可见-近红外光高反射率乳浊釉的制备*

2022-10-25吴洋

陶瓷 2022年10期

吴洋

(蒙娜丽莎集团股份有限公司广东佛山 528211)

随着居民消费结构升级,人们追求更加舒适的居住空间。然而,季节的变化导致室内居住环境随之变化,特别是在炎热的夏季,建筑物吸收了大量的热量导致室内温度居高不下,空调设备的使用虽然将室内空间热量转移到室外,但城市建筑物密度大,热量难以扩散出去,在城市中心形成一个巨大热岛［1～3］,严重影响了人们的生活质量。

在我国,建筑外墙通常所使用的装饰材料为建筑陶瓷外墙砖,建筑陶瓷具有易清洁、耐磨损、耐腐蚀、使用周期长等优良的特性［4］。因此,如果能赋予外墙砖对太阳光较高的反射率,那么就能减少建筑物对热量的吸收,实现建筑物的被动降温,减少空调的使用,在一定程度上能够缓解城市“热岛效应”。

图1是太阳光的能量分布图。从图1可以看出,太阳光的波长分布区间为300～2 500 nm,其中包含约5%紫外光,45%的可见光以及50%的近红外光;紫外光由于频率较大,不会产生明显的热效应,能产生明显的热效应主要是可见光和近红外光。光从一种介质进入另一种介质会发生透射,反射,吸收,根据能量守恒定律有:

图1 太阳光的能量分布图[3]

其中:IR=I［(n-1)2/(n+1)2］

式中:IT——透射光强度;IR——反射光强度;

IA——吸收光强度;IS——散射光强度;

n——折光率。

从上式可以看出,要想增加反射光的强度就必须降低透射光的强度,反射光的强度跟基质的折射率正相关,降低透射光也就是需要制备一种具有较高乳浊率的釉。所以,从根本上说就是需要制备一种具有较高折射率的乳浊釉,从而加强对可见光以及近红外光波的反射。

1 实验部分

1.1 乳浊剂的选择

乳浊［5,6］是指当光通过釉层后,受界面的反射作用、玻璃的吸收作用与釉中的分相粒子(指气相、液相或固相分相粒子)的散射作用而使透射光减弱并使釉变为不同程度不透明的现象。根据乳浊有关的基本理论,乳浊作用的大小主要受散射作用的大小支配,而散射作用的大小主要跟以下的3个因素相关:

(1) 分散相粒子与周围介质之间的折光率差,差值越大,散射作用越明显。

(2) 分散相粒子的半径大小,当分散相粒子为0.2～0.5μm 时,散射效果最强。

(3) 分散相粒子的数量越多,散射也就越强。

常见的乳浊剂及其折光率如下表1所示:

表1 不同乳浊剂及其折射率

基于价格和具体的使用环境,陶瓷行业使用的乳浊剂为硅酸锆［7,8］,因为硅酸锆在高温下比较稳定,受窑炉气氛影响较小,而且其折射率较高,能够起到比较好的乳浊效果。但是前面提到过,乳浊效果还跟分散相粒子的粒径相关,在大工业生产中,基于经济因素的考虑,硅酸锆的粒径往往在微米级,这样达不到最佳的乳浊效果,也有硅酸锆融入釉中做成锆白熔块的,让锆白熔块析晶出可见光波长范围的晶粒来增强乳浊效果,但是硅酸锆的锆氧键的键强较高,熔点高达2 550℃,在制备锆白熔块的时候,溶解的硅酸锆的量特别少,所以,锆乳浊釉达不到特别高的遮盖率,只能被称为一种半遮盖率乳浊釉,要想达到优异的乳浊效果,只能加厚釉层。

