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摘 要:本文以粘土矿物、硅灰石为主要原料,采用浇铸法制备轻质卫生陶瓷。研究表明:在有莫来石、石英、钙长石为主要成分的结晶相与SiO2、Al2O3为主要成分的玻璃相组成的陶瓷素烧坯中,形成许多四周由钙长石包覆的独立气孔,体积密度可达到2.0~2.24g/cm3;当硅灰石的含量为15%、粒径平均值为10?滋m时,可以获得效果较好的轻质卫生陶瓷。
关键词:轻质卫生陶瓷;吸水性;体积密度;钙长石;闭气孔
1 前言
长期以来,在建筑卫生陶瓷领域对轻质建筑卫生陶瓷的研究甚少。但近些年来,这一研究已有突破,获得不少引人注目的成果,如:国内研发成功的大规格轻质建筑陶瓷板、国外东陶公司研发出的薄型轻质高强卫生陶瓷等。预见未来,随着建筑卫生陶瓷的不断发展,将会有更多的创新成果应运而生。
众所周知,卫生陶瓷属于一种脆性产品,安装时要特别注意。由于座便器通常较重,约达20~50kg,又给生产和施工带来不便。因此,开发出轻质卫生陶瓷产品是目前大家所关注的问题。近期,有关技术人员围绕开发轻质卫生陶瓷这一课题,推出了诸多的技术。如:在陶瓷原料中掺用无机质的粉煤灰微珠;在陶瓷泥浆中混合人造泡沫玻璃粒料;在陶瓷素坯中使用空心树脂粉,在陶瓷烧成温度下热分解或气化,使其多孔化。但由此制成的陶瓷均具有吸水性,不能用作卫生洁具,其用途受到制约。因此,要使轻质卫生陶瓷得到实际应用,关键还要解决吸水性的问题。所以,一种低吸水性的轻质卫生陶瓷的研发,也顺应了当今卫生陶瓷发展的潮流。
2 吸水性低的轻质卫生陶瓷的制备
2.1 原料
本实验所采用的主要原料为粘土矿物、硅灰石。除此外还可配合石英、含一价金属的原料、含二价金属的原料及烧失量小的原料。粘土矿物从高岭石、地开石、埃洛石、绢云母、叶腊石中至少选用一种。含一价金属的原料为熔剂原料,宜使用绢云母、长石、霞石。含二价金属的原料同样为熔剂原料,宜使用石灰石、白云石。烧失量小的原料使用耐火粘土熟料。用于生产轻质卫生陶瓷的原料配比为:粘土30%~40%、陶土30%~40%、熔剂料5%~15%、硅灰石5%~20%。
其主要原料中硅灰石(CaSiO3)为天然硅酸钙矿物,烧成时与含SiO2和Al2O3的化合物反应,转变为钙长石,相近连接形成气孔。由于该气孔在长石熔融时开始形成,在形成玻璃相之前,钙长石可防止玻璃相侵入气孔,使得在素烧坯中形成许多闭气孔,在无吸水性状态下获得比重低的素坯。因此,硅灰石最大纤维长度应在5?滋m以上。当其粒径小于5?滋m时,会促进与长石反应,使玻璃相进入闭气孔,失去轻质效果;当其粒径大于250?滋m时,硅灰石转变为钙长石,使得纵向的钙长石难以连接,不便于闭气孔形成。另外,由于气孔尺寸增大,导致其强度降低。因此,硅灰石的纤维长度要控制在5~250?滋m范围内。硅灰石含量越多,轻质效果越好。当其含量小于5%时,起不到良好的轻质效果;当硅灰石含量超过5%时,则需要增大助熔剂的用量。助熔剂宜使用对烧结也能起促进作用的白云石,其含量为硅灰石的30%;当硅灰石用量进一步增大时,闭气孔形成量也随之增大,促进轻质化,但因其连接易形成开气孔。因此,掺用量不能超过20%。由此得知,硅灰石粒径为5~250?滋m、含量为5%~20%时,可实现卫生陶瓷的轻质化。
