外加氧化铝粉体参数对陶瓷岩板性能的影响探究

马杰，黄佳奇，刘世明，徐磊鸿，王亚婕，陈然

摘 要：为提高陶瓷岩板的综合物理性能，研究了外加氧化铝粉体参数对陶瓷岩板坯体白度和抗折强度的影响规律，结果表明：陶瓷岩板坯体白度主要受氧化铝粉体粒径控制，粉体粒径越小，白度越高;氧化铝粉体中高比例的α-Al2O3含量对提高陶瓷岩板坯体的抗折强度具有积极的意义。

关键词：氧化铝粉体，陶瓷岩板

1 前言

近年来，随着先进生产设备的引进，国内建筑陶瓷的最大尺寸由传统的900mm×1800mm规格快速增至1600mm×4800mm，甚至更大的规格，成功实现了由“砖”到“板”的跨越。与此同时建筑陶瓷深度进入家居等新的应用场景，同时也催生了“岩板”这个商业名词，并且逐渐被陶瓷企业、行业技术人员和消费者所认同和接受，进而促进了相关标准的制定。

泛家居等新的应用场景对陶瓷板材的性能提出了新的要求，如坯体白度、厚度、强度和可加工性等，使得陶瓷岩板的材料属性更凸显，例如目前正在起草的各类陶瓷岩板标准都将可加工性作为一个主要特征来与陶瓷砖进行区分。为了实现陶瓷岩板高白度、高强度和良好的可加工性等性能对传统建筑陶瓷的坭砂等原料提出了更高的要求，如需要低铁钛、高铝的黏土原料。由于氧化铝粉体含铁钛低，生产企业也逐渐通过引入氧化铝来提高陶瓷岩板的白度和强度，但氧化铝粉体之前多用于釉料中，在坯体中的应用相对较少，而且多集中在增白应用方面[1-3]，由于氧化铝生产企业还未特别针对陶瓷岩板坯用氧化铝开发新的品类。相比于坭砂等天然原料，氧化铝粉体的价格较高，对陶瓷岩板的生产成本影响较大，因此，寻找适宜的氧化铝品种，既实现岩板白度和力学性能的综合提升，又尽量避免原料成本的大幅增加，具有重要的意义。

本文选择了四种氧化铝粉体，从成分、物相和粒度等方面进行了全面的表征，比较了四种氧化铝粉料对两种陶瓷岩板配方体系坯体白度和抗折强度的影响，为岩板生产技术人员和氧化铝研发人员在选择或开发坯用氧化铝时提供一定的参考和借鉴。

2试验过程

2.1 原材料

本实验所选用的四种氧化铝粉料成分见表1，分别编号0#，1#，2#和3#，另选用两种陶瓷岩板配方，分别编号B和P，具体成分如表2，主要区别在于B配方生产的为高白产品，P配方为低白度配方，研究氧化铝种类对两种坯体性能的影响。

2.2 制备及测试方法

将B和P配方的各原料和外加氧化铝粉体按比例称量、球磨、干燥和造粒后获得坯体粉料，其中氧化铝粉体的添加量为5%，根据加入的氧化鋁和基础配方分别编号：B0，B1，B2，B3和P0，P1，P2，P3。之后将粉料于钢制模具中，经电动液压机压制获得用于各种性能测试的坯体，压力30MPa，其中用于抗折强度的生坯试样尺寸为100 mm×20mm×7.5 mm;用于白度测量的试样生坯尺寸为Φ40mm×5mm。试样的烧制在工厂生产线的辊道窑中进行，最高温度1215℃，烧成周期60分钟。

原料化学成分由X射线荧光光谱分析仪（荷兰帕纳科，型号：AXIOS-MAX）测定;坯体白度采用上海悦丰白度计（型号SBDY-1）的进行测量;吸水率按照GB/T 3810.3-2016中的真空法测量，所用设备为宁夏机械研究院的CXK-A型陶瓷吸水率真空装置;利用X射线衍射仪对烧后坯体物相进行半定量分析，检测标准为SY/T 5163-2018。

3结果分析与讨论

对添加了四种氧化铝粉体的两种配方烧后坯体的吸水率、抗折强度和白度进行了测定，结果显示，不同氧化铝粉体对B和P两种配方体系的吸水率和抗折强度产生了相似的影响规律（图1，图中的点划线和虚线分别代表B、P两种基础配方的抗折强度和吸水率）， 0#、1#和3#氧化铝粉体对两种坯体的吸水率影响不大，均低于0.1%，而0#、1#和3#氧化铝对坯体的抗折强度均有不同程度的提高，其中1#和3#氧化铝粉体提高幅度较大，而添加2#氧化铝粉体的两种坯体吸水率较高，表明2#氧化铝的加入导致坯体的烧结温度偏高，烧成后坯体内部仍存留较多的开孔，进而导致坯体抗折强度下降。

