掺杂高温色料对堇青石红外燃烧板性能的影响

侯来广任雪潭方红刘艳春

（1.广州市红日燃具有限公司，广州 510430；2.西南科技大学，绵阳621010）

1 引言

红外燃烧器以热辐射的方式加热物体，由于辐射加热具有很多独特的性能，与传统的燃烧器相比，具有加热效率更高、燃烧更加均匀和极低的CO、NOx产生率等优点，因此这种燃烧器的使用也就随之变得广泛起来，而且已经成为红外节能灶具的关键核心部件。红外线节能灶具就是采用了多孔红外辐射板产生的红外线加热原理。红外燃烧板可以辐射出一定波长的红外线，燃烧板工作时火焰短，附着于燃烧板表面以下2mm～3mm的火孔内，基本上看不见火焰，所以也被称为无焰燃烧方式。由于加热过程中能量损失很小，从而大幅度提高了灶具的热效率。我国多孔陶瓷板燃气燃烧技术应用于燃气具行业已经有20多年的历史了，许多学者做了大量的研究工作并将这项技术造福于广大民众［1～5］。红外线灶具与普通的大气式燃气炉相比，燃烧更完全，能够节约燃气20%以上，长期使用也不会熏黑炊具，碳、氮氧化物的产生量极低，消除了对人体健康危害的隐患；具有极好的防风性能，不容易熄火，使用更加安全。

目前市售红外陶瓷燃烧板大都以表面黑色为主，颜色过于单一，本文就针对这点做了几种新型颜色的红外陶瓷燃烧板，而且在原料中加入不同的色料，以及调整加入量的多少来改变燃烧板的烧结温度。本文以堇青石为基本材料，选择几种色料体系，进行彩色陶瓷基体的制备研究，为丰富红外线灶具的品种和系列产品提供相关依据。

2 实验部分

堇青石质红外陶瓷板以预合成堇青石为主原料,再添加部分能形成堇青石相的无机耐热材料，包括提供SiO2及Al2O3的粘土类原料、含Mg的滑石原料及氧化铝原料。废料主要是生产过程中产生的废品及边角料，再用研磨机研磨成粉。

本实验采用堇青石、粘土、纤维素以及各种色料为主要原料，原料的各种配比见表1。

各原料的生产厂家及纯度如表2所示。

首先按配方比例称量原料。称量后倒入混合机干混1h后，往混合机里面加入称量好的水、甘油和纤维素，再混合30min，最后加入0.5%的油酸，混合10min。混练均匀后，将泥料密封冷冻陈腐24h。本实验采用间歇式挤出成形方式进行成形。坯体成形后采用微波干燥法，干燥直至含水率＜2%为止。烧成采用隧道窑，烧成温度为1180°C。

表1 各种颜色蜂窝陶瓷的配方

表2 实验原料

表3 实验用仪器与设备

3 实验结果分析与讨论

3.1 燃烧板的物理性能分析

燃烧板的尺寸和强度对后续产品加工和安装使用有着重要的影响，所以收缩率和强度在产品试制时，是重点考虑因素之一，因此在铬绿掺杂实验中重点考虑了该项性能指标。

表4 铬绿色料加入量与瓷片的收缩率及强度的关系

表5 不同色料种类对瓷片的抗折强度、吸水率及收缩率的影响

采用不同量的铬绿色料加入量（3%，5%，8%），将各个配方的泥料成形干燥后，测量记录坯体的长度和厚度尺寸，待烧成后再次测量记录坯体的长度和厚度尺寸，计算出其收缩率；烧成后的陶瓷板制成标准试条测试其抗折强度，测试结果见表4。

由表4可以看出色料的加入量对长度收缩率的影响总体小于厚度方向，但是随着色料加入量的增多，长度方向收缩率呈现增大的趋势，厚度方向的收缩率则呈现缩小的趋势。铬绿陶瓷板的抗折强度与加入色料的含量存在一定的正比例关系，随着色料加入量的增加，陶瓷板的抗折强度也有一定比例的增加，但是表观显色情况如下：当比例增加至10%时，不再产生很大差异，8%掺杂量已经达到了显色的基本要求。

