陶瓷原料粒度和升温速率对差热分析曲线的影响研究

郝 斌

(唐山学院a.环境与化学工程系；b.唐山市微纳米材料制备及应用重点实验室，河北 唐山 063000)

陶瓷原料粒度和升温速率对差热分析曲线的影响研究

郝 斌a，b

(唐山学院a.环境与化学工程系；b.唐山市微纳米材料制备及应用重点实验室，河北 唐山 063000)

以陶瓷原料中常见的高岭土和围场土为研究对象，考察粒度、升温速率对两种矿物差热分析(DTA)曲线的影响。实验结果表明：不同矿物的粒度、升温速率对差热分析曲线有较明显的影响，即随着试样粒度的增大，差热分析曲线的峰形越来越低，越来越平坦，反应温度滞后；而随着升温速率的提高，差热分析曲线的峰形越来越高，越来越尖锐，反应温度也会发生滞后。

高岭土；围场土；差热分析曲线；粒度；升温速率

0 引言

差热分析(DTA，Differential Thermal Analysis)是一种重要的热分析方法，是指在程序控温下测量物质和参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种测试技术。差热分析曲线(DTA曲线)是差热分析得到的实验数据图，其纵坐标代表温差，横坐标代表时间或者温度。差热分析方法操作方便，目前已经广泛应用于无机材料、高分子材料、高聚物材料、复合材料等方面的生产和科学研究[1-2]，用于测定物质在热反应时的特征温度及吸收或放出的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水和蒸发等物理或化学反应[3]。由于差热分析是一种动态的温度分析技术，故影响其实验结果DTA曲线的因素甚多[4]。邱小云以纯铝和纯铟两种材料为研究对象，通过差热分析试验系统研究了影响DTA曲线的主要因素[5]；曹国喜以氟铝酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃和BGGFO玻璃为研究对象，探讨了在进行DTA测量时的一些影响因素[6]。总之，影响试样差热分析曲线的因素主要有升温速率、参比物的选用、试样填充量、试样粒度及试样性质等。本实验以陶瓷原料中常见的高岭土和围场土两种矿物为研究对象，考察矿物的粒度、升温速率对差热分析曲线的影响，对正确测试差热分析曲线、提高测试准确率具有实际的参考意义。

1 实验原料和实验方法

选用陶瓷原料中常见的高岭土、围场土为实验原料。差热分析实验要求参比物在加热或冷却过程中不发生任何变化，在整个升温过程中参比物的比热、导热系数、粒度尽可能与试样一致或相近，因此，本实验选择三氧化二铝(α-Al2O3)作参比物。

应用差热分析仪(型号HCR-1，北京恒久科学仪器厂)进行实验。首先打开差热分析仪，将待测样品和参比物α-Al2O3分别装入到两个坩埚中，之后关上差热分析仪，设置升温速率和保温时间，开始实验。实验整个过程需要冷却水循环，待差热分析仪冷却至室温后关闭冷却水。根据电脑记录数据，在Excel表格中对差热分析结果进行分析处理。

2 实验结果与讨论

2.1 不同矿物粒度对差热分析曲线的影响

一般情况下，差热分析实验的样品颗粒度在100～200目左右，颗粒小可以改善导热条件，但太细可能会破坏样品的结晶度。本实验高岭土选择100～140目、140～180目和180～240目3种粒度，围场土选择100～140目、180～240目和大于240目3种粒度，研究矿物粒度对差热分析曲线的影响。

2.1.1 不同粒度的高岭土

(a)10 ℃/min

(b)15 ℃/min

(c)20 ℃/min

2.1.2 不同粒度的围场土

(a)10 ℃/min

(b)15 ℃/min

(c)20 ℃/min

总之，由结果可知，差热分析曲线峰值温度基本不变，高岭土和围场土的粒度越细，峰值和峰面积就越大。因为高岭土和围场土在体积相同的情况下，粒度越细，坩埚内二者的质量就越大，从而导致吸热和放热强度均有增加，使峰值和峰面积也加大。由此可见粒度大小对定性差热分析基本无影响，而做定量分析时，由于矿物含量与差热分析曲线形成的峰面积有直接关系，峰面积的变化会影响到各矿物含量的变化，故粒度不同会导致分析结果不同[7]。产生这种结果的原因为：试样粒度越大，对脱水作用的妨碍作用越大，谷形越不明显，反应温度也越高；试样粒度越小，反应强度与反应温度均降低；而在反应过程不受扩散过程控制的反应及相转变，试样粒度对它的影响一般情况下是很小的。

