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对Foamglasreg;板使用的新的红色玻璃涂料

摘要

本文介绍了对Foamglasreg;基板新的彩色玻璃涂料的设计与开发。通过两种不同的混合技术将四种色素分别以不同比例添加（分别为1~5wt%）加入到硼酸盐玻璃基质（G7）中；选用的颜料是针铁矿(alpha;-FeOOH)，针状赤铁矿和TiO2包裹的球状赤铁矿。所选颜料和G7基体之间没有反应，因在预设实验条件下没有新的组分产生。涂覆在烧结温度560℃下，烧结1小时，根据混合技术的不同，在基质中表现出不同的孔隙率、颜料分散性和颜色。

孔隙中添加TiO2包裹的球状赤铁矿，用于光催化。每个涂层均不影响Foamglasreg;基板的多孔结构。

关键词：轻质玻璃；涂层；绝缘材料

1.引言

现在建筑物的保温隔热越来越鼓励节能。轻质玻璃适合大多数建筑物的保温隔热需要，但是他们的主要缺点是再没有合适涂层的条件下，不能用来作外部保温隔热材料。聚合物基，金属基，水泥基泡沫玻璃涂层现在可用于不同的应用条件，但是他们不适合建筑材料，由于较高的成本和不美观的因素。

玻璃涂层有助于改善某些性能,如耐化学降解、腐蚀性和抗磨损性。

釉料一般由无机颜料着色（釉不溶性）或金属氧化物，后续再经磨削制成。

本文提出的创新解决方案是采用新的彩色玻璃涂料作为浆料涂在Foamglasreg;基板，为了获得一种“绝缘瓦”。光泽涂层板比裸Foamglasreg;板，具有较高的耐化学性和更好耐刮耐磨性，可以提供一个持久的吸引人的外表。此外，新的颜色如红色/褐色的类似于“棉花”瓷砖可以为Foamglasreg;基保温砖提供外观审美的改进。

天然和合成颜料的细粉生产是许多装饰性涂料的一个重要问题，是用于着色釉料，陶瓷坯体、釉。颜料一般分散（不溶解）在基质中，形成异构混合物的目的。根据这种方法，用于着色陶瓷的粉末必须在沉积温度的热稳定性和化学稳定性。

下列合成颜料已加入基于–B2O3 Na2O–ZnO玻璃foamglas涂层，

——alpha;-FeOOH

——针状赤铁矿和球状赤铁矿

——TiO2包覆赤铁矿，具有光催化活性

涂层工艺已为不同的玻璃/颜料组合物优化，考虑在烧结过程中的析晶，烧结性能（通过差热分析，差示扫描量热法和加热阶段显微镜技术），孔隙率和美观。

颜料引入玻璃基质中的影响特别侧重于烧结行为，混合顺序和涂层孔隙率，下文将进行将讨论。

2.实验

这种轻质玻璃用的是匹兹堡康宁Foamglasreg; (T4) （匹兹堡、PA、美国）：它是一种多孔隔热玻璃材料，真气孔率高达90–97%，再生玻璃制造（gt; 66%），砂、白云石、石灰、铁的氧化物等。基板组成（wt%）SiO2 65.77，Al2O3 5.58，钙5.83，镁2.63，氧化钠13.44，K2O 1.59，SO3 0.47，三氧化二铁2.97，碳0.2，以及其他的平衡原料；孔径范围从800到1300mu;m。基板热膨胀系数（TEC）为9.2times;10-6◦C-1(它对应于多孔材料)。 Foamglasreg;基板的尺寸是40 mmtimes;40 mmtimes;40 mm。

关于Foamglasreg;生产和性能的更多细节，可以Foamglasreg; Industrial Insulation Handbook中找到。Foamglasreg;和以前专为Foamglasreg;涂层玻璃的特性在文献[5]和[7]中可以找到。

