防静电陶瓷砖的制备与性能研究

摘 要：本文以仿古砖净白料（一种制备仿古砖用的陶瓷配合料，下简称净白料）、AZO粉体（ZnO导电粉，下同）为原料，采用独创的包裹技术制备了体电阻值达107Ω的浅色防静电陶瓷砖。同时，探讨了不同的包裹工艺参数对防静电陶瓷砖性能的影响，并利用吸水率测定仪、数显式抗折仪、无釉砖耐磨试验仪，以及绝缘电阻测试仪表征样品的吸水率、抗折强度、耐磨度和导电性能。结果表明：在1170 ℃烧结温度下，采用包裹技术获得了性能优良的防静电陶瓷砖，样品吸水率为0.05 %、抗折强度达44.10 MPa、耐磨度为205.00 mm3、表面电阻为5.90×107Ω、体积电阻为3.10×107Ω。因此，采用包裹技术能够制备出性能达到国家标准的防静电陶瓷砖。

关键词：防静电陶瓷；AZO导电粉；包裹工艺；表面电阻；体积电阻

1 前言

防静电陶瓷砖是一种新型的防静电产品。以往的防静电产品，如：环氧和三聚氰胺、PVC防静电涂料、地板、防静电橡胶板等高分子材料，其具有易老化、不耐磨、易污染、耐久性和防火欠佳等缺点。而防静电陶瓷砖正好克服了上述的缺点。同时，又兼具了陶瓷墙地砖耐磨、抗污能力强、装饰效果较好的优点，是防静电PVC、水磨石、花岗岩等材料的优良替代品。现有的防静电陶瓷主要是通过掺和法制备的，即通过在基体中掺入一定量的导电填料，再通过煅烧而形成复合导电材料[1-2]。

目前，对防静电陶瓷砖的研究主要集中在釉面导电瓷砖和通体导电瓷砖两方面。Nakarnura[3]等提出了ATO（Sb掺杂SnO2，下同）在玻璃体中的导电模型，将ATO加入到陶瓷的釉中，釉层烧成后形成富含半导体成分的熔体层，熔体层相互接触，形成了良好的导电网络，从而使釉面电阻下降，达到防静电的要求。华南理工大学的颜东亮[4-6]分别将ATO包覆氧化硅和ATO包覆硅酸锆导电粉加入到陶瓷透明釉中，制备出了浅色防静电陶瓷砖。华南理工大学的汪永清[7]以ATO半导体为导电填料，选取透明釉、钡无光釉、锆乳浊釉为基釉进行了防静电陶瓷的研制，探讨了釉中晶相对防静电陶瓷电性能的影响。此类釉面防静电砖虽然都达到了一定防静电要求，但由于只是釉面层导电，在工程实际铺贴时存在施工难度大，工程整体防静电性能不稳定等问题。佛山市中国科学院上海硅酸盐研究所陶瓷研发中心蔡晓峰[8]和广东东鹏陶瓷股份有限公司的范玉容[9]将所制得的导电AZO粉料按一定比例与陶瓷抛光砖坯料相混合，煅烧后得到通体导电陶瓷砖。此方法的缺点是坯体成形困难，压制出来的坯体强度低，且生产成本较高。因此，如何改进传统制备技术，寻找一种简便、廉价工艺将导电填料均匀引入坯体中，是实现防静电陶瓷砖批量化生产的关键。

本文将AZO导电粉制备成浆料；然后将其雾化后包裹在净白料的表面上，进而将包覆有导电粉的净白料压制成形；最后煅烧得到通体导电陶瓷砖。采用该工艺制备出了导电性能优良、生产成本较低的防静电陶瓷砖。目前，通过包裹技术来制备防静电陶瓷砖的研究还未见报道。

2 实验内容

2.1 样品制备

以仿古砖净白料（佛山某公司生产）为核，壳物质的AZO导电粉以浆料的形式雾化沉积在核颗粒表面而获得包裹有AZO导电粉的仿古砖净白料。此净白料经压制成形、干燥后置于电炉中烧成，得到防静电陶瓷砖。包裹过程示意图如图1所示，其具体制备过程如下：

（1） 取仿古砖净白料，过80目筛，取20～80目粒径的粉料，并控制粉料的含水率为3%；

（2） 在AZO导电粉中加入0.3%坯用甲基、0.3%减水剂、一定量的水，要求控制浆料的含水率为40 %，慢速球磨30 min后，得到AZO导电粉浆料；

（3） 将步骤（2）中得到的AZO导电粉浆料雾化后均匀包裹于步骤（1）得到的仿古砖净白料上，其中，导电粉加入量占所有干料量7.5wt%（以下无特殊说明，导电粉的添加量均为7.5wt%），包裹完成之后将粉料含水率调整为6%；