因此从显色效果和制作成本方面考虑，色料加入量在8%时，可以满足设计要求。基于此，分别以铬绿、锆铁红、镨黄和钴黑为外加色料，加入量均为8%，按照前述方法制备了四种不同色系的陶瓷板，对比测试结果如表5所示。从表5中可以看出掺杂钴黑后的陶瓷板抗折强度最高，而掺杂铬绿后的陶瓷片的抗折强度最低；产品的尺寸收缩率对比情况来看，长度收缩率相差不是很大；但是在厚度方向掺杂镨黄色料后的陶瓷板收缩率最小，掺杂铬绿色料后的陶瓷板收缩率最大。

3.2 燃烧板的燃烧性能对比测试分析

选取合格瓷片安装在红外线灶具上进行燃烧性能测试，表6所示。每燃烧1h完成后均需在陶瓷板上均匀的撒上一定量的冷水总计测试十次，以此来测试陶瓷板的抗热震性能寿命。

表6 各种颜色蜂窝陶瓷的配方性能对比

通过表6中数据对比显示，陶瓷板均未出现破裂现象；其烟气含量及热效率性能测试对比镨黄最差，钴黑最佳，但总体差距不大，均在红外线灶具能效标准要求范围之内。

3.3 陶瓷板的XRD衍射和SEM分析

由图1的X衍射谱图可以看出掺杂高温色料后的陶瓷板虽然均出现了少量的其它成分衍射峰，但是堇青石为主要成分并未发生变化。图1 X衍射图谱中出现了氧化铬成分的衍射峰，而图2和图3 X衍射图谱中出现了硅酸锆的衍射峰，在图4 X衍射图谱中出现了少量的镍锗尖晶石物相，这些少量物相的出现均为色料本身合成时所必须的成分。通过4种色料掺杂后的X衍射谱图对比分析，说明色料的掺杂不会影响到堇青石质红外燃烧板的主体结构，不会改变堇青石陶瓷的主要性能。因此掺杂高温色料后不仅不会影响到红外燃烧板的使用性能，反而增多了燃烧板的表观色系种类。

图1 铬绿陶瓷板的XRD谱图

图2 锆铁红陶瓷板的XRD谱图

图3 镨黄陶瓷板的XRD图谱

图4 钴黑陶瓷板的XRD图谱

图5 彩色瓷片的SEM照片 ×2000

图5为掺杂8%高温色料后燃烧板的SEM图片，通过对比分析，1铬绿和3镨黄陶板的断面结构比较疏松，含有较多的气孔结构，孔径大小分布非常不均匀。2锆铁红陶板和4钴黑陶板的断面气孔相对较少，内部结构比较致密。通过比掺杂色料后4种瓷片的内部结构对比分析，掺杂铬绿后的陶板的气孔很多，晶粒间隙较大，孔径大小分布不均匀，呈现无定型珊瑚状结构。而掺杂钴黑和镨黄后的陶板气孔相对较少，晶粒间隙比较小，其中掺杂钴黑后的陶板内部气孔最少，断面结构也最为致密。

4 结论

4.1 随着色料加入量的增加，陶瓷板的显色效果逐渐增强，但是显色效果在添加比例增加至10%时，不再产生很大差异，因此8%掺杂量已经达到了显色的基本要求。

4.2 掺杂不同色料后的堇青石红外燃烧板在长度收缩率、吸水率方面的差异不大，但在抗折强度方面对比，加入掺杂钴黑后的陶瓷板抗折强度最高，而加入铬绿后的陶瓷板抗折强度则最低。

4.3 从X衍射谱图的对比分析可以看出掺杂色料不会影响到陶瓷板的主晶相；通过抗热震性能测试也验证了色料的添加并不会影响到堇青石陶瓷的主要应用性能。

4.4 从SEM照片对比可以看出掺杂铬绿后的陶板的气孔很多，晶粒间隙较大，孔径大小分布不均匀，呈现无定型珊瑚状结构。而掺杂钴黑和锆铁红后的陶板气孔相对较少，晶粒间隙比较小，其中掺杂钴黑后的陶板内部气孔最少，断面结构也最为致密。

4.5 通过掺杂高温色料后的红外燃烧陶瓷板抗热震性能测试结果显示，10小时连续寿命测试均未出现开裂，基本满足使用要求；虽然烟气测试中CO的测试数据显示镨黄最高，但还是远低于家用灶具行业标准要求；热效率测试数据显示均高于68%，也达到了红外线灶具产品的能效指标要求。