張銀鳳,林偉河,許名傳

(1.廣東順祥陶瓷有限公司,廣東 潮州 521031;2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510641;3.湖北理工學(xué)院 a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,b.礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 黃石 435003)

堇青石分子式為2MgO·2Al2O3·5SiO2,其理論組成為13.7%MgO、34.9%Al2O3、51.4%SiO2,密度為2.53～2.78 g/cm3,熔點(diǎn)為1 460 ℃,莫氏硬度可達(dá)7～7.5[1-2]。堇青石有3種常見的晶體結(jié)構(gòu),即α-堇青石、β-堇青石和μ-堇青石。其中,α-堇青石是高溫型堇青石,又被稱為印度石,屬于六方晶系;β-堇青石屬于斜方晶系;μ-堇青石屬于單斜晶系[3-4]。堇青石的晶體結(jié)構(gòu)中存在較大的空隙,對稱性較低,且結(jié)構(gòu)不緊密。當(dāng)溫度升高時,堇青石分子受熱振動有足夠的空間,熱膨脹非常小,具有良好的抗熱震性能和較低的熱導(dǎo)率[5]。此外,堇青石具有介電常數(shù)低、介電損耗小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[6]。

目前,我國提倡發(fā)展綠色建筑,鼓勵發(fā)展節(jié)能型建筑。高溫發(fā)泡陶瓷作為一種順應(yīng)裝配式建筑發(fā)展潮流的保溫隔熱外墻材料因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)及良好的保溫隔熱性能可完美契合裝配式建筑的風(fēng)格與要求[7-8]。文章以發(fā)泡陶瓷廠家提供的粉料為原料,采用高溫熔融發(fā)泡法制備發(fā)泡陶瓷,重點(diǎn)探索堇青石的摻入量和燒成制度對發(fā)泡陶瓷性能的影響,以獲得性能指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范的發(fā)泡陶瓷材料,為發(fā)泡陶瓷的制備提供新的思路。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

試驗(yàn)用原料為某陶瓷廠提供的坯料,一份添加發(fā)泡劑,另一份不添加發(fā)泡劑。堇青石粉料購自于靈壽縣欣然礦產(chǎn)品加工廠。試驗(yàn)用儀器和設(shè)備見表1。

表1 試驗(yàn)用儀器和設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方法

稱取50 g不加發(fā)泡劑的陶瓷坯料,分別外加2%、4%、6%、8%、10%的堇青石粉;稱取50 g含發(fā)泡劑的陶瓷坯料,分別外加2%、4%、6%、8%、10%的堇青石粉。按照料∶球∶水=1∶1.5∶1的質(zhì)量比例裝料球磨5 min后,取出漿料,放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中(100±5 ℃)干燥24 h。將8～10 wt%蒸餾水噴入干燥后的粉料中,進(jìn)行人工攪拌造粒,入袋封裝,用濕毛巾包裹陳腐均化24 h,使水分均勻分布。陳腐后,采用半干壓法壓制成型,壓成直徑為30 mm的圓柱形和35 mm×6 mm×5 mm的長條形,成型壓力分別為5 MPa和2 MPa。將壓制好的試樣放入干燥箱內(nèi)烘干24 h。設(shè)定不同的燒成溫度、升溫速率、保溫時間,燒成樣品,保溫結(jié)束后隨爐自然冷卻。

1.3 性能測試與微觀分析

1)吸水率、氣孔率和體積密度的測試

將待測樣品放入干燥箱中干燥至恒重,取出后稱重,記為m1,g。將樣品放入陶瓷吸水率測定儀中,設(shè)置真空時間為30 min,注水時間為30 s,浸泡時間為30 min,結(jié)束后取出樣品,浸沒在裝有蒸餾水的燒杯中,稱量其懸浮重,記為m2,g。將試樣取出,用飽和的濕毛巾輕輕地拭去表面流掛的水珠,注意不要把氣孔中水分吸出,稱其質(zhì)量,記為m3,g。陶瓷樣品的吸水率(W,%)、氣孔率(P,%)、體積密度(D,g/cm3)分別為:

(1)

(2)

(3)

2)抗折強(qiáng)度的測試

將長條試樣放在測試臺上,在計(jì)算機(jī)程序上輸入合適的載荷以及樣品的寬度、高度,啟動儀器,同時利用計(jì)算機(jī)軟件記錄試驗(yàn)力的曲線和抗折強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度。

