CN114085074B - 具有近红外光反射功能的保温陶瓷砖及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于保温陶瓷砖技术领域，具体公开了一种具有近红外光反射功能的保温陶瓷砖及其制备方法与应用。保温陶瓷砖从下至上包括发泡陶瓷层和致密层；制备致密层的原料包括基料和近红外光反射材料，基料的始融温度为850‑900℃。其制备方法，包括以下步骤：将发泡陶瓷层的各原料混合并进行研磨，经喷雾造料后，得底层料；将基料与近红外光反射材料进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；将底层料平铺后，再将面层料平铺于底层料上，经压制、干燥、烧成后，制得的保温陶瓷砖，可有效阻隔室内外热量的传递，以实现在炎热的夏季，减少太阳辐射，阻隔室外高温；在寒冷的冬天，对建筑物起到保温取暖的作用，从而降低能源的消耗。

Description

具有近红外光反射功能的保温陶瓷砖及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于保温陶瓷砖技术领域，具体涉及一种具有近红外光反射功能的保温陶瓷砖及其制备方法与应用。
背景技术
如何降低建筑能耗是目前的一个重要课题，外墙作为建筑材料的重要组成部分，其保温隔热性能直接决定着建筑的能耗效率。目前，建筑外墙保温材料主要有两类，一类是采用发泡陶瓷材料，发泡陶瓷材料由于气孔率高、热导率低等特性，能够有效阻隔热量的传递，具有一定的保温隔热效果，但发泡陶瓷砖的大量的气孔也导致其普遍存在强度不高的缺陷；另一类是采用红外反射材料，红外反射材料可反射红外光波，减少建筑外墙对于太阳光的吸收，从而有效阻止建筑表面吸收太阳光，起到隔热保温的作用，但红外反射材料与陶瓷材料的相容性较差，易出现开裂、破碎等缺陷，从而制约了其在建筑外墙保温陶瓷中的应用。
因此，如何将红外光反射材料和发泡陶瓷技术进行结合，以制备出符合建筑施工要求的建筑外墙墙体材料具有重大的意义。
发明内容
本发明提出一种具有近红外光反射功能的保温陶瓷砖及其制备方法与应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为克服上述技术问题，本发明的第一个技术方案是，提供了一种保温陶瓷砖。
具体地，一种保温陶瓷砖，所述保温陶瓷砖从下至上包括发泡陶瓷层和致密层；制备所述致密层的原料包括基料和近红外光反射材料，所述基料的始融温度为850-900℃。
本发明的保温陶瓷砖为双层结构，其中底层为发泡陶瓷层，该层结构因具有发泡多孔特性，能够有效阻隔热量的传递，具有良好的隔热保温性能，当环境温度升高时，可通过隔绝外界热量传递，以降低环境温度对室内温度的影响，同时，也可减少室内热量的向外传递，起到室内保温效果；面层为致密层，且面层中添加有近红外反射材料，该材料具有良好的近红外光反射功能，可有效降低太阳光直射导致室内温度升高的情况；双层结构的共同作用，可有效阻隔室内外热量的传递，降低能源的消耗。同时，在发泡陶瓷层上覆盖一层致密层，可有效避免发泡陶瓷多孔结构受到太阳光直射时漫反射的影响，以进一步提升陶瓷砖的保温性能，同时增强陶瓷砖的整体强度。
本发明通过在致密层中添加具有较低始融温度的基料，一方面，使近红外光反射材料与发泡陶瓷层结合良好，以克服直接将近红外反射材料与发泡陶瓷结合压制成型，烧成后出现结合性差、破碎、开裂等缺陷；另一方面，发泡陶瓷层因含有发泡剂，发泡剂在较低的温度下就会反应形成气体，选择具有较低始融温度(850-900℃)的基料，可在较低温度下形成液相，从而阻止气体进一步扩散至致密层，而影响陶瓷砖的力学性能及表面效果。
作为上述方案的进一步改进，所述基料和所述近红外光反射材料的质量比为(95-98)：(2-5)。具体地，特定近红外光反射材料与基料的配方组成，在保障近红外光反射功能的同时，不影响致密层的砖体性能。
优选地，所述近红外光反射材料选自金红石型二氧化钛、钒酸铋、钛掺杂氧化铬、锌和铝掺杂铝酸钴中的至少一种。
具体地，这些近红外光反射材料不仅均具有良好的近红外光反射功能，同时还可作为陶瓷色料使用，在高温煅烧后可呈现出不同的颜色，作为致密层的装饰材料，其中：金红石型二氧化钛可作为白色色料，钒酸铋可作为黄色色料，钛掺杂氧化铬可作为绿色色料，锌和铝掺杂铝酸钴可作为蓝色色料。