2.2 实验内容
本文采用浇铸法制备轻质卫生陶瓷。首先,将原料按配比称量好,然后加水;用球磨机湿法球磨,调制成泥浆。此时,泥浆的含水率为35%~50%、颗粒尺寸为1~10?滋m(以个数基准的50%平均粒径计),硅灰石最大纤维长度不超过5?滋m;随后将泥浆浇铸成形,脱模、干燥、施釉;最后烧成,烧成温度为1100~ 1300℃。普通卫生陶瓷的体积密度一般为2.40g/cm3,但本文所研究的卫生陶瓷其体积密度调在2.0~2.24g/cm3间,油墨渗透度按相关技术标准调至3mm以下。
2.3 轻质卫生陶瓷性能的测定方法
(1) 体积密度的测定方法
本文采用阿基米德法进行体积密度测定。将试件在110℃下干燥24h,冷却,测定其质量为W1;然后放入干燥器中,保持在真空下,充分渗透比重为p的精制煤油,从油中随意吊起,称出质量为W2;再从油中取出,用湿布擦去表面的油滴,直接测定质量为W3。
依据这些数据,用(1)式求出体积密度。
体积密度=W3×p/(W2-W1)(1)
(2) 吸水率的测定方法
本文按标准方法测定吸水率。首先,将试件在110 ℃下干燥24h,冷却,测出质量W1。然后,再放入干燥器中用水浸渍,在真空状态下保持1h,强制使开气孔达到水饱和,测出此时质量W2。依据这些值,由(2)式求出吸水率。
(3) 油墨渗透率的测定方法
本文采用标准方法进行油墨渗透率的测定。首先,将试件浸渍于浓度为1%的曙红Y溶液中1h,取出切开,测定红油墨对坯体的渗透度。烧成试件的平均孔径是通过扫描式电子显微镜观察镜面研磨的表面,在约400?滋m×300?滋m的视野范围内,对由最大往下依次排列的10个气孔,算出其长径与短径的平均值,作为这些孔的平均值。
(4) 轻质效果的计算方法
使用精制煤油是因为使用水会使试件膨胀而破裂。轻质效果用未掺用硅灰石的试件与各实例试件的体积密度p由(3)式求出。
轻质效果=(P0-P)/P0(3)
3 硅灰石的含量及粒径对轻质卫生陶瓷的影响
3.1 硅灰石的化学组成及粒径大小
实验中所用硅灰石为天然硅灰石,其化学组成如表1所示。根据X射线衍射(XRD)分析,未发现有硅灰石以外的结晶存在。表2为硅灰石的最大粒径和平均粒径情况,其平均粒径是取约20粒样品随机测定而算出的平均值。 3.2 硅灰石的含量及粒径对轻质卫生陶瓷性能的影响
对比例1为普通卫生陶瓷,所用泥料的配方组成为50%的骨架成形原料高岭石、叶腊石;38%的塑性原料高岭土、蛙目粘土;10%的熔剂原料长石;2%的白云石。称量好后,置于球磨机中,添加适量的水和硅酸钠解凝剂,湿法粉磨至约8?滋m平均粒径,调制而成。比例2、3和实例1 ~6所用泥浆是在对比例1的泥浆中,分别按表2所示的用量掺入A、B、C三种硅灰石(见表2),以及一定量的水和解凝剂调制而成。将泥浆注入石膏模中,成形泥坯、脱模,在45℃下干燥24h,送入隧道窑;在1200 ℃下煅烧1h,制成陶瓷试件。表3为硅灰石的不同添加量对轻质卫生陶瓷性能的影响。
