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釉面瓷砖的防滑处理:微观结构和地形的修改

瓷stone器是在制造技术和物理机械性能之间的协同作用特别得到开发并取得优异效果的产品。尽管具有出色的技术特性,但其抗滑性可能会因瓷砖表面光洁度而明显不同:结构化或光滑,上釉或抛光。为了减少在已安装的瓷砖上打滑的风险,已向市场引入了几种表面处理方法。这些处理中的大多数由基于酸的应用(氢氟酸或氟化氢铵)组成,这些应用能够对陶瓷表面进行化学蚀刻。

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主题 & 标签

在文献中,许多作品都涉及在酸性或碱性环境下釉面砖的微观结构改性。 [1–3]。关于使用化学蚀刻作为防滑处理手段的几项工作在安全性方面考虑了该问题,而没有更深入地研究陶瓷表面特性 [4–5]。对瓷砖表面微观结构,形貌和纹理参数的深入了解在评估酸处理是否会产生防滑表面而不损坏陶瓷产品方面起着关键作用。

特别地,表面形貌是瓷砖表面的重要特征。为了测量表面参数,有许多不同类型的仪器。通常,测量技术可以分为两类:(a)接触类型和(b)非接触类型。接触型测针轮廓仪是最受欢迎的,但是最近,非共聚焦轮廓仪(例如共聚焦显微镜和干涉显微镜)已经得到了发展,现在已被广泛使用。如今,这种新一代测量仪器的出现,不仅对高级陶瓷,而且对传统陶瓷,都促进了表面纹理的定性和定量表征。通常,使用触控笔2D轮廓仪分析瓷砖的表面,但是,通常2D测量值不足以准确描述表面。

在目前的工作中,研究和分析了防滑处理前后两种商用釉面陶土瓷砖的表面。目的是发现它们的防滑性(防滑性能)与它们的表面微观结构和3D形貌以及它们的表面纹理参数之间是否存在任何关联[6]。

Experimental

研究了两种化学和矿物组成相似,表面光洁度不同的釉面瓷砖:瓷砖A的特征是异质和有纹理的表面,瓷砖B的表面均一且光滑。市售的防滑表面处理剂由氢氟酸基溶液组成,该溶液按照制造商的说明(手工)涂在陶瓷表面上,并静置1分钟。 minute for tile A 和 30 seconds for tile B.已经对两种瓷砖的未处理和表面处理的样品进行了表面表征 A ("A UNTREATED" or "A TREATED") 和 tile B ("B UNTREATED" or "B TREATED").

通过以下分析方法,对在微观尺度上对陶瓷表面进行处理造成的影响进行了研究:

  • 矿物学和微观结构分析:

    • X射线衍射(XRD PW 3830; Philips,NL);
    • 扫描电子显微镜 (扫描电镜蔡司 EVO 40, D)和X射线能量色散光谱微分析(EDS,印加,牛津仪器,英国)在25的典型电子加速电压(EHT)下运行 kV;

  • 表面形貌表征和制图:

    • 光学3D显微镜/轮廓仪(Leica DCM 3D)使用共焦模式。

由于研究的目的是评估表面处理对瓷砖的防滑性能(防滑性)的影响,因此根据以下标准进行了测试:DIN 51130 [7]和DIN 51097 [8]。这些标准描述了通常被称为斜坡测试的方法,在该方法中,脚(穿鞋)或赤脚的人在倾斜的表面上行走。倾斜的表面也可以涂上润滑剂,例如油,肥皂水,清水等。根据这些标准,测试人员在平坦的表面上来回走动,并盖上要研究的瓷砖,同时逐渐倾斜。表面可以是干净的或涂有润滑剂。然后确定人开始滑动的倾斜角度。

Results

表1以丰富程度显示未处理瓷砖样品表面鉴定出的矿物相"A UNTREATED" 和 "B UNTREATED"。两种样品的XRD图谱也显示出大量非晶质(非晶态)相的存在,这是瓷砖组成的典型特征。

标签。 1:瓷砖A和B的未经处理样品的矿物学组成。
样品矿物学阶段
"A 未处理"石英,斜长石,锆石(痕迹)
"B 未处理"石英,斜长石,锆石,刚玉(痕量)

图1显示了 扫描电镜-在样品表面进行EDS元素微量分析"A UNTREATED" 和 "B UNTREATED"。由于未检测到元素成分相对于未处理样品的显着变化,因此此处未报告在已处理样品表面进行的相同的微量分析。

图2–5显示了典型的 扫描电镜 瓷砖A和B的未处理和已处理样品的显微照片。通过比较这些显微照片(未处理与已处理样品),可以推断出表面处理会腐蚀非晶相并导致表面上存在的矿物相(结晶相)被腐蚀。在显微照片中突出显示 [2–3].

