防靜電陶瓷磚的制備與性能研究

金國庭　徐瑜　王毅

摘 要：本文以仿古磚凈白料（一種制備仿古磚用的陶瓷配合料，下簡稱凈白料）、AZO粉體（ZnO導電粉，下同）為原料，采用獨創的包裹技術制備了體電阻值達107Ω的淺色防靜電陶瓷磚。同時，探討了不同的包裹工藝參數對防靜電陶瓷磚性能的影響，并利用吸水率測定儀、數顯式抗折儀、無釉磚耐磨試驗儀，以及絕緣電阻測試儀表征樣品的吸水率、抗折強度、耐磨度和導電性能。結果表明：在1170 ℃燒結溫度下，采用包裹技術獲得了性能優良的防靜電陶瓷磚，樣品吸水率為0.05 %、抗折強度達44.10 MPa、耐磨度為205.00 mm3、表面電阻為5.90×107Ω、體積電阻為3.10×107Ω。因此，采用包裹技術能夠制備出性能達到國家標準的防靜電陶瓷磚。

關鍵詞：防靜電陶瓷；AZO導電粉；包裹工藝；表面電阻；體積電阻

1 前言

防靜電陶瓷磚是一種新型的防靜電產品。以往的防靜電產品，如：環氧和三聚氰胺、PVC防靜電涂料、地板、防靜電橡膠板等高分子材料，其具有易老化、不耐磨、易污染、耐久性和防火欠佳等缺點。而防靜電陶瓷磚正好克服了上述的缺點。同時，又兼具了陶瓷墻地磚耐磨、抗污能力強、裝飾效果較好的優點，是防靜電PVC、水磨石、花崗巖等材料的優良替代品。現有的防靜電陶瓷主要是通過摻和法制備的，即通過在基體中摻入一定量的導電填料，再通過煅燒而形成復合導電材料[1-2]。

目前，對防靜電陶瓷磚的研究主要集中在釉面導電瓷磚和通體導電瓷磚兩方面。Nakarnura[3]等提出了ATO（Sb摻雜SnO2，下同）在玻璃體中的導電模型，將ATO加入到陶瓷的釉中，釉層燒成后形成富含半導體成分的熔體層，熔體層相互接觸，形成了良好的導電網絡，從而使釉面電阻下降，達到防靜電的要求。華南理工大學的顏東亮[4-6]分別將ATO包覆氧化硅和ATO包覆硅酸鋯導電粉加入到陶瓷透明釉中，制備出了淺色防靜電陶瓷磚。華南理工大學的汪永清[7]以ATO半導體為導電填料，選取透明釉、鋇無光釉、鋯乳濁釉為基釉進行了防靜電陶瓷的研制，探討了釉中晶相對防靜電陶瓷電性能的影響。此類釉面防靜電磚雖然都達到了一定防靜電要求，但由于只是釉面層導電，在工程實際鋪貼時存在施工難度大，工程整體防靜電性能不穩定等問題。佛山市中國科學院上海硅酸鹽研究所陶瓷研發中心蔡曉峰[8]和廣東東鵬陶瓷股份有限公司的范玉容[9]將所制得的導電AZO粉料按一定比例與陶瓷拋光磚坯料相混合，煅燒后得到通體導電陶瓷磚。此方法的缺點是坯體成形困難，壓制出來的坯體強度低，且生產成本較高。因此，如何改進傳統制備技術，尋找一種簡便、廉價工藝將導電填料均勻引入坯體中，是實現防靜電陶瓷磚批量化生產的關鍵。

本文將AZO導電粉制備成漿料；然后將其霧化后包裹在凈白料的表面上，進而將包覆有導電粉的凈白料壓制成形；最后煅燒得到通體導電陶瓷磚。采用該工藝制備出了導電性能優良、生產成本較低的防靜電陶瓷磚。目前，通過包裹技術來制備防靜電陶瓷磚的研究還未見報道。

