铝钒土含量对低膨胀高远红外瓷质卫生陶瓷性能的影响

熊 里，顾幸勇，董伟霞，罗 婷

(景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333001)

铝钒土含量对低膨胀高远红外瓷质卫生陶瓷性能的影响

熊 里，顾幸勇，董伟霞，罗 婷

(景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333001)

采用煤矸石废料、劣质原料黑滑石和铝钒土为主要原料，通过原位生长法制备了堇青石质低膨胀高远红外瓷质卫生陶瓷。利用XRD、SEM和性能测试研究铝钒土含量对堇青石卫生陶瓷性能的影响。实验结果表明：铝钒土含量对吸水率、抗折强度和膨胀系数具有较明显的影响，而对远红外辐射率并未带来不利的影响，所有样品的远红外率均保持在0．93以上。当铝钒土含量为27%，煤矸石33wt．%, 黑滑石37%时，陶瓷性能达到最优：吸水率为0．04%，热膨胀系数为 2．74×10-6/℃, 抗折强度为 87．4 MPa。这主要是由于样品的主晶相堇青石含量最高，并且烧结致密化程度高，其中气孔分布更加均匀所致。相关研究结果对环境保护和工业废物的资源化利用有着积极意义。

铝钒土；堇青石；瓷质卫生陶瓷；低膨胀系数

0 引 言

众所周知，随着能源和资源的耗竭，各国都将能源和环境问题列入了国家发展计划。然而，建筑卫生陶瓷行业是一个能耗巨大的资源需求型行业，因此节约资源，降低能耗是目前建筑陶瓷行业所关注的热点之一。[1]我国是一个高速发展中大国，但过去几十年的发展也付出了不少环境代价，例如煤炭能源的开采就使得全国各大产煤区堆满了煤矸石废料，形成了大量矸石山。以江西省萍乡市为例，大型煤矸石山堆累计可达22621．51万吨,占地面积为6．58 平方千米，同时每年还继续增加238．15万吨。[2]大量的煤矸石不仅需大量土地资源, 造成水质污染和土壤破坏。同时也给该地区的空气、景观、环境带来了不利影响。随着中国经济的进一步发展以及城乡一体化，对建筑卫生陶瓷行业产品升级和结构优化调整提出了更高的要求，产品在原有常规功能的基础上，开发一系列环保健康功能，如远红外性能，即远红外线照射人体时，会使人体由表及里传导渗透，吸收从而产生温热效应，此时与体内细胞组织产生共振、共鸣，由此促进了细胞活性及机体的新陈代谢，越来越受到人们的重视。[3]但因卫生陶瓷坯体吸水率较高、热膨胀系数较大、抗热震性差等问题，在温度变化的环境中常年使用，会使卫生陶瓷坯体开裂、釉面出现剥落等现象，从而导致卫生陶瓷的使用寿命变短。其中，具备低热膨胀系数是解决卫生陶瓷开裂和釉面剥落的关键因素之一。由于堇青石具有低的热膨胀系数(2．9×10-6/℃)以及良好的热稳定性能,同时具有较高的红外辐射性能。[4-5]

综上所述，本实验中采用萍乡煤矸石和廉价黑滑石代替传统建筑陶瓷中的主要原料制备低膨胀高远红外堇青石质瓷质卫生陶瓷。在保证瓷质卫生陶瓷具有低膨胀系数和高远红外性能的基础上，为提高建筑卫生陶瓷的力学性能，研究铝钒土含量对建筑卫生陶瓷性能的影响。

1 实验过程

采用萍乡煤矸石和廉价的黑滑石为主要原料，选择黑滑石:煤矸石=37∶33(wt．%)为基础配比，研究铝矾土用量22wt．%、25wt．%、27wt．%和30wt． %对建筑卫生陶瓷性能的影响，样品号记为B1、B2、B3、B4。通过荧光分析对各样品进行了化学组成分析如表1所示。将不同组成配制的混合料在室温下球磨，烘干，造粒，压制后，将坯体在1270 ℃下烧成。

在型号为L3-5机械拉力试验机进行抗折强度测试。采用KYKY-1000B型扫描电子显微镜(SEM)进行显微结构观察。XRD测试采用德国Bruker D8-Advance型X射线衍射仪进行。根据Archimedes 排水法测定烧结样品的吸水率和体积密度。采用中国科学院上海技术物理研究所IR-2型的双波段红外辐射率测量仪测试红外辐射率，热膨胀系数利用RPZ-01型热膨胀系数测试仪进行。