面积(每个2.93×2.2 mm) of the surface of both samples for tile 一种 ("A UNTREATED" 和 "A TREATED")已使用10倍物镜通过共聚焦显微镜成像。图中的图像 6个样本"A UNTREATED" 和 "A TREATED"展示了其表面形貌的3D表示形式,并带有以微米(µm)校准的z范围的色标。

比较图像时,在图块A的两个样本之间没有发现明显的形态差异。外形图(请参见图 7)图中相同的两个区域 图6示出了在微米尺度上具有相同高度水平的表面上不同点的代表性水平曲线。观察这些图后,可以看出,两个样品在不同点的水平曲线形状相似。同样,对于每个分析区域确定的粗糙度参数所获得的高度值也没有实质性差异(请参见表 2).

标签。 2:图6中所示的未处理或已处理瓷砖A的区域的一些有关高度的表面粗糙度参数的值(高斯截止滤波器:0.25 mm)。
ISO 25178高度参数"A 未处理""A 处理过的"
Sp (微米)最高峰的高度62.5282.14
Sv (微米)最深的坑74.4165.34
Sz (微米)总和p + Sv136.93147.49
Sa (微米)高度绝对值的算术平均值12.0611.05

在较高的放大倍率下(使用20倍物镜),该表面的成像区域为2.92×1.71 毫米被分析表面的3D图像(请参见图 8),以及粗糙度参数(参见表 3), reflect a similar texture for both samples of tile 一种 (treated 和 untreated).

标签。 3:图8中所示的未处理或已处理瓷砖A的区域的一些有关高度的表面粗糙度参数的值(高斯截止滤波器:0.25 mm)。

ISO 25178高度参数"A 未处理""A 处理过的"
Sp (微米)最高峰的高度36.7139.83
Sv (微米)最深的坑26.1628.78
Sz (微米)总和p + Sv62.8768.61
Sa (微米)高度绝对值的算术平均值7.827.94

Operating the confocal microscope at the maximum magnification possible (150x objective), it is possible to observe morphological differences between the surfaces of the 2 samples for tile 一种 (treated 和 untreated). On the surface of sample "A 已处理”(请参见图 9b)中,有一个区域存在晶体,这与晶体的观察结果一致。 扫描电镜 数据(请参见图 3b)。样品表面上的这些晶体"A UNTREATED" (refer to Figure 9a)并不明显,因为它们嵌入在非晶相中。

也用于瓷砖样品 B, "B UNTREATED" 和 "B TREATED",面积(2.93×2.2 毫米)已通过共聚焦显微镜使用10倍物镜成像。图中显示的2张图片 样本有10个"B UNTREATED" (refer to Figure 10a) 和 "B TREATED" (refer to Figure 10b)。它们显示了每个区域的表面形貌的3D表示,并带有以微米为单位校准的z范围的色标。在比较图像时,尽管可以观察到处理后的表面显示出轻微的峰平滑,换句话说,峰的整体突出程度小于未处理表面的峰,但是在两个样品之间没有看到明显的形态差异。

比较图中两个区域的轮廓图 10,可以注意到,检测到的样品峰的边界"B UNTREATED" (refer to Figure 11a)被适度隔离并位于相当高的水平(大约33 µm),而对于样品"B TREATED" (refer to Figure 11b)分布广泛,非常不平坦的小区域。

比较两个样品区域的表面粗糙度参数值(请参阅表4),表明与3D图像数据得出的结论一致:所有表面粗糙度参数(以高度计)对于处理后的样品均略有降低相对于未处理样品的样品。