一种叫做G7的玻璃，组成为50% B2O3，33%氧化锌，12%Na2O、5% Foamglasreg;（wt/wt），用来做不同染料的包含物；H3BO3 (Sigma Aldrich), ZnO (Fluka) 和Na2CO3 (Sigma Aldrich) 用来预反应。

G7的玻璃进行球磨过筛为了获得晶粒尺寸小于38 mu;m研磨粉。

为了生产Foamglasreg;的彩色颜料三种不同的颜料以不同的组成（1 and5 wt%分别）被加进G7，并且采用不同的混合技术，干混球磨/干混；三中颜料是alpha;-FeOOH，针状和球状赤铁矿。四分之一的颜料组成是5%TIO2包裹的赤铁矿加入到G7和1%针状铁矿颜料。

表1所示不同的涂料标签和混合方法。所有的颜料是由Rockwood Italia S.p.A.公司供应。

每一种混合物（G7 颜料）的特点是通过差示扫描量热法（dsc7珀金埃尔默，Shelton，CT）在玻璃基体中加入颜料，测定玻璃化转变温度和G7的特征温度，G7可能引发的变化；所有的DSC曲线记录在50–600◦C的温度范围内有10◦°C/min升温速率。

每一种混合物（G7 颜料）手动沉积技术（G7的玻璃粉末，平均粒径小于38mu;m，分散在乙醇中，固含量40 wt%）Foamglasreg;基板（40 mmtimes;40 mmtimes;40 mm）用抹刀像分配器在基板上均匀摊开浆。样品随后在560◦C空气热处理60 min；加热和冷却速率10◦C /分钟。

混合物的在560◦C空气热处理60 min后，X射线衍射仪（XPert飞利浦Cu K辐射；埃因霍温、荷兰）进行鉴定晶相以收到的针铁矿、赤铁矿和赤铁矿的针状球形颜料以及G7 针铁矿、赤铁矿和G7 针状 球形赤铁矿颜料。

一个具有图像分析系统和电气炉（1500◦C）功能的热呈像显微镜（HSM的专家系统，摩德纳，意大利）被用来研究G7和G7 颜料混合物的烧结行为。热呈像显微镜实验G7和G7 颜料粉末单轴压获得圆柱形形状（3毫米高度和直径2毫米）。将样本图像通过网络摄像机投影到记录装置。图像分析系统记录加热过程中样本形状（20◦°C/min升温速率）。比例下降（收缩率）在样本图像的面积相对颗粒的初始形状是通过恰当的HSM软件计算。数据microscopy8热阶段得到的特征点的基础上获得粘度-温度的方法；典型的温度如第一收缩（TFS）、最大收（TMS）、软化（TR）、球（TS）、半球（THB）和流量（TF）的自动检测。G7 颜料涂布Foamglasreg;样品的截面形貌和显微组织是（飞利浦525）抛光后用SEM测定的。EDS（sw9100EDAX）进行了分析，观察任何元素从衬底到涂料的扩散以及玻璃基质中的颜料分散。G7 颜料涂层的颜色是由BYK Gardner 分光光度计测量为了得到L*，a*和b*值和目测。

3.结果与讨论

3.1在G7玻璃基质的赤铁矿和针铁矿颜料

三种颜料的SEM照片显示在电子附件：针铁矿（FeOOH）（a）、针状赤铁矿（Fe2O3）（b）和球形赤铁矿（c）。针铁矿和赤铁矿颜料表现出典型的针状针状，长约1mu;m，而亚微米尺寸可观察球形赤铁矿颜料。

图1（a）显示G7的DTA测量采用干混G7 颜料（5 wt%）。G7玻璃基质（曲线）TG（开始）是在495◦C；Tg不受三颜料存在的影响（g5-d，曲线B；ha5-d，曲线C；hs5-d，曲线D）。

