氧化還原反應增白陶瓷坯體實驗及性能分析

摘 要： 以碳化硅微粉在坯體中的氧化還原反應為技術路線，提出利用微量碳化硅在不影響各項物理性能的情況下提升產(chǎn)品白度。經(jīng)過試驗表明，瓷質(zhì)釉面磚坯體中引入3000目的碳化硅微粉，加入量為0.07wt%，產(chǎn)品白度提升至28度，吸水率0.15%，斷裂模數(shù)43MPa，產(chǎn)品性能符合陶瓷磚的技術指標要求。

關鍵詞：氧化還原反應；陶瓷坯體；試驗；性能分析

1前言

陶瓷產(chǎn)業(yè)一直以來都是高能耗、高污染和高資源消耗的產(chǎn)業(yè)，隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)資源的不斷消耗，各種優(yōu)質(zhì)坯體原料越來越難找，儲存量也越來越少。而隨著人們消費能力和審美的不斷提高，對該產(chǎn)業(yè)的要求卻越來越高。在國家提倡節(jié)能、減排、高效的大環(huán)境下，產(chǎn)出既能符合國家環(huán)保趨勢又能滿足人們審美追求，而且成本較低的陶瓷產(chǎn)品，是未來很長一段時間陶瓷行業(yè)需要研究和解決的課題。尤其是對坯體白度的要求，如何通過降低陶瓷磚對坯用原料的白度要求，以降低生產(chǎn)成本，而又實現(xiàn)坯體白度增加，提高資源利用率，增加陶瓷磚性價比，是一個值得深入研究的課題。采用坯體加硅酸鋯的方式增白坯體，由于硅酸鋯的價格非常高，若采用此種方法，坯體配方成本會非常高，除極個別產(chǎn)品外根本不具備可推廣性，而且過多的硅酸鋯會使得產(chǎn)品的放射性超標，影響健康和應用。

研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡陶瓷和輕質(zhì)陶瓷板生產(chǎn)過程中使用的碳化硅微粉，特別是綠硅在坯體內(nèi)部的反應氣氛和外部氣氛存在明顯差異，外部為氧化氣氛，板材內(nèi)部為氧化還原氣氛，大致的化學反應如下所示：

2SiC（s） + 3O2 （g）→2SiO2 （s） + 2CO（g）

SiC（s） + 2O2 （g）→SiO2 （s） + CO2 （g）

坯體配方中的碳化硅，在燒結(jié)過程中從900℃左右開始，會持續(xù)反應，生成CO和CO2氣體，在增加坯體氣孔的同時使得坯體內(nèi)部形成細微的均勻還原氣氛，CO還原部分坯體中的著色劑，使得坯體白度明顯提高。在坯體內(nèi)部的氧化還原反應將坯體中的Fe2O3還原為FeO就可以有效的改善坯體的白度 。本文針對該技術思路做相關研究，并對產(chǎn)品的物理性能做了對比分析[1-6] 。

2試驗

2.1原料分析及配方

以正常生產(chǎn)的陶瓷磚坯體配方作為基礎原料并引入碳化硅（綠硅）作為氧化還原劑，分別添加0.02wt%-2.0wt%不等的比例，壓制后燒成。具體的基礎原料配方見表1，原料的化學組成見表2。

2.2試驗方法

采用濕法球磨方式，球磨8min/份；漿料細度為過250目篩后，篩余為1.0～1.2g；坯料含水率為6wt%～6.6 wt%，采用試驗液壓壓機，對坯料進行壓制，制得陶瓷坯體，上面釉后經(jīng)噴墨打印加施保護釉后燒成得成品，燒成周期60min，燒成溫度1165℃左右。

2.3測試

采用數(shù)顯抗折強度儀測試樣品的斷裂模數(shù)，采用阿基米德排水法測定試樣的體積密度；采用比重瓶法測定漿料的比重；使用日本Rigaku公司的SmartLab SE型X射線衍射分析儀對試樣進行物相分析；采用美國ThermoFisher公司的Apreo S Hivac 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對樣品切口進行顯微結(jié)構表征；采用濟南方圓儀器設備有限公司的YES2000型數(shù)顯萬能試驗機測試樣品的力學性能。

3結(jié)果及分析討論

從圖1得出，隨著碳化硅微粉的不斷加入，坯體白度提高，則證明坯體中的還原氣氛隨之增強，坯體中鐵元素多以亞鐵形式存在，坯體整體呈現(xiàn)青白調(diào)。碳化硅細度對白度影響也比較明顯，3000目碳化硅白度整體比1500目碳化硅對坯體的增白效果更加明顯。在圖2中不難發(fā)現(xiàn)，隨著碳化硅含量的增加吸水率也隨之提高，這是由于碳化硅的細度越細則發(fā)泡劇烈程度越明顯，產(chǎn)生的孔洞越多，發(fā)泡劑發(fā)泡導致坯體中產(chǎn)生氣孔導致吸水率提高。

在陶瓷坯體中由于引入的碳化硅，高溫分解并液相中包裹產(chǎn)生氣泡，就會破壞坯體的整體性，隨著碳化硅含量的增加氣孔量增加，則強度就會斷崖式降低，見圖3.同時，碳化硅發(fā)泡導致坯體體積膨脹，坯體的密度也會隨著用量的增加體積變小，同時過量會導致坯體變形，從而影響產(chǎn)品的平整度。

