無(wú)機(jī)顏料用無(wú)鉛低溫熔劑的研制

趙田貴 黃 駿 張慧娟

(江蘇拜富科技有限公司 江蘇 宜興 214221)

前言

目前，我國(guó)日用陶瓷玻璃的裝飾仍以鉛含量高的陶瓷玻璃釉上顏料為主。隨著科技的不斷進(jìn)步和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，鉛對(duì)人類(lèi)的毒害和對(duì)環(huán)境的污染，越來(lái)越引起人們的重視。對(duì)部分類(lèi)別的陶瓷玻璃制品必須實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化，比如與食品相關(guān)和兒童接觸的陶瓷玻璃制品等。所以無(wú)機(jī)顏料的無(wú)鉛化必將是今后主流趨勢(shì)。

人們?cè)趯ふ姨娲U的元素中發(fā)現(xiàn)無(wú)毒害的鉍，其Bi3+離子與Pb2+離子很相似，它們的電子結(jié)構(gòu)和離子半徑相似，最外層都帶有兩個(gè)電子，具有極化率大，在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生變形，促使不對(duì)稱(chēng)原子團(tuán)形成，Bi3+極化形成不對(duì)稱(chēng)的[BiO6]八面體，形成玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故在低溫熔劑中可以使用鉍替代鉛實(shí)現(xiàn)環(huán)保無(wú)鉛化。在國(guó)內(nèi)，無(wú)鉛玻璃粉料的研究己經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但是與國(guó)外相比還是存在一定的差距[1～4]。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

熔劑原料：石英、硼酸、氧化鉍、碳酸鋰、氧化鋅、硝酸鈉、硝酸鉀、方解石、鈦白粉和硅酸鋯。

1.2 熔劑的制備

準(zhǔn)確稱(chēng)量→過(guò)篩混合→熔制→水淬冷→球磨→干燥

1.2.1 稱(chēng)量

按熔劑配方物料組成準(zhǔn)確稱(chēng)量原料。

1.2.2 熔制

將混合好的物料放入1 200～1 250 ℃熔塊爐中燒制1.5 h，然后在水中淬冷。

1.2.3 球磨

按球∶料∶水=3∶1∶0.4球磨。

1.3 配方設(shè)計(jì)

本課題中無(wú)鉛熔劑配方主要是以Bi2O3-B2O3-SiO2-RXOy系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)氧化物含量，研究其對(duì)熔劑的始熔溫度、膨脹系數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性等性能的影響。在前期研究基礎(chǔ)上，根據(jù)以下配方釉式為基礎(chǔ)配方。

基礎(chǔ)配方A0的釉式：

1.3.1 配方設(shè)計(jì)

1)研究Na2O/ZnO含量對(duì)熔劑的始熔溫度、膨脹系數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性的影響，在A0配方基礎(chǔ)上依次增加0.05 molNa2O替代ZnO，配方A系列釉式如下：

2)研究B2O3含量對(duì)熔劑的始熔溫度、膨脹系數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性的影響，在A0配方基礎(chǔ)上依次增加0.1 molB2O3，配方B系列釉式如下：

3)研究Bi2O3含量對(duì)熔劑的始熔溫度、膨脹系數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性的影響，在A0配方基礎(chǔ)上依次增加0.05 molBi2O3，配方C系列釉式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 各組成對(duì)熔劑的始熔溫度和膨脹系數(shù)的影響

2.1.1 Na2O/ZnO比例對(duì)熔劑的始熔溫度和膨脹系數(shù)的影響

從圖1可以看出，隨著Na2O/ZnO比例的增加，熔劑始熔點(diǎn)溫度是逐漸降低，膨脹系數(shù)逐漸升高。這主要是由于堿金屬Na+半徑小，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中使硅氧鍵斷裂，容易進(jìn)入硅氧四面體、硼氧三角體和硼氧四面體為基本結(jié)構(gòu)單元的空隙中，與其它氧化物形成低共熔物，故有助于降低熔劑的軟化點(diǎn)和熔點(diǎn)。同時(shí)，隨著Na2O的加入，提供的氧離子含量增加，硅氧四面體中橋氧斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢蜓?，結(jié)構(gòu)變得疏松，熔劑的膨脹系數(shù)逐漸升高。

