外加氧化鋁粉體參數(shù)對(duì)陶瓷巖板性能的影響探究

馬杰，黃佳奇，劉世明，徐磊鴻，王亞婕，陳然

摘 要：為提高陶瓷巖板的綜合物理性能，研究了外加氧化鋁粉體參數(shù)對(duì)陶瓷巖板坯體白度和抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：陶瓷巖板坯體白度主要受氧化鋁粉體粒徑控制，粉體粒徑越小，白度越高;氧化鋁粉體中高比例的α-Al2O3含量對(duì)提高陶瓷巖板坯體的抗折強(qiáng)度具有積極的意義。

關(guān)鍵詞：氧化鋁粉體，陶瓷巖板

1 前言

近年來(lái)，隨著先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的引進(jìn)，國(guó)內(nèi)建筑陶瓷的最大尺寸由傳統(tǒng)的900mm×1800mm規(guī)格快速增至1600mm×4800mm，甚至更大的規(guī)格，成功實(shí)現(xiàn)了由“磚”到“板”的跨越。與此同時(shí)建筑陶瓷深度進(jìn)入家居等新的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也催生了“巖板”這個(gè)商業(yè)名詞，并且逐漸被陶瓷企業(yè)、行業(yè)技術(shù)人員和消費(fèi)者所認(rèn)同和接受，進(jìn)而促進(jìn)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

泛家居等新的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)陶瓷板材的性能提出了新的要求，如坯體白度、厚度、強(qiáng)度和可加工性等，使得陶瓷巖板的材料屬性更凸顯，例如目前正在起草的各類陶瓷巖板標(biāo)準(zhǔn)都將可加工性作為一個(gè)主要特征來(lái)與陶瓷磚進(jìn)行區(qū)分。為了實(shí)現(xiàn)陶瓷巖板高白度、高強(qiáng)度和良好的可加工性等性能對(duì)傳統(tǒng)建筑陶瓷的坭砂等原料提出了更高的要求，如需要低鐵鈦、高鋁的黏土原料。由于氧化鋁粉體含鐵鈦低，生產(chǎn)企業(yè)也逐漸通過(guò)引入氧化鋁來(lái)提高陶瓷巖板的白度和強(qiáng)度，但氧化鋁粉體之前多用于釉料中，在坯體中的應(yīng)用相對(duì)較少，而且多集中在增白應(yīng)用方面[1-3]，由于氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)還未特別針對(duì)陶瓷巖板坯用氧化鋁開發(fā)新的品類。相比于坭砂等天然原料，氧化鋁粉體的價(jià)格較高，對(duì)陶瓷巖板的生產(chǎn)成本影響較大，因此，尋找適宜的氧化鋁品種，既實(shí)現(xiàn)巖板白度和力學(xué)性能的綜合提升，又盡量避免原料成本的大幅增加，具有重要的意義。

本文選擇了四種氧化鋁粉體，從成分、物相和粒度等方面進(jìn)行了全面的表征，比較了四種氧化鋁粉料對(duì)兩種陶瓷巖板配方體系坯體白度和抗折強(qiáng)度的影響，為巖板生產(chǎn)技術(shù)人員和氧化鋁研發(fā)人員在選擇或開發(fā)坯用氧化鋁時(shí)提供一定的參考和借鑒。

2試驗(yàn)過(guò)程

2.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)所選用的四種氧化鋁粉料成分見表1，分別編號(hào)0#，1#，2#和3#，另選用兩種陶瓷巖板配方，分別編號(hào)B和P，具體成分如表2，主要區(qū)別在于B配方生產(chǎn)的為高白產(chǎn)品，P配方為低白度配方，研究氧化鋁種類對(duì)兩種坯體性能的影響。

2.2 制備及測(cè)試方法

將B和P配方的各原料和外加氧化鋁粉體按比例稱量、球磨、干燥和造粒后獲得坯體粉料，其中氧化鋁粉體的添加量為5%，根據(jù)加入的氧化鋁和基礎(chǔ)配方分別編號(hào)：B0，B1，B2，B3和P0，P1，P2，P3。之后將粉料于鋼制模具中，經(jīng)電動(dòng)液壓機(jī)壓制獲得用于各種性能測(cè)試的坯體，壓力30MPa，其中用于抗折強(qiáng)度的生坯試樣尺寸為100 mm×20mm×7.5 mm;用于白度測(cè)量的試樣生坯尺寸為Φ40mm×5mm。試樣的燒制在工廠生產(chǎn)線的輥道窯中進(jìn)行，最高溫度1215℃，燒成周期60分鐘。

原料化學(xué)成分由X射線熒光光譜分析儀（荷蘭帕納科，型號(hào)：AXIOS-MAX）測(cè)定;坯體白度采用上海悅豐白度計(jì)（型號(hào)SBDY-1）的進(jìn)行測(cè)量;吸水率按照GB/T 3810.3-2016中的真空法測(cè)量，所用設(shè)備為寧夏機(jī)械研究院的CXK-A型陶瓷吸水率真空裝置;利用X射線衍射儀對(duì)燒后坯體物相進(jìn)行半定量分析，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5163-2018。