四种外加氧化铝对B和P两种配方坯体白度的影响，也呈现了相近的规律（图2），在两种配方体系中，添加了0#和3#氧化铝的坯体白度较高，3#最佳;添加了2#氧化铝的B配方白度达到了68度，这是主要是由于其吸水率较高（0.96%），表面及内部存在较多的微孔，对光产生明显的散射，提高了白度，其增白机理与低吸水率的试样的增白机理不同，因此与其他试样不具可比性，而对于P配方体系，添加2#氧化铝的坯体吸水率也小于0.1%（0.09%），坯体微孔对白度的贡献较小，因此真实反映了氧化铝对坯体白度的影响。综合上述分析，四种氧化铝对坯体白度的提高效果排序为：3#>0#>1#>2#。

为解释上述氧化铝粉体对坯体性能的影响机理，对四种氧化铝的化学成分（表1）、物相 （图3）和粒径分布（图4）进行了表征分析。由图3可见，0#、1#和3#氧化铝粉体存在尖锐的衍射峰，表明其主要由α-Al2O3构成，其中0#样品的基线并非平直，表明其含有较多的非晶相，而2#氧化铝的衍射峰主要由馒头状的非晶衍射峰构成，存在少量的γ-Al2O3，表3中列出了四种粉体的物相组成的半定量分析，α-Al2O3含量由高到低为：3#>1#>0#>2#，另包含少量的β-Al2O3、κ/γ/θ-氧化铝、勃姆石和霞石，其中由于κ、θ相氧化铝的衍射峰强度较低且位置接近[4]，因此未做区分，并入γ-Al2O3中一起统计。值得注意的是β-Al2O3并非氧化铝的异构体，而是一种铝酸盐，通式为M2O·xAl2O3 ， M为一价阳离子[5]。由图4可知，四种氧化铝粉体均具有较宽的粒径分布，按中位径D50排序：0#≈3#<1#<2#。

结合四种氧化铝粉体的物相和粒径测试结果，可推断：

（1） 陶瓷岩板坯体的白度主要受外加氧化铝粉体的粒径控制，粒径越小，坯体白度越高，如0#、3#氧化铝具有较小的粒径，D50分别为3.302、3.359μm（图4），因而在两种配方体系中均具有较高的白度，这主要是因为较小粒径的氧化铝粉体在坯体内部具有较高的分散度，烧成后，残余的氧化铝与坯体中的非晶相间的折射率差异使得坯体白度增高[6];

（2） 岩板的抗折强度主要取决于氧化铝粉体中的α相含量，例如1#和3#分别具有86%和90%的α相氧化铝（表3），在B和P配方中均展现了良好的力学性能（图1），这是由于α-Al2O3具有良好的高温稳定性，在烧成后仍有较多的颗粒残留，在坯体中起到了颗粒弥散增强的作用[6]，对烧后坯体的物相分析（表4）也表明在B1、B3和P1、P3内部保留了相比于其他试样较多的α-Al2O3。此外也可看出，不同氧化铝对坯体中莫来石的晶相含量影响不大，这可能是由于在高温下较短的保温时间，不能够充分的溶解氧化铝颗粒并生成莫来石晶体。

此外，由表1中四种氧化铝的成分可知，氧化铝中的杂质，如Na2O、SiO2、K2O等，对岩板坯体的白度无影响，例如0#氧化铝中，Al2O3仅有95.5%，但完全不影响其对坯体的增白效果（图2），这是因为四种氧化铝中TiO2、Fe2O3等着色类杂质含量极低，由此可以的到启发，在选用建筑陶瓷用氧化铝时，可以适当降低对其成分中杂质的要求，如Na2O，降低氧化铝的采购成本。

4结论

（1）陶瓷岩板坯体的白度主要受到外加氧化铝粉体粒径的影响，较小的粒径有利于坯体白度的提高，而与氧化铝的晶型和纯度关系较弱;

（2）外加氧化铝粉体中较高的α相含量对陶瓷岩板的抗折强度具有积极的影响，α-Al2O3含量越高，坯体力学强度越好。

参考文献

[1] 郝小勇， 范文春. 新型乳浊剂（增白剂）及其发展[C]// 中国陶瓷科技发展大会. 中国硅酸盐学会， 2013.

[2] 黄惠宁， 张国涛， 柯善军，等. 特殊结构氧化铝（Al2O3）乳浊剂的应用研究[C]// 中国硅酸盐学会陶瓷分会建筑卫生陶瓷专业委员会学术年会. 2015：20-27.

[3] Natha1ie Martinez. 氧化鋁代替锆英砂的研究[J]. 佛山陶瓷， 2013（5）：33-35.

[4] 高连弟. 八种晶型氧化铝的研制与鉴别[J]. 化学世界， 1994， 35（7）：346-350.

[5] 李波， 邵玲玲. 氧化铝，氢氧化铝的XRD鉴定[J]. 无机盐工业， 2008， 40（2）：54-54.

[6] 关振铎， 张中太， 焦金生. 无机材料物理性能[M]. 清华大学出版社， 2011.