2 实验结果与讨论

2.1 XRD与SEM分析

图1是不同铝钒土含量样品的XRD图谱。从图中可以看出，大部分主要衍射峰都可标定为堇青石相(PDF#89-1487 )。随着铝钒土含量的增加，堇青石的衍射峰强度也随之增加。继续增加铝钒土含量到30%，主晶相堇青石的衍射峰强度有所减弱。这说明当铝钒土含量为27%，样品的结晶度最高。从表1中也证明了这一点。表2列出了不同铝钒土含量样品的结晶度和(110)衍射峰强度。样品的结晶度根据公式所计算，式中X为样品的平均结晶度，Id为晶面(110)、(020)、(002)、(221)、(022)、(402)、(224)、(351)、(006)、(263)的衍射峰强度之和，It为样品所有衍射峰强度之和。

图2是不同铝钒土含量样品的SEM断面照片图。从图中可以看出，样品均是烧结致密的，并且有独立气孔存在于样品中。 当铝钒土含量为22%时，这些气孔的尺寸分布较大，并且是有几个孔贯穿形成的不规则大孔，如图2(a)所示。当铝钒土含量为25%和27%时，样品进一步致密化，并且所存在的独立气孔变小，且孔变圆，如图2(b)和2(c)所示。继续增加铝钒土含量到30%，独立气孔尺寸增加并且孔的尺寸又变大，如图2(d)所示。这是因为随着铝钒土含量的增加，组成中的氧化镁、氧化铝和二氧化硅含量越接近于堇青石的理论组成含量，导致样品进一步烧结致密化。当继续增加铝钒土，氧化铝含量继续增加，使材料处在富铝的环境中，从而使材料的玻璃相含量相对减少，而使材料的显微结构发生变化如孔尺寸变得不规则。样品内部产生闭气孔，可能是主晶相堇青石本身即为疏松的结构状态。目前，建筑卫生陶瓷体积庞大且重量大，这为后续的工艺生产、运输和安装使用带来不利的影响，考虑到本试验中所制备的样品均呈现闭口气孔，在某种程度上可以大大减轻卫生陶瓷的重量，使之轻量化。

表1 坯体的化学组成 /%Tab.1 Chemical composition of the body /%

2.2 铝矾土对烧结性能的影响

图3是不同铝钒土含量样品的烧结性能。从图中可见，所有样品的吸水率均小于0．3%，并且样品的体积密度均不大于2．14 g/cm3。随着铝钒土含量的增加，样品的吸水率逐渐减小，相应地，体积密度逐渐增加。当铝钒土含量为27%时，样品的吸水率达到最小值0．04%和体积密度最大值2．14 g/cm3。结合图1和表2可知，当铝钒土含量为27%时，样品的结晶度最大为81%，并且其样品的烧结致密化程度高，同时所存在的气孔规则而均匀(图2)。从实验结果可知，样品的吸水率都小于0．3%，这说明所存在的气孔应该为封闭气孔。为了证明是闭口气孔，对铝钒土含量27%和30% 的样品的断面微观结构进一步放大， 如图4所示，从图中看出样品的气孔呈现闭口气孔。继续增加铝钒土含量，样品的吸水率反而增加和体积密度减小。这主要是由于随着铝钒土含量的继续增加，导致显微结构变化如堇青石晶相减小和气孔变大且不规则，如图1和2(d)所示。

图1 不同铝钒土含量样品的XRD衍射图谱(a)22%，(b)25%，(c)27%，(d)30%

表2 不同铝钒土含量样品的结晶度和衍射峰强度Tab.2 Diffraction peak intensity and crystallinity degree of the samples with different bauxite content

图2 不同铝钒土含量样品的SEM断面照片图(a)22%，(b)25%，(c)27%，(d)30%

2.3 铝矾土对抗折强度的影响

图3 铝钒土对烧结性能的影响Fig.3 Effect of bauxite content on sintering properties

图4 不同铝钒土含量样品的SEM断面放大照片图(a)27%, (b)30%Fig.4 Magnified SEM images of the samples with different bauxite content: (a)27%, (b)30%

图4 是不同铝钒土含量对样品抗折强度的示意图。从图4可见，随着铝钒土含量的增加，抗折强度先增加而后减小，当铝钒土含量为27%， 样品的抗折强度达到最大值87．4MPa。这可能是随着铝钒土含量的增加，其样品的显微结构不同所致，从图2和图4中样品的断面SEM电镜扫描图可以看出，样品的烧结致密化不同，内部所存的气孔的孔尺寸和规则程度不同。当铝钒土含量为27%时，样品的烧结致密化程度较高，孔分布更加均匀而且孔变圆，因此样品所表现出来的抗折强度均优于其它样品。

图5 铝钒土含量对抗折强度的影响Fig.5 Effect of bauxite content on bending strength

图6 铝钒土对膨胀系数和红外辐射率的影响Fig.6 Effect of bauxite content on thermal expansion coefficient and far infared properties

