陶瓷坯體白度影響因素探討*

吳 洋 程科木

(蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528211)

隨著人們物質生活水平的提高,對美好生活的向往,更喜歡營造舒適優雅的居住生活空間。天然石材、建筑陶瓷磚(板)是家居生活常用的裝飾材料,但是石材資源有限,過度地開采造成了石材資源逐漸枯竭,同時也給環境造成了較大的壓力。建筑陶瓷行業裝備技術升級,使建筑陶瓷磚(板)已逐漸能還原出一些天然石材的表面效果,在物理性能方面,建筑陶瓷也具有天然石材無法比較的優勢。

高白度石材具有白度高、坯體瑕疵少、通透性高、質感溫潤等特點,如比較經典的卡拉拉白,一經推出立即受到廣大消費者的追捧,陶瓷行業也相繼推出相關仿卡拉拉白的產品,坯體白度為50～65度,白度差異較大,已有相關陶瓷企業開始白度為70度乃至80度產品的研發。對于高白度坯體來說,影響白度的主要因素有原材料、加工工藝、增白劑等。

1 影響陶瓷磚白度的因素

1.1 原材料選材

陶瓷磚(板)的原材料主要包含有粘土、長石以及石英。粘土是經過漫長地質風化或熱液濁變形成的,因此其中有較多的雜質,特別是粘土中的黃鐵礦。黃鐵礦的晶體細小而堅硬,既不易粉碎也難以被電磁除去,往往在燒成過程中形成深黑色斑點,嚴重影響陶瓷的白度。除此之外,鈦的化合物一般以紅金石、銳鈦礦、板鈦礦等形式存在于粘土中,純凈的TiO2為白色,但與鐵的化合物共存時,在還原焰中呈灰色,在氧化焰中呈淺黃或象牙色[1～2]。因此在選擇粘土類原材料時,應嚴格控制原材料中鐵和鈦的含量。

長石在陶瓷原料中作為熔劑性物質使用,一般在高溫下以液相形式存在,能有效降低陶瓷的燒成溫度。長石熔體填充在晶相之間,可以使坯體致密,減少空隙,有助于成品強度的提高;長石作為瘠性原料,還可以縮短坯體干燥時間,減少坯體的干燥收縮和變形等。在大量生產中,常采用水洗的工藝來控制長石、石英中著色金屬氧化物的含量。因此,對于原材料來說[3],控制粘土和長石以及石英原料當中的鐵、鈦含量是實現高白度陶瓷坯體的重要前提。

1.2 增白劑的影響

為了有效提高陶瓷坯體的白度,部分陶瓷企業選擇在陶瓷坯體中摻入適量的增白劑,常用的增白劑有燒土、硅酸鋯、氧化鋁等。燒土是由粘土類原材料煅燒而來,部分優質粘土煅燒后的白度很高,因此常添加適量燒土來增加陶瓷磚的白度,但增白效果不是特別明顯。硅酸鋯是陶瓷行業比較常用的增白劑,在面釉中常會添加適量的硅酸鋯,利用硅酸鋯的乳濁效應來實現增白。氧化鋁自身白度也較高,加入到陶瓷坯體中也能在一定程度上提高坯體白度。

瑞麗散射理論認為,影響乳濁性能的主要有3大因素,分別是增白劑粒子的粒徑、增白劑粒子的折光率以及增白劑粒子的個數。研究指出,當增白劑粒子粒徑在可見光波長范圍內時,粒子的折射率越高,其數量就越多,增白效果越明顯。

1.2.1 增白劑粒徑的影響

式中:I——單位體積中分子的散射強度;

K——波爾玻爾茲曼常數;

T——絕對溫度,K;

β——物質的壓縮率;

?n/?p——介質的折射率隨密度的變化率。

當微粒尺寸等于或大于光波長度時,散射強度與微粒尺寸的關系服從米氏散射定律,即光線被散射的強度與入射光波長較低次幕成反比,而與增白劑粒子的體積成正比,如式(2)所示。當增白劑粒子尺寸＜0.4 μm 時,粒子尺寸越小,散射強度越小;當微粒尺寸＞0.75μm 時,增白劑粒子尺寸越大,散射強度越小。

式中:V——顆粒體積;

λ——較低次方指數。

1.2.2 增白劑粒子折射率的影響

分散相粒子的折射率和玻璃相折射率的關系為:

當入射光被散射的越多,乳濁程度則是越高。由圖1可知,當微粒尺寸小于0.3λ/2π時,散射強度與微粒尺寸的關系服從瑞利散射定律[4],即光線被散射的強度與入射光波長的四次方成反比,而與增白粒子的體積的平方成比,如式(1)所示。

圖1 粒子尺寸對散射系數的影響

式中:q——散射系數;

N1——粒子折射率;

N2——玻璃相折射率;

K——常數。

陶瓷由玻璃相和晶相組成,因為晶相和玻璃相折射率不同,從而引起入射光線發生反射和折射。當晶相與玻璃之間折光率之差越大,散射系數就越高,增白效果也就越明顯。

1.2.3 增白劑粒子的數量

影響增白效果除了增白劑粒子的粒徑、折射率外,還和粒子的濃度有關,增白劑粒子濃度越高,光線被散射的幾率越大,散射后的光線被再次散射的幾率也增加。因此,增白劑粒子越多時,增白效果也越明顯。