标签。图4:图10所示的未处理或已处理瓷砖A的区域的一些有关高度的表面粗糙度参数的值(高斯截止滤波器:0.25 mm)。
ISO 25178高度参数"B 未处理""B 处理过的"
Sp (微米)最高峰的高度29.0618.53
Sv (微米)最深的坑27.0819.75
Sz (微米)总和p + Sv56.1438.28
Sa (微米)高度绝对值的算术平均值1.851.69

在共焦显微镜(最大150倍物镜)的最大放大倍数下再次获得图像,可以观察到瓷砖B的两个样本表面之间的形态差异,处理后的和未处理的瓷砖B的样本都一样。样品"B TREATED" (refer to Figure 在图12b)中,存在晶体存在的区域。这样的晶体在样品表面上不明显"B 未处理" (refer to Figure 12a),因为它们嵌入非晶相中。

可以假设瓷砖B的表面具有光滑,均匀的纹理,防滑处理会导致表面粗糙度参数发生显着变化(即,在处理后平均参数值会降低)。

对于瓷砖A,与瓷砖B相比,瓷砖的表面具有更结构化和不均匀的纹理,可以在高放大倍数下看到酸处理对表面形态的影响,但表面粗糙度参数的值却没有变化很大。

根据标准DIN 51130 [7]定义的测试方法确定的防滑性能(防滑性)结果(请参阅表5)显示,在防滑处理后,瓷砖A(异质纹理表面)没有改善,因为即使滑移角增加了1°,仍保持R9等级。瓷砖B的两个样品(均质,光滑的表面)的结果都表明,即使经过防滑处理,它也不适合具有高滑倒风险的工作室。对于赤脚人在潮湿表面上行走的状况,例如在游泳池区域或在淋浴或浴室设施中,根据标准DIN 51097 [8]定义的方法进行的测试表明,处理后两种瓷砖的结果均达到最好的分类是A + B + C,而未处理的样品则无法分类(UC)。但是,数据似乎表明瓷砖的防滑性能更多地取决于所用润滑剂和瓷砖的化学表面成分,而不是其表面​​粗糙度。

标签。 5:防滑性(防滑性能)是根据DIN 51130和DIN 51097对瓷砖A和B的已处理和未处理样品进行的测试结果。
样品测试方法平均滑移角(°)组防滑性能
"A 未处理"DIN 51130



6R9
"A 处理过的"7R9
"B 未处理"0加州大学
"B 处理过的"0加州大学
"A 未处理"DIN 51097



8加州大学
"A 处理过的"33A + B + C
"B 未处理"11.7加州大学
"B 处理过的"35A + B + C

传说:
加州大学 =未分类
DIN 51130组(基于滑移角):R9⇒6°–10°; R10⇒10°–19°; R11⇒19°–27°; R12⇒27°–35°; R13⇒>35°
DIN 51097组(基于滑移角):A⇒12°–17.9°; B⇒18°–23.9°; C⇒>24°

Conclusions

针对此报告,研究了两种类型的瓷砖:具有异质纹理表面的瓷砖A和具有均质平滑表面的瓷砖B。两种类型的釉面砖具有相似的化学和矿物组成。用来修饰其表面的酸性防滑处理似乎适用于这种釉面砖。对于湿(水)表面,其效果尤其明显,其中瓷砖A和B的处理样品均显示出明显的防滑性(防滑性能)增加。而且,防滑处理不会损害瓷砖的清洁性。数据表明所用的润滑剂和瓷砖的化学表面成分对防滑性能的影响比表面粗糙度要大,尽管必须做进一步的研究才能更好地理解这种现象。

The topographical analysis of the tile surfaces shows that the changes in surface structure related to the anti-slip treatment are detectable at the microscopic scale. The variation of microscale surface roughness is significant only for tile B(smooth 和 homogeneous texture), where the etching of the amorphous phase in the glazed tile induces an overall smoothening of the surface morphology.

对于这种类型的瓷砖,从微观结构的角度来看,该处理的应用导致蚀刻了无定形(非结晶)相,而结晶相(石英,斜长石,锆石和刚玉)没有改变。

Acknowledgements

作者要感谢Leica Microsystems的James DeRose对结果进行了有益的讨论,并对手稿进行了广泛的审查和校对。