CaO—Al2O3—SiO2—R2O—ZnO系黑色微晶玻璃的研究

近年来, 随着科学技术的不断进步, 各类新型装饰材料不断推陈出新, 推动着建筑装饰行业的发展。人们的生活水平日益提高, 对装饰材料性能及装饰效果要求也越来越高, 绿色、环保、健康成为人们的新追求, 微晶石以其独特的理化性能成为装饰行业的新贵。

本文主要研究黑色微晶玻璃的着色、烧结、析晶以及Na2O和K2O含量对它的影响规律, 使之能在满足微晶玻璃着色的前提下, 最大限度改善微晶玻璃的析晶、烧结特性, 从而提高其表面性能。

1 实验

1.1 原料

熔制黑色微晶玻璃熔块所用主要原材料为石英砂、方解石及工业碳酸钡、纯碱等工业原料, 着色剂主要为Fe2O3。基础化学成分 (wt%) :i O2:50~60, Ca O:12~20, Al3O2:4~8, Zn O:3~8, Ba O:1~6, B3O2:0~6, Na2O+K2O:4~8, 着色剂Fe2O3:4~13, 另:可加入适量Sb2O3起澄清剂作用。

1.2 配合料的混合及玻璃粒料的熔制、热处理

首先将称量好的石英砂与Fe2O3预混均匀, 再与其他原料一起充分混合, 装入瓷柄坩埚中, 在高温炉中预热后, 以适当的升温速度升温至1520℃, 保温2h~2.5h, 经水淬成, d≤7mm左右的颗粒, 烘干后用孔径2~5的套筛筛分, 将该粒度范围的粒料铺于刷有脱模剂的耐火模具内, 再次放入高温炉中, 在1070℃~1120℃进行晶化处理, 并以一定的降温制度进行冷却, 脱摸, 抛光加工, 可切割所需规格样品。

1.3 黑色微晶玻璃的着色、析晶

黑色微晶玻璃的晶化和烧结是结合在一起进行的。在瓷舟中进行烧结实验, 先将试样升温至700℃以下某一设定温度点, 保温30min~60min后将试块取出急冷至室温。温度升至700℃后, 每隔20℃重复一次以上试验, 直至晶化烧结最高温度约1100℃。并借助晶相显微镜和偏光显微镜, 观测样品的析晶状况, 并结合样品的X衍射分析结果, 分别判断各温度下析出的晶相种类及晶化程度, 同时可确定析晶起始温度与温度区间。

通过X衍射实验确定微晶玻璃主晶相为β-硅灰石。

2 结果及讨论

2.1 黑色微晶玻璃的形成过程

本实验采用的是烧结法制取微晶玻璃, 晶化和烧结是同时进行的。玻璃料在升温至一定温度后, 经历了分相、核化、晶化等过程[1], 且属于非均相核化与非均相晶化。当黑色玻璃料处于析晶温度区间700℃~1100℃, 均匀分布在粒料中的成核剂能降低玻璃晶核生成所需的能量, 核化就可以在较低温度下进行。由于烧结法生产黑色微晶玻璃是以玻璃颗粒料进行的, 属液相烧结, 它是完全靠粘滞流动来完成的, 因此熔体的黏度将很大程度影响烧结过程[2]。黑色玻璃料中因使用较大含量的着色剂, 导致玻璃料的黏度大大增加, 从而使烧结、晶化很难在普通微晶玻璃烧结温度下实现, 更由于烧结温度过高, 易使板材出现蜂窝状气孔, 密实度不够, 达不到密实度、硬度的要求[3]。为降低烧结、晶化温度, 我们采取在原料中加入适量助熔剂Na NO3, 即增大Na2O的用量的办法, 从而达到降低烧结、晶化温度的目的, 从实际生产的角度来讲, 降低烧成温度, 可以提高板面晶相效果, 减少气孔的产生, 亦可以降低能耗。

2.2 Na2O和K2O的使用对黑色微晶玻璃烧结影响

通过对比实验, 可发现, 配方中掺有适量Na2O和K2O的黑色微晶玻璃析晶起始温度比未掺有Na2O和K2O的温度低, 烧结所需最高温度也偏低 (如图1) 。

适量的Na2O和K2O可以改善黑色微晶玻璃产品的表面气孔, 且晶相与玻璃相的比例随Na2O和K2O含量的增加而减少, 但当其含量超过一定值时, 微晶玻璃中难以生成晶相[3]。

2.3 Na2O和K2O的使用对着色的影响

着色剂氧化铁的着色过程是离子着色, 少量的Fe2O3使用可以将玻璃着成黄色, 但足量Fe2O3可使玻璃着成黑色。由于在高温时可与空气中O2作用生成化合物Fe3O4, 分解后生成Fe2O3和Fe O, 而其中Fe O能将玻璃着成蓝绿色, 从而降低Fe2O3的着色能力, 使黑色不够纯正。若在配方中掺入适量的Na2O和K2O, 可以降低玻璃熔制温度, 减少Fe2O3的挥发, 从而提高着色能力。

在烧结完成后, 着色剂用量相同的情况下, 掺有适量Na2O和K2O的黑色微晶玻璃颜色比不含 (或含量不足) Na2O和K2O的黑色微晶玻璃更均匀, 且不含 (或含量不足) Na2O和K2O的黑色试块颜色出现棕色 (若配方中含有少量Mn+, 试块板面将出现均匀的孔雀绿颗粒) 。

实验表明, N a2O和K2O总含量范围在4%~8%时, 可获得黑色微晶玻璃;当N a2O和K2O总含量低于3%时, 就很难获得黑色微晶玻璃, 且当其含量超过10%时, β-硅灰石晶体就很难析出[4]。

3 结语

Na2O和K2O能使Fe2O3着色的黑色微晶玻璃颜色更加纯正, 同时使黑色微晶玻璃的烧结温度低于同类微晶玻璃的烧结温度。

摘要：研究了碱金属Na2O和K2O对CaO—Al3O2—SiO2—R2O—ZnO系黑色微晶玻璃着色、烧结和析晶的影响与作用, 以及黑色微晶玻璃烧结和析晶热处理温度变化的规律。

关键词：黑色微晶玻璃,烧结,结晶

参考文献

[1] 王艳丽, 等.粉体烧结法制备堇青石基微晶玻璃的研究[J].玻璃与搪瓷, 2001, 29 (1) .

[2] 刘世权, 等.玻璃粉末的烧结[J].玻璃与搪, 1994, 25 (5) :34～38.

[3] 西北轻工业学院.玻璃工艺学[M].着色剂, 207～211.

[4] 汤李缨, 等.碱金属对红色微晶玻璃的影响[J].玻璃与搪瓷.

[5] 赵前, 等.Research on factores affect-ing the colouration of red glass-ceramic[J].Joural Wuhan University of Technology, 1996, 11 (3) :46～52.