圖1 配方A系列熔劑中的始熔溫度和膨脹系數(shù)

2.1.2 B2O3含量對(duì)熔劑的始熔溫度和膨脹系數(shù)的影響

從圖2可以看出，隨著B(niǎo)2O3含量的增加，熔劑的始熔溫度是先降低后升高，膨脹系數(shù)是逐漸降低。這主要是由于當(dāng)B2O3含量較少時(shí)，其結(jié)構(gòu)主要為[BO3]三角體，隨著B(niǎo)2O3含量從0.5 mol增加到0.6 mol，熔劑始熔溫度是呈降低，B2O3主要起助熔作用。當(dāng)B2O3含量繼續(xù)增加，[BO3]三角體轉(zhuǎn)變?yōu)閇BO4]四面體，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密，始熔溫度提高，且膨脹系數(shù)降低。

圖2 配方B系列熔劑中的始熔溫度和膨脹系數(shù)

2.1.3 Bi2O3含量對(duì)熔劑的始熔溫度和膨脹系數(shù)的影響

從圖3可以看出，隨著B(niǎo)i2O3含量的增加，熔劑始熔溫度是逐漸降低。這主要是由于Bi2O3本身熔融溫度較低為824 ℃，且Bi與Pb極為相似，是熔劑中的強(qiáng)助熔劑，故熔劑始熔溫度隨Bi2O3含量增加而降低。但隨著B(niǎo)i2O3含量增加到一定程度時(shí)，其始熔溫度下降得較為平緩不明顯，由于Bi2O3價(jià)格昂貴，引入的量不必過(guò)多。同時(shí)由圖3可知，Bi2O3在此多元系統(tǒng)中是增加熔劑膨脹系數(shù)[5]。

圖3 配方C系列熔劑中的始熔溫度和膨脹系數(shù)

2.2 各組成對(duì)熔劑的化學(xué)穩(wěn)定性的影響

將熔劑樣品放入1%硫酸溶液，在室溫浸泡24 h，前后稱(chēng)量質(zhì)量，評(píng)價(jià)其化學(xué)穩(wěn)定性能。從表1可以看出，隨著Na2O/ZnO比例的增加，浸泡后熔劑的失重是逐漸增大的，說(shuō)明其耐酸性是逐漸減弱的，同樣是由于堿金屬Na2O含量增加而引起耐酸性能的變差。而隨著B(niǎo)2O3和Bi2O3含量增加，熔劑的耐酸性能是逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明在此配方體系中B2O3和Bi2O3是增強(qiáng)熔劑耐酸性能。

表1 各配方系列熔劑的耐酸性(wt%)

為了更加直觀的反映出熔劑的耐腐蝕性能，將熔劑和黑色料(銅鉻黑)混合制備成顏料，印刷在玻璃上燒烤后，浸入硫酸溶液中，部分樣品圖如圖4所示。

幾乎無(wú)色差 輕微色差 較大色差 脫落

圖4熔劑和黑色料(銅鉻黑)制備顏料樣品圖

3 結(jié)論

1)在Bi2O3-B2O3-SiO2-RXOy系統(tǒng)中，隨著Na2O/ZnO比例的增加，熔劑始熔點(diǎn)溫度是逐漸降低，膨脹系數(shù)逐漸升高，化學(xué)穩(wěn)定性逐漸減弱。

2)隨著B(niǎo)2O3比例的增加，熔劑始熔點(diǎn)溫度是先降低后升高，膨脹系數(shù)逐漸降低，化學(xué)穩(wěn)定性逐漸提高。

3)隨著B(niǎo)i2O3比例的增加，熔劑始熔點(diǎn)溫度是逐漸降低，膨脹系數(shù)逐漸升高，化學(xué)穩(wěn)定性逐漸提高。