CN104402519A - 微晶竹炭复合陶器材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明微晶竹炭复合陶器材料，由下述重量百分比的组份制成：竹炭粉20～50％，多孔非金属矿物粉体30～60％，粘土10～30％以及粘结剂2～5％。本发明用多孔非金属矿替代紫砂，大大扩展了原料来源，降低了成本。而且由于各种各样的多孔非金属矿具备不同的化学成份和颜色，因而可以使得本发明的产品可以适应各种场合和环境，特别是可以制备出颜色很浅甚至白色的产品来。本发明的微晶竹炭复合陶器制品，比现有技术方案所得制品，具有更加多的孔隙和微孔、更大的比表面积、更好的吸水和吸附气体的能力。本发明还涉及上述所述的微晶竹炭复合陶器材料的制备方法。

Description

微晶竹炭复合陶器材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新型陶器材料，具体是新型生态环境功能陶器材料，更具体涉及微晶竹炭复合陶器材料及其制备方法。微晶竹炭复合陶器材料是一种具有孔隙率高、吸附性能好、堆积密度低、烧成收缩率低、抗折强度高、释放负离子及辐射远红外线功能的复合陶器材料。

背景技术

竹炭具有丰富的蜂窝状微孔结构，这种微孔结构使竹炭具有庞大的比表面积，具有优异的吸附功能，还有电磁屏蔽、辐射远红外线、产生负离子、增加水质碱性等特殊功效，可用于吸潮、除臭、消毒、杀菌、蓄热、调湿，改善居住环境。当环境湿度很大时，竹炭利用其吸湿作用吸附室内空气中的水分；反之，当环境湿度很小时，竹炭利用其解吸作用放出水分，以达到调节空气湿度的效能。竹炭能吸附水中多种有害物质，对污水中的色度和浊度以及化学耗氧量(COD)去除效果明显，对污水中总氮的去除率接近100％，对污水中有机磷农药的去除有一定效果，可以明显地改善水体中的重要水质指标。

微晶竹炭是比普通竹炭更加性能优越的新型材料，竹炭经过隔氧高温烧制，完全变成类石墨化微晶结构，微孔数量大大增加，比表面积增大，吸附功能远远超过普通竹炭。

微晶竹炭复合陶器是一种新型生物质陶器产品，它既有一定的机械强度又有一定的气孔率，既不会渗漏又有良好的透气性。由于微晶竹炭的一系列的优点，将其应用于陶器方面，可以更好的扩大在厨具、餐具、食物容器、摆设工艺品、建筑装饰材料等方面的应用，或者直接制备成陶粒陶珠、微细粉末而应用于需要吸附、过滤等场合。

目前在利用竹炭作为添加材料制造生产各种竹炭陶器材料的技术方案，在原料配方和制造工艺方面还有一定的局限性，制成的竹炭陶产品的微孔数量、密度、孔隙、结晶度以及其他物理性能还达不到要求，影响了竹炭陶的吸附功能和应用效果，制约了竹炭延伸产品的综合功能开发，限制了微晶竹炭复合陶的广泛推广和应用。

CN 103467066 A公开一种微晶竹炭紫砂复合陶器材料及其应用，其所述的微晶竹炭紫砂复合陶器材料由以下重量百分比的组份混合组成：微晶竹炭粉5～40％，紫砂粉体40～60％，凹凸棒土10～30％，硅藻土5～30％以及粘结剂1～5％。所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料可用于制备微晶竹炭紫砂复合陶器，其具体步骤为：成型、风干、干燥、煅烧、冷却，即可得到微晶竹炭紫砂复合陶器。所述微晶竹炭粉由石墨晶化竹炭经1200℃以上高温烧制，再进行破碎后得到，其粒径小于2000目，所述紫砂粉体的平均粒径为300nm～800nm，所述凹凸棒土采用凹凸棒土含量不小于78％的凹凸棒石粘土矿物为原料，经破碎后得到，其粒径小于200目，所述硅藻土采用SiO₂含量在85％～98％的硅藻土原矿为原料，经破碎后得到，其平均粒径为1～100μm。分析可知，该技术方案中的粒子大小分布不均匀，小的为0.3μm，大的为100μm，这样虽然也可以制备出具有一定性能的微晶竹炭紫砂复合陶器材料，但是难以获得高质量的陶器。该技术方案限定采用国标定义的紫砂原料：质地细腻、含铁量较高的特种粘土，而其用量高达40～60％，因为紫砂矿日益稀少，因而也就限制了其应用。