作为上述方案的进一步改进，所述基料的化学组成，按重量百分比计包括： 60-63％的SiO2、12-15％的Al2O3、8-10％的CaO、5-8％的MgO、1-3％的K2O、2-4％的Na2O，0-0.5％的Fe2O3和2-4％的烧失。具体地，该基料的化学组成可实现850-900℃的始融温度范围，但并不限于此化学组成。
作为上述方案的进一步改进，制备所述发泡陶瓷层的原料包括发泡剂。
优选地，所述发泡剂为碳化硅。具体地，碳化硅作为发泡剂，在煅烧至900℃便可产生大量的气体，从而达到发泡的效果。
进一步优选地，所述碳化硅的粒径为500-2000目。
作为上述方案的进一步改进，制备所述发泡陶瓷层的原料还包括瓷质陶瓷砖废料、黑泥、长石、球土、石英砂、铝钒土中的至少一种。
具体地，通过控制发泡陶瓷层的原料组成，使之与致密层相适应，在较低始融温度的基料作用下，致密层与发泡陶瓷层主要通过反应生成莫来石，并通过熔剂性原料长石、石英在高温形成一定液相相互融合结合在一起，从而在发泡陶瓷层和基料层界面形成良好的结合界面。同时，添加铝矾土以提高发泡陶瓷层的烧成温度，防止发泡速度过快而致密层形成的液相不足导致气体逸散，致密层被破坏。瓷质陶瓷砖废料的引入，一方面可实现固废利用；另一方面，瓷质陶瓷砖废料在二次利用烧成时，其烧失量较低，瓷质陶瓷砖废料可作为发发泡多孔陶瓷层中骨架的粘结剂，促进发泡陶瓷层烧成更充分，同时有利于发泡陶瓷层强度的提高。黑泥和球土作为发泡陶瓷层的可塑性原料，是其成形基础，同时也是莫来石晶体的主要来源，赋予了发泡陶瓷层良好的力学性能和化学稳定性。
优选地，所述黑泥的塑性指数为30-45。
具体地，发泡陶瓷层中的瘠性原料较多，影响配方粉料的成形性能，因此添加塑性指数为30-45的高塑性黑泥，可提高其成形性，且在压制成形后具有较高的强度而不容易破碎。
优选地，制备所述发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料 25-35份、长石25-30份、黑泥20-25份、球土1-5份、石英砂5-10份、铝钒土 5-10份，碳化硅0.1-2份。
具体地，通过选择发泡陶瓷层各原料的特定配方组成，在保证发泡陶瓷层发泡性能的同时，提高其力学性能。
作为上述方案的进一步改进，所述致密层的厚度为3-5mm。
具体地，保温陶瓷砖在烧成降温过程中，发泡陶瓷层与致密层有一定的温度差，致密层过厚时，陶瓷砖内部的热应力易导致两层分界处开裂；致密层过薄时，发泡陶瓷层在形成气孔时气体溢出容易导致致密层断裂。因此，通过控制致密层的厚度在合适的范围内，可以有效避免致密层与发泡陶瓷层在烧成过程中破碎或层分离的现象。
优选地，所述发泡陶瓷层的厚度为20-60mm。
本发明的第二个技术方案是，提供了一种保温陶瓷砖的制备方法。
具体地，一种保温陶瓷砖的制备方法，包括以下步骤：
将制备发泡陶瓷层的各原料混合并进行研磨，经喷雾造料后，得底层料；
将基料与近红外光反射材料进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；
将所述底层料平铺后，再将所述面层料平铺于所述底层料上，经压制、干燥、烧成后，得所述保温陶瓷砖。
优选地，所述烧成的温度为1100-1200℃，保温时间为30-80分钟。所述烧成的温度是指烧成时的最高温度；所述保温时间为烧成至最高温度时的保温时间。
本发明的第三个技术方案是，提供了一种保温陶瓷砖的应用。
具体地，上述保温陶瓷砖在建筑领域中的应用。
优选地，上述保温陶瓷砖在外墙保温墙体中的应用。
本申请实施例提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明的保温陶瓷砖为双层结构，即作为底层的发泡陶瓷层和作为面层的致密层，发泡陶瓷层具有发泡多孔特性，能够有效阻隔热量的传递，具有良好的隔热保温性能；致密层中因含有近红外反射材料，在反射太阳光中的近红外光的同时，避免发泡陶瓷多孔结构受到光射漫反射的影响，以进一步提升陶瓷砖的保温性能，同时增强陶瓷砖的整体强度。因此，保温陶瓷砖双层结构的共同作用，可有效阻隔室内外热量的传递，以实现在炎热的夏季，减少太阳辐射，阻隔室外高温；在寒冷的冬天，对建筑物起到保温取暖的作用，从而降低能源的消耗。本发明通过在保温陶瓷砖的致密层中添加始融温度为850-900℃的低温基料，可使近红外光反射材料与发泡陶瓷层具有良好的结合性能，以克服双层结构的结合性差、破碎、开裂等缺陷；同时，可在较低温度下便形成液相，从而阻止发泡陶瓷中气体进一步扩散至致密层，从而影响陶瓷砖的整体性能。
