防靜電陶瓷磚的制備與性能研究

金國庭　徐瑜　王毅

摘 要：本文以仿古磚凈白料（一種制備仿古磚用的陶瓷配合料，下簡(jiǎn)稱凈白料）、AZO粉體（ZnO導(dǎo)電粉，下同）為原料，采用獨(dú)創(chuàng)的包裹技術(shù)制備了體電阻值達(dá)107Ω的淺色防靜電陶瓷磚。同時(shí)，探討了不同的包裹工藝參數(shù)對(duì)防靜電陶瓷磚性能的影響，并利用吸水率測(cè)定儀、數(shù)顯式抗折儀、無釉磚耐磨試驗(yàn)儀，以及絕緣電阻測(cè)試儀表征樣品的吸水率、抗折強(qiáng)度、耐磨度和導(dǎo)電性能。結(jié)果表明：在1170 ℃燒結(jié)溫度下，采用包裹技術(shù)獲得了性能優(yōu)良的防靜電陶瓷磚，樣品吸水率為0.05 %、抗折強(qiáng)度達(dá)44.10 MPa、耐磨度為205.00 mm3、表面電阻為5.90×107Ω、體積電阻為3.10×107Ω。因此，采用包裹技術(shù)能夠制備出性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的防靜電陶瓷磚。

關(guān)鍵詞：防靜電陶瓷；AZO導(dǎo)電粉；包裹工藝；表面電阻；體積電阻

1 前言

防靜電陶瓷磚是一種新型的防靜電產(chǎn)品。以往的防靜電產(chǎn)品，如：環(huán)氧和三聚氰胺、PVC防靜電涂料、地板、防靜電橡膠板等高分子材料，其具有易老化、不耐磨、易污染、耐久性和防火欠佳等缺點(diǎn)。而防靜電陶瓷磚正好克服了上述的缺點(diǎn)。同時(shí)，又兼具了陶瓷墻地磚耐磨、抗污能力強(qiáng)、裝飾效果較好的優(yōu)點(diǎn)，是防靜電PVC、水磨石、花崗巖等材料的優(yōu)良替代品?，F(xiàn)有的防靜電陶瓷主要是通過摻和法制備的，即通過在基體中摻入一定量的導(dǎo)電填料，再通過煅燒而形成復(fù)合導(dǎo)電材料[1-2]。

目前，對(duì)防靜電陶瓷磚的研究主要集中在釉面導(dǎo)電瓷磚和通體導(dǎo)電瓷磚兩方面。Nakarnura[3]等提出了ATO（Sb摻雜SnO2，下同）在玻璃體中的導(dǎo)電模型，將ATO加入到陶瓷的釉中，釉層燒成后形成富含半導(dǎo)體成分的熔體層，熔體層相互接觸，形成了良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而使釉面電阻下降，達(dá)到防靜電的要求。華南理工大學(xué)的顏東亮[4-6]分別將ATO包覆氧化硅和ATO包覆硅酸鋯導(dǎo)電粉加入到陶瓷透明釉中，制備出了淺色防靜電陶瓷磚。華南理工大學(xué)的汪永清[7]以ATO半導(dǎo)體為導(dǎo)電填料，選取透明釉、鋇無光釉、鋯乳濁釉為基釉進(jìn)行了防靜電陶瓷的研制，探討了釉中晶相對(duì)防靜電陶瓷電性能的影響。此類釉面防靜電磚雖然都達(dá)到了一定防靜電要求，但由于只是釉面層導(dǎo)電，在工程實(shí)際鋪貼時(shí)存在施工難度大，工程整體防靜電性能不穩(wěn)定等問題。佛山市中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陶瓷研發(fā)中心蔡曉峰[8]和廣東東鵬陶瓷股份有限公司的范玉容[9]將所制得的導(dǎo)電AZO粉料按一定比例與陶瓷拋光磚坯料相混合，煅燒后得到通體導(dǎo)電陶瓷磚。此方法的缺點(diǎn)是坯體成形困難，壓制出來的坯體強(qiáng)度低，且生產(chǎn)成本較高。因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)制備技術(shù)，尋找一種簡(jiǎn)便、廉價(jià)工藝將導(dǎo)電填料均勻引入坯體中，是實(shí)現(xiàn)防靜電陶瓷磚批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

本文將AZO導(dǎo)電粉制備成漿料；然后將其霧化后包裹在凈白料的表面上，進(jìn)而將包覆有導(dǎo)電粉的凈白料壓制成形；最后煅燒得到通體導(dǎo)電陶瓷磚。采用該工藝制備出了導(dǎo)電性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本較低的防靜電陶瓷磚。目前，通過包裹技術(shù)來制備防靜電陶瓷磚的研究還未見報(bào)道。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 樣品制備