2 實驗內容

2.1 樣品制備

以仿古磚凈白料（佛山某公司生產）為核，殼物質的AZO導電粉以漿料的形式霧化沉積在核顆粒表面而獲得包裹有AZO導電粉的仿古磚凈白料。此凈白料經壓制成形、干燥后置于電爐中燒成，得到防靜電陶瓷磚。包裹過程示意圖如圖1所示，其具體制備過程如下：

（1） 取仿古磚凈白料，過80目篩，取20～80目粒徑的粉料，并控制粉料的含水率為3%；

（2） 在AZO導電粉中加入0.3%坯用甲基、0.3%減水劑、一定量的水，要求控制漿料的含水率為40 %，慢速球磨30 min后，得到AZO導電粉漿料；

（3） 將步驟（2）中得到的AZO導電粉漿料霧化后均勻包裹于步驟（1）得到的仿古磚凈白料上，其中，導電粉加入量占所有干料量7.5wt%（以下無特殊說明，導電粉的添加量均為7.5wt%），包裹完成之后將粉料含水率調整為6%；

（4） 將包裹有導電粉的凈白料干壓成120mm×80mm×6mm的試樣，干燥后，在1170℃條件下煅燒，保溫30 min，得到防靜電陶瓷磚。

2.2 樣品的表征

根據阿基米德原理，采用靜力稱重法測定樣品的吸水率（Wa，%）；采用佛山市華洋設備有限公司制型號為HYK-10000A的數顯式抗折儀測試樣品的抗折強度，樣品的尺寸為120mm×80mm、測試跨距為100mm、加載速度為0.5 mm/min；采用無釉磚耐磨試驗儀（LM-Ⅱ型，湘纜集團湘潭儀器儀表廠）對樣品耐磨度進行表征；通過數字式絕緣電阻表（PC27型，上海遠中電子儀器廠）測定試樣表面電阻和體電阻，測試條件為環境溫度為25℃、濕度為35%。

3 結果與討論

3.1 包覆工藝參數對陶瓷磚電性能的影響

3.1.1凈白料粒度對陶瓷磚電性能的影響

不同粒度凈白料制備的陶瓷磚電性能測試結果如表1所示。

從表1中可以看出，隨著凈白料粒徑變小，陶瓷磚的電阻變大。凈白料的粒度為20～30目時，陶瓷磚的電阻最小，其表面電阻為1.6×107Ω、體電阻為5.7×106Ω。因為細顆粒比表面積大，在包裹同樣多的導電粉時，大顆粒粉料包裹的導電粉比細顆粒多，導電顆粒之間的距離不斷減小，更容易形成比較連續的導電網絡，陶瓷磚的電阻變小。

綜上所述，凈白料應選取粒徑為20～60目的粉料。但是考慮到陶瓷磚的成形，粉料的粒徑分布必須合理，才能得到較緊密的顆粒堆積，保證成形后坯體具有一定的機械強度。因此，在陶瓷磚中要求20～60目的凈白料占80%，60～80目的占20%。

3.1.2 包裹前凈白料含水率對陶瓷磚電性能的影響

包裹前凈白料含水率對陶瓷磚電性能的影響如圖2所示。

從圖2中可以看出，陶瓷磚的電阻并未隨著凈白料含水率的變化而呈規律性變化。當凈白料的含水率為4%時，陶瓷磚的電阻最小，其表面電阻為1.9×107Ω、體電阻為1.7×107Ω。凈白料的含水率的多少直接影響導電漿料在其表面的包裹厚度，進而影響陶瓷磚的導電性能。粉體間的間隙相當于一束毛細管，由于毛細作用，液體能自發滲透進入粉體間隙中，稱為毛細上升效應。毛細作用取決于液體的表面張力和對固體的接觸角，表面張力愈小，液固間粘附力愈大，愈容易發生潤濕。凈白料含水率太大，導電粉漿料與凈白料不易發生潤濕而不易包裹在其表面，陶瓷磚的電阻較大，達不到防靜電的要求。凈白料的含水率太低，較易提高導電粉的用量，提高生產成本。因此，包裹前凈白料的含水率應控制在2%～4%時最佳。