本发明保温陶瓷砖为双层结构，即低体积密度发泡陶瓷层及具有近红外光反射功能的致密层，且致密层中的近红外光反射材料可作为陶瓷色料，通过不同颜色保温陶瓷砖的需要选择对应的近红外光反射材料，赋予保温陶瓷砖良好的装饰效果。
本发明所制备的保温陶瓷砖，其体积密度为485-559kg/m3，近红外光反射比可达0.74-0.86，实现导热系数为0.05-0.09W/mK，同时，具有较好的力学性能，抗折强度可达10.4-12.5MPa。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解，有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员，根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围，同时，下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品，未详细提及的工艺步骤或制备方法均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。
实施例1
一种保温陶瓷砖，从下至上包括发泡陶瓷层和致密层，其中：致密层的厚度为3mm，发泡陶瓷层的厚度为20mm。
制备致密层的原料，按重量份计包括：基料95份，近红外光反射材料金红石型二氧化钛5份；基料的化学组成，按重量百分比计包括：60％的SiO2、12％的Al2O3、10％的CaO、8％的MgO、3％的K2O、4％的Na2O，0.3％的Fe2O3和 2.6％的烧失，基料的始融温度为856℃。
制备发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料25份、长石30份、黑泥25份、球土5份、石英砂10份、铝钒土5份，碳化硅0.5份；碳化硅的粒径为1000目；黑泥的塑性指数为40。
一种保温陶瓷砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将发泡陶瓷层的各原料混合并加水球磨，经喷雾造料后，得底层料；
(2)将基料与金红石型二氧化钛进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；
(3)将底层料平铺在压制模具中并刮平，再将面层料平铺于底层料上，经压制、干燥后进行烧成，其中：最高烧成温度为1150℃，并在最高烧成温度点保温40分钟，得本实施例的保温陶瓷砖。
实施例2
一种保温陶瓷砖，从下至上包括发泡陶瓷层和致密层，其中：致密层的厚度为5mm，发泡陶瓷层的厚度为30mm。
制备致密层的原料，按重量份计包括：基料96份，近红外光反射材料钒酸铋4份；基料的化学组成，按重量百分比计包括：62％的SiO2、13％的Al2O3、 8％的CaO、8％的MgO、2％的K2O、3％的Na2O，0.2％的Fe2O3和3.8％的烧失，基料的始融温度为863℃。
制备发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料35份、长石 25份、黑泥25份、球土5份、石英砂10份、铝钒土5份，碳化硅0.75份；碳化硅的粒径为800目；黑泥的塑性指数为35。
一种保温陶瓷砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将发泡陶瓷层的各原料混合并加水球磨，经喷雾造料后，得底层料；
(2)将基料与金红石型二氧化钛进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；
(3)将底层料平铺在压制模具中并刮平，再将面层料平铺于底层料上，经压制、干燥后进行烧成，其中：最高烧成温度为1180℃，并在最高烧成温度点保温50分钟，得本实施例的保温陶瓷砖。
实施例3
一种保温陶瓷砖，从下至上包括发泡陶瓷层和致密层，其中：致密层的厚度为5mm，发泡陶瓷层的厚度为40mm。
制备致密层的原料，按重量份计包括：基料97份，近红外光反射材料钛掺杂氧化铬3份；基料的化学组成，按重量百分比计包括：63％的SiO2、13％的 Al2O3、8％的CaO、6％的MgO、3％的K2O、3％的Na2O，0.5％的Fe2O3和3.5％的烧失，基料的始融温度为882℃。
制备发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料25份、长石 30份、黑泥20份、球土5份、石英砂10份、铝钒土10份，碳化硅0.5份；碳化硅的粒径为1200目；黑泥的塑性指数为35。