在常见的晶体材料当中,二氧化钛是折射率最高的乳浊剂,由于其具有高折射率、高反射率、高遮光率的特点,它还经常被用作女性的防晒护肤品,白色涂料等等。

在烧成温度低于1 050℃时,钛白粉具有较好的乳浊效果。但是,当烧成温度超过1 100℃之后,由于金红石对紫外光的强吸收作用导致釉面发黄;但是,如果在高温下金红石,石英以及方解石反应生成了钛榍石,却是可以有效地减弱釉面发黄的情况。钛榍石这种乳浊剂,它的折射率虽然要小于二氧化钛,但是,通过控制合理的配方组成,可以在釉中析出大量的钛榍石分散相粒子,可以大大地提高乳浊性能。笔者在此主要以二氧化钛作为主要原料制备了一种中高温的陶瓷乳浊釉［9,10］。

1.2 样品的制备

以粘土、石英、方解石、钾长石、钛原料等为主要原料,原料经过合适的配比之后,加入适量的水,球磨一定时间后出浆,调整至合适的比重,均匀地涂刮在生坯的表面,样品经过烘干之后入窑烧成,用紫外-可见光-近红外分光光度计测量样品表面的反射率,用色度计测量样品的Lab值,用X 射线衍射仪做物相分析和半定量分析。

2 结果与讨论

为了在釉中析出钛榍石晶相,我们以钛榍石分子的摩尔比为依据,保持原料当中粘土、石英的含量不变,主要调整方解石和二氧化钛的量来观察分析釉中钛榍石晶体析出的规律。具体的配方组成如表2 所示;将不同配方的样品做Lab值的检测,b值的变化规律如图2所示。

图2 样品的b值和钙钛比之间的关系

表2 配方组成

表2中T10～T15分别代表氧化钛的含量分别为10%～15%,Lab 值的测试中,L*值表示亮度(白度),范围在0～100 之间,0为全黑,100为全白。a*值用于指示红绿色程度,范围为-128～127之间,以0为临界点,负值表示绿色,正值表示红色。b*值用于指示黄蓝色程度,范围为-128～127,负值表示蓝色,正值表示黄色。从图2可以看出,当钙钛比含量较高时,釉面的b值也相对较高,表面釉面带黄色调。这是因为当烧成温度超过1 100℃之后,二氧化钛在釉中以金红石的形式存在,在高温的环境下,由于金红石对紫外光的强吸收作用导致釉面呈现其补偿色而发黄,随着氧化钙和氧化钛的摩尔比逐渐地增大,样品的b值逐渐地减小,表明釉面的黄色调逐渐降低,这是由于随着氧化钙含量的增加,大部分氧化钛和方解石反应生成钛榍石,釉中所剩金红石被消耗掉,釉面的黄色调逐渐地降低,而且当钙钛比为1.69时,样品的白度最好。

对样品中釉面白度最好的T10样品做XRD 测试和热反射率的测试,其中物相分析及半定量分析如图3中所示。结合物相组成和半定量分析可知,样品T10的主要晶相为钛榍石［11,12］,除此之外还有少量的石英晶相和钙钛矿晶相,半定量分析结果显示钛榍石的含量为14.22%(见表3)。

图3 T10样品的粉末衍射图及半定量分析结果

表3 T10晶相组成(%)

对T10样品做热反射率的测试,其结果如图4中所示,其中红色代表T10样品,黑色代表普通样品,普通样品为传统的硅酸锆乳浊釉。从图中可以看出,T10样品的反射率明显高于普通样品,经测试T10样品在可见光波段的综合热反射率超过0.9,而普通样品综合热反射率不足0.8。

图4 热反射率对比

这是因为,通过对钛榍石晶相形成研究发现,控制合适的钙钛比,能够在釉中形成大量的钛榍石晶相,增加白度。钛榍石晶相的折光率较高,当釉中存在着大量的钛榍石晶相时,增强了釉面的乳浊效果,光线射入釉面时,大部分光线无法穿透釉面而被反射回去,增强了釉面对可见光和近红外光波的反射率,提高了釉面反射率［13～15］。