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可見-近紅外光高反射率乳濁釉的制備*

2022-10-25 08:24
陶瓷 2022年10期
關(guān)鍵詞:二氧化鈦釉面折射率

吳 洋

(蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司 廣東 佛山 528211)

隨著居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級,人們追求更加舒適的居住空間。然而,季節(jié)的變化導(dǎo)致室內(nèi)居住環(huán)境隨之變化,特別是在炎熱的夏季,建筑物吸收了大量的熱量導(dǎo)致室內(nèi)溫度居高不下,空調(diào)設(shè)備的使用雖然將室內(nèi)空間熱量轉(zhuǎn)移到室外,但城市建筑物密度大,熱量難以擴(kuò)散出去,在城市中心形成一個巨大熱島[1~3],嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量。

在我國,建筑外墻通常所使用的裝飾材料為建筑陶瓷外墻磚,建筑陶瓷具有易清潔、耐磨損、耐腐蝕、使用周期長等優(yōu)良的特性[4]。因此,如果能賦予外墻磚對太陽光較高的反射率,那么就能減少建筑物對熱量的吸收,實(shí)現(xiàn)建筑物的被動降溫,減少空調(diào)的使用,在一定程度上能夠緩解城市“熱島效應(yīng)”。

圖1是太陽光的能量分布圖。從圖1可以看出,太陽光的波長分布區(qū)間為300~2 500 nm,其中包含約5%紫外光,45%的可見光以及50%的近紅外光;紫外光由于頻率較大,不會產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng),能產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)主要是可見光和近紅外光。光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)會發(fā)生透射,反射,吸收,根據(jù)能量守恒定律有:

圖1 太陽光的能量分布圖[3]

其中:IR=I[(n-1)2/(n+1)2]

式中:IT——透射光強(qiáng)度;IR——反射光強(qiáng)度;

IA——吸收光強(qiáng)度;IS——散射光強(qiáng)度;

n——折光率。

從上式可以看出,要想增加反射光的強(qiáng)度就必須降低透射光的強(qiáng)度,反射光的強(qiáng)度跟基質(zhì)的折射率正相關(guān),降低透射光也就是需要制備一種具有較高乳濁率的釉。所以,從根本上說就是需要制備一種具有較高折射率的乳濁釉,從而加強(qiáng)對可見光以及近紅外光波的反射。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 乳濁劑的選擇

乳濁[5,6]是指當(dāng)光通過釉層后,受界面的反射作用、玻璃的吸收作用與釉中的分相粒子(指氣相、液相或固相分相粒子)的散射作用而使透射光減弱并使釉變?yōu)椴煌潭炔煌该鞯默F(xiàn)象。根據(jù)乳濁有關(guān)的基本理論,乳濁作用的大小主要受散射作用的大小支配,而散射作用的大小主要跟以下的3個因素相關(guān):

(1) 分散相粒子與周圍介質(zhì)之間的折光率差,差值越大,散射作用越明顯。

(2) 分散相粒子的半徑大小,當(dāng)分散相粒子為0.2~0.5μm 時,散射效果最強(qiáng)。

(3) 分散相粒子的數(shù)量越多,散射也就越強(qiáng)。

常見的乳濁劑及其折光率如下表1所示:

表1 不同乳濁劑及其折射率

基于價格和具體的使用環(huán)境,陶瓷行業(yè)使用的乳濁劑為硅酸鋯[7,8],因?yàn)楣杷徜喸诟邷叵卤容^穩(wěn)定,受窯爐氣氛影響較小,而且其折射率較高,能夠起到比較好的乳濁效果。但是前面提到過,乳濁效果還跟分散相粒子的粒徑相關(guān),在大工業(yè)生產(chǎn)中,基于經(jīng)濟(jì)因素的考慮,硅酸鋯的粒徑往往在微米級,這樣達(dá)不到最佳的乳濁效果,也有硅酸鋯融入釉中做成鋯白熔塊的,讓鋯白熔塊析晶出可見光波長范圍的晶粒來增強(qiáng)乳濁效果,但是硅酸鋯的鋯氧鍵的鍵強(qiáng)較高,熔點(diǎn)高達(dá)2 550℃,在制備鋯白熔塊的時候,溶解的硅酸鋯的量特別少,所以,鋯乳濁釉達(dá)不到特別高的遮蓋率,只能被稱為一種半遮蓋率乳濁釉,要想達(dá)到優(yōu)異的乳濁效果,只能加厚釉層。

在常見的晶體材料當(dāng)中,二氧化鈦是折射率最高的乳濁劑,由于其具有高折射率、高反射率、高遮光率的特點(diǎn),它還經(jīng)常被用作女性的防曬護(hù)膚品,白色涂料等等。

