CN103467066B - 一种微晶竹炭紫砂复合陶器材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微晶竹炭紫砂复合陶器材料及其用途，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。本发明通过不同的原料配比和烧制工艺，加工制成的微晶竹炭陶器具有烧成收缩率低，抗折强度大，对甲醛、苯酚、二氧化硫、TVOC以及其他有害物质的吸附率强，而且可以根据需要制成具备不同吸水率的陶器材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种高吸附性能的微晶竹炭紫砂复合陶器材料及其应用，属于复合型陶器材料领域。
背景技术
竹类植物生长快，繁殖能力强，容易再生，且竹材具有强度高、韧性好等许多优良性能。以其为原料生产的高温微晶竹炭质地坚硬、细密多孔、比表面积大、吸附力强，不仅可用于燃料能源、环境净化、居室吸潮除臭、土壤改良、果蔬保鲜、日用保健等方面，还可应用于防辐射、电磁屏蔽、阻燃复合材料、以及半导体材料等高新技术领域。
由于高温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、装饰工艺品等方面的应用，更能提高陶器产业的科技含量和经济价值。
高温微晶竹炭陶器是近十年来开发的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，用于饮茶、煮饭等，既不会渗漏又有良好的透气性。微晶竹炭陶具有杀菌保鲜，活化茶叶中有益成分的功能，且含有多种微量元素，更有利于保健养生。用微晶竹炭陶制作的砂锅是烹饪佳器，用它做出来的饭、粥、汤等食品味道比用金属电饭煲、电火锅做出来的更鲜美可口。
经调查，目前在国内外已经有企业利用微晶竹炭为添加材料制造生产各种微晶竹炭陶器材料，但是在原料配方和制造工艺方面还有一定的局限性，影响了应用的效果。这些发明专利的权利要求书指出的主要原料微晶竹炭的烧制温度都低于1000℃，竹炭还没有完全变成石墨化微晶结构，因而制成竹炭陶的微孔远不及本发明烧制的微晶竹炭陶微孔繁多，影响了竹炭陶的吸附功能。
目前，从常用的陶粒滤料来看，多为活性炭、沸石和生物陶粒等。这些生物载体存在的问题是：（1）活性炭：虽然具有巨大的比表面积，吸附能力极强，但是活性炭的物理强度低、寿命短、不易清洗、处理费用高等。（2）沸石：由于孔径过大而照成了比表面积小、吸附能力差。（3）目前常用的其他生物陶粒材料也存在着很多的缺陷：孔隙率底，尤其是微孔含量低以及表面粗糙不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微晶竹炭紫砂复合陶器材料及其应用，解决了现有技术的不足，本发明所述的高吸附功能微晶竹炭陶器材料及其应用，可通过不同的原料配比和烧制工艺，加工制成的微晶竹炭陶器具有烧成收缩率低，抗折强度大，对甲醛、苯酚、二氧化硫、TVOC以及其他有害物质的吸附率强，而且可以根据需要制成具备不同吸水率（15%～40%）的陶器材料。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种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%。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，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。