從白度、吸水率、斷裂模數(shù)和體積密度上不難看出：碳化硅加入量要控制在合理范圍內(nèi)。隨著加入量的增加，坯體白度、密度、吸水率以及斷裂模數(shù)等也會隨即發(fā)生變化，考慮瓷磚的物理性能，在增白過程中要保證增白瓷磚的吸水率以及斷裂模數(shù)等內(nèi)在理化性能都在國標范圍內(nèi)。另外，由于碳化硅的加入量相對于基礎原料量的比例較小，碳化硅實現(xiàn)分散較困難，粗的碳化硅比細的碳化硅更難均勻分散，粗的碳化硅發(fā)泡更急劇和不均，對坯體氣孔影響更大。綜合得出，3000目碳化硅加入量為0.07%為最佳實驗結(jié)果，坯體增白效果達到預期要求。

3.1微觀結(jié)構

以3000目碳化硅引入量分別為0%，0.02%，0.07%，樣品分別標記為k06、10和30做SEM測試，結(jié)果見圖5至圖8所示。

從SEM圖片結(jié)果來看，引入發(fā)泡劑后坯體會出現(xiàn)細小孔洞，這是因為發(fā)泡劑高溫發(fā)泡造成的氣孔所致，發(fā)泡劑加入量越多孔洞數(shù)量越多。不加發(fā)泡劑的情況下出現(xiàn)的少量氣孔是因為坯體本身致密度或者雜質(zhì)產(chǎn)生的影響。

3.2物相分析

試驗中k06、10、30樣品的物相分析圖如圖9所示：

樣品的礦物成分變化不大，證明碳化硅對產(chǎn)品晶相的影響可以忽略，從峰位看，峰的位置比較一致。主要含有SiO2和莫來石，鈣鐵榴石較少，這個相對應的峰位也標注為堇青石，但是鈣鐵榴石峰位更符合，從最高峰峰強和總體峰強看含量較低。

4總結(jié)

（1）采用3000目碳化硅作為增白添加劑，加入量為0.07wt%為最佳實驗結(jié)果，產(chǎn)品白度提升至28度，吸水率0.15%，斷裂模數(shù)43MPa，產(chǎn)品性能符合陶瓷磚的技術指標要求。

（2）在坯體配方中引入微量的碳化硅作為增白劑，通過碳化硅的氧化還原反應提高了坯體白度，拓寬了坯用原料的選擇范圍，降低了高白度坯體的配方成本，同時還能減少面釉中硅酸鋯的加入量，可有效控制放射性和產(chǎn)品生產(chǎn)材料成本，但在日常生產(chǎn)中要嚴格控制用量確保產(chǎn)品物理性能不過量損失的情況下合理使用。

參考文獻

[1] 張宏泉， 文進， 沈海燕. 添加劑對輕質(zhì)多孔陶瓷材料制備與性能的影響[J]， 武漢理工大學學報. 2021， 43（10）： 1-5.

[2] 吳海波， 袁波， 韓建燊， 等. 多孔陶瓷材料的制備研究進展[J]， 耐火材料. 2012， 46（03）： 230-235.

[3] 初雅杰， 吳申慶. 多孔陶瓷的顯微結(jié)構與性能[J]， 材料導報. 2008， 09： 47-50.

[4]謝代義， 吳清仁， 楊媛， 等. 陶瓷拋光廢料對多孔陶瓷輕質(zhì)磚性能及結(jié)構影響的研究[J]， 中國陶瓷. 2008， 01： 26-29.

[5] 李劍橋. 陶瓷拋光渣燒成發(fā)泡的氣氛影響與控制研究[D] . 廣州：華南理工大學，2019. LI J Q. Study on the atmosphere effect and control of foaming of porcelain polished tiles waste during firing [ D] . Guangzhou： South China University of Technology， 2019 （ in Chinese）

[6] 張國濤 ， 鄧仕豪 ， 楊景琪 . 以銅尾礦制備發(fā)泡陶瓷墻板的研究 [J]. 山東陶瓷 ，2020，43（1）：1-3

Experiment and Performance Analysis of REW Ceramics

LI Guang wei，ZHANG Guo tao ，DU Yong qiang ，YU Jin jun ， DONG Cheng ，BAI Jia hai

（1Guangdong KITO Ceramic Group Co.， Ltd.， Foshan 528031;

2.School of Materials Science and Engineering， Shandong University of Technology， Zibo， 255000；

3Guangdong KITO Green Energy Technology Co.， LTD.， Foshan 528031；

4.Jingdezhen KITO Green Energy New Material Technology Co.， LTD.， Jingdezhen， 333400;

5Jingdezhen Jiushantang Studio，Jingdezhen， 333400）

Abstract： Taking the oxidation-reduction reaction of silicon carbide micro powder in the green body as the technical route， it is proposed to use trace amounts of silicon carbide to improve the whiteness of the product without affecting various physical properties. Through experiments， it has been shown that the introduction of 3000 mesh silicon carbide micro powder into the body of porcelain glazed tiles， with a dosage of 0.07% wt， increases the whiteness of the product to 28 degrees， has a water absorption rate of 0.15， a fracture modulus of 43 MPa， and the product performance meets the technical requirements of ceramic tiles.

Keywords： Oxidation-reduction reaction;Ceramic body;Test and performance analysis

作者簡介：李光偉（1989-），男，學士。研究方向：建筑陶瓷

通信作者：張國濤（1987-），男，高級工程師，研究方向：建筑陶瓷和多孔陶瓷