掺入堇青石对发泡陶瓷性能的影响

张银凤,林伟河,许名传

(1.广东顺祥陶瓷有限公司,广东 潮州 521031;2.华南理工大学 材料科学与工程学院,广东 广州 510641;3.湖北理工学院 a.环境科学与工程学院,b.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003)

堇青石分子式为2MgO·2Al2O3·5SiO2,其理论组成为13.7%MgO、34.9%Al2O3、51.4%SiO2,密度为2.53～2.78 g/cm3,熔点为1 460 ℃,莫氏硬度可达7～7.5[1-2]。堇青石有3种常见的晶体结构,即α-堇青石、β-堇青石和μ-堇青石。其中,α-堇青石是高温型堇青石,又被称为印度石,属于六方晶系;β-堇青石属于斜方晶系;μ-堇青石属于单斜晶系[3-4]。堇青石的晶体结构中存在较大的空隙,对称性较低,且结构不紧密。当温度升高时,堇青石分子受热振动有足够的空间,热膨胀非常小,具有良好的抗热震性能和较低的热导率[5]。此外,堇青石具有介电常数低、介电损耗小、化学稳定性好等特点[6]。

目前,我国提倡发展绿色建筑,鼓励发展节能型建筑。高温发泡陶瓷作为一种顺应装配式建筑发展潮流的保温隔热外墙材料因具有轻质、高强及良好的保温隔热性能可完美契合装配式建筑的风格与要求[7-8]。文章以发泡陶瓷厂家提供的粉料为原料,采用高温熔融发泡法制备发泡陶瓷,重点探索堇青石的掺入量和烧成制度对发泡陶瓷性能的影响,以获得性能指标满足相应规范的发泡陶瓷材料,为发泡陶瓷的制备提供新的思路。

1 试验与方法

1.1 试验原料与设备

试验用原料为某陶瓷厂提供的坯料,一份添加发泡剂,另一份不添加发泡剂。堇青石粉料购自于灵寿县欣然矿产品加工厂。试验用仪器和设备见表1。

表1 试验用仪器和设备

1.2 试验方法

称取50 g不加发泡剂的陶瓷坯料,分别外加2%、4%、6%、8%、10%的堇青石粉;称取50 g含发泡剂的陶瓷坯料,分别外加2%、4%、6%、8%、10%的堇青石粉。按照料∶球∶水=1∶1.5∶1的质量比例装料球磨5 min后,取出浆料,放入电热鼓风干燥箱中(100±5 ℃)干燥24 h。将8～10 wt%蒸馏水喷入干燥后的粉料中,进行人工搅拌造粒,入袋封装,用湿毛巾包裹陈腐均化24 h,使水分均匀分布。陈腐后,采用半干压法压制成型,压成直径为30 mm的圆柱形和35 mm×6 mm×5 mm的长条形,成型压力分别为5 MPa和2 MPa。将压制好的试样放入干燥箱内烘干24 h。设定不同的烧成温度、升温速率、保温时间,烧成样品,保温结束后随炉自然冷却。

1.3 性能测试与微观分析

1)吸水率、气孔率和体积密度的测试

将待测样品放入干燥箱中干燥至恒重,取出后称重,记为m1,g。将样品放入陶瓷吸水率测定仪中,设置真空时间为30 min,注水时间为30 s,浸泡时间为30 min,结束后取出样品,浸没在装有蒸馏水的烧杯中,称量其悬浮重,记为m2,g。将试样取出,用饱和的湿毛巾轻轻地拭去表面流挂的水珠,注意不要把气孔中水分吸出,称其质量,记为m3,g。陶瓷样品的吸水率(W,%)、气孔率(P,%)、体积密度(D,g/cm3)分别为:

(1)

(2)

(3)

2)抗折强度的测试

将长条试样放在测试台上,在计算机程序上输入合适的载荷以及样品的宽度、高度,启动仪器,同时利用计算机软件记录试验力的曲线和抗折强度、弯曲强度。

3)膨胀量的测定

采用排水法,在坩埚上盖上保鲜膜,加入蒸馏水,测出烧成前的水体积和4份烧成后的体积,相减后得出各组的样品膨胀量。

2 结果与讨论

2.1 烧结温度对发泡陶瓷收缩性能的影响

2.1.1烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)线收缩的影响

发泡陶瓷在煅烧过程中会发生一系列的物理化学变化,产生收缩和膨胀,本试验研究了未加发泡剂的试样在1 140、1 160、1 180、1 200 ℃烧成温度下的烧成线变化。未加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线如图1所示。由图1可以看出,随着烧成温度升高,不同堇青石掺量的试样的线变化率都呈下降趋势,试样不断收缩。这是由于温度升高,试样中的液相量增多,气孔率减少,坯体产生收缩。

图1 未加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线

2.1.2烧结温度对发泡陶瓷(加发泡剂)线收缩的影响

加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线如图2所示。由图2可以看出,加入发泡剂后,试样的膨胀性显著增加。主要原因是碳化硅发泡剂在高温下产生气体,高温使陶瓷的液相粘度降低,生成的气体无法排出,被包裹在液相中[9]。随着烧成时间的增加,气体越来越多并不断膨胀,使试样发泡。

图2 加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线

通过对比不同烧成温度下加发泡剂和未加发泡剂试样的烧成线变化可知,无论是否加发泡剂,当达到一定温度时,试样都会开始膨胀变形。没有加发泡剂时,试样中残留的气体是试样膨胀变形的主要原因。加了发泡剂后,发泡剂产生的大量气体加剧了试样的膨胀。同时,发泡陶瓷的发泡量与未加发泡剂试样的烧成温度范围存在必然关系。未加发泡剂时,膨胀量大的试样,在加入发泡剂后,发泡陶瓷的膨胀量相对较大。因此,研究未加发泡剂试样的烧结性能,对于分析发泡陶瓷发泡的性能很有必要。