由表3可知,当硅灰石的含量为5%、平均粒径为1?滋m时,轻质效果较差,为0.5%;当硅灰石的含量为25%、平均粒径为10?滋m时,轻质效果较好,为14.8%,但具有较高的吸水率,为9.35%;当硅灰石的含量为15%、平均粒径为10?滋m时,轻质效果较高,为14.4%,且吸水率较低,为0.09%。因此,硅灰石的含量为15%、平均粒径为10?滋m时,轻质卫生陶瓷砖的效果较好。
图1是实例2轻质陶瓷试件的断面结构电子显微图。
由图1可以看出,坯体中形成许多微细闭气孔。闭气孔尺寸非常微细,在50?滋m以下。因此,可以断定获得的烧结强度可确保制品获得实际应用。从化学分析结果表明,几乎气孔周围都有钙存在,用X射线衍射分析表明,有含钙的钙长石结晶存在。因此,硅灰石反应生成钙长石,可形成闭气孔。
图2是某一气孔的放大图。基体除存在钙长石外,基本为莫来石、石英和玻璃相。
研究表明,在有莫来石、石英、钙长石为主要成分的结晶相与SiO2、Al2O3为主要成分的玻璃相组成的陶瓷素烧坯中,形成许多四周由钙长石包覆的独立气孔,使体积密度达到2.0~2.24g/cm3。通过分析可知,当周围形成独立的钙长石气孔时,有助于降低体积密度。由于独立气孔为密闭的气孔,有助于降低吸水率。独立气孔孔径应在50?滋m以下,这样的气孔均匀地分布在陶器内,可避免局部强度降低。如果孔径大于50?滋m,会引起破裂,导致强度大幅降低。钙长石是在烧成中由陶瓷原料中所含钙化合物与SiO2和Al2O3化合物反应而形成的。形成钙长石的钙化合物有碳酸钙、硅灰石。但碳酸钙烧成中会释放CO2,呈空心状,不利于致密。而硅灰石在烧成中不会放出气体,有利于快速致密。所用硅灰石呈纤维状,其平均最大粒径为5~25?滋m。硅灰石在烧成中转变为钙长石相,形成中心为空心,外壳为钙长石的独立气孔。
4 结语
参考文献
[1] 川澄一司等.多孔质轻质陶器[P].JP特开平10-130073.
[2] TOTO株式会社.轻质陶器[P].JP特开平2010-162376.
[3] 周锡荣等.大规格轻质陶瓷板的研制[J].佛山陶瓷,2011(5).
关键词:轻质卫生陶瓷;吸水性;体积密度;钙长石;闭气孔
1 前言
长期以来,在建筑卫生陶瓷领域对轻质建筑卫生陶瓷的研究甚少。但近些年来,这一研究已有突破,获得不少引人注目的成果,如:国内研发成功的大规格轻质建筑陶瓷板、国外东陶公司研发出的薄型轻质高强卫生陶瓷等。预见未来,随着建筑卫生陶瓷的不断发展,将会有更多的创新成果应运而生。
众所周知,卫生陶瓷属于一种脆性产品,安装时要特别注意。由于座便器通常较重,约达20~50kg,又给生产和施工带来不便。因此,开发出轻质卫生陶瓷产品是目前大家所关注的问题。近期,有关技术人员围绕开发轻质卫生陶瓷这一课题,推出了诸多的技术。如:在陶瓷原料中掺用无机质的粉煤灰微珠;在陶瓷泥浆中混合人造泡沫玻璃粒料;在陶瓷素坯中使用空心树脂粉,在陶瓷烧成温度下热分解或气化,使其多孔化。但由此制成的陶瓷均具有吸水性,不能用作卫生洁具,其用途受到制约。因此,要使轻质卫生陶瓷得到实际应用,关键还要解决吸水性的问题。所以,一种低吸水性的轻质卫生陶瓷的研发,也顺应了当今卫生陶瓷发展的潮流。
2 吸水性低的轻质卫生陶瓷的制备
2.1 原料