2.4 铝矾土对卫生陶瓷的膨胀系数和红外辐射率的影响

图5是铝钒土含量对样品膨胀系数和红外辐射率的影响图。从图5中可见，样品均保持着较低的膨胀系数，均小于2．89×10-6/℃和较高的红外辐射率0．95。随着铝钒土含量的增加，样品的热膨胀系数降低而后略有增加，当铝钒土含量为25%，27%时，热膨胀系数达到最小值分别为2．74×10-6/℃和2．75×10-6/℃，如图5(a)所示。这可能是因为随着铝钒土含量的增加，使得样品中的堇青石主晶相的生成量有所增加而后减小(图1和表1)，因而膨胀系数先减小后增加。而红外辐射系数随着铝钒土含量的变化，先增加而后减小，铝钒土含量为25%，27%时，样品的红外辐射率0．95，如图5(b)所示。这是因为堇青石属于高红外物质[6-7]，所有样品均都是由堇青石晶相组成，因此所有样品均表现出较高的红外辐射率。当铝钒土含量增加导致堇青石含量增加，坯体红外辐射率也随之增加，随着铝钒土含量的继续增加，堇青石含量减小，因此样品的红外辐射率又随之有所下降。

3 结 论

随着铝钒土含量的变化，低膨胀高远红外卫生陶瓷性能如烧结性能、力学强度和热膨胀系数在铝钒土含量为27%达到最优，但铝钒土含量继续增加到30wt．%, 卫生陶瓷的性能却有所下降。然而铝钒土的变化对远红外性能并未有不利影响，所有样品的远红外辐射率为0．93以上。当铝钒土含量为27wt．%，煤矸石34wt．%, 黑滑石38%时，该样品的性能最佳：吸水率为0．04%，抗折强度为 87．4 MPa，热膨胀系数为 2．74×10-6/℃。这主要是由于随着铝钒土含量的增加，堇青石晶相逐渐增强并且其致密化程度逐渐加强，气孔尺寸分布更加均匀，并且孔尺寸减少，从而使堇青石卫生陶瓷保持低的热膨胀系数和高的远红外性能。

[1] 周健儿, 程晓勤． 广东建筑陶瓷技术路线图[M]． 天津:天津科学技术出版社, 2010．

[2] 常允新, 朱学顺，宋长斌, 等．煤矸石的危害与防治[J]． 中国地质灾害与防治学报, 2001, 12(2): 39-43．

[3] 王宁, 陈武． 工业固体废弃物资源综合利用技术现状研究[J]．农业与技术, 2014, 34(2): 251-252．

[4] 焦永峰, 洑义达, 陆婵娟． 堇青石基红外陶瓷的研究现状[J]． 硅酸盐通报, 2008, 27(4): 782-785．

[5] 任强, 武秀兰． 合成堇青石陶瓷材料的研究进展[J]． 中国陶瓷, 2004, 40(5): 23-25．

[6] 罗婷, 顾幸勇, 吴军明． 高红外发射率建筑陶瓷玻化砖的研制[J]． 红外技术, 2008, 30(7): 421-424．

[7] 顾幸勇, 董丽娜, 罗婷, 等． 不同镁质原料对建筑卫生陶瓷坯体红外性能的影响[J]． 中国陶瓷, 2012, 48(3): 37-39．

Effect of Bauxite Content on the Properties of Low Thermal Expansion Far Infrared Sanitary Ceramics

XIONG Li, GU Xingyong, DONG Weixia, LUO Ting
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

In this paper, cordierite sanitary ceramics with low thermal expansion and high far- infrared properties were successfully prepared by in situ synthesis, using low-cost coal gangue, black talc and bauxite as raw material. The effects of bauxite addition on their properties were studied by XRD, SEM analysis and performance tests. The results showed that bauxite content had beneficial effects on their thermal expansion coefficient and bending strength, and no negative influence on their high far-infrared radiation, which was kept above 0.93. The optimum water absorption of 0.04% , expansion cofficient of 2.74×10-6/℃ and bending strength of 87.4 MPa could be achieved in the presence of 27 wt.% bauxite, 33 wt.% coal gangue and 37 wt.% black talc. The properties improvement was mainly due to the presence of more cordierite phases and higher sintering densification, and better pore distribution compared to other samples. The study has a positive application for environmental protection and reutilization of industrial wastes as resources.

bauxite; cordierite; vitrified sanitary ceramics; low thermal expansion

TQ174.75

A

1006-2874(2014)03-0009-05

2014-03-10。

2014-03-18。

国家自然科学基金资助(编号：51262014)。

顾幸勇，男，教授。

Received date: 2014-03-10. Revised date: 2014-03-18.

Correspondent author:GU Xingyong, male, Professor.

E-mail:guxing-y@163.com