外加氧化鋁粉體參數對陶瓷巖板性能的影響探究

馬杰，黃佳奇，劉世明，徐磊鴻，王亞婕，陳然

摘 要：為提高陶瓷巖板的綜合物理性能，研究了外加氧化鋁粉體參數對陶瓷巖板坯體白度和抗折強度的影響規律，結果表明：陶瓷巖板坯體白度主要受氧化鋁粉體粒徑控制，粉體粒徑越小，白度越高;氧化鋁粉體中高比例的α-Al2O3含量對提高陶瓷巖板坯體的抗折強度具有積極的意義。

關鍵詞：氧化鋁粉體，陶瓷巖板

1 前言

近年來，隨著先進生產設備的引進，國內建筑陶瓷的最大尺寸由傳統的900mm×1800mm規格快速增至1600mm×4800mm，甚至更大的規格，成功實現了由“磚”到“板”的跨越。與此同時建筑陶瓷深度進入家居等新的應用場景，同時也催生了“巖板”這個商業名詞，并且逐漸被陶瓷企業、行業技術人員和消費者所認同和接受，進而促進了相關標準的制定。

泛家居等新的應用場景對陶瓷板材的性能提出了新的要求，如坯體白度、厚度、強度和可加工性等，使得陶瓷巖板的材料屬性更凸顯，例如目前正在起草的各類陶瓷巖板標準都將可加工性作為一個主要特征來與陶瓷磚進行區分。為了實現陶瓷巖板高白度、高強度和良好的可加工性等性能對傳統建筑陶瓷的坭砂等原料提出了更高的要求，如需要低鐵鈦、高鋁的黏土原料。由于氧化鋁粉體含鐵鈦低，生產企業也逐漸通過引入氧化鋁來提高陶瓷巖板的白度和強度，但氧化鋁粉體之前多用于釉料中，在坯體中的應用相對較少，而且多集中在增白應用方面[1-3]，由于氧化鋁生產企業還未特別針對陶瓷巖板坯用氧化鋁開發新的品類。相比于坭砂等天然原料，氧化鋁粉體的價格較高，對陶瓷巖板的生產成本影響較大，因此，尋找適宜的氧化鋁品種，既實現巖板白度和力學性能的綜合提升，又盡量避免原料成本的大幅增加，具有重要的意義。

本文選擇了四種氧化鋁粉體，從成分、物相和粒度等方面進行了全面的表征，比較了四種氧化鋁粉料對兩種陶瓷巖板配方體系坯體白度和抗折強度的影響，為巖板生產技術人員和氧化鋁研發人員在選擇或開發坯用氧化鋁時提供一定的參考和借鑒。

2試驗過程

2.1 原材料

本實驗所選用的四種氧化鋁粉料成分見表1，分別編號0#，1#，2#和3#，另選用兩種陶瓷巖板配方，分別編號B和P，具體成分如表2，主要區別在于B配方生產的為高白產品，P配方為低白度配方，研究氧化鋁種類對兩種坯體性能的影響。

2.2 制備及測試方法

將B和P配方的各原料和外加氧化鋁粉體按比例稱量、球磨、干燥和造粒后獲得坯體粉料，其中氧化鋁粉體的添加量為5%，根據加入的氧化鋁和基礎配方分別編號：B0，B1，B2，B3和P0，P1，P2，P3。之后將粉料于鋼制模具中，經電動液壓機壓制獲得用于各種性能測試的坯體，壓力30MPa，其中用于抗折強度的生坯試樣尺寸為100 mm×20mm×7.5 mm;用于白度測量的試樣生坯尺寸為Φ40mm×5mm。試樣的燒制在工廠生產線的輥道窯中進行，最高溫度1215℃，燒成周期60分鐘。

原料化學成分由X射線熒光光譜分析儀（荷蘭帕納科，型號：AXIOS-MAX）測定;坯體白度采用上海悅豐白度計（型號SBDY-1）的進行測量;吸水率按照GB/T 3810.3-2016中的真空法測量，所用設備為寧夏機械研究院的CXK-A型陶瓷吸水率真空裝置;利用X射線衍射儀對燒后坯體物相進行半定量分析，檢測標準為SY/T 5163-2018。

3結果分析與討論

對添加了四種氧化鋁粉體的兩種配方燒后坯體的吸水率、抗折強度和白度進行了測定，結果顯示，不同氧化鋁粉體對B和P兩種配方體系的吸水率和抗折強度產生了相似的影響規律（圖1，圖中的點劃線和虛線分別代表B、P兩種基礎配方的抗折強度和吸水率）， 0#、1#和3#氧化鋁粉體對兩種坯體的吸水率影響不大，均低于0.1%，而0#、1#和3#氧化鋁對坯體的抗折強度均有不同程度的提高，其中1#和3#氧化鋁粉體提高幅度較大，而添加2#氧化鋁粉體的兩種坯體吸水率較高，表明2#氧化鋁的加入導致坯體的燒結溫度偏高，燒成后坯體內部仍存留較多的開孔，進而導致坯體抗折強度下降。