3)膨脹量的測定

采用排水法,在坩堝上蓋上保鮮膜,加入蒸餾水,測出燒成前的水體積和4份燒成后的體積,相減后得出各組的樣品膨脹量。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對發(fā)泡陶瓷收縮性能的影響

2.1.1燒結(jié)溫度對發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)線收縮的影響

發(fā)泡陶瓷在煅燒過程中會發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化,產(chǎn)生收縮和膨脹,本試驗(yàn)研究了未加發(fā)泡劑的試樣在1 140、1 160、1 180、1 200 ℃燒成溫度下的燒成線變化。未加發(fā)泡劑的不同堇青石摻量配方試樣燒成線變化與溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1可以看出,隨著燒成溫度升高,不同堇青石摻量的試樣的線變化率都呈下降趨勢,試樣不斷收縮。這是由于溫度升高,試樣中的液相量增多,氣孔率減少,坯體產(chǎn)生收縮。

圖1 未加發(fā)泡劑的不同堇青石摻量配方試樣燒成線變化與溫度的關(guān)系曲線

2.1.2燒結(jié)溫度對發(fā)泡陶瓷(加發(fā)泡劑)線收縮的影響

加發(fā)泡劑的不同堇青石摻量配方試樣燒成線變化與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出,加入發(fā)泡劑后,試樣的膨脹性顯著增加。主要原因是碳化硅發(fā)泡劑在高溫下產(chǎn)生氣體,高溫使陶瓷的液相粘度降低,生成的氣體無法排出,被包裹在液相中[9]。隨著燒成時間的增加,氣體越來越多并不斷膨脹,使試樣發(fā)泡。

圖2 加發(fā)泡劑的不同堇青石摻量配方試樣燒成線變化與溫度的關(guān)系曲線

通過對比不同燒成溫度下加發(fā)泡劑和未加發(fā)泡劑試樣的燒成線變化可知,無論是否加發(fā)泡劑,當(dāng)達(dá)到一定溫度時,試樣都會開始膨脹變形。沒有加發(fā)泡劑時,試樣中殘留的氣體是試樣膨脹變形的主要原因。加了發(fā)泡劑后,發(fā)泡劑產(chǎn)生的大量氣體加劇了試樣的膨脹。同時,發(fā)泡陶瓷的發(fā)泡量與未加發(fā)泡劑試樣的燒成溫度范圍存在必然關(guān)系。未加發(fā)泡劑時,膨脹量大的試樣,在加入發(fā)泡劑后,發(fā)泡陶瓷的膨脹量相對較大。因此,研究未加發(fā)泡劑試樣的燒結(jié)性能,對于分析發(fā)泡陶瓷發(fā)泡的性能很有必要。

2.2 燒結(jié)溫度對發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)燒結(jié)性能的影響

顯氣孔率、吸水率、體積密度和抗折強(qiáng)度是評價坯體是否燒成良好和材料結(jié)構(gòu)是否致密的主要性能指標(biāo),是制備陶瓷所需的基本性能,也是陶瓷材料能否能可靠應(yīng)用的依據(jù)[10]。而燒結(jié)溫度是影響發(fā)泡陶瓷性能的重要因素,燒結(jié)溫度過低,坯料難以完全熔融,發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體難以被熔融液相包裹住,難以制得孔隙率高的多孔陶瓷;燒結(jié)溫度過高,容易出現(xiàn)“過燒”現(xiàn)象,氣泡相互貫通,出現(xiàn)較大孔甚至產(chǎn)生孔結(jié)構(gòu)坍塌的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響發(fā)泡陶瓷性能。

2.2.1燒結(jié)溫度對發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)吸水率、氣孔率和體積密度的影響

發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)的吸水率、氣孔率和體積密度與燒成溫度的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出,試樣的氣孔率和吸水率隨著燒成溫度升高而逐漸降低。這是由于升高溫度導(dǎo)致氣體運(yùn)動加速,大量氣體逸出,使得發(fā)泡陶瓷試樣的氣孔率和吸水率降低。當(dāng)溫度達(dá)到1 160 ℃時,試樣逐漸接近瓷化,繼續(xù)升高燒成溫度,氣孔率和吸水率數(shù)值變化不大,試樣的體積密度隨著溫度的升高逐漸減小。這說明當(dāng)試樣快瓷化后,繼續(xù)升高溫度,試樣出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象,導(dǎo)致體積密度減小。

(a) 吸水率

2.2.2燒結(jié)溫度對發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)抗折強(qiáng)度的影響

