色料对堇青石蜂窝陶瓷性能的影响
方红 侯来广 刘艳春 黄诚 任雪潭
摘 要：红外线燃气灶具具有加热均匀、热效率高、燃烧充分、烟气量少、热效率高达 68.5%等诸多优点，成为节能灶具的代表性产品。蜂窝陶瓷板是红外线节能灶具的一个关键部件，其表观性能和理化性能对灶具的外观设计和家庭室内装饰的协调性都有一定的影响。本论文以堇青石蜂窝陶瓷为基本材料，选择铬绿、锆铁红、镨黄、钴黑四种色料为添加物，探究了加入色料的种类及含量对蜂窝陶瓷板的性能影响。通过对制备瓷片的收缩率、吸水率、抗折强度等的测试及XRD和SEM分析，结合外观情况，结果表明，一定量色料的添加并不会影响到堇青石质蜂窝陶瓷的主要性能，彩色蜂窝陶瓷的收缩率、吸水率、抗折强度及抗热震性能均在合格标准范围内。
关健词：堇青石； 色料； 掺杂
1 前言
目前，蜂窝陶瓷广泛应用于汽车尾气净化器、臭氧抑制催化剂载体、冶金工业的热交换和金属液的过滤、化学工业的化学反应载体及催化剂、红外辐射燃烧、粉末冶金的承烧板、采矿业的有毒气体和液体的净化处理、轻工业的喷涂以及建材工业的消声材料和窑炉的隔热材料[1-4]。随着德国人Schwank发明的多孔陶瓷板燃气红外辐射器的问世，很多特殊的耐火材料制造的红外线辐射板也相继出现。蜂窝陶瓷板作为燃气红外加热器的核心部件，它以热辐射的方式加热物体，由于辐射加热具有很多独特的性能，且一般陶瓷材料的热辐射率都比较高，所以这种蜂窝陶瓷板红外加热器与传统的燃烧器相比，具有加热效率更高、产品加工性能更好和极低的CO、NOx产生率等优点，因此蜂窝陶瓷板辐射器使用十分广泛。
红外线节能灶具就是采用了多孔红外辐射板产生的红外线加热原理。这种红外线辐射板可以辐射出一定波长的红外线，能够加快物体的受热过程；燃烧板工作时火焰短，附着于燃烧板表面以下2 ～ 3 mm的火孔内，基本上看不见火焰，所以也被称为无焰燃烧方式。由于加热过程中能量损失很小，从而大幅度提高了灶具的热效率。我国多孔陶瓷板燃气燃烧技术应用于燃气具行业已经有20多年的历史了，许多学者做了大量的研究工作将这项技术造福于广大民众[5-9]。红外线灶具与普通的大气式燃气炉相比有以下几个明显的优点：
（1）燃烧更完全，热量传递效率更高、热量吸收效率更高，跟传统大气式燃烧方式相比能够节约燃气20%以上；
（2）无焰燃烧，长期使用也不会熏黑炊具，是完全干净的加热烹调方式；
（3）能够有效抑制对人体危害极大的碳、氮氧化物的生产，消除对人体健康危害的隐患；
（4）由于多孔蜂窝陶瓷结构具有极好的防风性能，不容易熄火，使用更加安全。
目前这种红外蜂窝陶瓷燃烧板的颜色过于单一。本研究以堇青石蜂窝陶瓷为基本材料，选择各种色料体系，在原料中加入不同的色料，进行彩色陶瓷基体的制备研究，制备多种颜色的红外多孔蜂窝陶瓷燃烧板，为丰富红外线灶具的品种和系列产品提供参考。
2 实验部分
堇青石质蜂窝陶瓷以堇青石晶体为主晶相，因此制备堇青石蜂窝陶瓷的原材料主要是能形成堇青石的无机耐热材料，包含SiO2及Al2O3的粘土类原料、含Mg的原料、氧化铝、硅石等原料。堇青石废料主要是生产过程中产生的废品及边角料，用研磨机研磨成粉。
本实验采用堇青石、粘土、碳粉、纤维素以及各种色料为主要原料，原料的各种配比见表1。
各原料的生产厂家及纯度如下表2所示。
首先选取需要的原料，并按配方比例称量。倒入混合机干混合1 h后，加入适量水和甘油，再混合30 min，最后加入适量油酸，混合10 min。混练均匀后，将泥料密封陈腐24 h。本实验采用塑压成型方式，进行压制成型。坯体成型后采用微波干燥法，干燥时间为14 min，直至含水率< 2%为止。烧成采用推板式隧道窑，烧成温度为1200°C。