四種外加氧化鋁對B和P兩種配方坯體白度的影響，也呈現了相近的規律（圖2），在兩種配方體系中，添加了0#和3#氧化鋁的坯體白度較高，3#最佳;添加了2#氧化鋁的B配方白度達到了68度，這是主要是由于其吸水率較高（0.96%），表面及內部存在較多的微孔，對光產生明顯的散射，提高了白度，其增白機理與低吸水率的試樣的增白機理不同，因此與其他試樣不具可比性，而對于P配方體系，添加2#氧化鋁的坯體吸水率也小于0.1%（0.09%），坯體微孔對白度的貢獻較小，因此真實反映了氧化鋁對坯體白度的影響。綜合上述分析，四種氧化鋁對坯體白度的提高效果排序為：3#>0#>1#>2#。

為解釋上述氧化鋁粉體對坯體性能的影響機理，對四種氧化鋁的化學成分（表1）、物相 （圖3）和粒徑分布（圖4）進行了表征分析。由圖3可見，0#、1#和3#氧化鋁粉體存在尖銳的衍射峰，表明其主要由α-Al2O3構成，其中0#樣品的基線并非平直，表明其含有較多的非晶相，而2#氧化鋁的衍射峰主要由饅頭狀的非晶衍射峰構成，存在少量的γ-Al2O3，表3中列出了四種粉體的物相組成的半定量分析，α-Al2O3含量由高到低為：3#>1#>0#>2#，另包含少量的β-Al2O3、κ/γ/θ-氧化鋁、勃姆石和霞石，其中由于κ、θ相氧化鋁的衍射峰強度較低且位置接近[4]，因此未做區分，并入γ-Al2O3中一起統計。值得注意的是β-Al2O3并非氧化鋁的異構體，而是一種鋁酸鹽，通式為M2O·xAl2O3 ， M為一價陽離子[5]。由圖4可知，四種氧化鋁粉體均具有較寬的粒徑分布，按中位徑D50排序：0#≈3#<1#<2#。

結合四種氧化鋁粉體的物相和粒徑測試結果，可推斷：

（1） 陶瓷巖板坯體的白度主要受外加氧化鋁粉體的粒徑控制，粒徑越小，坯體白度越高，如0#、3#氧化鋁具有較小的粒徑，D50分別為3.302、3.359μm（圖4），因而在兩種配方體系中均具有較高的白度，這主要是因為較小粒徑的氧化鋁粉體在坯體內部具有較高的分散度，燒成后，殘余的氧化鋁與坯體中的非晶相間的折射率差異使得坯體白度增高[6];

（2） 巖板的抗折強度主要取決于氧化鋁粉體中的α相含量，例如1#和3#分別具有86%和90%的α相氧化鋁（表3），在B和P配方中均展現了良好的力學性能（圖1），這是由于α-Al2O3具有良好的高溫穩定性，在燒成后仍有較多的顆粒殘留，在坯體中起到了顆粒彌散增強的作用[6]，對燒后坯體的物相分析（表4）也表明在B1、B3和P1、P3內部保留了相比于其他試樣較多的α-Al2O3。此外也可看出，不同氧化鋁對坯體中莫來石的晶相含量影響不大，這可能是由于在高溫下較短的保溫時間，不能夠充分的溶解氧化鋁顆粒并生成莫來石晶體。

此外，由表1中四種氧化鋁的成分可知，氧化鋁中的雜質，如Na2O、SiO2、K2O等，對巖板坯體的白度無影響，例如0#氧化鋁中，Al2O3僅有95.5%，但完全不影響其對坯體的增白效果（圖2），這是因為四種氧化鋁中TiO2、Fe2O3等著色類雜質含量極低，由此可以的到啟發，在選用建筑陶瓷用氧化鋁時，可以適當降低對其成分中雜質的要求，如Na2O，降低氧化鋁的采購成本。

4結論

（1）陶瓷巖板坯體的白度主要受到外加氧化鋁粉體粒徑的影響，較小的粒徑有利于坯體白度的提高，而與氧化鋁的晶型和純度關系較弱;

（2）外加氧化鋁粉體中較高的α相含量對陶瓷巖板的抗折強度具有積極的影響，α-Al2O3含量越高，坯體力學強度越好。

參考文獻

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