进一步，所述紫砂粉体的平均粒径为300nm～800nm，所述紫砂粉体经过800～1150℃烧制后在远红外波长4～14μm的法向全辐射发射率≥88%。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，所述粘结剂为提高坯料可塑性的粘结剂。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种微晶竹炭紫砂复合陶器材料的用途，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。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述制备微晶竹炭紫砂复合陶器的具体步骤为：将微晶竹炭紫砂复合陶器材料经过成型、风干、干燥后，放入真空炉、氮气炉或氢气还原炉中进行煅烧，煅烧结束后冷却至室温，即得到微晶竹炭紫砂复合陶器。
进一步，所述煅烧的具体步骤为：在100℃/h的升温速度的情况下升温至400℃温度并恒温20min，再在100℃/h的升温速度的情况下升温至600℃，再在150℃/h的升温速度的情况下升温至800℃～1150℃，保温30min。
进一步，所述微晶竹炭紫砂复合陶器的气孔率为15%～40%。
本发明的有益效果是：本发明的微晶竹炭紫砂复合陶器材料具备竹炭、硅藻土和紫砂陶诸多特征型吸附孔径集一体的粒料，用途非常广范。其主要优点为：（1）由于紫砂陶本身就是多孔陶器材料，在此基础上掺入微晶竹炭和硅藻土，大大提高了陶器的孔隙率。同时单位面积内气孔的增多能够降低陶器材料的热膨胀系数，使材料的抗热震性能更优异；（2）微晶竹炭紫砂复合新型茶具陶器相较与传统的陶器茶具，气孔率更大，并且具备长久释放远红外线的作用，长期使用对人体器官的机能有改善效果；（3）添加了凹凸棒土作为塑性原料，使成型效果更佳，并且有利于降低烧结温度，低温的800℃就能烧结成致密体，降低了能耗；（4）这种微晶竹炭紫砂复合异形件陶器相较其他异形陶器，具有颜色质朴，手感好，强度符合要求。此外，由于其释放远红外线的功能，对人体有益；（5）微晶竹炭紫砂复合平板工艺陶器相较于传统平板陶器，同样由于其释放远红外线的功能，对人体有益；（6）微晶竹炭紫砂复合陶器是一种环境亲和型的环境友好材料，具有多孔性和易碎性，废弃后进入环境不会造成二次污染，并有益于作物生长。
微晶竹炭颗粒镶嵌在紫砂基体中，相互结合紧密，微晶竹炭和紫砂没有发生化学键的结合和反应，微晶竹炭仍保持原有的空隙结构，具有类石墨化晶体的结构。微晶竹炭紫砂陶具有高比表面积，较强吸附性和高远红外发射率。
本发明的微晶竹炭紫砂复合陶器材料具备独特的优点，即新材料能较好地释放远红外线，在4～20μm波长范围内，具有较高的法向远红外线发射率，具体在88%以上。这个波长范围内远红外线具有渗透血管，刺激身体的各大穴位，改善人体器官机能的功能。并具有巨大吸附性能（气孔率15%～40%），可对空气中有害气体（臭气、甲醛、TVOCs）进行吸附。
本发明的微晶竹炭紫砂复合陶器材料具备的另一个优点是：为一种环境亲和型的环境友好材料，具有多孔性和易碎性，废弃后进入环境不会造成二次污染，并有益于作物生长。
本发明采用国标定义的紫砂原料，同时在紫砂陶器中引入微晶竹炭微晶具有叠加远红外线发射功能的材料，通过制粉、造粒、成型、干燥以及合理的烧结制度，无氧制度，得到一种新型的微晶竹炭紫砂复合陶器材料。这种复合陶器材料，理化性能上完全符合传统陶器材料的标准，同时由于微晶竹炭紫砂能够较好地释放远红外线，并具有巨大吸附性能（气孔率15%～40%），所以该材料是一种保健、安全、实用、环保的新型功能环境友好材料。
附图说明
图1为本发明微晶竹炭紫砂复合陶粒滤料的制备流程图；
图2为本发明微晶竹炭紫砂复合陶器茶具及饭煲的制备流程图；
图3为本发明微晶竹炭紫砂复合蜂窝或多孔陶器的制备流程图；
图4为本发明微晶竹炭紫砂复合平板式陶器的制备流程图；
图5为本发明微晶竹炭紫砂复合陶器异性件的制备流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
选取合适的粘土矿物材料以及适当的粘结剂：
石墨晶化竹炭：组成简单，主要成分是碳(95%)，其次是灰分(2～12%）以质量分数计算。包括Na、K、Si、Ca、Mn等金属的氧化物和少量挥发分。
紫砂：化学组成分析得出结果如表1所述。
表1：原料紫砂的化学成分（wt%）
硅藻土：理化性质分析得出结果如表2所述。
表2：原料硅藻土的化学成分（wt%）以及物理性质
凹凸棒土：化学组成成分以及矿物组成如表3和表4所述。
