熔劑性原料對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷性能影響研究*

謝志軍　汪慶剛,　蕭禮標(biāo),3　閆振華　劉一軍　黃劍鋒

(1 蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司　廣東 佛山　510055)(2 陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院　西安　710021)(3 西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院　西安　710055)

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熔劑性原料對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷性能影響研究*

謝志軍1汪慶剛1,2蕭禮標(biāo)1,3閆振華1劉一軍1黃劍鋒2

(1 蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司廣東 佛山510055)(2 陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院西安710021)(3 西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院西安710055)

以普通陶瓷坯體為樣本，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、硅灰石和滑石4種熔劑對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷的容重、斷裂模數(shù)以及綜合形貌等方面的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：硅灰石對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷容重、斷裂模數(shù)影響最大，鉀長(zhǎng)石對(duì)綜合形貌影響最大。最終確定了最優(yōu)配方，制得了陶瓷容重為0.82 g/cm3，斷裂模數(shù)為8.3 MPa的輕質(zhì)多孔陶瓷，其氣孔大小均勻，以0.2～0.5 mm的閉氣孔為主。

熔劑正交實(shí)驗(yàn)質(zhì)多孔陶瓷

在高溫發(fā)泡陶瓷制備燒成中，熔劑性原料起著重要作用，直接影響著發(fā)泡陶瓷的孔徑結(jié)構(gòu)[1～2]。建筑陶瓷生產(chǎn)中常用的熔劑性原料主要是指含堿金屬和堿土金屬氧化物的礦物原料，如：鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、硅灰石、滑石等。這些礦物原料中的K2O、Na2O、CaO、MgO 等氧化物起著硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)修飾的作用，能促進(jìn)高溫化學(xué)反應(yīng)，加速高熔點(diǎn)晶體化學(xué)鍵的斷裂和低共熔物的生成，為氣泡的成核和長(zhǎng)大提供了必備的熔體環(huán)境[3～4]。

由于陶瓷原料的種類(lèi)繁多，不同陶瓷企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中所用的原料不盡相同。筆者通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、滑石、硅灰石等礦物添加量對(duì)發(fā)泡陶瓷性能的影響規(guī)律，以期在高溫發(fā)泡陶瓷中形成以中小閉氣孔為主的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)材料配方優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，選擇在陶瓷坯料中分別加入鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、滑石、硅灰石4種常用的熔劑礦物，研究不同礦物添加量對(duì)發(fā)泡陶瓷性能的影響。實(shí)驗(yàn)所用原料的化學(xué)組成如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)用原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

本實(shí)驗(yàn)采用固定陶瓷坯料配方，對(duì)4種熔劑性原料進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，研究了不同熔劑性原料添加量對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷各項(xiàng)性能的影響。對(duì)鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、硅灰石、滑石的添加量進(jìn)行4水平4因素的正交試驗(yàn)L16(45)。正交試驗(yàn)因素水平表如表2所示。

表2　正交試驗(yàn)因子水平表(質(zhì)量%)

正交試驗(yàn)方案如表3所示，在陶瓷坯料中根據(jù)表中配方加入不同質(zhì)量的4種原料，經(jīng)球磨、干燥、造粒、干壓成形后，放入高溫爐中燒成，以5 ℃/min的升溫速率升溫至 1 200 ℃，保溫30 min后隨爐冷卻。每個(gè)水平做5組平行試驗(yàn)，結(jié)果取其平均值，以減少誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2　結(jié)果與討論

2.1正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)制備出的試樣進(jìn)行性能測(cè)試，所得到的配方樣品的容重、斷裂模數(shù)、綜合形貌如表3所示。表3中綜合形貌參考表面氣孔、燒成試樣平整度、變形度大小，是否有鼓包，開(kāi)裂、斷面氣孔均勻性等，作為表征試樣性能的一個(gè)參考因素。我們將形貌按照1～5分進(jìn)行評(píng)分，分別由3個(gè)人給出分值，并求出平均值。1分代表形貌最差的試樣(如，發(fā)生分層，且試樣表面鼓泡嚴(yán)重)；而5分代表形貌最好的試樣(如表面平整，無(wú)翹角、塌角現(xiàn)象，氣孔分布均勻)。

正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3　正交試驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

表4　正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果直觀分析

由極差分析可知，各因素對(duì)容重影響顯著程度的順序?yàn)椋汗杌沂?燒滑石>鉀長(zhǎng)石>鈉長(zhǎng)石。輕質(zhì)多孔陶瓷的容重越小越好，因此其最優(yōu)配比為：A4B4C2D4；各因素對(duì)斷裂模數(shù)影響大小的順序?yàn)椋汗杌沂?燒滑石>鈉長(zhǎng)石>鉀長(zhǎng)石，最優(yōu)配比為：A3B4C4D2；各因素對(duì)綜合形貌影響顯著程度的順序?yàn)椋衡涢L(zhǎng)石>燒滑石>硅灰石>鈉長(zhǎng)石。

