熔劑性原料對輕質多孔陶瓷性能影響研究*

謝志軍　汪慶剛,　蕭禮標,3　閆振華　劉一軍　黃劍鋒

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

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熔劑性原料對輕質多孔陶瓷性能影響研究*

謝志軍1汪慶剛1,2蕭禮標1,3閆振華1劉一軍1黃劍鋒2

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

以普通陶瓷坯體為樣本，設計正交試驗，研究了鉀長石、鈉長石、硅灰石和滑石4種熔劑對輕質多孔陶瓷的容重、斷裂模數以及綜合形貌等方面的影響規律。研究結果表明：硅灰石對輕質多孔陶瓷容重、斷裂模數影響最大，鉀長石對綜合形貌影響最大。最終確定了最優配方，制得了陶瓷容重為0.82 g/cm3，斷裂模數為8.3 MPa的輕質多孔陶瓷，其氣孔大小均勻，以0.2～0.5 mm的閉氣孔為主。

熔劑正交實驗質多孔陶瓷

在高溫發泡陶瓷制備燒成中，熔劑性原料起著重要作用，直接影響著發泡陶瓷的孔徑結構[1～2]。建筑陶瓷生產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：鉀長石、鈉長石、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絡修飾的作用，能促進高溫化學反應，加速高熔點晶體化學鍵的斷裂和低共熔物的生成，為氣泡的成核和長大提供了必備的熔體環境[3～4]。

由于陶瓷原料的種類繁多，不同陶瓷企業在生產過程中所用的原料不盡相同。筆者通過正交試驗設計，研究了鉀長石、鈉長石、滑石、硅灰石等礦物添加量對發泡陶瓷性能的影響規律，以期在高溫發泡陶瓷中形成以中小閉氣孔為主的結構，進而對材料配方優化設計提供指導。

1　實驗設計

本實驗采用正交試驗設計法，選擇在陶瓷坯料中分別加入鉀長石、鈉長石、滑石、硅灰石4種常用的熔劑礦物，研究不同礦物添加量對發泡陶瓷性能的影響。實驗所用原料的化學組成如表1所示。

表1　實驗用原料的化學組成(質量%)

本實驗采用固定陶瓷坯料配方，對4種熔劑性原料進行正交試驗分析，研究了不同熔劑性原料添加量對輕質多孔陶瓷各項性能的影響。對鉀長石、鈉長石、硅灰石、滑石的添加量進行4水平4因素的正交試驗L16(45)。正交試驗因素水平表如表2所示。

表2　正交試驗因子水平表(質量%)

正交試驗方案如表3所示，在陶瓷坯料中根據表中配方加入不同質量的4種原料，經球磨、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。每個水平做5組平行試驗，結果取其平均值，以減少誤差對實驗結果的影響。

2　結果與討論

2.1正交試驗結果

對制備出的試樣進行性能測試，所得到的配方樣品的容重、斷裂模數、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，開裂、斷面氣孔均勻性等，作為表征試樣性能的一個參考因素。我們將形貌按照1～5分進行評分，分別由3個人給出分值，并求出平均值。1分代表形貌最差的試樣(如，發生分層，且試樣表面鼓泡嚴重)；而5分代表形貌最好的試樣(如表面平整，無翹角、塌角現象，氣孔分布均勻)。

正交試驗評價結果見表4。

表3　正交試驗方案及實驗結果

續表3

表4　正交試驗評價結果直觀分析

由極差分析可知，各因素對容重影響顯著程度的順序為：硅灰石>燒滑石>鉀長石>鈉長石。輕質多孔陶瓷的容重越小越好，因此其最優配比為：A4B4C2D4；各因素對斷裂模數影響大小的順序為：硅灰石>燒滑石>鈉長石>鉀長石，最優配比為：A3B4C4D2；各因素對綜合形貌影響顯著程度的順序為：鉀長石>燒滑石>硅灰石>鈉長石。

通過正交試驗分析可知，堿土金屬氧化物對輕質多孔陶瓷容重和斷裂模數的影響要高于堿金屬氧化物，這是因為滑石和硅灰石中的 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，導致原來硅氧負離子團解聚成較簡單的結構單位，因而使活化能降低、熔體粘度變小；另一方面 Mg2+、Ca2+離子勢 Z/r 較K+、Na+的大，能奪取硅氧負離子團中的O2-來包圍自己，導致硅氧負離子團聚合，增加了熔體粘度，使得坯體更易于燒結，容重和斷裂模數更大。同時，Ca2+降低熔體粘度的能力要強于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于滑石。

2.2最佳配方及樣品性能

結合正交試驗分析可知，容重因素水平配方為A4B4C2D4，斷裂模數大小因素水平配方為A3B4C4D2，而綜合形貌因素水平配方為A2B2C4D3。實驗中要獲得容重低、強度高且形貌均勻的輕質多孔陶瓷，綜合選用的最佳配方為A3B4C3D3(見表5)。

表5　輕質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，經球磨、噴霧造粒、燒成后，可得到容重為0.82 g/cm3，斷裂模數為8.3 MPa的輕質多孔陶瓷。其產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　最佳工藝制備輕質多孔陶瓷的顯微照片

3　結論

1)通過設計正交試驗，研究了鉀長石、鈉長石、硅灰石、滑石4種常用熔劑對輕質多孔陶瓷容重、斷裂模數、綜合形貌等性能的影響。試驗結果表明：硅灰石對輕質多孔陶瓷容重、斷裂模數影響最大，鉀長石對綜合形貌影響最大；堿土金屬氧化物加入量對輕質多孔陶瓷性能的影響要高于堿金屬氧化物。

2)根據正交試驗分析，得出了最佳配方。基于最佳配方，可得到容重為0.82 g/cm3，斷裂模數為9.3 MPa的輕質多孔陶瓷，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.高溫發泡陶瓷及其應用[J]. 保溫材料與建筑節能,2005(5):8～59

2王國梅,徐曉虹,吳建鋒.高溫發泡陶瓷的燒成工藝與性能[J]. 新型建筑材料,1997(11)：19～21

3余劍鋒,劉江春.幾種多孔陶瓷孔隙結構及孔徑控制的方法[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、應用及其研究進展[J]. 硅酸鹽通報,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

6Radtke C,Brand R V,Pezzi R P.Characterization of SiC thermal oxidation[J].Nuclear Instruments and Methods in PhySiCs Research B,2002,(190):579～582

7繆松蘭.陶瓷工藝學[M]. 北京:中國輕工業出版社，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用重點科技創新團隊項目(項目編號：2013KCT-06)。

謝志軍(1972-)，本科，高級工程師；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