鋁釩土含量對(duì)低膨脹高遠(yuǎn)紅外瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷性能的影響

熊 里，顧幸勇，董偉霞，羅 婷

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

鋁釩土含量對(duì)低膨脹高遠(yuǎn)紅外瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷性能的影響

熊 里，顧幸勇，董偉霞，羅 婷

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

采用煤矸石廢料、劣質(zhì)原料黑滑石和鋁釩土為主要原料，通過(guò)原位生長(zhǎng)法制備了堇青石質(zhì)低膨脹高遠(yuǎn)紅外瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷。利用XRD、SEM和性能測(cè)試研究鋁釩土含量對(duì)堇青石衛(wèi)生陶瓷性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鋁釩土含量對(duì)吸水率、抗折強(qiáng)度和膨脹系數(shù)具有較明顯的影響，而對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射率并未帶來(lái)不利的影響，所有樣品的遠(yuǎn)紅外率均保持在0．93以上。當(dāng)鋁釩土含量為27%，煤矸石33wt．%, 黑滑石37%時(shí)，陶瓷性能達(dá)到最優(yōu)：吸水率為0．04%，熱膨脹系數(shù)為 2．74×10-6/℃, 抗折強(qiáng)度為 87．4 MPa。這主要是由于樣品的主晶相堇青石含量最高，并且燒結(jié)致密化程度高，其中氣孔分布更加均勻所致。相關(guān)研究結(jié)果對(duì)環(huán)境保護(hù)和工業(yè)廢物的資源化利用有著積極意義。

鋁釩土；堇青石；瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷；低膨脹系數(shù)

0 引 言

眾所周知，隨著能源和資源的耗竭，各國(guó)都將能源和環(huán)境問(wèn)題列入了國(guó)家發(fā)展計(jì)劃。然而，建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)是一個(gè)能耗巨大的資源需求型行業(yè)，因此節(jié)約資源，降低能耗是目前建筑陶瓷行業(yè)所關(guān)注的熱點(diǎn)之一。[1]我國(guó)是一個(gè)高速發(fā)展中大國(guó)，但過(guò)去幾十年的發(fā)展也付出了不少環(huán)境代價(jià)，例如煤炭能源的開(kāi)采就使得全國(guó)各大產(chǎn)煤區(qū)堆滿了煤矸石廢料，形成了大量矸石山。以江西省萍鄉(xiāng)市為例，大型煤矸石山堆累計(jì)可達(dá)22621．51萬(wàn)噸,占地面積為6．58 平方千米，同時(shí)每年還繼續(xù)增加238．15萬(wàn)噸。[2]大量的煤矸石不僅需大量土地資源, 造成水質(zhì)污染和土壤破壞。同時(shí)也給該地區(qū)的空氣、景觀、環(huán)境帶來(lái)了不利影響。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展以及城鄉(xiāng)一體化，對(duì)建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)產(chǎn)品升級(jí)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提出了更高的要求，產(chǎn)品在原有常規(guī)功能的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一系列環(huán)保健康功能，如遠(yuǎn)紅外性能，即遠(yuǎn)紅外線照射人體時(shí)，會(huì)使人體由表及里傳導(dǎo)滲透，吸收從而產(chǎn)生溫?zé)嵝?yīng)，此時(shí)與體內(nèi)細(xì)胞組織產(chǎn)生共振、共鳴，由此促進(jìn)了細(xì)胞活性及機(jī)體的新陳代謝，越來(lái)越受到人們的重視。[3]但因衛(wèi)生陶瓷坯體吸水率較高、熱膨脹系數(shù)較大、抗熱震性差等問(wèn)題，在溫度變化的環(huán)境中常年使用，會(huì)使衛(wèi)生陶瓷坯體開(kāi)裂、釉面出現(xiàn)剝落等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致衛(wèi)生陶瓷的使用壽命變短。其中，具備低熱膨脹系數(shù)是解決衛(wèi)生陶瓷開(kāi)裂和釉面剝落的關(guān)鍵因素之一。由于堇青石具有低的熱膨脹系數(shù)(2．9×10-6/℃)以及良好的熱穩(wěn)定性能,同時(shí)具有較高的紅外輻射性能。[4-5]