发明内容

本发明为了克服已有技术的缺陷，以普通的多孔非金属矿物粉体和普通的粘土替代紫砂，提供一种原料易得的高质量的微晶竹炭复合陶器材料。

本发明微晶竹炭复合陶器材料，由下述重量百分比的组份制成：竹炭粉20～50％，多孔非金属矿物粉体30～60％，粘土10～30％以及粘结剂2～5％。

所述的竹炭粉、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径分别设置为五个类别：A类为1～10μm，B类为10～20μm，C类为20～40μm，D类为40～70μm，E类为70～100μm；配料时三种组份的的选取有如下两种组合方式：相同的一个类别、相同的相邻两个类别之任意组合。

三种组合的方式具体如：竹炭粉、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径均为A类(1～10μm)，或均为B、C、D、E类，这是第一种组合方式即：“相同的一个类别”；第二种组合方式“相同的相邻两个类别之任意组合”又分为两种：均为“相同的相邻两个类别”和非均为“相同的相邻两个类别”，如：竹炭粉、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径均为A类+B类，或者均为B+C、C+D、D+E类，此为第一种情形；第二种情形如：竹炭粉平均粒径均为A类+B类、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径均为A类，或者竹炭粉平均粒径均为A类，多孔非金属矿物粉体为B类，粘土为A类，等等。如此配料的好处在于，各组份粒度均一，克服粒子大小分布不均匀带来的弊端，使得产品结构致密，孔径大小一致性好，比表面积大且同类产品的比表面积稳定一致，产品质量批差小。可以选取不同的组合方式，有针对性地生产出应用于不同场合的产品，满足实际需要。

本发明所述的多孔非金属矿物粉体选自沸石、凹凸棒石、海泡石、硅藻土、多孔凝灰岩、轻质蛋白石、多孔硅质岩、浮石、火山渣中的一种或两种以上的粉体，且孔径为微米孔类者。

多孔非金属矿是指那些在天然状态下产生的，具有丰富的结构性孔道或空隙，以及低的密度和堆密度为特征的非金属矿。多孔矿物材料由于独特的晶体结构而具有比表面积大、孔隙率高、吸附性能和离子交换能力强的特点，可以用作抗菌剂、水处理絮凝剂、净化剂、食料添加剂、脱色剂以及有毒气体、放射性废物的吸附剂，在环境治理等方面有广阔的应用前景。孔径为微米孔类者即孔径范围在0.1～100μm的多孔非金属矿，这一类的孔径非常适合于通用的微孔陶器材料，本发明作为优选，选择的正是这一种。更小的纳米孔类很多情况下发挥不了作用只适宜于特别的产品如催化剂，而更大的毫米孔类由于孔径太大，比表面积不够，吸附能力也小。

本发明用多孔非金属矿替代紫砂，大大扩展了原料来源，降低了成本。而且由于各种各样的多孔非金属矿具备不同的化学成份和颜色，因而可以使得本发明的产品可以适应各种场合和环境，特别是可以制备出颜色很浅甚至白色的产品来。这是紫砂原料不能实现的，因为紫砂原料含铁量较高，烧制后多呈***，这也正是称为“紫砂”的由来。

本发明所述的粘土选自凹凸棒土、高岭土、膨润土、普通粘土种类中的一种或两种以上。优选高岭土。

粘土(英语：clay)，又作黏土，是颗粒非常小的(＜2μm)可塑的硅铝酸盐。除了铝外，黏土还包含少量镁、铁、钠、钾和钙，是一种重要的矿物原料。由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。黏土矿物的颗粒细小，常在胶体尺寸范围内，呈晶体或非晶体，大多数是片状，少数为管状、棒状。黏土矿物用水湿润后具有可塑性，在较小压力下可以变形并能长久保持原状，而且比表面积大，颗粒上带有负电性，因此有很好的物理吸附性和表面化学活性，具有与其他阳离子交换的能力。

一些典型的粘土矿物有：高岭石、石脂、蒙脱石、蛭石、伊来石和水铝英石，其中，高岭土是以高岭石亚族矿物为主要成分的软质黏土。主要由高岭石矿物组成。自然界中，组成高岭土的矿物有黏土矿物和非黏土矿物两类。颜色为白色，最高白度大于95％，硬度为1～4。有鉴于此，本发明将其作为优选。