2.2 不同升温速率对差热分析曲线的影响

升温速率不仅影响差热分析曲线中峰的位置，还会影响峰的面积。一般来说，升温速率越高，峰面积越大，峰越尖锐。但是升温速率过高，试样分解偏离平衡条件的程度也会越大，使基线发生偏移，甚至使得相邻的两个峰发生重叠，降低分辨率。一般情况下升温速率选择10～15 ℃/min为宜。本实验选择10 ℃/min，15 ℃/min和20 ℃/min，研究不同升温速率对差热分析曲线的影响。

2.2.1 不同升温速率条件下的高岭土

图3为不同升温速率对高岭土差热分析曲线的影响。从图3可以看出，对粒度不同的高岭土在不同升温速率下进行加热时，升温速率对差热分析曲线有明显的影响，升温速率的改变对差热分析曲线的形状、特征和反应温度影响很明显。具体的影响表现在：随着升温速率的提高，吸热谷变得尖而窄，反应出现温度滞后现象，即差热分析曲线的峰起始温度、峰顶温度和结束温度都向高温方向有些偏移。

2.2.2 不同升温速率条件下的围场土

图4为不同升温速率对围场土差热分析曲线的影响。从图4可以看出，对粒度不同的围场土在不同升温速率下进行加热时，和高岭土一样，升温速度对差热分析曲线有明显的影响，升温速率的改变对差热分析曲线的形状、特征和反应温度影响很明显。随着升温速率的增加，吸热谷变得尖而窄，而且也逐渐变深，峰值温度依次升高。因此，在温度和时间满足烧成需要的前提下，应尽量降低升温速率，以便在保证生产的条件下节约能源。另外，实验观察还发现，升温速率继续提高时会引起相邻峰(谷)重叠的现象，即减小了相邻两个峰之间的分辨率。

(a)粒径在100～140目

(b)粒径在140～180目

(c)粒径在180～240目

(a)粒径在100～140目

(b)粒径在140～180目

(c)粒径在180～240目

3 结论

(1)试样粒度越大，差热分析曲线上峰形越宽且平坦，反应温度滞后。考虑到热消耗，只要粒度符合生产要求，应尽量选择原料粒度大一些。

(2)随着升温速率升高，差热分析曲线上反应峰的峰形变得高且尖锐，反应温度也会有所滞后，峰的起始温度、峰顶温度和结束温度都向高温方向有些偏移。

[1] 熊国亮，任立琴，刘敏芳.低成本透锂长石质耐热陶瓷的研究[J].中国陶瓷，2014，50(5)：33-35.

[2] 樊雪琴，侯永改，路继红，等.V2O5对低温陶瓷结合剂性能与结构的影响[J].中国陶瓷，2014，50(7)：61-63.

[3] 沈清，杨长安.差热分析结果的影响因素研究[J].陕西科技大学学报，2005，23(5)：59-61.

[4] 陈文娟，陈巍.差热分析影响因素及实验技术[J].洛阳工业高等专科学报，2003，13(1)：10-11.

[5] 邱小云.差热分析曲线的影响因素[J].理化检验：物理分册，2012，48(12)：801-803.

[6] 曹国喜，冯际田，胡和方，等.差热分析若干影响因素探讨[J].玻璃与搪瓷，2002，30(4)：33-36.

[7] 王仲军，刘大成.样品粒度对差热分析影响的研究[J].中国陶瓷工业，2001，8(3)：26-27.

(责任编校：李秀荣)

On the Effect of Particle Size and Heating Rate of Ceramic Materials on Differential Thermal Analysis Curve

HAO Bina，b

(a.Department of Environmental and Chemical Engineering；b.Key Laboratory of Micononomaterial Preparation and Application of Tangshan City， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

The author of this paper studied the effect of the particle size， heating rate of Kaolin and paddock soil(two common ceramic raw materials) on the differential thermal analysis (DTA) curves. The results show that different mineral particle sizes， heating rates greatly influence the differential thermal analysis curves， i.e. with the increase of particle sizes of the samples， the peak of the differential thermal analysis curve becomes lower and flatter， and the reaction temperature lags behind； and with the increase of heating rate， differential thermal analysis curve shape is higher and sharper， and the reaction temperature also falls behind.

kaolin； paddock； differential thermal analysis curve； particle size； heating rate

TQ174.1

A

1672-349X(2015)03-0061-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.021