曲线b在270–320◦C检测双吸热峰；它可以归因于铁矿脱水并进行相变，根据以下反应：

2FeOOH→Fe2O3 H2O

由图1（b）知G7 颜料（5 wt%）通过球磨机/干混在DTA曲线观察到类似的行为；在这种情况下，脱水的针铁矿（G5b–d，曲线b）是由一个单一的峰值检测, 由于球磨减少了颜料尺寸。因此，针铁矿颜料预实验的孔隙率在可以用涂料含有H2O解释，涂层在560◦C.热处理期间

不是完全排尽气体。

图2（a）显示收缩与温度，G7（曲线a），G5-d（曲线b），Ha5-d（曲线c）和Hs5-d（曲线d）干混合得到，而在图2（b）收缩与温度,G7（曲线a），G5-bd（曲线b），Ha5-bd（曲线C）、Hs5-bd（曲线D）通过球磨机/干混合得到。

TFS（第一收缩温度）在520◦C经过检测不受加入G7基质三种不同的颜料影响。TMS（最大收缩温度）稍微转向更高的温度。一个明显的膨胀行为可以在曲线2b600◦C后观察；在氧化物基质Fe（III）还原为Fe（II）已经被排除，由于该反应是在温度高于1000℃发生；膨胀行为被归因于在烧结过程中除去水，它将在以后被讨论。

发现1wt%颜料夹杂在收缩行为无显着差异（图片未注明）。

图3显示了G7，G5-d粘度–温度曲线，Ha5-d和Hs5-d干混合得到特性粘度，分别推导点对应的第一收缩（TFS）logeta;= 9.1plusmn;0.1、最大收缩（TMS）logeta;= 7.8plusmn;0.1、软化（TR）logeta;= 6.3plusmn;0.1球（TS）、半球（THB）logeta;= 4.1plusmn;0.1和T流（TF）logeta;= 3.4plusmn;0.1。

G7基质中5wt%的颜料含量会稍微影响粘度值，并且高于600◦C影响值越高，期望通过引入第二相粒子成玻璃基质。5%颜料包由球磨机/干混合获得和1%wt颜料加入G7基质观察到相同的粘度-温度行为。

必须强调的是G7涂层烧结温度为在560◦C最佳，据文献[5]；这个温度的选择，以保持原来Foamglasreg;基板的孔隙结构和孔隙壁。自颜料引入后粘度保持在logeta;= 6.5在560◦C，适用于与Foamglasreg;基体结合良好，这是由G7 颜料涂层在560◦C 1 h热处理决定的。

图4（a）显示Ha5-d涂Foamglasreg;基板上烧结在560◦C 1小时SEM截面，观察涂层处理后所需的热处理在560◦C没有软化轻质玻璃基板Foamglassreg;或孔隙合并。

可以观察Ha5-d涂层和Foamglasreg;之间的连续界面。少量的闭气孔是在Ha5-d涂层。在涂层和基板没有裂纹表明Foamglasreg;和Ha5-d涂层表明没有相应的残余应力之间的相容性良好的机械性能。G7基质的热膨胀系数（9.24times;10minus;6◦Cminus;1）并不受5wt%的颜料引入影响。而是，颜料干拌后在G7基质不均匀分散：小区域的颜料凝聚图像可以在图4（b）中红色区域在的扫描电镜放大观察到。

当涂层涂覆粉末球磨/干混,观察Foamglasreg; Ha5bd不同的涂层孔隙率/形态；实验证据是在图5，在SEM截面HA5 BD显示。图5中的意想不到的涂层孔隙率可以解释存在约1%的水分来源于生产过程中的针铁矿和赤铁矿颜料。在干燥混颜料凝聚状态（见图4（b））；作为热处理的结果，水也被除去，但可能与较大的气泡（相对于赤铁矿颜料球磨干混合）和随之而来的更高的压力，能够从涂层在粘性流动阶段容易除去。