（4） 将包裹有导电粉的净白料干压成120mm×80mm×6mm的试样，干燥后，在1170℃条件下煅烧，保温30 min，得到防静电陶瓷砖。

2.2 样品的表征

根据阿基米德原理，采用静力称重法测定样品的吸水率（Wa，%）；采用佛山市华洋设备有限公司制型号为HYK-10000A的数显式抗折仪测试样品的抗折强度，样品的尺寸为120mm×80mm、测试跨距为100mm、加载速度为0.5 mm/min；采用无釉砖耐磨试验仪（LM-Ⅱ型，湘缆集团湘潭仪器仪表厂）对样品耐磨度进行表征；通过数字式绝缘电阻表（PC27型，上海远中电子仪器厂）测定试样表面电阻和体电阻，测试条件为环境温度为25℃、湿度为35%。

3 结果与讨论

3.1 包覆工艺参数对陶瓷砖电性能的影响

3.1.1净白料粒度对陶瓷砖电性能的影响

不同粒度净白料制备的陶瓷砖电性能测试结果如表1所示。

从表1中可以看出，随着净白料粒径变小，陶瓷砖的电阻变大。净白料的粒度为20～30目时，陶瓷砖的电阻最小，其表面电阻为1.6×107Ω、体电阻为5.7×106Ω。因为细颗粒比表面积大，在包裹同样多的导电粉时，大颗粒粉料包裹的导电粉比细颗粒多，导电颗粒之间的距离不断减小，更容易形成比较连续的导电网络，陶瓷砖的电阻变小。

综上所述，净白料应选取粒径为20～60目的粉料。但是考虑到陶瓷砖的成形，粉料的粒径分布必须合理，才能得到较紧密的颗粒堆积，保证成形后坯体具有一定的机械强度。因此，在陶瓷砖中要求20～60目的净白料占80%，60～80目的占20%。

3.1.2 包裹前净白料含水率对陶瓷砖电性能的影响

包裹前净白料含水率对陶瓷砖电性能的影响如图2所示。

从图2中可以看出，陶瓷砖的电阻并未随着净白料含水率的变化而呈规律性变化。当净白料的含水率为4%时，陶瓷砖的电阻最小，其表面电阻为1.9×107Ω、体电阻为1.7×107Ω。净白料的含水率的多少直接影响导电浆料在其表面的包裹厚度，进而影响陶瓷砖的导电性能。粉体间的间隙相当于一束毛细管，由于毛细作用，液体能自发渗透进入粉体间隙中，称为毛细上升效应。毛细作用取决于液体的表面张力和对固体的接触角，表面张力愈小，液固间粘附力愈大，愈容易发生润湿。净白料含水率太大，导电粉浆料与净白料不易发生润湿而不易包裹在其表面，陶瓷砖的电阻较大，达不到防静电的要求。净白料的含水率太低，较易提高导电粉的用量，提高生产成本。因此，包裹前净白料的含水率应控制在2%～4%时最佳。

3.1.3导电粉的加入量对陶瓷砖电性能的影响

不同添加量的导电粉制备的陶瓷砖电性能测试结果如表2所示。

由表2可知，随着导电粉AZO添加量的增加，陶瓷砖的电阻值逐渐降低。当加入量小于5.5wt%时，由于导电粉在陶瓷体内仍以孤岛状存在，形成不了导电网络，陶瓷砖的电阻值大于109Ω，防静电效果极差。当导电粉的加入量大于7.5wt%时，AZO颗粒在陶瓷体内开始出现相互联接，形成导电网络，特别是加入量为7.5wt%时，陶瓷砖的电阻值达到107Ω数量级，可以满足防静电陶瓷砖的电阻值的要求。继续增加导电AZO导电粉的添加量，陶瓷砖的电阻值还可能降低，考虑到制造成本，应尽量减少AZO导电粉的添加量。因此，包裹工艺导电粉的最佳添加量为7.5%。

