陶瓷原料粒度和升溫速率對(duì)差熱分析曲線的影響研究

郝 斌

(唐山學(xué)院a.環(huán)境與化學(xué)工程系；b.唐山市微納米材料制備及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000)

陶瓷原料粒度和升溫速率對(duì)差熱分析曲線的影響研究

郝 斌a，b

(唐山學(xué)院a.環(huán)境與化學(xué)工程系；b.唐山市微納米材料制備及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000)

以陶瓷原料中常見的高嶺土和圍場(chǎng)土為研究對(duì)象，考察粒度、升溫速率對(duì)兩種礦物差熱分析(DTA)曲線的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同礦物的粒度、升溫速率對(duì)差熱分析曲線有較明顯的影響，即隨著試樣粒度的增大，差熱分析曲線的峰形越來越低，越來越平坦，反應(yīng)溫度滯后；而隨著升溫速率的提高，差熱分析曲線的峰形越來越高，越來越尖銳，反應(yīng)溫度也會(huì)發(fā)生滯后。

高嶺土；圍場(chǎng)土；差熱分析曲線；粒度；升溫速率

0 引言

差熱分析(DTA，Differential Thermal Analysis)是一種重要的熱分析方法，是指在程序控溫下測(cè)量物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度或者時(shí)間的關(guān)系的一種測(cè)試技術(shù)。差熱分析曲線(DTA曲線)是差熱分析得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，其縱坐標(biāo)代表溫差，橫坐標(biāo)代表時(shí)間或者溫度。差熱分析方法操作方便，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無機(jī)材料、高分子材料、高聚物材料、復(fù)合材料等方面的生產(chǎn)和科學(xué)研究[1-2]，用于測(cè)定物質(zhì)在熱反應(yīng)時(shí)的特征溫度及吸收或放出的熱量，包括物質(zhì)相變、分解、化合、凝固、脫水和蒸發(fā)等物理或化學(xué)反應(yīng)[3]。由于差熱分析是一種動(dòng)態(tài)的溫度分析技術(shù)，故影響其實(shí)驗(yàn)結(jié)果DTA曲線的因素甚多[4]。邱小云以純鋁和純銦兩種材料為研究對(duì)象，通過差熱分析試驗(yàn)系統(tǒng)研究了影響DTA曲線的主要因素[5]；曹國喜以氟鋁酸鹽玻璃、氟磷酸鹽玻璃和BGGFO玻璃為研究對(duì)象，探討了在進(jìn)行DTA測(cè)量時(shí)的一些影響因素[6]?？傊绊懺嚇硬顭岱治銮€的因素主要有升溫速率、參比物的選用、試樣填充量、試樣粒度及試樣性質(zhì)等。本實(shí)驗(yàn)以陶瓷原料中常見的高嶺土和圍場(chǎng)土兩種礦物為研究對(duì)象，考察礦物的粒度、升溫速率對(duì)差熱分析曲線的影響，對(duì)正確測(cè)試差熱分析曲線、提高測(cè)試準(zhǔn)確率具有實(shí)際的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)方法

選用陶瓷原料中常見的高嶺土、圍場(chǎng)土為實(shí)驗(yàn)原料。差熱分析實(shí)驗(yàn)要求參比物在加熱或冷卻過程中不發(fā)生任何變化，在整個(gè)升溫過程中參比物的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、粒度盡可能與試樣一致或相近，因此，本實(shí)驗(yàn)選擇三氧化二鋁(α-Al2O3)作參比物。

應(yīng)用差熱分析儀(型號(hào)HCR-1，北京恒久科學(xué)儀器廠)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先打開差熱分析儀，將待測(cè)樣品和參比物α-Al2O3分別裝入到兩個(gè)坩堝中，之后關(guān)上差熱分析儀，設(shè)置升溫速率和保溫時(shí)間，開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程需要冷卻水循環(huán)，待差熱分析儀冷卻至室溫后關(guān)閉冷卻水。根據(jù)電腦記錄數(shù)據(jù)，在Excel表格中對(duì)差熱分析結(jié)果進(jìn)行分析處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同礦物粒度對(duì)差熱分析曲線的影響

一般情況下，差熱分析實(shí)驗(yàn)的樣品顆粒度在100～200目左右，顆粒小可以改善導(dǎo)熱條件，但太細(xì)可能會(huì)破壞樣品的結(jié)晶度。本實(shí)驗(yàn)高嶺土選擇100～140目、140～180目和180～240目3種粒度，圍場(chǎng)土選擇100～140目、180～240目和大于240目3種粒度，研究礦物粒度對(duì)差熱分析曲線的影響。

2.1.1 不同粒度的高嶺土

(a)10 ℃/min

(b)15 ℃/min

(c)20 ℃/min

2.1.2 不同粒度的圍場(chǎng)土

(a)10 ℃/min

(b)15 ℃/min

(c)20 ℃/min

總之，由結(jié)果可知，差熱分析曲線峰值溫度基本不變，高嶺土和圍場(chǎng)土的粒度越細(xì)，峰值和峰面積就越大。因?yàn)楦邘X土和圍場(chǎng)土在體積相同的情況下，粒度越細(xì)，坩堝內(nèi)二者的質(zhì)量就越大，從而導(dǎo)致吸熱和放熱強(qiáng)度均有增加，使峰值和峰面積也加大。由此可見粒度大小對(duì)定性差熱分析基本無影響，而做定量分析時(shí)，由于礦物含量與差熱分析曲線形成的峰面積有直接關(guān)系，峰面積的變化會(huì)影響到各礦物含量的變化，故粒度不同會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果不同[7]。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因?yàn)椋涸嚇恿６仍酱?，?duì)脫水作用的妨礙作用越大，谷形越不明顯，反應(yīng)溫度也越高；試樣粒度越小，反應(yīng)強(qiáng)度與反應(yīng)溫度均降低；而在反應(yīng)過程不受擴(kuò)散過程控制的反應(yīng)及相轉(zhuǎn)變，試樣粒度對(duì)它的影響一般情況下是很小的。