图6（a）显示在560◦C热处理后的G7 XRD（曲线a），针铁矿（曲线b）干混G5-d（曲线C）。

G7的涂层的XRD具有玻璃相典型的非晶晕分别在2theta;31.5和44与2个峰；在560◦C 热处理后的g5-dXRD（曲线C）对应的针铁矿alpha;-FeOOH相峰，清晰可见在曲线B（ICDD：00-029-0713），发现由于针铁矿样品脱水和随之而来的相转变为赤铁矿。新的特征峰在曲线C标记为E对应赤铁矿fe2o3峰（ICDD：01-079-1741），烧结后G7基质，Z峰被分配到锌和B相。因此，针铁矿颜料和G7基质没有发生相互作用，因此没有新相形成。

Ha5-d和Hs5-d混合物，加热后在560◦C处理1 h后，分别在XRD图谱图6（b）和（c）。在这些混合物的原赤铁矿Fe2O3（ICDD：01-079-1741）晶相后保持在G7基质。与球磨机干法混合添加颜料得到类似的结果。

关于涂料的最终颜色（在电子附件，涂层的质量是由于涂层的厚度），所有选择的颜料插在G7基质产生了一种强烈的红色/棕色的颜色，类似于传统的“棉花”瓷砖；涂料获得1%颜料表现出较强烈的红色，可见（样品G1-d，Ha1-d和Hs1-d）。此外，高a*值（介于29和32）得到的所有的涂层表明在玻璃基质中的游离赤铁矿的存在下，不受赤铁矿分散在非晶相或结晶现象影响。搅拌的方法被认为是为了有效的获得Foamglasreg;衬底的红色涂料。

根据实验证据，可以得出结论球磨/干拌法是取得颜料分散在玻璃基质中良好效果的关键，但与这种混合技术残余孔隙的存在是不能避免的。干混技术降低了颜料的非均匀分散性，颜料的最终颜色与球磨干混法得到的颜料相媲美。

3.2 G7基质中TiO2包裹的球状赤铁矿

TiO2涂层5%赤铁矿颜料中加入G7基质中通过干混法；球磨干混法没有使用，为了降低对吸附在赤铁矿颜料上的TiO2颗粒的破坏。在赤铁矿和针铁矿颜料插入G7玻璃基体的情况下，在TiO 2涂覆的赤铁矿颜料和G7基体之间没有相互作用（因为G7玻璃的热和热机械性能没有变化），因此没有形成新相。关于涂覆的Foamglas横截面的微观结构，如所预期的，没有发现颜料均匀地分散在G7基质中；实验证据报告在电子附件中，其中显示了TiO 2涂覆的赤铁矿颜料/ G7-泡沫玻璃界面的SEM横截面细节；可见100mu;mtimes;70mu;m面积的团聚颜料。无论如何，颜料的团聚不影响最终的红色的涂层。

先前通过EPD和溶胶 - 凝胶方法获得泡沫玻璃基材上的TiO 2涂层。参考文献 TiO 2颗粒直接沉积在裸Foamglas基底上，从而将TiO 2颗粒有效地暴露于外表面以还原和分解有机污染物。在我们的研究中，由于颜料的团聚会影响TiO 2颗粒光催化性能的有效性，因为大多数颗粒不易被颜料接近，因此决定充分利用G 7基质中的孔隙率，颜料通过球磨机/干混法分散：G7和针铁矿颜料1％通过球磨干混合混合，然后简单地通过干混合加入5％TiO 2涂覆的赤铁矿颜料，以获得G1-bd-TH5-d涂覆的Foamglasreg;。在最终涂层中获得在5-10mu;m范围内的孔隙，TiO 2涂覆的赤铁矿颜料在孔内表面的的良好分散; SEM显微照片于 图7（a）和（b）。

未来的工作将着手测试的有效性TiO2光催化活性。

4.结论

这项工作突出了在相对较低的温度（560℃）下获得Foamglasreg;基材的新的红/棕色玻璃基涂层的可能性，以及与Foamglasreg;基材多孔结构

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