3.1.4导电粉的细度对陶瓷砖电性能的影响

将AZO导电粉进行过筛，分成不同细度的AZO导电粉，所得陶瓷砖的电性能测试结果如表3所示。

由表3可知，AZO导电粉的细度对陶瓷砖的电阻值有一定的影响。导电粉越细，陶瓷砖的电阻越小。200目筛下的导电粉制备的陶瓷砖的电阻最小，其表面电阻为8.7×107Ω、体电阻为1.4×107Ω。颗粒太粗不利于防静电陶瓷砖的制备，因为在陶瓷体内形成导电网络较少，陶瓷砖的电阻值高；而太细的AZO导电粉加工非常困难，极易提高能耗。在综合考虑现有陶瓷砖制备工艺条件下，AZO导电粉的颗粒度一般控制在80～120目为好。

3.2 导电粉的加入对陶瓷砖吸水率、耐磨度和强度的影响

将80～120目的AZO导电粉浆料（导电粉的添加量7.5wt%）为壳物质，以含水率为2%仿古砖净白料（20～80目）为核，按照步骤将导电粉浆料包裹于净白料的表面，将包裹好的粉料经干压成形，煅烧到1170℃，保温30min制得防静电陶瓷砖。取仿古砖净白料直接干压成形，煅烧到1170℃，保温30min制得仿古砖。防静电陶瓷砖和仿古砖的物理性能如表4所示。

由表4可知，AZO导电粉引入仿古砖净白料中，防静电陶瓷砖的物理性能发生了一些变化。陶瓷砖的吸水率在AZO导电粉加入后变小，这主要是因为AZO导电粉是一种粒径比较小、比重轻的物质，而且又有分散性差等特点，填充的空隙率相对较少。陶瓷砖的抗折强度在AZO导电粉加入后略有降低。这可以解释为氧化锌的加入会降低陶瓷的烧成温度，当AZO导电粉的加入量达到某个程度时，在相同的烧成温度下，会导致陶瓷的微膨胀，陶瓷的吸水率提高，宏观上表现为抗折强度下降。而AZO导电粉的引入并没有影响陶瓷砖的耐磨度。

4 结论

（1） 以AZO导电粉浆料为壳物质，仿古砖净白料为核，采用包裹技术能够制备出性能优良的防静电陶瓷砖。

（2） 陶瓷砖的电性能与AZO导电粉添加量和导电粉细度密切相关。在仿古砖净白料和AZO导电粉为初始原料的组成中，陶瓷砖的电阻随导电粉添加量的增加而减小，随导电粉细度变细而变小。而仿古砖净白料的粒度分布和含水率对制备防静电陶瓷砖也有一定的影响。因此，在陶瓷砖中要求20～60目的净白料占80%，60～80目的占20%；包裹前净白料的含水率应控制在2%～4%最佳；AZO导电粉的颗粒度一般控制在80～120目为好。

（3） AZO导电粉加入（添加量7.5wt%）会影响陶瓷砖的一些物理性能，但影响程度不大。

参考文献

[1] Li Lili，Duan Xuechen. Preparation and Characterization of Nanometer ATO Powder by Heterogeneous Precipitation[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2006，35（3）：441-445.

[2] Claudio Fontanesi， Cristina Leonelli， Tiziano Manfredini， et al. Characterisation of the Surface Conductivity of Glassy Materials by Means of Impedance Spectroscopy Measurements[J]. Journal ofthe European Ceramic Society，1998，18：1593-1598.

[3] Nakarnura M， Kamino M， Nagano T， et al. Micostructure and Electrical Proterty of Semiconducting Tin Oxide Glaze[J]. Journal of the Ceramic Society of Japan，1987，95（5）：562-566.

[4] 颜东亮，吴建青，钟 燚. 包覆型导电填料的制备及在防静电陶瓷中的应用[J]. 硅酸盐通报，2008，27（5）：928-932.

[5] 颜东亮，吴建青，陈 林. 导电纤维的制备及在防静电陶瓷中的应用[J]. 稀有金属材料与工程，2010，39（11）：2018-2022.

[6] 颜东亮，吴建青. ATO包裹硅酸锆的制备与应用[J]. 中国陶瓷，2007，43（3）：18-20.

[7] 汪永清，吴建青，周健儿等. 釉中晶相对防静电陶瓷电性能的影响探讨[J]. 中国陶瓷，2005，41（2）：10-13.

[8] 蔡晓峰，于伟东. 导电氧化锌的制备及其在浅色防静电瓷砖中的应用[J]. 生产与应用，2013，23（1）：21-23.

[9] 范玉容，曾德朝，曹江雄. 导电填料ATO在防静电陶瓷中的应用现状[J]. 佛山陶瓷，2013，23 （3）：17-18.