本实验所采用的主要原料为粘土矿物、硅灰石。除此外还可配合石英、含一价金属的原料、含二价金属的原料及烧失量小的原料。粘土矿物从高岭石、地开石、埃洛石、绢云母、叶腊石中至少选用一种。含一价金属的原料为熔剂原料,宜使用绢云母、长石、霞石。含二价金属的原料同样为熔剂原料,宜使用石灰石、白云石。烧失量小的原料使用耐火粘土熟料。用于生产轻质卫生陶瓷的原料配比为:粘土30%~40%、陶土30%~40%、熔剂料5%~15%、硅灰石5%~20%。
其主要原料中硅灰石(CaSiO3)为天然硅酸钙矿物,烧成时与含SiO2和Al2O3的化合物反应,转变为钙长石,相近连接形成气孔。由于该气孔在长石熔融时开始形成,在形成玻璃相之前,钙长石可防止玻璃相侵入气孔,使得在素烧坯中形成许多闭气孔,在无吸水性状态下获得比重低的素坯。因此,硅灰石最大纤维长度应在5?滋m以上。当其粒径小于5?滋m时,会促进与长石反应,使玻璃相进入闭气孔,失去轻质效果;当其粒径大于250?滋m时,硅灰石转变为钙长石,使得纵向的钙长石难以连接,不便于闭气孔形成。另外,由于气孔尺寸增大,导致其强度降低。因此,硅灰石的纤维长度要控制在5~250?滋m范围内。硅灰石含量越多,轻质效果越好。当其含量小于5%时,起不到良好的轻质效果;当硅灰石含量超过5%时,则需要增大助熔剂的用量。助熔剂宜使用对烧结也能起促进作用的白云石,其含量为硅灰石的30%;当硅灰石用量进一步增大时,闭气孔形成量也随之增大,促进轻质化,但因其连接易形成开气孔。因此,掺用量不能超过20%。由此得知,硅灰石粒径为5~250?滋m、含量为5%~20%时,可实现卫生陶瓷的轻质化。
2.2 实验内容
本文采用浇铸法制备轻质卫生陶瓷。首先,将原料按配比称量好,然后加水;用球磨机湿法球磨,调制成泥浆。此时,泥浆的含水率为35%~50%、颗粒尺寸为1~10?滋m(以个数基准的50%平均粒径计),硅灰石最大纤维长度不超过5?滋m;随后将泥浆浇铸成形,脱模、干燥、施釉;最后烧成,烧成温度为1100~ 1300℃。普通卫生陶瓷的体积密度一般为2.40g/cm3,但本文所研究的卫生陶瓷其体积密度调在2.0~2.24g/cm3间,油墨渗透度按相关技术标准调至3mm以下。
2.3 轻质卫生陶瓷性能的测定方法
(1) 体积密度的测定方法
本文采用阿基米德法进行体积密度测定。将试件在110℃下干燥24h,冷却,测定其质量为W1;然后放入干燥器中,保持在真空下,充分渗透比重为p的精制煤油,从油中随意吊起,称出质量为W2;再从油中取出,用湿布擦去表面的油滴,直接测定质量为W3。
依据这些数据,用(1)式求出体积密度。
体积密度=W3×p/(W2-W1)(1)
(2) 吸水率的测定方法
本文按标准方法测定吸水率。首先,将试件在110 ℃下干燥24h,冷却,测出质量W1。然后,再放入干燥器中用水浸渍,在真空状态下保持1h,强制使开气孔达到水饱和,测出此时质量W2。依据这些值,由(2)式求出吸水率。
(3) 油墨渗透率的测定方法
本文采用标准方法进行油墨渗透率的测定。首先,将试件浸渍于浓度为1%的曙红Y溶液中1h,取出切开,测定红油墨对坯体的渗透度。烧成试件的平均孔径是通过扫描式电子显微镜观察镜面研磨的表面,在约400?滋m×300?滋m的视野范围内,对由最大往下依次排列的10个气孔,算出其长径与短径的平均值,作为这些孔的平均值。
(4) 轻质效果的计算方法
使用精制煤油是因为使用水会使试件膨胀而破裂。轻质效果用未掺用硅灰石的试件与各实例试件的体积密度p由(3)式求出。