3 实验结果分析与讨论
3.1瓷片的性能分析
瓷片的尺寸和强度对后续产品的安装和燃烧性能有着重要的影响，所以收缩率和强度在产品试制时，是重要的考虑因素，在进行绿色瓷片的试制时着重考虑了这两个指标。
采用不同量的铬绿色料加入量（3%，5%，8%），将各个配方的泥料成型后再用微波烘干，烘干后测量坯体的直径和厚度，然后放入窑炉内烧成，烧成后再测量烧结后的坯体直径和厚度，计算出其收缩率；烧成后的陶瓷片制成标准试条用压力抗折机测试陶瓷片的抗折强度，测试结果见表4。
由表4可以看出色料的加入量对长度收缩率的影响总体小于厚度方向，但是随着色料加入量的增多，长度方向收缩率呈现增大的趋势，厚度方向的收缩率则呈现缩小的趋势。绿色堇青石瓷片的抗折强度与加入的铬绿色料的含量存在一定的正比例关系，在实验范围内，随着色料加入量的增加，陶瓷片的抗折强度也有一定比例的增加。
从呈色效果看，加入色料量在8%时，效果能够满足设计要求。基于此，分别以铬绿、锆铁红、镨黄和钴黑为外加色料，加入量为8%，按照前述方法制备了彩色陶瓷片，具体测试结果见表5。可以看出镨黄和钴黑色料制备的陶瓷片具有较高的机械强度，而铬绿瓷片的强度最低，其中镨黄色料加入后的瓷片在厚度方向的收缩率远低于其他三种色料的收缩率。
选取合格瓷片安装在红外线灶具上进行燃烧性能测试，测试十次，每次1 h。每1 h燃烧完成后均需在陶瓷板上面均匀地撒上一定量的冷水，以此来测试陶瓷板的抗热震性能寿命。通过实验测试，陶片均未出现开裂炸裂现象。3.2 瓷片的XRD衍射和SEM分析
由图1至图4的X衍射譜图可以看出加入色料的陶瓷片仍然以堇青石为主要晶相，可以断定色料并未改变蜂窝陶瓷的主要成分。在绿色瓷片中，出现了明显的氧化铬的衍射峰，其余均为堇青石结构物相。而由锆铁红和镨黄色料制成的瓷片中则出现了硅酸锆的衍射峰，推测这两种色料在制备的过程中形成了硅酸锆所致。而在钴黑制备的彩色瓷片中则出现了镍锗尖晶石物相。几种色料掺杂所制备的彩色瓷片都具有相似的主晶相组成，说明色料在堇青石瓷片的高温制备过程中对材料的主体结构影响不大，因此不会对材料的使用性能产生大的影响，但却带来了视觉的美学效果。
图5为色料加入量8%的彩色瓷片的SEM照片，从图中可以看出，铬绿瓷片和镨黄瓷片的气孔明显偏多，它们各自的气孔部分具有相同的取向，但是孔径的均匀性较差。钴黑瓷片和锆铁红瓷片的气孔相对于它们就少了很多，烧结比较致密。四个瓷片的晶粒都比较松散，铬绿瓷片的气孔很大，晶粒间隙较大，晶粒形貌不规则，孔径分布不均匀，晶体呈无定型珊瑚状。而锆铁红瓷片和镨黄瓷片气孔相对较小，晶粒形貌也要规则一些，钴黑陶瓷的气孔是最小的，晶粒形貌呈片状，烧结也最为致密。
4 结论
（1）在考虑成本的情况下，加入8%含量色料的陶瓷显色情况最佳。镨黄色料显色比较差，而铬绿的色料显色最佳。
（2）色料含量对堇青石蜂窝陶瓷的收缩率、吸水率的影响并不明显，但对抗折强度的影响要稍微大一些，加入镨黄和钴黑的瓷片具有较高的抗折强度，而加入铬绿和锆铁红的瓷片抗折强度则相对较低。
（3） 抗热震性能测试表明色料的添加并不会影响到堇青石蜂窝陶瓷的主要性能。
（4）本实验的彩色蜂窝陶瓷的收缩率、吸水率、抗折强度及抗热震性能均在合格标准范围内，可以进行规模化生产。
参考文献
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