大規格強化陶瓷板的研制

2010-01-01 00:00:00劉一軍王秀峰黃劍鋒

佛山陶瓷 2010年5期

摘要:本研究打破了傳統瓷質磚粘土-長石-石英配方的思路，引入以滑石為主的原料，研制出了適合大規格超薄瓷質磚生產的高強度坯料配方，所得產品的抗折強度達到88MPa，吸水率低于0.5% 。利用XRD、SEM等對瓷坯晶相進行了研究，結果表明:瓷坯晶相量的增加是抗折強度提高的主要原因。

關鍵詞:滑石;大規格超薄瓷質磚;坯料配方;抗折強度

1前言

近些年來，國內外陶瓷墻地磚市場同質化現象相當嚴重，利潤的下降迫使各大廠家紛紛著手研發高新品種產品以搶占市場。與市場上現有的墻地磚相比，廣東蒙娜麗莎陶瓷有限公司生產的900mm×1800mm×5.5mm的大規格超薄瓷質磚，其重量只有普通墻地磚的 1/3～1/2，可節約原料 40%～60%，節約能源 30%～40%，減少煙氣排放20%以上，同時可大幅度降低建筑荷重。因此，大規格超薄磚的研究開發對建筑陶瓷行業的發展具有舉足輕重的作用。然而，大規格超薄瓷質磚因其面積大、厚度薄，加工與使用過程中還存在不少技術難題，其中機械強度偏低的問題尤為突出。

為了提高大規格瓷質薄板磚的機械強度，我們首先分析了普通瓷質磚采用的粘土-長石-石英配方體系，影響其機械強度的主要因素有:

(1) 玻璃相的數量。玻璃相是瓷質磚中機械強度最薄弱的環節，瓷胎受外界機械力破壞，首先從玻璃相開始，因此，玻璃相的數量不宜過多。而在普通瓷質磚中，玻璃相占瓷胎體積的50%左右;

(2) 針狀莫來石晶體的數量。針狀莫來石晶體能提高瓷磚的機械強度，但普通瓷質磚所采用的低溫快燒工藝限制了莫來石晶體特別是二次針狀莫來石的含量，其含量一般低于10%;

(3) 瓷坯中的游離石英量及氣孔率。游離石英量及氣孔率的增加，將顯著降低陶瓷磚產品的機械強度。

由于生產工藝及成本的限制，對于陶瓷磚產品，提高強度的有效途徑是:提高二次莫來石晶相量，降低游離石英量及產品氣孔率[1]，這對于大規格薄板磚尤為重要。為了引入更多的晶相，本研究打破傳統瓷質磚配方的思路，以滑石為主要原料，經生產中試，試制成功了一種高強度大規格瓷質薄板磚。

2實驗

2.1 原料的理化性能與配方試制

本試驗所用原料的化學成分及工藝性能分別見表1與表2。

以燒滑石為主要原料，配方屬于鎂-鋁-硅系統，坯體配方的化學成分見表3。

2.2 工藝流程及工藝參數的制定

2.2.1 工藝流程

選用具有代表性的配方進行中試，工藝流程如圖1所示。

2.2.2 主要工藝參數

漿料比重:1.68～1.72g/mL

漿料細度:0.5%～0.8%(325目篩余)

顆粒級配:30目以上:5%～10%

30～60目:≥70%

60～80目:8%～15%

80目以上:≤8%

粉料成形水分:6.5%～7.0%

壓坯頻率:2.0～2.5次/分

成形壓力:61000kN(KEDA 6800型)

磚坯干燥周期:25min

燒成周期:75min

坯體入窯水分:≤0.5%

2.3 性能測試和表征

采用湘潭恒瑞SKZ型數顯式抗折儀測試產品的抗折強度;采用CXK型陶瓷磚吸水率測量儀測試產品的吸水率;采用德國 BrukerD8-Advance型X射線衍射儀對樣品進行晶相分析;采用德國耐馳DIL402PC型熱膨脹儀測試坯體體積隨著溫度的升高的變化情況，從而據此推斷出產品的燒結溫度范圍。

3試驗結果分析與討論

3.1 基礎配方及燒成溫度制度的確定

由于本試驗以滑石為主要原料，坯料配方屬于鎂-鋁-硅系統，與普通瓷質磚所采用的粘土-長石-石英體系相比，鎂-鋁-硅系統在瓷質磚上的應用需要解決產品燒結范圍窄及生坯強度差等問題。

