειακή θλίψη, στην εποξειδική ρητίνη η φαινομενική σκληρότητα και στα δείγματα πολυαιθυλενίου και πολυπροπυλενίου η αντοχή σε κάμψη και η αντοχή σε διάτμηση. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν δείχνουν ότι τα νέα πιγμέντα βάσεως βολλαστονίτη είναι κατάλληλα για βιομηχανική χρήση στο χώρο των πλαστικών και κεραμικών υλικών.

Τhis dissertation presents the results of a study on the production of inorganic pigments using low–cost line production and low–cost raw materials, which can be found in Northern Greece and the influence of the initial batch, firing time and temperature of the pigments on the mechanical properties of the plastic and ceramic materials, in which they were added. Three recipes based of wollastonite, sodium carbonate and three kinds of oxides and salts (K2Cr2O7, Co3O and KMnO4) one for each recipe, were produced. Each of the salts or oxides gave a different colour to the sintered product. For each colour, disc-shaped samples were produced containing different proportion of wollastonite and sodium carbonate as well as 10% of the oxide or salt. The samples that were produced from the sample that contained Cr were heated at three different temperatures [(800, 900, 1000) °C] for 30 minutes and those containing Co were heated at four different temperatures (800, 900, 950, 1000) °C for 30 minutes, while those at 1000 °C were fired for 20, 30, 40 and 60 minutes. The sample containing manganese was sintered at 900 °C for 30 minutes. XRD and SEM were used to analyse the influence of the initial composition and the conditions of synthesis of the pigments on the products’ chemical and physical properties, such as grain size and resulting chemical structure. Covering power and oil absorption were also examined. In addition, the influence of the pigments produced was examined regarding colouring capability in various paints, on the Hertzian Fracture Strength of pigmented glass and ceramic glaze, on the Effective hardness of pigmented epoxy resin and on bending strength and shear strength of pigmented polyethylene and polypropylene. Wollastonite pigments were found suitable for industrial application in glass, in opaque and transparent ceramic glazes, in epoxy resin, in PP and PE and water-based paints and oil-based paints.