在燒成溫度低于1 050℃時,鈦白粉具有較好的乳濁效果。但是,當(dāng)燒成溫度超過1 100℃之后,由于金紅石對紫外光的強(qiáng)吸收作用導(dǎo)致釉面發(fā)黃;但是,如果在高溫下金紅石,石英以及方解石反應(yīng)生成了鈦榍石,卻是可以有效地減弱釉面發(fā)黃的情況。鈦榍石這種乳濁劑,它的折射率雖然要小于二氧化鈦,但是,通過控制合理的配方組成,可以在釉中析出大量的鈦榍石分散相粒子,可以大大地提高乳濁性能。筆者在此主要以二氧化鈦?zhàn)鳛橹饕现苽淞艘环N中高溫的陶瓷乳濁釉[9,10]。

1.2 樣品的制備

以粘土、石英、方解石、鉀長石、鈦原料等為主要原料,原料經(jīng)過合適的配比之后,加入適量的水,球磨一定時間后出漿,調(diào)整至合適的比重,均勻地涂刮在生坯的表面,樣品經(jīng)過烘干之后入窯燒成,用紫外-可見光-近紅外分光光度計(jì)測量樣品表面的反射率,用色度計(jì)測量樣品的Lab值,用X 射線衍射儀做物相分析和半定量分析。

2 結(jié)果與討論

為了在釉中析出鈦榍石晶相,我們以鈦榍石分子的摩爾比為依據(jù),保持原料當(dāng)中粘土、石英的含量不變,主要調(diào)整方解石和二氧化鈦的量來觀察分析釉中鈦榍石晶體析出的規(guī)律。具體的配方組成如表2 所示;將不同配方的樣品做Lab值的檢測,b值的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 樣品的b值和鈣鈦比之間的關(guān)系

表2 配方組成

表2中T10~T15分別代表氧化鈦的含量分別為10%~15%,Lab 值的測試中,L*值表示亮度(白度),范圍在0~100 之間,0為全黑,100為全白。a*值用于指示紅綠色程度,范圍為-128~127之間,以0為臨界點(diǎn),負(fù)值表示綠色,正值表示紅色。b*值用于指示黃藍(lán)色程度,范圍為-128~127,負(fù)值表示藍(lán)色,正值表示黃色。從圖2可以看出,當(dāng)鈣鈦比含量較高時,釉面的b值也相對較高,表面釉面帶黃色調(diào)。這是因?yàn)楫?dāng)燒成溫度超過1 100℃之后,二氧化鈦在釉中以金紅石的形式存在,在高溫的環(huán)境下,由于金紅石對紫外光的強(qiáng)吸收作用導(dǎo)致釉面呈現(xiàn)其補(bǔ)償色而發(fā)黃,隨著氧化鈣和氧化鈦的摩爾比逐漸地增大,樣品的b值逐漸地減小,表明釉面的黃色調(diào)逐漸降低,這是由于隨著氧化鈣含量的增加,大部分氧化鈦和方解石反應(yīng)生成鈦榍石,釉中所剩金紅石被消耗掉,釉面的黃色調(diào)逐漸地降低,而且當(dāng)鈣鈦比為1.69時,樣品的白度最好。

對樣品中釉面白度最好的T10樣品做XRD 測試和熱反射率的測試,其中物相分析及半定量分析如圖3中所示。結(jié)合物相組成和半定量分析可知,樣品T10的主要晶相為鈦榍石[11,12],除此之外還有少量的石英晶相和鈣鈦礦晶相,半定量分析結(jié)果顯示鈦榍石的含量為14.22%(見表3)。

圖3 T10樣品的粉末衍射圖及半定量分析結(jié)果

表3 T10晶相組成(%)

對T10樣品做熱反射率的測試,其結(jié)果如圖4中所示,其中紅色代表T10樣品,黑色代表普通樣品,普通樣品為傳統(tǒng)的硅酸鋯乳濁釉。從圖中可以看出,T10樣品的反射率明顯高于普通樣品,經(jīng)測試T10樣品在可見光波段的綜合熱反射率超過0.9,而普通樣品綜合熱反射率不足0.8。

圖4 熱反射率對比

這是因?yàn)?通過對鈦榍石晶相形成研究發(fā)現(xiàn),控制合適的鈣鈦比,能夠在釉中形成大量的鈦榍石晶相,增加白度。鈦榍石晶相的折光率較高,當(dāng)釉中存在著大量的鈦榍石晶相時,增強(qiáng)了釉面的乳濁效果,光線射入釉面時,大部分光線無法穿透釉面而被反射回去,增強(qiáng)了釉面對可見光和近紅外光波的反射率,提高了釉面反射率[13~15]。

3 結(jié)語

(1)以工業(yè)鈦白粉、方解石、石英等為主要原料,制備了以鈦榍石為主晶相的陶瓷乳濁釉,該乳濁釉對太陽光的反射比超過0.9。

(2)當(dāng)以生料釉制備高反射率乳濁釉時,殘余二氧化鈦主要以金紅石的形式存在,容易導(dǎo)致釉面發(fā)黃,為減輕釉面的黃調(diào),最適宜的鈣鈦比為1.69。

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