通過研究鎂-鋁-硅系統相圖，發現配比組分落在斜頑輝石和鎂橄欖石區域(即SiO2含量約為58%，Al2O3 含量約為10%，MgO含量25%～40%)的配方，其燒成溫度與現有普通瓷質磚燒結溫度相近，燒結液相量可控制在35%左右。為拓寬燒結溫度范圍，配方中引入13%的球土，同時引進較為特殊的坯體增強劑，以提高生坯強度，滿足超薄磚生產要求。

配方中同時引入陶瓷原料霞石，它是SiO2的不飽和礦物，可加快石英向硅酸鹽熔體的擴散，使得瓷坯中強度最薄弱的玻璃相轉化為高硅氧玻璃，增大了硅酸鹽熔體網絡的結構致密性;另一方面，適當的玻璃相可使瓷胎的氣孔缺陷減少，并且數量不多的氣孔多為圓形或近圓形，從而提高了瓷胎的機械強度。殘余石英的減少，降低了石英周圍基質的微裂紋效應[1]，也有利于產品機械強度的提高;同時霞石的鋁含量高，提高了硅酸鹽熔體的粘度，拓寬了產品的燒成溫度范圍。

坯體的熱膨脹儀測試曲線見圖2。由圖2可知:坯體在1211.3～1263.8℃之間有一個較為平緩的收縮過程，超過這個溫度范圍收縮將急劇加大，說明只要燒成溫度控制得當，放慢升溫速度，產品燒成溫度范圍窄的問題可以順利解決。

為了得到更加貼合生產實際的燒成溫度制度，將生坯置于不同燒成制度的窯爐內試燒，測試燒后試樣的吸水率與拋光面的防污性能，結果如表4所示。

可見，產品燒成溫度控制在1210～1220℃之間為宜。采用120m長的大規格超薄瓷質磚專用輥道窯，窯爐爐膛內寬1.6m，單排進磚，水平溫差控制在±3℃以內。產品燒成曲線如圖3所示。

3.2 產品XRD分析

鎂-鋁-硅系統配方燒成后產品的主晶相主要為原頑輝石，其次為少量斜頑輝石和α-方石英，玻璃相含量較少(見圖4)。在產品冷卻過程中，原頑輝石有向斜頑輝石轉變的趨勢，產生結構應力，產品易老化。本產品是在輥道窯中燒成，采用快速冷卻工藝，為分析產品在冷卻過程中是否發生晶型轉化，對產品進行了熱重分析，測試圖譜見圖5，由圖可知，在514.5℃和985.5℃處各出現了放熱峰，但峰值較小，表明晶型轉變不嚴重，不會造成產品后期老化，即說明該產品適合輥道窯快速冷卻工藝。

3.3 產品顯微結構分析

瓷胎斷面的顯微結構見圖6，由圖可知，瓷胎中晶粒總量所占比重較大，且晶粒大小基本在5～10μm之間，分布較為均勻。根據庫堯-戈登止裂機理可知，晶相數量越多，晶粒越細小，晶界就越多，從而增加了裂紋擴展的阻力，提高了瓷胎在外力作用下形成新的表面所需要的斷裂能，亦即提高了瓷坯的機械強度。

3.4 產品物理性能

與國內外高檔純白瓷質磚相比，本研究所獲得的大規格陶瓷薄板的各項性能均有所提高，特別是抗折強度提高明顯，見表5。

4結論

(1) 引入以滑石為主的配方體系，得到適合大規格超薄瓷質磚的坯體配方。所得產品的抗折強度達到88MPa，其它各項性能均符合國家標準 GB/T4100.1-1999的要求。

(2) 瓷坯中游離石英及玻璃相減少、晶相量的增加是產品抗折強度大大提高的主要原因。

參考文獻

[1] 劉康時.陶瓷工藝原理[M].廣州:華南理工大學出版社，1990.

[2] 素木洋一.硅酸鹽手冊[M].北京:輕工業出版社，1982.

[3] 盛忠旗.高強度超薄外墻瓷質磚的研制[J].佛山陶瓷，

2003，6:17-19.