2.2 不同升溫速率對(duì)差熱分析曲線的影響

升溫速率不僅影響差熱分析曲線中峰的位置，還會(huì)影響峰的面積。一般來說，升溫速率越高，峰面積越大，峰越尖銳。但是升溫速率過高，試樣分解偏離平衡條件的程度也會(huì)越大，使基線發(fā)生偏移，甚至使得相鄰的兩個(gè)峰發(fā)生重疊，降低分辨率。一般情況下升溫速率選擇10～15 ℃/min為宜。本實(shí)驗(yàn)選擇10 ℃/min，15 ℃/min和20 ℃/min，研究不同升溫速率對(duì)差熱分析曲線的影響。

2.2.1 不同升溫速率條件下的高嶺土

圖3為不同升溫速率對(duì)高嶺土差熱分析曲線的影響。從圖3可以看出，對(duì)粒度不同的高嶺土在不同升溫速率下進(jìn)行加熱時(shí)，升溫速率對(duì)差熱分析曲線有明顯的影響，升溫速率的改變對(duì)差熱分析曲線的形狀、特征和反應(yīng)溫度影響很明顯。具體的影響表現(xiàn)在：隨著升溫速率的提高，吸熱谷變得尖而窄，反應(yīng)出現(xiàn)溫度滯后現(xiàn)象，即差熱分析曲線的峰起始溫度、峰頂溫度和結(jié)束溫度都向高溫方向有些偏移。

2.2.2 不同升溫速率條件下的圍場(chǎng)土

圖4為不同升溫速率對(duì)圍場(chǎng)土差熱分析曲線的影響。從圖4可以看出，對(duì)粒度不同的圍場(chǎng)土在不同升溫速率下進(jìn)行加熱時(shí)，和高嶺土一樣，升溫速度對(duì)差熱分析曲線有明顯的影響，升溫速率的改變對(duì)差熱分析曲線的形狀、特征和反應(yīng)溫度影響很明顯。隨著升溫速率的增加，吸熱谷變得尖而窄，而且也逐漸變深，峰值溫度依次升高。因此，在溫度和時(shí)間滿足燒成需要的前提下，應(yīng)盡量降低升溫速率，以便在保證生產(chǎn)的條件下節(jié)約能源。另外，實(shí)驗(yàn)觀察還發(fā)現(xiàn)，升溫速率繼續(xù)提高時(shí)會(huì)引起相鄰峰(谷)重疊的現(xiàn)象，即減小了相鄰兩個(gè)峰之間的分辨率。

(a)粒徑在100～140目

(b)粒徑在140～180目

(c)粒徑在180～240目

(a)粒徑在100～140目

(b)粒徑在140～180目

(c)粒徑在180～240目

3 結(jié)論

(1)試樣粒度越大，差熱分析曲線上峰形越寬且平坦，反應(yīng)溫度滯后?？紤]到熱消耗，只要粒度符合生產(chǎn)要求，應(yīng)盡量選擇原料粒度大一些。

(2)隨著升溫速率升高，差熱分析曲線上反應(yīng)峰的峰形變得高且尖銳，反應(yīng)溫度也會(huì)有所滯后，峰的起始溫度、峰頂溫度和結(jié)束溫度都向高溫方向有些偏移。

[1] 熊國亮，任立琴，劉敏芳.低成本透鋰長石質(zhì)耐熱陶瓷的研究[J].中國陶瓷，2014，50(5)：33-35.

[2] 樊雪琴，侯永改，路繼紅，等.V2O5對(duì)低溫陶瓷結(jié)合劑性能與結(jié)構(gòu)的影響[J].中國陶瓷，2014，50(7)：61-63.

[3] 沈清，楊長安.差熱分析結(jié)果的影響因素研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23(5)：59-61.

[4] 陳文娟，陳巍.差熱分析影響因素及實(shí)驗(yàn)技術(shù)[J].洛陽工業(yè)高等?？茖W(xué)報(bào)，2003，13(1)：10-11.

[5] 邱小云.差熱分析曲線的影響因素[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2012，48(12)：801-803.

[6] 曹國喜，馮際田，胡和方，等.差熱分析若干影響因素探討[J].玻璃與搪瓷，2002，30(4)：33-36.

[7] 王仲軍，劉大成.樣品粒度對(duì)差熱分析影響的研究[J].中國陶瓷工業(yè)，2001，8(3)：26-27.

(責(zé)任編校：李秀榮)

On the Effect of Particle Size and Heating Rate of Ceramic Materials on Differential Thermal Analysis Curve

HAO Bina，b

(a.Department of Environmental and Chemical Engineering；b.Key Laboratory of Micononomaterial Preparation and Application of Tangshan City， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

The author of this paper studied the effect of the particle size， heating rate of Kaolin and paddock soil(two common ceramic raw materials) on the differential thermal analysis (DTA) curves. The results show that different mineral particle sizes， heating rates greatly influence the differential thermal analysis curves， i.e. with the increase of particle sizes of the samples， the peak of the differential thermal analysis curve becomes lower and flatter， and the reaction temperature lags behind； and with the increase of heating rate， differential thermal analysis curve shape is higher and sharper， and the reaction temperature also falls behind.

kaolin； paddock； differential thermal analysis curve； particle size； heating rate

TQ174.1

A

1672-349X(2015)03-0061-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.021