3結(jié)果分析與討論

對(duì)添加了四種氧化鋁粉體的兩種配方燒后坯體的吸水率、抗折強(qiáng)度和白度進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示，不同氧化鋁粉體對(duì)B和P兩種配方體系的吸水率和抗折強(qiáng)度產(chǎn)生了相似的影響規(guī)律（圖1，圖中的點(diǎn)劃線和虛線分別代表B、P兩種基礎(chǔ)配方的抗折強(qiáng)度和吸水率）， 0#、1#和3#氧化鋁粉體對(duì)兩種坯體的吸水率影響不大，均低于0.1%，而0#、1#和3#氧化鋁對(duì)坯體的抗折強(qiáng)度均有不同程度的提高，其中1#和3#氧化鋁粉體提高幅度較大，而添加2#氧化鋁粉體的兩種坯體吸水率較高，表明2#氧化鋁的加入導(dǎo)致坯體的燒結(jié)溫度偏高，燒成后坯體內(nèi)部仍存留較多的開孔，進(jìn)而導(dǎo)致坯體抗折強(qiáng)度下降。

四種外加氧化鋁對(duì)B和P兩種配方坯體白度的影響，也呈現(xiàn)了相近的規(guī)律（圖2），在兩種配方體系中，添加了0#和3#氧化鋁的坯體白度較高，3#最佳;添加了2#氧化鋁的B配方白度達(dá)到了68度，這是主要是由于其吸水率較高（0.96%），表面及內(nèi)部存在較多的微孔，對(duì)光產(chǎn)生明顯的散射，提高了白度，其增白機(jī)理與低吸水率的試樣的增白機(jī)理不同，因此與其他試樣不具可比性，而對(duì)于P配方體系，添加2#氧化鋁的坯體吸水率也小于0.1%（0.09%），坯體微孔對(duì)白度的貢獻(xiàn)較小，因此真實(shí)反映了氧化鋁對(duì)坯體白度的影響。綜合上述分析，四種氧化鋁對(duì)坯體白度的提高效果排序?yàn)椋?#>0#>1#>2#。

為解釋上述氧化鋁粉體對(duì)坯體性能的影響機(jī)理，對(duì)四種氧化鋁的化學(xué)成分（表1）、物相 （圖3）和粒徑分布（圖4）進(jìn)行了表征分析。由圖3可見，0#、1#和3#氧化鋁粉體存在尖銳的衍射峰，表明其主要由α-Al2O3構(gòu)成，其中0#樣品的基線并非平直，表明其含有較多的非晶相，而2#氧化鋁的衍射峰主要由饅頭狀的非晶衍射峰構(gòu)成，存在少量的γ-Al2O3，表3中列出了四種粉體的物相組成的半定量分析，α-Al2O3含量由高到低為：3#>1#>0#>2#，另包含少量的β-Al2O3、κ/γ/θ-氧化鋁、勃姆石和霞石，其中由于κ、θ相氧化鋁的衍射峰強(qiáng)度較低且位置接近[4]，因此未做區(qū)分，并入γ-Al2O3中一起統(tǒng)計(jì)。值得注意的是β-Al2O3并非氧化鋁的異構(gòu)體，而是一種鋁酸鹽，通式為M2O·xAl2O3 ， M為一價(jià)陽(yáng)離子[5]。由圖4可知，四種氧化鋁粉體均具有較寬的粒徑分布，按中位徑D50排序：0#≈3#<1#<2#。

結(jié)合四種氧化鋁粉體的物相和粒徑測(cè)試結(jié)果，可推斷：

（1） 陶瓷巖板坯體的白度主要受外加氧化鋁粉體的粒徑控制，粒徑越小，坯體白度越高，如0#、3#氧化鋁具有較小的粒徑，D50分別為3.302、3.359μm（圖4），因而在兩種配方體系中均具有較高的白度，這主要是因?yàn)檩^小粒徑的氧化鋁粉體在坯體內(nèi)部具有較高的分散度，燒成后，殘余的氧化鋁與坯體中的非晶相間的折射率差異使得坯體白度增高[6];

（2） 巖板的抗折強(qiáng)度主要取決于氧化鋁粉體中的α相含量，例如1#和3#分別具有86%和90%的α相氧化鋁（表3），在B和P配方中均展現(xiàn)了良好的力學(xué)性能（圖1），這是由于α-Al2O3具有良好的高溫穩(wěn)定性，在燒成后仍有較多的顆粒殘留，在坯體中起到了顆粒彌散增強(qiáng)的作用[6]，對(duì)燒后坯體的物相分析（表4）也表明在B1、B3和P1、P3內(nèi)部保留了相比于其他試樣較多的α-Al2O3。此外也可看出，不同氧化鋁對(duì)坯體中莫來(lái)石的晶相含量影響不大，這可能是由于在高溫下較短的保溫時(shí)間，不能夠充分的溶解氧化鋁顆粒并生成莫來(lái)石晶體。

此外，由表1中四種氧化鋁的成分可知，氧化鋁中的雜質(zhì)，如Na2O、SiO2、K2O等，對(duì)巖板坯體的白度無(wú)影響，例如0#氧化鋁中，Al2O3僅有95.5%，但完全不影響其對(duì)坯體的增白效果（圖2），這是因?yàn)樗姆N氧化鋁中TiO2、Fe2O3等著色類雜質(zhì)含量極低，由此可以的到啟發(fā)，在選用建筑陶瓷用氧化鋁時(shí)，可以適當(dāng)降低對(duì)其成分中雜質(zhì)的要求，如Na2O，降低氧化鋁的采購(gòu)成本。

4結(jié)論

（1）陶瓷巖板坯體的白度主要受到外加氧化鋁粉體粒徑的影響，較小的粒徑有利于坯體白度的提高，而與氧化鋁的晶型和純度關(guān)系較弱;

（2）外加氧化鋁粉體中較高的α相含量對(duì)陶瓷巖板的抗折強(qiáng)度具有積極的影響，α-Al2O3含量越高，坯體力學(xué)強(qiáng)度越好。

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