2.2 烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)烧结性能的影响

显气孔率、吸水率、体积密度和抗折强度是评价坯体是否烧成良好和材料结构是否致密的主要性能指标,是制备陶瓷所需的基本性能,也是陶瓷材料能否能可靠应用的依据[10]。而烧结温度是影响发泡陶瓷性能的重要因素,烧结温度过低,坯料难以完全熔融,发泡剂产生的气体难以被熔融液相包裹住,难以制得孔隙率高的多孔陶瓷;烧结温度过高,容易出现“过烧”现象,气泡相互贯通,出现较大孔甚至产生孔结构坍塌的现象,严重影响发泡陶瓷性能。

2.2.1烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)吸水率、气孔率和体积密度的影响

发泡陶瓷(未加发泡剂)的吸水率、气孔率和体积密度与烧成温度的关系曲线如图3所示。由图3可以看出,试样的气孔率和吸水率随着烧成温度升高而逐渐降低。这是由于升高温度导致气体运动加速,大量气体逸出,使得发泡陶瓷试样的气孔率和吸水率降低。当温度达到1 160 ℃时,试样逐渐接近瓷化,继续升高烧成温度,气孔率和吸水率数值变化不大,试样的体积密度随着温度的升高逐渐减小。这说明当试样快瓷化后,继续升高温度,试样出现发泡现象,导致体积密度减小。

(a) 吸水率

2.2.2烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)抗折强度的影响

发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与烧成温度的关系曲线如图4所示。由图4可知,抗折强度大致呈现减小的趋势,主要原因是随着温度升高,试样中的晶相溶解,晶粒增大,玻璃相增多,导致抗折强度降低。

图4 发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与烧成温度的关系曲线

2.3 堇青石的掺入量对发泡陶瓷(未加发泡剂)烧结性能的影响

2.3.1堇青石的掺入量对发泡陶瓷(未加发泡剂)吸水率、气孔率和体积密度的影响

在保证发泡陶瓷性能的基础上,设计堇青石的添加量为2%、4%、6%、8%、10%,探究堇青石掺入量对发泡陶瓷性能的影响。发泡陶瓷(未加发泡剂)的吸水率、气孔率和体积密度与堇青石掺入量的关系曲线如图5所示。由图5(a)和(b)可知,当烧成温度为1 140 ℃时,随着堇青石掺入量增加,吸水率和气孔率先增加后减小,在掺量为8%时达到最大值1.89%和4.43%。堇青石掺入量增加,使坯体产生液相的温度降低,液相粘度下降,气孔数量增加,因此发泡陶瓷的气孔率和吸水率增加。烧结温度高于1 140 ℃后,试样接近瓷化,吸水率和气孔率不再变化。由图5(c)可知,烧成温度为1 140 ℃和1 180 ℃时,随着堇青石掺入量增加,发泡陶瓷的体积密度下降,而烧成温度为1 160 ℃和1 200 ℃时,发泡陶瓷的体积密度先增大后减小,且在添加量为8%时有最大体积密度2.31 g/cm3和2.06 g/cm3。这是由于堇青石的加入,降低了液相粘度,减小了气孔长大的阻力,使孔径增大,体积密度降低。

(a) 吸水率

2.3.2堇青石的掺入量对发泡陶瓷(未加发泡剂)抗折强度的影响

发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与堇青石掺入量的关系曲线如图6所示。由图6可知,当烧成温度为1 140 ℃和1 180 ℃时,发泡陶瓷样品的抗折强度先减小后增大,堇青石掺入量在8%和6%时分别有最小值54.59 MPa和37.31 MPa;烧成温度为1 160 ℃和1 200 ℃时,发泡陶瓷样品的抗折强度先降低再增大然后降低,掺入量在4%和6%分别有最小值46.47、25.198 MPa,最大值58.72、44.19 MPa。堇青石的掺入会在液相粘度降低的情况下增加液相的表面张力,促进发泡剂化学反应的进行,增大气体量,导致孔径的增大,抗折强度随之下降。当堇青石的量达到 6%和8%时,由于液相表面张力的增加,阻碍了气孔的增大,气体无法冲破气孔壁的阻力,产生均匀稳定的小孔径气孔,抗压强度再次增加。当烧成温度为1 160 ℃和1 200 ℃时,当堇青石的掺入量超过6%,会破坏陶瓷的孔结构,反而会导致抗折强度的降低。由以上结果表明,堇青石的掺入可以使产生液相的温度降低,降低液相的粘度,同时增大了液相的表面张力,稳定了小孔径的气孔,提高了发泡陶瓷的烧结性能。

图6 发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与堇青石掺入量的关系曲线

3 结论

随着堇青石掺入量增加,发泡陶瓷样品的吸水率和气孔率先增加后减小,在掺量为8%时达到最大,体积密度呈下降趋势,当烧成温度为1 140 ℃和1 180 ℃时,材料的抗折强度先减小后增大,烧成温度为1 160℃和1 200℃时,材料抗折强度先降低再增大然后降低。

为发泡陶瓷的最佳性能考虑,确定堇青石最佳掺入量为10%,烧成温度为1 180 ℃,保温时间为50 min,成型压力为5 MPa和2 MPa,制得的发泡陶瓷试样:吸水率为0.07%,气孔率为0.14%,体积密度为2.09 g/cm3,抗折强度为46.19 MPa,性能符合相关标准。堇青石的掺入可以降低液相产生的温度,降低液相的粘度,提升材料的烧结性能。