一种保温陶瓷砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将发泡陶瓷层的各原料混合并加水球磨，经喷雾造料后，得底层料；
(2)将基料与金红石型二氧化钛进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；
(3)将底层料平铺在压制模具中并刮平，再将面层料平铺于底层料上，经压制、干燥后进行烧成，其中：最高烧成温度为1200℃，并在最高烧成温度点保温60分钟，得本实施例的保温陶瓷砖。
实施例4
一种保温陶瓷砖，从下至上包括发泡陶瓷层和致密层，其中：致密层的厚度为4mm，发泡陶瓷层的厚度为30mm。
制备致密层的原料，按重量份计包括：基料98份，近红外光反射材料锌和铝掺杂铝酸钴2份；基料的化学组成，按重量百分比计包括：63％的SiO2、15％的Al2O3、8％的CaO、5％的MgO、2％的K2O、4％的Na2O，0.2％的Fe2O3和 2.8％的烧失，基料的始融温度为896℃。
制备发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料25份、长石 30份、黑泥25份、球土3份、石英砂10份、铝钒土7份，碳化硅1份；碳化硅的粒径为1500目；黑泥的塑性指数为45。
一种保温陶瓷砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将发泡陶瓷层的各原料混合并加水球磨，经喷雾造料后，得底层料；
(2)将基料与金红石型二氧化钛进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；
(3)将底层料平铺在压制模具中并刮平，再将面层料平铺于底层料上，经压制、干燥后进行烧成，其中：最高烧成温度为1180℃，并在最高烧成温度点保温40分钟，得本实施例的保温陶瓷砖。
对比例1
一种保温陶瓷砖，从下至上包括发泡陶瓷层和致密层，其中：致密层的厚度为3mm，发泡陶瓷层的厚度为20mm。
制备发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料25份、长石 30份、黑泥25份、球土5份、石英砂10份、铝钒土5份，碳化硅0.5份；碳化硅的粒径为1000目；黑泥的塑性指数为40。
制备致密层的原料为基料，基料的化学组成，按重量百分比计包括：60％的SiO2、12％的Al2O3、10％的CaO、8％的MgO、3％的K2O、4％的Na2O，0.3％的Fe2O3和2.6％的烧失，基料的始融温度为856℃。
一种保温陶瓷砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将发泡陶瓷层的各原料混合并加水球磨，经喷雾造料后，得底层料；
(2)将基料的各原料进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；
(3)将底层料平铺在压制模具中并刮平，再将面层料平铺于底层料上，经压制、干燥后进行烧成，其中：最高烧成温度为1150℃，并在最高烧成温度点保温40分钟，得本对比例的保温陶瓷砖。
对比例1与实施例1的保温陶瓷砖的区别在于：对比例1制备致密层的原料只有基料，未添加近红外光反射材料，对比例1保温陶瓷砖的结构层和各层的厚度、基料的化学组成、制备发泡陶瓷层的原料及配比均与实施例1相同。
对比例2
一种保温陶瓷砖，包括发泡陶瓷层，发泡陶瓷层的厚度为20mm。
制备发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料25份、长石 30份、黑泥25份、球土5份、石英砂10份、铝钒土5份，碳化硅0.5份；碳化硅的粒径为1000目；黑泥的塑性指数为40。
一种保温陶瓷砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将发泡陶瓷层的各原料混合并加水球磨，经喷雾造料后，得底层料；
(2)将底层料平铺在压制模具中并刮平，经压制、干燥后进行烧成，其中：最高烧成温度为1150℃，并在最高烧成温度点保温40分钟，得本对比例的保温陶瓷砖。
对比例2与实施例1的保温陶瓷砖的区别在于：对比例2仅包括发泡陶瓷层，不包括致密层，对比例2制备发泡陶瓷层的原料及配比与实施例1相同。
对比例3