表3：原料凹凸棒土（凹土）的化学成分（wt%）
| 组分 | Na2O | Al2O3 | SiO2 | K2O | CaO | MnO2 | TiO2 | Fe2O3 | MgO | 烧失量 |
| 凹土 | 0.10 | 5.12 | 58.78 | 1.29 | 7.26 | 0.05 | 1.49 | 4.79 | 10.09 | 11.03 |
表4：原料凹凸棒土的矿物组成（wt%）
| 矿物组成 | 凹凸棒石 | 蒙脱石 | 石英 | 方解石 | 其他粘土 |
| 凹土 | 70～80 | 10～15 | 4～10 | 2～8 | 1～5 |
本发明采用的粘结剂，视其用途，即制备不同器件时，成型工艺的不同，而决定。蜂窝陶器和平板陶瓷采用挤压成型，所以选用粘度中等的淀粉做粘结剂；陶粒滤料因为是加水在造粒机中造粒，所以选用粘度较小的阿拉伯树胶；异形件陶器采用注浆成型。
实施例1：微晶竹炭紫砂复合陶粒滤料的制备
原材料采用的重量百分比为：微晶竹炭20～30%，紫砂原料40～55%，凹凸棒土10～30%，硅藻土5～30%以及粘结剂1～5%。
按比例混合配比，经混合机混合后，在造粒机中加水造粒，形成粒径1～10mm的球形颗粒，然后将球粒进行干燥，随后放入烧结炉中无氧烧结，最终烧结温度800～1150℃，冷却即得到产品。制备方法流程见图1，主要性能见表5。
表5：微晶竹炭紫砂复合陶粒滤料性能指标
实施例2：微晶竹炭紫砂复合陶器茶具及饭煲的制备
原材料采用的重量百分比为：10～20%的微晶竹炭，40～60%的紫砂，5～10%的凹凸棒土，2～5%的硅藻土，5%的粘结剂。
将微晶竹炭、紫砂原料、凹凸棒土、硅藻土粉碎，200目以下，按比例混合配比，加水练泥，陈腐多天（练泥程度和陈腐时间视满足成型条件定）后，使得坯泥水份均匀缔合，将泥料加入旋压机中旋压成型；成型过后，先自然风干，随后放入烧结炉中无氧烧结，最终烧结温度800～1150℃，最后冷却得到产品。制备方法流程见图2，主要性能指标见表6。
表6：微晶竹炭紫砂复合茶具陶器及饭煲主要性能
| 序号 | 指标 | 本发明茶具陶器及饭煲 |
| 1 | 吸水率 | ≤2% |
| 2 | 气孔率 | 2～15% |
| 3 | 机械强度（抗压） | 平均值≥15.4MPa |
| 4 | 比表面积 | 1.8～3m2/g |
| 5 | 热稳定性能 | 满足要求 |
| 6 | 抗腐蚀性能 | 满足要求 |
| 7 | 耐磨性 | ≤0.1g/cm2 |
| 8 | 其他性能 | 释放远红外线，长期使用对身体 |
实施例3：微晶竹炭紫砂复合蜂窝或多孔陶器的制备
原材料采用的重量百分比为：20～30%的微晶竹炭，30～45%的紫砂，5～15%的凹凸棒土，约5%的硅藻土，约5%的粘结剂。
将微晶竹炭、紫砂原料、凹凸棒土、硅藻土粉碎，200目以下，按比例混合配比，加水练泥，陈腐（练泥程度和陈腐时间视满足成型条件定）后，将泥料加入成型磨具中挤压成型；成型过后，自然风干；随后放入烧结炉中无氧烧结，最终烧结温度800～1150℃，最后冷却得到产品。制备方法流程见图3，主要性能指标见表7。
表7：微晶竹炭紫砂复合蜂窝或多孔陶器性能指标
| 序号 | 指标 | 本发明蜂窝或多孔陶器 |
| 1 | 陶瓷孔密度 | 100～400孔/in2 |
| 2 | 壁厚 | 0.3～1.5mm |
| 3 | 比表面积 | 0.2～0.6m2/g |
| 4 | 使用温度 | 室温～1000℃ |
| 5 | 热膨胀系数 | <15×10-7/℃ |
| 6 | 远红外线发射率 | ≥88% |
| 7 | 轴向抗压强度 | ≥8MPa |
| 8 | 耐火度 | ≥1580℃ |
| 9 | 吸水率 | ≥25% |
实施例4：微晶竹炭紫砂复合平板式陶器的制备
原材料采用的重量百分比为：30～35%的微晶竹炭，30～50%的紫砂，10～17%的凹凸棒土，5～10%的硅藻土，约5%的粘结剂。