本发明所述的粘结剂选自淀粉、糊精、***树胶和聚乙烯醇。

本发明将竹炭、多孔非金属矿物和粘土混合，添加辅助材料经过煅烧制成微晶竹炭复合陶器材料。细腻的可塑性良好的粘土将竹炭微粒、多孔非金属矿物粉体包裹并粘结在一起，经过高温隔氧煅烧后，竹炭微晶化，形成大量的微孔，以1～50nm的孔为主，也有少量50～100nm和100nm～1μm的孔。多孔非金属矿物主要为产品提供0.1～100μm的孔。还有细粉颗粒之间的架空孔，它们的尺寸与颗粒直径差不多大小。这样在产品形成了丰富的大孔、中孔、微孔体系。这种各种孔径的孔隙，既不会由于差别太大而影响产品性能(强度和致密性)，又由于相互配合，可以吸附不同大小的分子，更利用粘土颗粒上带有负电性，因此还具有与其他阳离子交换的能力。

不同粒径类别原料配合使用，可以得到不同性能的产品。小粒径的产品均匀密致，孔径也小，比表面积更大，但是强度略差。这可以通过组份来调节，如少加竹炭粉而多用多孔非金属矿物。大粒径的产品不那么密致，孔径也会大一些，比表面积稍小，但是强度略好。

另外，对于要求吸附量大，强度要求不高的，竹炭可多用；而平板、装饰件等，吸附要求不太高，而强度要保证，此时竹炭要少用。

烧制后的微晶竹炭和多孔非金属矿物，具有远红外辐射功能。所得产品经测试在远红外波长4～14μm的法向全辐射发射率≥88％。

本发明可通过不同的原料配比和制备工艺，加工成不同用途的产品如陶器球粒、蜂窝陶器、陶器平板和异形陶器，这些陶器产品具有烧成收缩率低、抗折强度大、较高的法向远红外线发射率，对甲醛、苯酚、二氧化硫、TVOCs以及其他有害物质的吸附率强。

本发明还提供上述所述的微晶竹炭复合陶器材料的制备方法，其具体步骤为磨粉、混合、调浆、造粒或成型、干燥以及隔氧烧结；

所述干燥包括先自然风干24小时以上，再在温度80～120℃时干燥4小时以上；

所述隔氧烧结的温度大于1200℃，时间为20～60分钟。

对不同用途的新型微晶竹炭复合陶器材料的成型方法，可采取不同的方式，具体如：

1)竹炭复合陶粒滤料的成型。按配比均匀混合原料，在造粒机中加水造粒成不同粒度球状颗粒。

2)竹炭复合蜂窝陶器的成型。按配比均匀混合原料，加水制成泥坯，将泥坯放入不同密度、不同直径成型模具中挤压成型。

3)竹炭复合平板工艺陶器的成型，类似墙面砖制造工艺。按配比均匀混合原料，制成浆料，经过喷雾造粒制成一定直径的粒料，压制成型，干燥后人工雕刻、电子雕刻成一定浮雕状。

4)竹炭复合异形件陶器成型。按配比均匀混合原料，加适当水制成具有一定粘度的泥浆，将泥浆注入特定的石膏模具中，进行注浆成型。

具体实施方式

实施例1

陶器球粒的制备

所述的竹炭粉、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径均为1～10μm。多孔非金属矿物采用沸石，粘土采用高岭土。按照竹炭40％，多孔矿物30％，粘土25％以及粘结剂5％的比例混合配料。在造粒机中加水、淀粉造粒，形成粒径0.5mm～5mm的球形颗粒，然后将球粒自然风干24小时，再在温度90℃的干燥箱中干燥4小时，无氧烧结，烧结温度为1250℃，保持30分钟，自然冷却即得到陶器球粒制品。陶器球粒的性能指标见表1。

实施例2

蜂窝陶器的制备

所述的竹炭粉、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径均为1～10μm。多孔非金属矿物采用沸石，粘土采用凹凸棒土。按照竹炭35％，多孔矿物45％，粘土18％以及粘结剂2％的比例混合配料。制备微晶竹炭复合蜂窝陶器的工艺流程为：加水、糊精练泥、陈腐后，将泥料加入成型模具中挤压成型，自然风干24小时，再放入恒温干燥箱中，温度调到90℃干燥4小时以上；随后放入烧结炉中无氧烧结，烧结温度1200℃，保持30分钟，自然冷却得到蜂窝陶器制品。蜂窝陶器的性能指标见表2。

实施例3

陶器平板的制备

所述的竹炭粉平均粒径为20～40μm，多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径均为40～70μm。多孔非金属矿物采用火山渣，粘土采用膨润土。按照竹炭25％，多孔矿物45％，粘土28％以及粘结剂2％的比例混合配料。加适量水、***树胶制成颗粒度为0.5～2mm的造粒料。然后将造粒料充入模具中，经过120MPa压力压成不同外观的装饰陶器平板，再放入90℃的干燥箱中干燥，然后雕刻，最后进行无氧烧结。烧结温度1300℃，保持45分钟。自然冷却得到平板陶器制品。陶器平板的性能指标见表3。