一种保温陶瓷砖，从下至上包括发泡陶瓷层和致密层，其中：致密层的厚度为3mm，发泡陶瓷层的厚度为20mm。
制备致密层的原料，按重量份计包括：基料95份，近红外光反射材料金红石型二氧化钛5份；基料的化学组成，按重量百分比计包括：68％的SiO2、17％的Al2O3、1％的CaO、2％的MgO、1％的K2O、2％的Na2O，2.5％的Fe2O3和 6.5％的烧失，基料的始融温度为980℃。
对比例3与实施例1的保温陶瓷砖的区别在于：对比例3制备致密层的原料，其始融温度较高，对比例3保温陶瓷砖的结构层和各层的厚度、致密层中基料与近红外反射材料的用量、近红外反射材料的选择、制备发泡陶瓷层的原料及配比均与实施例1相同。
对比例3与实施例1的保温陶瓷砖的制备方法相同。
性能测试
1.近红外光反射率
将各实施例1-4和对比例1-2所制备的保温陶瓷砖分别进行近红外反射性能测试，测定其近红外反射率。
近红外发射率采用紫外-近红外-日光分光光度计(LAMBDA950，PE公司，美国)测试，仪器提供的波数范围为300-2500nm，分辨率为5nm，测试结果如表1所示。
表1：各实施例和对比例所制备的保温陶瓷砖的近红外发射性率对比表
Figure RE-GDA0003476927780000101
从表1可知：实施例1-4制备的保温陶瓷砖，其近红外光反射性能良好，对比例1未添加近红外光反射材料的陶瓷砖，其近红外光反射比较低，而对比例3由于基料始熔温度较高，且在CO2气体大量生成的时候无法产生足够的液相从而导致致密层出现严重变形且表面有较多的气孔生成，无法较准确测试其近红外光反射性能。
2.抗折强度
按GB/T 4100-2015陶瓷砖国家标准测试实施例1-4和对比例2所制备的保温陶瓷砖的抗折强度，测试结果如表2所示。
表2：各实施例和对比例所制备的保温陶瓷砖的抗折强度对比表
样品 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例2
抗折强度(MPa) 10.4 12.5 11.4 10.8 6.4
由表2可知：实施例1-4由于引入了致密层相比于不含致密层的对比例2，其抗折强度，明显提高。
3.体积密度和导热系数
测定各实施例和对比例的发泡层的体积密度和导热系数，其中导热系数采用导热系数测定仪进行测试，测试结果如表3所示。
表3：各实施例和对比例的发泡层的性能测试对比表
Figure RE-GDA0003476927780000102
Figure RE-GDA0003476927780000111
由表3可知，实施例1-4的发泡层，体积密度均较低，且导热系数较低，具有良好的保温性能。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种保温陶瓷砖，其特征在于，所述保温陶瓷砖从下至上包括发泡陶瓷层和致密层；制备所述致密层的原料包括基料和近红外光反射材料，所述基料的始融温度为850-900℃；
所述基料和所述近红外光反射材料的质量比为（95-98）：（2-5）；所述近红外光反射材料选自金红石型二氧化钛、钒酸铋、钛掺杂氧化铬中的至少一种；
制备所述发泡陶瓷层的原料包括发泡剂，所述发泡剂为碳化硅，所述发泡剂的粒径为500-2000目；
制备所述发泡陶瓷层的原料，按重量份计包括：瓷质陶瓷砖废料25-35份、长石25-30份、黑泥20-25份、球土1-5份、石英砂5-10份、铝钒土5-10份，发泡剂0.1-2份；所述黑泥的塑性指数为30-45；
所述基料的化学组成，按重量百分比计包括：60-63%的SiO2、12-15%的Al2O3、8-10%的CaO、5-8%的MgO、1-3%的K2O、2-4%的Na2O，0-0.5%的Fe2O3和2-4%的烧失。
2.根据权利要求1所述的保温陶瓷砖，其特征在于，所述致密层的厚度为3-5mm。
3.权利要求1或2所述的保温陶瓷砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将制备发泡陶瓷层的各原料混合并进行研磨，经喷雾造料后，得底层料；
将基料与近红外光反射材料进行混合并进行研磨，经喷雾造料后，得面层料；
将所述底层料平铺后，再将所述面层料平铺于所述底层料上，经压制、干燥、烧成后，得所述保温陶瓷砖；
所述烧成的温度为1100-1200℃，保温时间为30-80分钟。
4.权利要求1或2所述的保温陶瓷砖在建筑领域中的应用。
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