轻质效果=(P0-P)/P0(3)
3 硅灰石的含量及粒径对轻质卫生陶瓷的影响
3.1 硅灰石的化学组成及粒径大小
实验中所用硅灰石为天然硅灰石,其化学组成如表1所示。根据X射线衍射(XRD)分析,未发现有硅灰石以外的结晶存在。表2为硅灰石的最大粒径和平均粒径情况,其平均粒径是取约20粒样品随机测定而算出的平均值。 3.2 硅灰石的含量及粒径对轻质卫生陶瓷性能的影响
对比例1为普通卫生陶瓷,所用泥料的配方组成为50%的骨架成形原料高岭石、叶腊石;38%的塑性原料高岭土、蛙目粘土;10%的熔剂原料长石;2%的白云石。称量好后,置于球磨机中,添加适量的水和硅酸钠解凝剂,湿法粉磨至约8?滋m平均粒径,调制而成。比例2、3和实例1 ~6所用泥浆是在对比例1的泥浆中,分别按表2所示的用量掺入A、B、C三种硅灰石(见表2),以及一定量的水和解凝剂调制而成。将泥浆注入石膏模中,成形泥坯、脱模,在45℃下干燥24h,送入隧道窑;在1200 ℃下煅烧1h,制成陶瓷试件。表3为硅灰石的不同添加量对轻质卫生陶瓷性能的影响。
由表3可知,当硅灰石的含量为5%、平均粒径为1?滋m时,轻质效果较差,为0.5%;当硅灰石的含量为25%、平均粒径为10?滋m时,轻质效果较好,为14.8%,但具有较高的吸水率,为9.35%;当硅灰石的含量为15%、平均粒径为10?滋m时,轻质效果较高,为14.4%,且吸水率较低,为0.09%。因此,硅灰石的含量为15%、平均粒径为10?滋m时,轻质卫生陶瓷砖的效果较好。
图1是实例2轻质陶瓷试件的断面结构电子显微图。
由图1可以看出,坯体中形成许多微细闭气孔。闭气孔尺寸非常微细,在50?滋m以下。因此,可以断定获得的烧结强度可确保制品获得实际应用。从化学分析结果表明,几乎气孔周围都有钙存在,用X射线衍射分析表明,有含钙的钙长石结晶存在。因此,硅灰石反应生成钙长石,可形成闭气孔。
图2是某一气孔的放大图。基体除存在钙长石外,基本为莫来石、石英和玻璃相。
研究表明,在有莫来石、石英、钙长石为主要成分的结晶相与SiO2、Al2O3为主要成分的玻璃相组成的陶瓷素烧坯中,形成许多四周由钙长石包覆的独立气孔,使体积密度达到2.0~2.24g/cm3。通过分析可知,当周围形成独立的钙长石气孔时,有助于降低体积密度。由于独立气孔为密闭的气孔,有助于降低吸水率。独立气孔孔径应在50?滋m以下,这样的气孔均匀地分布在陶器内,可避免局部强度降低。如果孔径大于50?滋m,会引起破裂,导致强度大幅降低。钙长石是在烧成中由陶瓷原料中所含钙化合物与SiO2和Al2O3化合物反应而形成的。形成钙长石的钙化合物有碳酸钙、硅灰石。但碳酸钙烧成中会释放CO2,呈空心状,不利于致密。而硅灰石在烧成中不会放出气体,有利于快速致密。所用硅灰石呈纤维状,其平均最大粒径为5~25?滋m。硅灰石在烧成中转变为钙长石相,形成中心为空心,外壳为钙长石的独立气孔。
4 结语
参考文献
[1] 川澄一司等.多孔质轻质陶器[P].JP特开平10-130073.
[2] TOTO株式会社.轻质陶器[P].JP特开平2010-162376.
[3] 周锡荣等.大规格轻质陶瓷板的研制[J].佛山陶瓷,2011(5).