实施例4

异形陶器的制备

所述的竹炭粉、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径均为40～70μm。多孔非金属矿物采用凹凸棒石，粘土采用高岭土。按照按照竹炭20％，多孔矿物45％，粘土30％以及粘结剂5％的比例混合配料。加适量水、聚乙烯醇制成具有一定粘度的泥浆，将泥浆注入特定的石膏模具中，进行注浆成型。再放入90℃的干燥箱中干燥，最后进行无氧烧结。烧结温度1200℃，保持60分钟。自然冷却得到异形陶器制品。异形陶器的性能指标见表4。

表1

表2

序号	指标	CN 103467066 A	本发明
				1	陶器孔密度	100～400孔/in2	300～600孔/in2
2	壁厚	0.3～1.5mm	0.3～1.5mm
				3	比表面积	0.2～0.6m2/g	2～5m2/g
4	使用温度	1000℃以下	≥1100℃
				5	热膨胀系数	＜15×10-7/℃	＜15×10-7/℃
6	远红外线发射率	≥88％	≥88％
				7	轴向抗压强度	≥8MPa	≥8MPa
8	吸水率	≥25％	≥35％

表3

序号	指标	CN 103467066 A	本发明
				1	吸水率	≥30％	≥40％
2	比表面积	2.5～5m2/g	3～10m2/g
				3	机械强度(弯曲)	平均值≥15.5MPa	平均值≥15.5MPa
4	抗冻性能	满足要求	满足要求
				5	热稳定性能	满足要求	满足要求
6	抗腐蚀性能	满足要求	满足要求
				7	耐磨性	≤0.5g/cm2	≤0.3g/cm2
8	其他性能	释放远红外线	释放远红外线

表4

序号	指标	CN 103467066 A	本发明
				1	吸水率	≥20％	≥30％
2	热膨胀系数	＜15×10-7/℃	＜15×10-7/℃
				3	抗压强度	平均值≥15MPa	平均值≥15MPa
4	抗热震性能	满足要求	满足要求
				5	热稳定性能	满足要求	满足要求
6	抗腐蚀性能	较好	较好
				7	耐磨性	≤0.1g/cm2	≤0.1g/cm2
8	其他性能	释放远红外线	释放远红外线

由表1～4可知，本发明的微晶竹炭复合陶器制品，比CN 103467066 A技术方案所得制品，具有更加多的孔隙和微孔、更大的比表面积、更好的吸水和吸附气体的能力。

Claims (7)

1.微晶竹炭复合陶器材料，由下述重量百分比的组份制成：竹炭粉20～50％，多孔非金属矿物粉体30～60％，粘土10～30％以及粘结剂2～5％。

2.根据权利要求1所述的微晶竹炭复合陶器材料，其特征是：所述的竹炭粉、多孔非金属矿物粉体以及粘土的平均粒径分别设置为五个类别：A类为1～10μm，B类为10～20μm，C类为20～40μm，D类为40～70μm，E类为70～100μm；配料时三种组份的选取采取如下两种组合方式：相同的一个类别、相同的相邻两个类别之任意组合。

3.根据权利要求1所述的微晶竹炭复合陶器材料，其特征是：所述的多孔非金属矿物粉体选自沸石、凹凸棒石、海泡石、硅藻土、多孔凝灰岩、轻质蛋白石、多孔硅质岩、浮石、火山渣中的一种或两种以上的粉体，且孔径为微米孔类者。

4.根据权利要求1所述的微晶竹炭复合陶器材料，其特征是：所述的粘土选自凹凸棒土、高岭土、膨润土、普通粘土种类中的一种或两种以上。

5.根据权利要求4所述的微晶竹炭复合陶器材料，其特征是：所述的粘土选用高岭土。

6.根据权利要求1所述的微晶竹炭复合陶器材料，其特征是：所述的粘结剂选自淀粉、糊精、***树胶和聚乙烯醇。

7.权利要求1～6所述的微晶竹炭复合陶器材料的制备方法，其具体步骤为磨粉、混合、调浆、造粒或成型、干燥以及隔氧烧结；

所述干燥包括先自然风干24小时以上，再在温度80～120℃时干燥4小时以上；

所述隔氧烧结的温度大于1200℃，时间为20～60分钟。