透光陶瓷磚性能及研究進(jìn)展*

(蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司 廣東 佛山 528211)

2016年博羅尼亞陶瓷展，陶麗西研發(fā)的透光陶瓷磚引起了廣泛的關(guān)注[1]。透光陶瓷磚在燈光照射下，可以很好地表現(xiàn)圖案的紋理和質(zhì)感，大大地提升了陶瓷磚的裝飾效果[2]。筆者主要從影響透光陶瓷磚的透光率因素綜述了目前透光陶瓷磚發(fā)展現(xiàn)狀和展望了透光陶瓷磚未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 影響透光陶瓷磚透光率因素

圖1 入射光線各種損失示意圖

陶瓷的透光性受到雜質(zhì)、晶界結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、表面氣孔、燒成制度、原料等影響。當(dāng)入射光照射在陶瓷表面，在表面顯微結(jié)構(gòu)的作用下，入射光發(fā)生折射、反射和散射的現(xiàn)象，從而影響陶瓷磚的透光率，如圖1所示[3]。通過查閱文獻(xiàn)資料可知，影響陶瓷通光率的主要因素是原料、晶界結(jié)構(gòu)、晶粒大小和氣孔[4～5]。

1.1 原料

原料的純度、顆粒大小和添加劑對(duì)陶瓷透光率具有較大的影響，因此制備透光陶瓷要求雜質(zhì)少、顆粒小和添加少量添加劑。 當(dāng)原料中含有雜質(zhì)時(shí)，在煅燒過程中容易形成折射率不同于主晶相的相，入射光線將會(huì)在陶瓷內(nèi)部形成光的反射和折射，導(dǎo)致入射光線強(qiáng)度降低。此外原料的顆粒大小也會(huì)在一定程度影響透光效果，這是因?yàn)轭w粒越小，燒結(jié)時(shí)氣孔擴(kuò)散到晶界所需要的時(shí)間越短，氣孔越容易被排出。隨著氣孔率降低，入射光線發(fā)生折射和反射概率降低，陶瓷透光性越好，因此制備陶瓷透光粉料顆粒大小相比普通的坯料粉料小，降低氣孔率，從而提高透光率。

一方面添加劑通過降低透光陶瓷磚的燒結(jié)溫度來(lái)改善效果，另一方面通過抑制晶體的生長(zhǎng)，使氣孔能夠充分地排出進(jìn)而提高致密度，提高透光率。

1.2 晶界結(jié)構(gòu)

當(dāng)入射光線垂直晶界入射時(shí)，反射系數(shù)R12為：

R12=[(N12-1)/(N12+1)]2，N12=N1/N2

(1)

式中： N1——晶粒的折射率；

N2——晶界折射率；

N12——晶界相對(duì)晶粒的折射率。

由式(1)可知，當(dāng)陶瓷由單一晶相組成時(shí)，晶界與晶粒折射率相同，將不會(huì)引起入射光線發(fā)生反射和折射，此時(shí)透光率達(dá)到最大；當(dāng)陶瓷含有多個(gè)晶相時(shí)，晶界和晶粒折射率將不相同，引起入射光線發(fā)生反射和折射；當(dāng)晶界數(shù)量較多，入射光線將會(huì)發(fā)生連續(xù)反射和折射，降低透光率。從應(yīng)建新等[6]研究中可知，當(dāng)晶界與晶粒的相對(duì)折射率為1時(shí)，入射光透過率為100%；當(dāng)相對(duì)折射率為0.9時(shí)，透過率降低到50%；當(dāng)相對(duì)折射率為0.85時(shí)，透過率僅為5%左右。因此當(dāng)陶瓷含有多個(gè)晶相，晶界和晶粒折射率相差較大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致透光效果較差。

1.3 晶粒大小

晶粒的大小也是影響陶瓷透光率的重要因素。當(dāng)晶粒大小和入射光波長(zhǎng)接近時(shí)，散射作用最強(qiáng)，透光率最低；只有當(dāng)晶粒大小和入射光波長(zhǎng)相差較大時(shí)，透光率才較高。當(dāng)晶粒大小大于入射光波長(zhǎng)時(shí)，透光率隨著晶粒尺寸的增加而提高，這是由于當(dāng)晶粒尺寸越大，晶界越少，光在晶界上的散射就越小，最終提高透光率；當(dāng)晶粒尺寸小于入射光波長(zhǎng)時(shí)，透光率隨著晶粒尺寸的降低而提高，這是由于此時(shí)兩者尺寸相差越大時(shí)，衍射作用越明顯，降低散射損耗，透光率得以提高。

1.4 氣孔

圖2透過率隨氣孔率的變化

氣孔可分為晶界氣孔和晶體內(nèi)部氣孔。晶體內(nèi)部氣孔在燒結(jié)過程中較難排出，此時(shí)相當(dāng)于增加了一個(gè)氣體和真空的界面，由于兩者間折射率相差較大，容易出現(xiàn)反射作用，降低透光率。從應(yīng)建新等研究中可知，透光率隨著氣孔率的增加而降低。如圖2所示，當(dāng)氣孔率為0.3%時(shí)，透光率高達(dá)98.6%；當(dāng)氣孔率為1%時(shí)，透光率下降到93%；當(dāng)氣孔率為3%時(shí)，透光率僅為81%。透光率除了受氣孔率影響外，還與氣孔的大小有關(guān)，如圖3所示[7]。透光率隨著氣孔增大，先降低后增加，當(dāng)氣孔大小和入射光的波長(zhǎng)接近時(shí)，透光率最低。所以在燒結(jié)過程中，一方面要控制氣孔率，另一方面要控制氣孔的大小，使透光率達(dá)到最大值。