3.1.3導電粉的加入量對陶瓷磚電性能的影響

不同添加量的導電粉制備的陶瓷磚電性能測試結果如表2所示。

由表2可知，隨著導電粉AZO添加量的增加，陶瓷磚的電阻值逐漸降低。當加入量小于5.5wt%時，由于導電粉在陶瓷體內仍以孤島狀存在，形成不了導電網絡，陶瓷磚的電阻值大于109Ω，防靜電效果極差。當導電粉的加入量大于7.5wt%時，AZO顆粒在陶瓷體內開始出現相互聯接，形成導電網絡，特別是加入量為7.5wt%時，陶瓷磚的電阻值達到107Ω數量級，可以滿足防靜電陶瓷磚的電阻值的要求。繼續增加導電AZO導電粉的添加量，陶瓷磚的電阻值還可能降低，考慮到制造成本，應盡量減少AZO導電粉的添加量。因此，包裹工藝導電粉的最佳添加量為7.5%。

3.1.4導電粉的細度對陶瓷磚電性能的影響

將AZO導電粉進行過篩，分成不同細度的AZO導電粉，所得陶瓷磚的電性能測試結果如表3所示。

由表3可知，AZO導電粉的細度對陶瓷磚的電阻值有一定的影響。導電粉越細，陶瓷磚的電阻越小。200目篩下的導電粉制備的陶瓷磚的電阻最小，其表面電阻為8.7×107Ω、體電阻為1.4×107Ω。顆粒太粗不利于防靜電陶瓷磚的制備，因為在陶瓷體內形成導電網絡較少，陶瓷磚的電阻值高；而太細的AZO導電粉加工非常困難，極易提高能耗。在綜合考慮現有陶瓷磚制備工藝條件下，AZO導電粉的顆粒度一般控制在80～120目為好。

3.2 導電粉的加入對陶瓷磚吸水率、耐磨度和強度的影響

將80～120目的AZO導電粉漿料（導電粉的添加量7.5wt%）為殼物質，以含水率為2%仿古磚凈白料（20～80目）為核，按照步驟將導電粉漿料包裹于凈白料的表面，將包裹好的粉料經干壓成形，煅燒到1170℃，保溫30min制得防靜電陶瓷磚。取仿古磚凈白料直接干壓成形，煅燒到1170℃，保溫30min制得仿古磚。防靜電陶瓷磚和仿古磚的物理性能如表4所示。

由表4可知，AZO導電粉引入仿古磚凈白料中，防靜電陶瓷磚的物理性能發生了一些變化。陶瓷磚的吸水率在AZO導電粉加入后變小，這主要是因為AZO導電粉是一種粒徑比較小、比重輕的物質，而且又有分散性差等特點，填充的空隙率相對較少。陶瓷磚的抗折強度在AZO導電粉加入后略有降低。這可以解釋為氧化鋅的加入會降低陶瓷的燒成溫度，當AZO導電粉的加入量達到某個程度時，在相同的燒成溫度下，會導致陶瓷的微膨脹，陶瓷的吸水率提高，宏觀上表現為抗折強度下降。而AZO導電粉的引入并沒有影響陶瓷磚的耐磨度。

4 結論

（1） 以AZO導電粉漿料為殼物質，仿古磚凈白料為核，采用包裹技術能夠制備出性能優良的防靜電陶瓷磚。

（2） 陶瓷磚的電性能與AZO導電粉添加量和導電粉細度密切相關。在仿古磚凈白料和AZO導電粉為初始原料的組成中，陶瓷磚的電阻隨導電粉添加量的增加而減小，隨導電粉細度變細而變小。而仿古磚凈白料的粒度分布和含水率對制備防靜電陶瓷磚也有一定的影響。因此，在陶瓷磚中要求20～60目的凈白料占80%，60～80目的占20%；包裹前凈白料的含水率應控制在2%～4%最佳；AZO導電粉的顆粒度一般控制在80～120目為好。

（3） AZO導電粉加入（添加量7.5wt%）會影響陶瓷磚的一些物理性能，但影響程度不大。

參考文獻

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