论文部分内容阅读
近年来,建筑陶瓷的装饰在采用丝网与辊筒印花技术后,又实施了先进的数字化喷墨打印技术。陶瓷喷墨打印被称为建筑陶瓷印花技术的第三次革命,已成为建陶行业重要的经济增长点。经过数年的发展,喷墨打印技术逐步实现国产化。当前,国产喷墨打印设备和装饰墨水已得到广泛应用。国外已开发出具有功能化的陶瓷墨水,并成功将其应用于建筑陶瓷,如下陷釉墨水、闪光墨水等。而国产的功能化陶瓷墨水尚处于起步阶段。本论文以钕-硅体系为研究对象,采用不同的方法(如,Pechini溶胶-凝胶法、St?ber溶胶包覆法、共沉淀法和固相反应法)合成具有变色效果的焦硅酸钕(Nd2Si2O7)陶瓷色料,并以优选条件下制备的Nd2Si2O7陶瓷色料为原料,通过添加一定量的有机溶剂、润湿剂和分散剂,采用机械研磨分散法制备Nd2Si2O7变色陶瓷墨水,将其应用于陶瓷砖的装饰,制备出具有变色效果的陶瓷砖。本论文首先采用Pechini溶胶-凝胶法制备了Nd2Si2O7粉体。通过引入矿化剂Li Cl使Nd2Si2O7的析晶温度降低约200 oC。在不同的标准光照射条件下,Nd2Si2O7粉体呈现出不同颜色,表明Nd2Si2O7可作为一种具有变色效应的陶瓷色料。此外,结合Nd2Si2O7的结构组成和外界光源两个方面,分析了Nd2Si2O7陶瓷色料的变色机理。结果表明:Nd2Si2O7在可见光范围的紫色、蓝色和红色波段吸收较弱,容易被反射。当外界光照条件变化时,Nd2Si2O7色料可以呈现出紫色、蓝色或红色及其组合色。同时,采用St?ber溶胶法制备了单分散球形Si O2颗粒。通过调节NH4OH和H2O含量,可控制Si O2微球的粒径。Si O2微球经含Nd3+溶胶包覆,再经1000 oC热处理后,形成了以非晶相Si O2为核,以四方Nd2Si2O7晶相为壳层的球形粒子,且颗粒仍保持高的球形度和较好的单分散性。采用共沉淀法制备了Nd2Si2O7粉体,研究了沉淀剂种类和表面活性剂对Nd2Si2O7合成过程的影响。沉淀剂的种类影响前驱体物相和最终粉体的纯度。与沉淀剂NH4HCO3和(NH4)2CO相比,采用NH4OH作为沉淀剂制备的前驱体为非晶态物质,热处理后,得到单一晶相的Nd2Si2O7粉体。表面活性剂对最终产物的粒度和分散性有一定的影响。引入聚乙二醇-10000不仅可以减弱Nd2Si2O7粉体的团聚,同时也可抑制Nd2Si2O7晶粒的生长速度,有利于获得较小的晶粒尺寸的Nd2Si2O7粉体。Nd2Si2O7粉体的颜色与晶粒大小有关。较小的晶粒尺寸有利于提高色料的明度,而较大的晶粒尺寸有利于提高色料的色度。采用固相法制备了Nd2Si2O7粉体,研究了软机械力化学预处理作用和矿化剂对合成Nd2Si2O7反应过程的影响。结果表明:未经软机械力化学预处理的原料热处理1200 oC,生成了部分Nd4Si3O12晶相,而预处理2 h的原料热处理1100 oC,已全部反应生成了Nd2Si2O7相。软机械力化学预处理时间越长,试样反应越完全,说明软机械力化学预处理可有效地激活原料,降低四方相Nd2Si2O7的形成温度。矿化剂H3BO3容易导致反应体系中Nd和Si成分分布不均,不利于得到单一相的Nd2Si2O7。当矿化剂为Na F或Ca F2时,试样在热处理温度为900-1100 oC范围内均为单一Nd4Si3O12相,而未见Nd2Si2O7相的出现,这说明氟化物的加入改变了体系的反应路径。添加5 wt.%Li Cl可使Nd2Si2O7相的形成温度降低350 oC。因此,采用软机械力化学预处理辅助固相法制备Nd2Si2O7粉体时,所用的最优矿化剂为Li Cl。通过非等温差热分析法研究了Nd2Si2O7凝胶前驱体在热处理时的析晶过程以及矿化剂的引入对Nd2Si2O7析晶过程的影响,同时计算了反应动力学相关参数,探讨了Nd2Si2O7结晶机理。结果表明:对于未添加Li Cl的前驱体,Nd2Si2O7析晶活化能为673k J/mol,添加5 wt.%Li Cl的前驱体,Nd2Si2O7析晶活化能为586 k J/mol。低的析晶活化能有利于Nd2Si2O7的低温合成。未添加Li Cl的前驱体析晶过程中,Avrami常数n值为3.97,这表明Nd2Si2O7析晶过程主要由体积析晶或均质成核析晶控制,试样由多面体球状颗粒团聚成的大颗粒组成;而引入5 wt.%Li Cl的前驱体在析晶时,n值为2.38,这说明Nd2Si2O7析晶过程主要由二维结晶生长控制,试样由薄片状重叠累积形成颗粒组成。以优选条件下所制备的Nd2Si2O7陶瓷色料为原料,采用机械研磨分散法制备了Nd2Si2O7变色陶瓷墨水。墨水的有机成分组成为:85 wt.%溶剂,10 wt.%表面润湿剂,5wt.%分散剂B。墨水的性能参数为:平均粒径为279 nm,体积密度为1.35 g/cm3,固含量为35%,p H值为7.14,粘度为24.83 m Pa.s,表面张力为28.6 m N/m,另外,所制备的墨水经过10天的静置,试样并未发生明显地分层现象,说明其分散稳定性较好。所有性能参数均满足陶瓷喷墨打印墨水的要求。将Nd2Si2O7陶瓷墨水应用于陶瓷砖的装饰,结果表明:陶瓷砖在自然光条件下呈紫色,在日光灯条件下呈蓝色,具有变色效果。最后,本论文还给出了根据该研究工作所获得的主要结论以及今后工作的展望。