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)中采用萍鄉(xiāng)煤矸石和廉價(jià)黑滑石代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑陶瓷中的主要原料制備低膨脹高遠(yuǎn)紅外堇青石質(zhì)瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷。在保證瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷具有低膨脹系數(shù)和高遠(yuǎn)紅外性能的基礎(chǔ)上，為提高建筑衛(wèi)生陶瓷的力學(xué)性能，研究鋁釩土含量對(duì)建筑衛(wèi)生陶瓷性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用萍鄉(xiāng)煤矸石和廉價(jià)的黑滑石為主要原料，選擇黑滑石:煤矸石=37∶33(wt．%)為基礎(chǔ)配比，研究鋁礬土用量22wt．%、25wt．%、27wt．%和30wt． %對(duì)建筑衛(wèi)生陶瓷性能的影響，樣品號(hào)記為B1、B2、B3、B4。通過(guò)熒光分析對(duì)各樣品進(jìn)行了化學(xué)組成分析如表1所示。將不同組成配制的混合料在室溫下球磨，烘干，造粒，壓制后，將坯體在1270 ℃下燒成。

在型號(hào)為L(zhǎng)3-5機(jī)械拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試。采用KYKY-1000B型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。XRD測(cè)試采用德國(guó)Bruker D8-Advance型X射線衍射儀進(jìn)行。根據(jù)Archimedes 排水法測(cè)定燒結(jié)樣品的吸水率和體積密度。采用中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所IR-2型的雙波段紅外輻射率測(cè)量?jī)x測(cè)試紅外輻射率，熱膨脹系數(shù)利用RPZ-01型熱膨脹系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 XRD與SEM分析

圖1是不同鋁釩土含量樣品的XRD圖譜。從圖中可以看出，大部分主要衍射峰都可標(biāo)定為堇青石相(PDF#89-1487 )。隨著鋁釩土含量的增加，堇青石的衍射峰強(qiáng)度也隨之增加。繼續(xù)增加鋁釩土含量到30%，主晶相堇青石的衍射峰強(qiáng)度有所減弱。這說(shuō)明當(dāng)鋁釩土含量為27%，樣品的結(jié)晶度最高。從表1中也證明了這一點(diǎn)。表2列出了不同鋁釩土含量樣品的結(jié)晶度和(110)衍射峰強(qiáng)度。樣品的結(jié)晶度根據(jù)公式所計(jì)算，式中X為樣品的平均結(jié)晶度，Id為晶面(110)、(020)、(002)、(221)、(022)、(402)、(224)、(351)、(006)、(263)的衍射峰強(qiáng)度之和，It為樣品所有衍射峰強(qiáng)度之和。

圖2是不同鋁釩土含量樣品的SEM斷面照片圖。從圖中可以看出，樣品均是燒結(jié)致密的，并且有獨(dú)立氣孔存在于樣品中。 當(dāng)鋁釩土含量為22%時(shí)，這些氣孔的尺寸分布較大，并且是有幾個(gè)孔貫穿形成的不規(guī)則大孔，如圖2(a)所示。當(dāng)鋁釩土含量為25%和27%時(shí)，樣品進(jìn)一步致密化，并且所存在的獨(dú)立氣孔變小，且孔變圓，如圖2(b)和2(c)所示。繼續(xù)增加鋁釩土含量到30%，獨(dú)立氣孔尺寸增加并且孔的尺寸又變大，如圖2(d)所示。這是因?yàn)殡S著鋁釩土含量的增加，組成中的氧化鎂、氧化鋁和二氧化硅含量越接近于堇青石的理論組成含量，導(dǎo)致樣品進(jìn)一步燒結(jié)致密化。當(dāng)繼續(xù)增加鋁釩土，氧化鋁含量繼續(xù)增加，使材料處在富鋁的環(huán)境中，從而使材料的玻璃相含量相對(duì)減少，而使材料的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化如孔尺寸變得不規(guī)則。樣品內(nèi)部產(chǎn)生閉氣孔，可能是主晶相堇青石本身即為疏松的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。目前，建筑衛(wèi)生陶瓷體積龐大且重量大，這為后續(xù)的工藝生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝使用帶來(lái)不利的影響，考慮到本試驗(yàn)中所制備的樣品均呈現(xiàn)閉口氣孔，在某種程度上可以大大減輕衛(wèi)生陶瓷的重量，使之輕量化。