以仿古磚凈白料（佛山某公司生產(chǎn)）為核，殼物質(zhì)的AZO導(dǎo)電粉以漿料的形式霧化沉積在核顆粒表面而獲得包裹有AZO導(dǎo)電粉的仿古磚凈白料。此凈白料經(jīng)壓制成形、干燥后置于電爐中燒成，得到防靜電陶瓷磚。包裹過程示意圖如圖1所示，其具體制備過程如下：

（1） 取仿古磚凈白料，過80目篩，取20～80目粒徑的粉料，并控制粉料的含水率為3%；

（2） 在AZO導(dǎo)電粉中加入0.3%坯用甲基、0.3%減水劑、一定量的水，要求控制漿料的含水率為40 %，慢速球磨30 min后，得到AZO導(dǎo)電粉漿料；

（3） 將步驟（2）中得到的AZO導(dǎo)電粉漿料霧化后均勻包裹于步驟（1）得到的仿古磚凈白料上，其中，導(dǎo)電粉加入量占所有干料量7.5wt%（以下無特殊說明，導(dǎo)電粉的添加量均為7.5wt%），包裹完成之后將粉料含水率調(diào)整為6%；

（4） 將包裹有導(dǎo)電粉的凈白料干壓成120mm×80mm×6mm的試樣，干燥后，在1170℃條件下煅燒，保溫30 min，得到防靜電陶瓷磚。

2.2 樣品的表征

根據(jù)阿基米德原理，采用靜力稱重法測(cè)定樣品的吸水率（Wa，%）；采用佛山市華洋設(shè)備有限公司制型號(hào)為HYK-10000A的數(shù)顯式抗折儀測(cè)試樣品的抗折強(qiáng)度，樣品的尺寸為120mm×80mm、測(cè)試跨距為100mm、加載速度為0.5 mm/min；采用無釉磚耐磨試驗(yàn)儀（LM-Ⅱ型，湘纜集團(tuán)湘潭儀器儀表廠）對(duì)樣品耐磨度進(jìn)行表征；通過數(shù)字式絕緣電阻表（PC27型，上海遠(yuǎn)中電子儀器廠）測(cè)定試樣表面電阻和體電阻，測(cè)試條件為環(huán)境溫度為25℃、濕度為35%。

3 結(jié)果與討論

3.1 包覆工藝參數(shù)對(duì)陶瓷磚電性能的影響

3.1.1凈白料粒度對(duì)陶瓷磚電性能的影響

不同粒度凈白料制備的陶瓷磚電性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，隨著凈白料粒徑變小，陶瓷磚的電阻變大。凈白料的粒度為20～30目時(shí)，陶瓷磚的電阻最小，其表面電阻為1.6×107Ω、體電阻為5.7×106Ω。因?yàn)榧?xì)顆粒比表面積大，在包裹同樣多的導(dǎo)電粉時(shí)，大顆粒粉料包裹的導(dǎo)電粉比細(xì)顆粒多，導(dǎo)電顆粒之間的距離不斷減小，更容易形成比較連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，陶瓷磚的電阻變小。

綜上所述，凈白料應(yīng)選取粒徑為20～60目的粉料。但是考慮到陶瓷磚的成形，粉料的粒徑分布必須合理，才能得到較緊密的顆粒堆積，保證成形后坯體具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。因此，在陶瓷磚中要求20～60目的凈白料占80%，60～80目的占20%。

3.1.2 包裹前凈白料含水率對(duì)陶瓷磚電性能的影響

包裹前凈白料含水率對(duì)陶瓷磚電性能的影響如圖2所示。

從圖2中可以看出，陶瓷磚的電阻并未隨著凈白料含水率的變化而呈規(guī)律性變化。當(dāng)凈白料的含水率為4%時(shí)，陶瓷磚的電阻最小，其表面電阻為1.9×107Ω、體電阻為1.7×107Ω。凈白料的含水率的多少直接影響導(dǎo)電漿料在其表面的包裹厚度，進(jìn)而影響陶瓷磚的導(dǎo)電性能。粉體間的間隙相當(dāng)于一束毛細(xì)管，由于毛細(xì)作用，液體能自發(fā)滲透進(jìn)入粉體間隙中，稱為毛細(xì)上升效應(yīng)。毛細(xì)作用取決于液體的表面張力和對(duì)固體的接觸角，表面張力愈小，液固間粘附力愈大，愈容易發(fā)生潤(rùn)濕。凈白料含水率太大，導(dǎo)電粉漿料與凈白料不易發(fā)生潤(rùn)濕而不易包裹在其表面，陶瓷磚的電阻較大，達(dá)不到防靜電的要求。凈白料的含水率太低，較易提高導(dǎo)電粉的用量，提高生產(chǎn)成本。因此，包裹前凈白料的含水率應(yīng)控制在2%～4%時(shí)最佳。