圖3 透光率隨氣孔尺寸的變化

2 透光陶瓷磚研究進(jìn)展

透光陶瓷磚的研究主要集中在提高透光陶瓷磚白度、透光率、裝飾效果及解決成形難、容易變形等問題。

2.1 變形

引起透光陶瓷磚變形原因很多，主要是由配方、燒成制度、拋光磨塊等造成。其中配方所引起的變形，一方面是由于坯釉膨脹系數(shù)不匹配，當(dāng)坯體的膨脹系數(shù)比釉大時(shí)，磚將會(huì)出現(xiàn)“拱”變形現(xiàn)象，反之為“翹”；另一方面是由于鋁含量低，硅含量高，此時(shí)玻璃相含量增多，高溫骨架降低。

表1 某廠透光陶瓷磚化學(xué)組成(質(zhì)量%)

現(xiàn)有廠家使用的透光磚配方鋁含量較低(<15%)，例如，某廠透光陶瓷磚的化學(xué)組成如表1所示。其造成玻璃相含量多，高溫骨架少，高溫強(qiáng)度低，煅燒過程中容易引起變形。同時(shí)，其組成90%以上是由石英、長(zhǎng)石等瘠性原料組成，導(dǎo)致可塑性低、成形困難[8]。趙光巖等[9]通過提高配方中鋁含量(>20%)，改善了燒成過程中引起變形現(xiàn)象，并通過添加沸石粉、球土和膨潤(rùn)土等塑性原料，解決現(xiàn)有透光陶瓷成形難問題。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加沸石粉將會(huì)使陶瓷內(nèi)部形成60 μm氣孔，提高了陶瓷透光率。

2.2 透光率

陶瓷透光率主要受氣孔、雜質(zhì)、玻璃相和晶體等影響，當(dāng)雜質(zhì)含量和氣孔越少，玻璃相越多時(shí)，透光率越高。謝志軍等[9]通過增加玻璃相和溶劑性原料降低粘土的用量和添加白云石引入Na2O和CaO提高對(duì)玻璃溶解能力，最終得到產(chǎn)品可見光透射比為0.72，透光率比相同條件的陶瓷薄板高36倍，燒成溫度為1 252.3～1 274.8 ℃，燒成范圍為38 ℃，比普通坯體寬10 ℃左右。趙光巖等[8]通過在配方中添加沸石，使產(chǎn)品在燒成過程中形成較多的小氣孔，隨著溫度的升高，由于沸石和助熔礦化劑反應(yīng)形成液相，使較小的氣孔形成大的氣孔(60 μm左右)，降低氣孔數(shù)目，提高透光率；同時(shí)，配方中引入硅灰石，使燒成過程中形成折射率較低的鈣長(zhǎng)石晶相，降低了入射光的損耗。唐奇等[10]采用了與翡翠相似的化學(xué)成分為高鈉低鉀制備出玉質(zhì)感的半透明陶瓷。羅宏等[11]采用含有25%～40%高鋁質(zhì)泥料填入壓磚機(jī)模腔中，形成底料層，再將透光料施于底料層，形成面料層，燒制后刮平底料得到透光性較好的面料層，同時(shí)采用拋底工藝，提高透光率。

2.3 裝飾效果

隨著市場(chǎng)的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的圖案、層次等要求也越來(lái)越高，要求廠家致力于透光陶瓷磚的裝飾效果的開發(fā)。例如早期，“一種半透明陶瓷磚”的專利[12]，采用?；u工藝，僅在透光陶瓷磚表面進(jìn)行圖案打印，效果單一、立體感較差；“一種噴墨滲透拋光半透明陶瓷薄板及其制備”的專利[13]通過噴墨滲透工藝，進(jìn)行燒成拋光，整體表面平整度較好、圖案耐磨、滿足高光類產(chǎn)品，但表面效果也較單一；“一種透光磚及其制備方法”的專利[14]通過膠片布料方式對(duì)有色不透光粒子進(jìn)行布料，形成內(nèi)含有不透光有色粒子半透光坯體，再施上透明釉和配合圖案形成立體感強(qiáng)的產(chǎn)品；“一種噴墨滲透透光磚及其制備方法”的專利[15]則是將透光材料進(jìn)行配色，將有色粒子按照預(yù)先設(shè)定的紋理進(jìn)行布料并壓制，再通過噴墨滲透定點(diǎn)對(duì)位打印，最終得到表里如一、立體感強(qiáng)的表面效果。

綜合上述可知，透光磚的制作工藝由早期的普通玻化磚工藝到如今定點(diǎn)對(duì)位布料滲透噴墨工藝，裝飾效果由效果單一、立體感差發(fā)展到表里如一、立體感強(qiáng)，裝飾效果得到很大提升。

由于透光陶瓷磚生產(chǎn)要求有較高的白度和透光率，對(duì)所用的原材料要求比較嚴(yán)格，導(dǎo)致成本較高。同時(shí)，隨著透光陶瓷磚工藝和配方的成熟，將會(huì)面對(duì)同類產(chǎn)品的激烈競(jìng)爭(zhēng)以及產(chǎn)品同質(zhì)化的生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。因此未來(lái)的透光陶瓷磚的發(fā)展將會(huì)使用較廉價(jià)的原材料替代現(xiàn)在所用的材料，降低成本。同時(shí)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的透光率和質(zhì)感，以及使用工藝疊加的方式，以提高產(chǎn)品的裝飾效果。