表1 坯體的化學(xué)組成 /%Tab.1 Chemical composition of the body /%

2.2 鋁礬土對(duì)燒結(jié)性能的影響

圖3是不同鋁釩土含量樣品的燒結(jié)性能。從圖中可見(jiàn)，所有樣品的吸水率均小于0．3%，并且樣品的體積密度均不大于2．14 g/cm3。隨著鋁釩土含量的增加，樣品的吸水率逐漸減小，相應(yīng)地，體積密度逐漸增加。當(dāng)鋁釩土含量為27%時(shí)，樣品的吸水率達(dá)到最小值0．04%和體積密度最大值2．14 g/cm3。結(jié)合圖1和表2可知，當(dāng)鋁釩土含量為27%時(shí)，樣品的結(jié)晶度最大為81%，并且其樣品的燒結(jié)致密化程度高，同時(shí)所存在的氣孔規(guī)則而均勻(圖2)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，樣品的吸水率都小于0．3%，這說(shuō)明所存在的氣孔應(yīng)該為封閉氣孔。為了證明是閉口氣孔，對(duì)鋁釩土含量27%和30% 的樣品的斷面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步放大， 如圖4所示，從圖中看出樣品的氣孔呈現(xiàn)閉口氣孔。繼續(xù)增加鋁釩土含量，樣品的吸水率反而增加和體積密度減小。這主要是由于隨著鋁釩土含量的繼續(xù)增加，導(dǎo)致顯微結(jié)構(gòu)變化如堇青石晶相減小和氣孔變大且不規(guī)則，如圖1和2(d)所示。

圖1 不同鋁釩土含量樣品的XRD衍射圖譜(a)22%，(b)25%，(c)27%，(d)30%

表2 不同鋁釩土含量樣品的結(jié)晶度和衍射峰強(qiáng)度Tab.2 Diffraction peak intensity and crystallinity degree of the samples with different bauxite content

圖2 不同鋁釩土含量樣品的SEM斷面照片圖(a)22%，(b)25%，(c)27%，(d)30%

2.3 鋁礬土對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖3 鋁釩土對(duì)燒結(jié)性能的影響Fig.3 Effect of bauxite content on sintering properties

圖4 不同鋁釩土含量樣品的SEM斷面放大照片圖(a)27%, (b)30%Fig.4 Magnified SEM images of the samples with different bauxite content: (a)27%, (b)30%

圖4 是不同鋁釩土含量對(duì)樣品抗折強(qiáng)度的示意圖。從圖4可見(jiàn)，隨著鋁釩土含量的增加，抗折強(qiáng)度先增加而后減小，當(dāng)鋁釩土含量為27%， 樣品的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值87．4MPa。這可能是隨著鋁釩土含量的增加，其樣品的顯微結(jié)構(gòu)不同所致，從圖2和圖4中樣品的斷面SEM電鏡掃描圖可以看出，樣品的燒結(jié)致密化不同，內(nèi)部所存的氣孔的孔尺寸和規(guī)則程度不同。當(dāng)鋁釩土含量為27%時(shí)，樣品的燒結(jié)致密化程度較高，孔分布更加均勻而且孔變圓，因此樣品所表現(xiàn)出來(lái)的抗折強(qiáng)度均優(yōu)于其它樣品。

圖5 鋁釩土含量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of bauxite content on bending strength

圖6 鋁釩土對(duì)膨脹系數(shù)和紅外輻射率的影響Fig.6 Effect of bauxite content on thermal expansion coefficient and far infared properties

2.4 鋁礬土對(duì)衛(wèi)生陶瓷的膨脹系數(shù)和紅外輻射率的影響

圖5是鋁釩土含量對(duì)樣品膨脹系數(shù)和紅外輻射率的影響圖。從圖5中可見(jiàn)，樣品均保持著較低的膨脹系數(shù)，均小于2．89×10-6/℃和較高的紅外輻射率0．95。隨著鋁釩土含量的增加，樣品的熱膨脹系數(shù)降低而后略有增加，當(dāng)鋁釩土含量為25%，27%時(shí)，熱膨脹系數(shù)達(dá)到最小值分別為2．74×10-6/℃和2．75×10-6/℃，如圖5(a)所示。這可能是因?yàn)殡S著鋁釩土含量的增加，使得樣品中的堇青石主晶相的生成量有所增加而后減小(圖1和表1)，因而膨脹系數(shù)先減小后增加。而紅外輻射系數(shù)隨著鋁釩土含量的變化，先增加而后減小，鋁釩土含量為25%，27%時(shí)，樣品的紅外輻射率0．95，如圖5(b)所示。這是因?yàn)檩狼嗍瘜儆诟呒t外物質(zhì)[6-7]，所有樣品均都是由堇青石晶相組成，因此所有樣品均表現(xiàn)出較高的紅外輻射率。當(dāng)鋁釩土含量增加導(dǎo)致堇青石含量增加，坯體紅外輻射率也隨之增加，隨著鋁釩土含量的繼續(xù)增加，堇青石含量減小，因此樣品的紅外輻射率又隨之有所下降。