發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)的抗折強(qiáng)度與燒成溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知,抗折強(qiáng)度大致呈現(xiàn)減小的趨勢,主要原因是隨著溫度升高,試樣中的晶相溶解,晶粒增大,玻璃相增多,導(dǎo)致抗折強(qiáng)度降低。

圖4 發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)的抗折強(qiáng)度與燒成溫度的關(guān)系曲線

2.3 堇青石的摻入量對發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)燒結(jié)性能的影響

2.3.1堇青石的摻入量對發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)吸水率、氣孔率和體積密度的影響

在保證發(fā)泡陶瓷性能的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)堇青石的添加量為2%、4%、6%、8%、10%,探究堇青石摻入量對發(fā)泡陶瓷性能的影響。發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)的吸水率、氣孔率和體積密度與堇青石摻入量的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5(a)和(b)可知,當(dāng)燒成溫度為1 140 ℃時,隨著堇青石摻入量增加,吸水率和氣孔率先增加后減小,在摻量為8%時達(dá)到最大值1.89%和4.43%。堇青石摻入量增加,使坯體產(chǎn)生液相的溫度降低,液相粘度下降,氣孔數(shù)量增加,因此發(fā)泡陶瓷的氣孔率和吸水率增加。燒結(jié)溫度高于1 140 ℃后,試樣接近瓷化,吸水率和氣孔率不再變化。由圖5(c)可知,燒成溫度為1 140 ℃和1 180 ℃時,隨著堇青石摻入量增加,發(fā)泡陶瓷的體積密度下降,而燒成溫度為1 160 ℃和1 200 ℃時,發(fā)泡陶瓷的體積密度先增大后減小,且在添加量為8%時有最大體積密度2.31 g/cm3和2.06 g/cm3。這是由于堇青石的加入,降低了液相粘度,減小了氣孔長大的阻力,使孔徑增大,體積密度降低。

(a) 吸水率

2.3.2堇青石的摻入量對發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)抗折強(qiáng)度的影響

發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)的抗折強(qiáng)度與堇青石摻入量的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)燒成溫度為1 140 ℃和1 180 ℃時,發(fā)泡陶瓷樣品的抗折強(qiáng)度先減小后增大,堇青石摻入量在8%和6%時分別有最小值54.59 MPa和37.31 MPa;燒成溫度為1 160 ℃和1 200 ℃時,發(fā)泡陶瓷樣品的抗折強(qiáng)度先降低再增大然后降低,摻入量在4%和6%分別有最小值46.47、25.198 MPa,最大值58.72、44.19 MPa。堇青石的摻入會在液相粘度降低的情況下增加液相的表面張力,促進(jìn)發(fā)泡劑化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,增大氣體量,導(dǎo)致孔徑的增大,抗折強(qiáng)度隨之下降。當(dāng)堇青石的量達(dá)到 6%和8%時,由于液相表面張力的增加,阻礙了氣孔的增大,氣體無法沖破氣孔壁的阻力,產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的小孔徑氣孔,抗壓強(qiáng)度再次增加。當(dāng)燒成溫度為1 160 ℃和1 200 ℃時,當(dāng)堇青石的摻入量超過6%,會破壞陶瓷的孔結(jié)構(gòu),反而會導(dǎo)致抗折強(qiáng)度的降低。由以上結(jié)果表明,堇青石的摻入可以使產(chǎn)生液相的溫度降低,降低液相的粘度,同時增大了液相的表面張力,穩(wěn)定了小孔徑的氣孔,提高了發(fā)泡陶瓷的燒結(jié)性能。

圖6 發(fā)泡陶瓷(未加發(fā)泡劑)的抗折強(qiáng)度與堇青石摻入量的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

隨著堇青石摻入量增加,發(fā)泡陶瓷樣品的吸水率和氣孔率先增加后減小,在摻量為8%時達(dá)到最大,體積密度呈下降趨勢,當(dāng)燒成溫度為1 140 ℃和1 180 ℃時,材料的抗折強(qiáng)度先減小后增大,燒成溫度為1 160℃和1 200℃時,材料抗折強(qiáng)度先降低再增大然后降低。

為發(fā)泡陶瓷的最佳性能考慮,確定堇青石最佳摻入量為10%,燒成溫度為1 180 ℃,保溫時間為50 min,成型壓力為5 MPa和2 MPa,制得的發(fā)泡陶瓷試樣:吸水率為0.07%,氣孔率為0.14%,體積密度為2.09 g/cm3,抗折強(qiáng)度為46.19 MPa,性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。堇青石的摻入可以降低液相產(chǎn)生的溫度,降低液相的粘度,提升材料的燒結(jié)性能。