3.1.3導(dǎo)電粉的加入量對(duì)陶瓷磚電性能的影響

不同添加量的導(dǎo)電粉制備的陶瓷磚電性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著導(dǎo)電粉AZO添加量的增加，陶瓷磚的電阻值逐漸降低。當(dāng)加入量小于5.5wt%時(shí)，由于導(dǎo)電粉在陶瓷體內(nèi)仍以孤島狀存在，形成不了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，陶瓷磚的電阻值大于109Ω，防靜電效果極差。當(dāng)導(dǎo)電粉的加入量大于7.5wt%時(shí)，AZO顆粒在陶瓷體內(nèi)開始出現(xiàn)相互聯(lián)接，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，特別是加入量為7.5wt%時(shí)，陶瓷磚的電阻值達(dá)到107Ω數(shù)量級(jí)，可以滿足防靜電陶瓷磚的電阻值的要求。繼續(xù)增加導(dǎo)電AZO導(dǎo)電粉的添加量，陶瓷磚的電阻值還可能降低，考慮到制造成本，應(yīng)盡量減少AZO導(dǎo)電粉的添加量。因此，包裹工藝導(dǎo)電粉的最佳添加量為7.5%。

3.1.4導(dǎo)電粉的細(xì)度對(duì)陶瓷磚電性能的影響

將AZO導(dǎo)電粉進(jìn)行過篩，分成不同細(xì)度的AZO導(dǎo)電粉，所得陶瓷磚的電性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，AZO導(dǎo)電粉的細(xì)度對(duì)陶瓷磚的電阻值有一定的影響。導(dǎo)電粉越細(xì)，陶瓷磚的電阻越小。200目篩下的導(dǎo)電粉制備的陶瓷磚的電阻最小，其表面電阻為8.7×107Ω、體電阻為1.4×107Ω。顆粒太粗不利于防靜電陶瓷磚的制備，因?yàn)樵谔沾审w內(nèi)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)較少，陶瓷磚的電阻值高；而太細(xì)的AZO導(dǎo)電粉加工非常困難，極易提高能耗。在綜合考慮現(xiàn)有陶瓷磚制備工藝條件下，AZO導(dǎo)電粉的顆粒度一般控制在80～120目為好。

3.2 導(dǎo)電粉的加入對(duì)陶瓷磚吸水率、耐磨度和強(qiáng)度的影響

將80～120目的AZO導(dǎo)電粉漿料（導(dǎo)電粉的添加量7.5wt%）為殼物質(zhì)，以含水率為2%仿古磚凈白料（20～80目）為核，按照步驟將導(dǎo)電粉漿料包裹于凈白料的表面，將包裹好的粉料經(jīng)干壓成形，煅燒到1170℃，保溫30min制得防靜電陶瓷磚。取仿古磚凈白料直接干壓成形，煅燒到1170℃，保溫30min制得仿古磚。防靜電陶瓷磚和仿古磚的物理性能如表4所示。

由表4可知，AZO導(dǎo)電粉引入仿古磚凈白料中，防靜電陶瓷磚的物理性能發(fā)生了一些變化。陶瓷磚的吸水率在AZO導(dǎo)電粉加入后變小，這主要是因?yàn)锳ZO導(dǎo)電粉是一種粒徑比較小、比重輕的物質(zhì)，而且又有分散性差等特點(diǎn)，填充的空隙率相對(duì)較少。陶瓷磚的抗折強(qiáng)度在AZO導(dǎo)電粉加入后略有降低。這可以解釋為氧化鋅的加入會(huì)降低陶瓷的燒成溫度，當(dāng)AZO導(dǎo)電粉的加入量達(dá)到某個(gè)程度時(shí)，在相同的燒成溫度下，會(huì)導(dǎo)致陶瓷的微膨脹，陶瓷的吸水率提高，宏觀上表現(xiàn)為抗折強(qiáng)度下降。而AZO導(dǎo)電粉的引入并沒有影響陶瓷磚的耐磨度。

4 結(jié)論

（1） 以AZO導(dǎo)電粉漿料為殼物質(zhì)，仿古磚凈白料為核，采用包裹技術(shù)能夠制備出性能優(yōu)良的防靜電陶瓷磚。

（2） 陶瓷磚的電性能與AZO導(dǎo)電粉添加量和導(dǎo)電粉細(xì)度密切相關(guān)。在仿古磚凈白料和AZO導(dǎo)電粉為初始原料的組成中，陶瓷磚的電阻隨導(dǎo)電粉添加量的增加而減小，隨導(dǎo)電粉細(xì)度變細(xì)而變小。而仿古磚凈白料的粒度分布和含水率對(duì)制備防靜電陶瓷磚也有一定的影響。因此，在陶瓷磚中要求20～60目的凈白料占80%，60～80目的占20%；包裹前凈白料的含水率應(yīng)控制在2%～4%最佳；AZO導(dǎo)電粉的顆粒度一般控制在80～120目為好。

（3） AZO導(dǎo)電粉加入（添加量7.5wt%）會(huì)影響陶瓷磚的一些物理性能，但影響程度不大。

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