為了進一步證實增白劑對白度的影響規律,筆者選用了陶瓷行業常用的增白劑,研究了粒徑對白度的影響,其結果如圖2所示。

圖2 增白劑粉體的顯微結構

從圖2可以看出,增白劑粒子a呈顆粒狀,粒徑分布較寬,從幾十納米到1微米不等;增白劑粒子b呈雪花狀,有明顯的軟團聚,粒徑則更細,在幾十納米左右。

將不同種類的增白劑使用外加的方式加入到陶瓷坯體中,觀察增白劑對坯體白度的影響,其結果如圖3所示。

圖3 加入不同粒徑增白劑對陶瓷坯體白度的影響

不添加增白劑時,基礎配方的白度為70.85度,當添加2%不同粒徑的增白劑時,坯體白度明顯增加,且粒徑越細,增白效果越明顯,使用“b”增白劑時,白度提升顯著,白度最高為76.67度,相對于基礎配方,白度提升了約6度。一方面是由于增白劑[5]本身白度較高,加入配方中有一定的增白作用;另一方面其折射率較高,粒徑較細,增強了散射效果,起到明顯的增白[6]作用。

1.3 制備工藝的影響

1.3.1 球磨影響因素

為了降低生產成本,建筑陶瓷行業主要使用中高鋁球石和中鋁球襯進行粉料球磨加工。球石磨耗也是影響粉料白度的重要因素,據相關的文獻報道,氧化鋁[5]球石的磨耗受到氧化鋁的含量以及氧化鋁晶粒尺寸的影響。

一般來講,晶粒尺寸小、鋁含量高的球石的耐磨性能比較優異。相關文獻研究指出,材料的缺陷隨著晶粒尺寸增大而不斷增大,大尺寸的缺陷導致在磨損過程中材料的去除量增加,從而引發了嚴重磨損。

如圖4所示,通過比較細晶材料和粗晶材料,細晶材料即使是發生多處的晶粒拔出現象,在整體材料的去除量上也可能小于粗晶材料單個或者幾個晶粒的去除量,在整體上表現就是粗晶材料的磨損率要高于細晶材料。

圖4 氧化鋁球石的顯微結構[7]

中高鋁球石的化學成分,如表1所示。

表1 不同球石和球襯部分化學組成和性能

從表1可以看出,中高鋁球石和中鋁球襯的鐵含量明顯高于高鋁球石和高鋁球襯。在球磨過程中,球磨機內中高鋁球石和中鋁球襯將產生損耗。據統計,球石和球襯的總損耗約為0.56%(總損耗(球石和球襯)=全年球石球襯損耗/全年粉料量),最終導致漿料中摻入部分的雜質,使坯體白度降低。

1.3.2 燃料的影響

在煤改氣前,噴霧造粒的主要燃料是水煤漿。水煤漿在熱風爐中燃燒產生的熱煙氣,在噴霧塔抽風機強大的抽力作用下,將未完全燃燒的煤灰、微小的鐵質和不能燃燒的高溫微顆粒帶進了噴霧塔中,在與泥漿進行熱交換的過程中又混進了粉料,造成了粉料的污染。這些粉料在壓制成形后經窯爐高溫燒成,雜質中的鐵呈現多種價態的混合物(Fe2+、Fe3+等),形成紅色、黃色、淺黃色、褐色和黑色等顏色,經拋光機拋光后,在20 倍的放大鏡下觀察,會看到大大小小的針孔,以及顏色各異的色點,降低了產品的白度;由于鐵質溫度低,使產品拋光后產生熔洞,從而影響了產品的品質,去除這些雜質也十分困難。另外,在燒成的過程中,燒成氣氛的影響對著色離子的價態具有十分明顯的影響。一般來講,過分的還原氣氛會降低白度,如Ti4+,若被還原成Ti3+,會使陶瓷坯體的顏色由無色變成黃色,影響坯體的白度。

1.3.3 除鐵技術的影響

在陶瓷原料的運輸和粉碎過程中,機械設備的磨損,往往會在原材料中混入大量的鐵粉或含鐵的化合物。這些含鐵雜質經過高溫焙燒后,一般呈現黃色或者黑色,大大降低陶瓷制品的白度。特別是比較粗的顆粒,焙燒后往往從褐色到黑色的斑點,嚴重影響制品的外觀質量。目前行業主要采取磁棒式除鐵器進行除鐵,是磁棒直接和漿料接觸除鐵的方式。但是由于磁棒存在磁力衰減且磁力較低,除鐵增白效果一般。圖5為磁棒組槽式漿料除鐵池和磁棒結構。

圖5 磁棒組槽式漿料除鐵池和磁棒結構

而采用電磁除鐵方式對漿料進行除鐵效率更高,相比磁棒除鐵來說,電磁除鐵器能夠產生比較高的工作磁場,磁感應強度最高可達15 000 Gs以上,其分選效率較高、處理能力大,可以更好地提高產品的品質。對于普通坯體來說,漿料除鐵后[8～10],可有效增加坯體白度3～5度。

2 結語

綜上所述,筆者從陶瓷坯體白度的影響因素出發,介紹了提高陶瓷坯體白度的有效手段,包括以下幾點:①嚴格控制粉料中的鐵、鈦含量,精選具有較少著色離子的原材料能有效地提高坯體的白度。②折射率較高、粒徑較小的增白劑可以明顯提高陶瓷坯體白度。③合理的加工工藝是提高陶瓷坯體白度的重要手段,包括采用高鋁球石球襯,造粉,燒成過程采用天然氣取代水煤氣,選用具有更高磁感應強度的除鐵棒等均能有效提高坯體白度。