3 結(jié) 論

隨著鋁釩土含量的變化，低膨脹高遠(yuǎn)紅外衛(wèi)生陶瓷性能如燒結(jié)性能、力學(xué)強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)在鋁釩土含量為27%達(dá)到最優(yōu)，但鋁釩土含量繼續(xù)增加到30wt．%, 衛(wèi)生陶瓷的性能卻有所下降。然而鋁釩土的變化對(duì)遠(yuǎn)紅外性能并未有不利影響，所有樣品的遠(yuǎn)紅外輻射率為0．93以上。當(dāng)鋁釩土含量為27wt．%，煤矸石34wt．%, 黑滑石38%時(shí)，該樣品的性能最佳：吸水率為0．04%，抗折強(qiáng)度為 87．4 MPa，熱膨脹系數(shù)為 2．74×10-6/℃。這主要是由于隨著鋁釩土含量的增加，堇青石晶相逐漸增強(qiáng)并且其致密化程度逐漸加強(qiáng)，氣孔尺寸分布更加均勻，并且孔尺寸減少，從而使堇青石衛(wèi)生陶瓷保持低的熱膨脹系數(shù)和高的遠(yuǎn)紅外性能。

[1] 周健兒, 程曉勤． 廣東建筑陶瓷技術(shù)路線圖[M]． 天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社, 2010．

[2] 常允新, 朱學(xué)順，宋長(zhǎng)斌, 等．煤矸石的危害與防治[J]． 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào), 2001, 12(2): 39-43．

[3] 王寧, 陳武． 工業(yè)固體廢棄物資源綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀研究[J]．農(nóng)業(yè)與技術(shù), 2014, 34(2): 251-252．

[4] 焦永峰, 洑義達(dá), 陸嬋娟． 堇青石基紅外陶瓷的研究現(xiàn)狀[J]． 硅酸鹽通報(bào), 2008, 27(4): 782-785．

[5] 任強(qiáng), 武秀蘭． 合成堇青石陶瓷材料的研究進(jìn)展[J]． 中國(guó)陶瓷, 2004, 40(5): 23-25．

[6] 羅婷, 顧幸勇, 吳軍明． 高紅外發(fā)射率建筑陶瓷玻化磚的研制[J]． 紅外技術(shù), 2008, 30(7): 421-424．

[7] 顧幸勇, 董麗娜, 羅婷, 等． 不同鎂質(zhì)原料對(duì)建筑衛(wèi)生陶瓷坯體紅外性能的影響[J]． 中國(guó)陶瓷, 2012, 48(3): 37-39．

Effect of Bauxite Content on the Properties of Low Thermal Expansion Far Infrared Sanitary Ceramics

XIONG Li, GU Xingyong, DONG Weixia, LUO Ting
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

In this paper, cordierite sanitary ceramics with low thermal expansion and high far- infrared properties were successfully prepared by in situ synthesis, using low-cost coal gangue, black talc and bauxite as raw material. The effects of bauxite addition on their properties were studied by XRD, SEM analysis and performance tests. The results showed that bauxite content had beneficial effects on their thermal expansion coefficient and bending strength, and no negative influence on their high far-infrared radiation, which was kept above 0.93. The optimum water absorption of 0.04% , expansion cofficient of 2.74×10-6/℃ and bending strength of 87.4 MPa could be achieved in the presence of 27 wt.% bauxite, 33 wt.% coal gangue and 37 wt.% black talc. The properties improvement was mainly due to the presence of more cordierite phases and higher sintering densification, and better pore distribution compared to other samples. The study has a positive application for environmental protection and reutilization of industrial wastes as resources.

bauxite; cordierite; vitrified sanitary ceramics; low thermal expansion

TQ174.75

A

1006-2874(2014)03-0009-05

2014-03-10。

2014-03-18。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(編號(hào)：51262014)。

顧幸勇，男，教授。

Received date: 2014-03-10. Revised date: 2014-03-18.

Correspondent author:GU Xingyong, male, Professor.

E-mail:guxing-y@163.com