按配比均匀混合原料，加适量水制成喷雾料，水分含量范围为1～2%，所述喷雾料的颗粒度为0.1～1mm。将造粒料充入模具中，经过约120MPa压力成型，再经过约90℃的干燥箱中干燥，进行电子雕刻成不同的装饰平板陶器，最后进行无氧烧结，最终烧结温度800～1150℃。可吸附空气中甲醛、臭气、TVOCs。制备方法流程见图4，主要性能指标见表8。
表8：微晶竹炭紫砂复合平板式陶器主要性能
| 序号 | 指标 | 本发明平板式陶器 |
| 1 | 吸水率 | ≥30% |
| 2 | 比表面积 | ≥2.5～5m2/g |
| 3 | 机械强度（弯曲） | 平均值≥15.5MPa |
| 4 | 抗冻性能 | 满足要求 |
| 5 | 热稳定性能 | 满足要求 |
| 6 | 抗腐蚀性能 | 满足要求 |
| 7 | 耐磨性 | ≤0.5g/cm2 |
| 8 | 其他性能 | 释放远红外线 |
实施例5：微晶竹炭紫砂复合异性件陶器的制备
原材料采用的重量百分比为：20～40%的微晶竹炭，30～40%的紫砂，10～20%的凹凸棒土，5～10%的硅藻土，约5%的粘结剂。
按配比均匀混合原料，加适当水制成具有一定粘度的泥浆，泥浆的稠化度在1.0～2.0g/cm3（具体用那种稠化度视石膏磨具、异形件机械性能要求而定），将泥浆注入特定的石膏模具中，进行注浆成型。自然风干；随后放入烧结炉中无氧烧结，最终烧结温度800～1150℃。可吸附空气中甲醛、臭气、TVOCs。制备方法流程见图5，主要性能指标见表9。
表9：微晶竹炭紫砂复合异形件陶器主要性能
| 序号 | 指标 | 本发明异形件陶器 |
| 1 | 吸水率 | ≥20% |
| 2 | 热膨胀系数 | <15×10-7/℃ |
| 3 | 抗压强度 | 平均值≥15MPa |
| 4 | 抗热震性能 | 满足要求 |
| 5 | 热稳定性能 | 满足要求 |
| 6 | 抗腐蚀性能 | 较好 |
| 7 | 耐磨性 | ≤0.1g/cm2 |
| 8 | 其他性能 | 释放远红外线 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微晶竹炭紫砂复合陶器材料，其特征在于，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％；其中，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，所述紫砂粉体经过800～1150℃烧制后在远红外波长4～14μm的法向全辐射发射率≥88％。
2.根据权利要求1所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料，其特征在于，所述粘结剂为提高坯料可塑性的粘结剂。
5.一种如权利要求1至4任一项所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料的用途，其特征在于，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。
6.根据权利要求5所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料的用途，其特征在于，所述制备微晶竹炭紫砂复合陶器的具体步骤为：将微晶竹炭紫砂复合陶器材料经过成型、风干、干燥后，放入真空炉、氮气炉或氢气还原炉中进行煅烧，煅烧结束后冷却至室温，即得到微晶竹炭紫砂复合陶器。
7.根据权利要求6所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料的用途，其特征在于，所述煅烧的具体步骤为：在100℃/h的升温速度的情况下升温至400℃温度并恒温20min，再在100℃/h的升温速度的情况下升温至600℃，再在150℃/h的升温速度的情况下升温至800℃～1150℃，保温30min。
8.根据权利要求5至7任一项所述微晶竹炭紫砂复合陶器材料的用途，其特征在于，所述微晶竹炭紫砂复合陶器的气孔率为15％～40％。
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