通過(guò)正交試驗(yàn)分析可知，堿土金屬氧化物對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷容重和斷裂模數(shù)的影響要高于堿金屬氧化物，這是因?yàn)榛凸杌沂械?Mg2+和Ca2+電荷少、半徑大、和 O2-的作用力較小，提供了硅酸鹽熔體中的“自由氧”而使 O/Si 比值增加，導(dǎo)致原來(lái)硅氧負(fù)離子團(tuán)解聚成較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單位，因而使活化能降低、熔體粘度變小；另一方面 Mg2+、Ca2+離子勢(shì) Z/r 較K+、Na+的大，能奪取硅氧負(fù)離子團(tuán)中的O2-來(lái)包圍自己，導(dǎo)致硅氧負(fù)離子團(tuán)聚合，增加了熔體粘度，使得坯體更易于燒結(jié)，容重和斷裂模數(shù)更大。同時(shí)，Ca2+降低熔體粘度的能力要強(qiáng)于Mg2+，即硅灰石高溫熔化成的熔體粘度要低于滑石高溫熔體，因此硅灰石的影響要強(qiáng)于滑石。

2.2最佳配方及樣品性能

結(jié)合正交試驗(yàn)分析可知，容重因素水平配方為A4B4C2D4，斷裂模數(shù)大小因素水平配方為A3B4C4D2，而綜合形貌因素水平配方為A2B2C4D3。實(shí)驗(yàn)中要獲得容重低、強(qiáng)度高且形貌均勻的輕質(zhì)多孔陶瓷，綜合選用的最佳配方為A3B4C3D3(見(jiàn)表5)。

表5　輕質(zhì)多孔陶瓷溶劑的最佳配方(wt%)

將以上原料加入陶瓷坯料中，并加入0.5%的SiC顆粒，經(jīng)球磨、噴霧造粒、燒成后，可得到容重為0.82 g/cm3，斷裂模數(shù)為8.3 MPa的輕質(zhì)多孔陶瓷。其產(chǎn)品的剖面局部放大圖如圖1所示。由圖1可以看出，所制備的試樣氣孔大小均勻，以閉氣孔為主，氣孔大小為0.2～0.5 mm。

圖1　最佳工藝制備輕質(zhì)多孔陶瓷的顯微照片

3　結(jié)論

1)通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、硅灰石、滑石4種常用熔劑對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷容重、斷裂模數(shù)、綜合形貌等性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：硅灰石對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷容重、斷裂模數(shù)影響最大，鉀長(zhǎng)石對(duì)綜合形貌影響最大；堿土金屬氧化物加入量對(duì)輕質(zhì)多孔陶瓷性能的影響要高于堿金屬氧化物。

2)根據(jù)正交試驗(yàn)分析，得出了最佳配方?；谧罴雅浞?，可得到容重為0.82 g/cm3，斷裂模數(shù)為9.3 MPa的輕質(zhì)多孔陶瓷，其氣孔大小均勻，以閉氣孔為主，氣孔大小為0.2～0.5 mm。

1張留生,邱永斌.高溫發(fā)泡陶瓷及其應(yīng)用[J]. 保溫材料與建筑節(jié)能,2005(5):8～59

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3余劍鋒,劉江春.幾種多孔陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)及孔徑控制的方法[J]. 佛山陶瓷,2011,21(10)：40～43

4鞠銀燕,宋世華,陳曉峰.多孔陶瓷的制備、應(yīng)用及其研究進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào),2007,26(5)：969～975

5Vasina M,Hughes D C,Horoshenkov K V,et al.The acoustical properties of consolidated expanded clay granulates[J].Applied Acoustics,2006,(67):787～796

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7繆松蘭.陶瓷工藝學(xué)[M]. 北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2010

Study on Flux of Materials on Lightweight Porous Ceramics

Xie Zhijun1,Wang Qinggang1,2,Xiao Libiao1,3,Yan Zhenhua1,Liu Yijun1,Huang Jianfeng2

(1 Monalisa Group Co.,Ltd,Guangdong,Foshan,510055)(2 School of Materials Science & Engineering of Shaaxi University of Science & Technology,Xi'an,710021)(3 College of Materials Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,710055)

The influence of potash feldspar, sodium feldspar, wollastonite and talc on the bulk density, rupture modulus and composite morphology of light porous ceramics were investigated through the orthogonal test. The results showed the wollastonite had the greatest influence on bulk density and rupture modulus, while the potassium feldspar had greatest influence on integrated morphology. The lightweight porous ceramics with bulk density of 0.82 per cubic centimeter, rupture modulus of 8.3 MPa were prepared accompanied by mainly closed pores of 0.2～0.5 mm stomatal size with optimized formula.

Flux; Orthogonal experiments; Lightweight porous ceramics

陜西省陶瓷材料綠色制造與新型功能化應(yīng)用重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013KCT-06)。

謝志軍(1972-)，本科，高級(jí)工程師；主要從事建筑陶瓷制備理論及工藝研究。

TB321

A

1002-2872(2016)08-0020-04