薄壁輕量化衛(wèi)生陶瓷坯體的研究＊

楊 暉

（唐山惠達(dá)陶瓷（集團(tuán)）股份有限公司 河北 唐山 063307）

薄壁輕量化衛(wèi)生陶瓷坯體的研究＊

楊 暉

（唐山惠達(dá)陶瓷（集團(tuán)）股份有限公司 河北 唐山 063307）

通過減少熔劑含量及優(yōu)化泥漿粒度分布等手段，獲得變形度小、抗折強(qiáng)度高的瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷坯體配方，可以顯著減薄坯體厚度和減輕制品單重，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，節(jié)約有限的礦產(chǎn)資源、燃料能源，提高資源和能源利用率。

衛(wèi)生陶瓷 薄壁 輕量化

前言

在陶瓷制品中，衛(wèi)生陶瓷是一種形狀復(fù)雜、尺寸和質(zhì)量均較大的制品，要消耗大量的礦產(chǎn)資源和燃料能源。其壁厚越厚，質(zhì)量越大，原料及能源消耗量也越大，生產(chǎn)成本也就越高。根據(jù)2010年全國衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)量計(jì)算，如果在現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量基礎(chǔ)上減輕10%，則每年將節(jié)約30萬t以上優(yōu)質(zhì)原料和約2億m3的天然氣［1］。為了降低生產(chǎn)成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，節(jié)約有限的礦產(chǎn)資源、燃料能源，研制薄壁輕量化衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品，是衛(wèi)生陶瓷行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

為了保證制品使用的安全性及制品有較好的規(guī)整度，瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷無釉坯體的抗折強(qiáng)度一般在70MPa以上，成品壁厚一般為9～15mm（其中單面吸漿部位壁厚為9～11mm，雙面吸漿部位壁厚為13～15mm）。一般情況下，10mm厚度的衛(wèi)生陶瓷坯體在200mm跨距上的變形度為20～30mm。衛(wèi)生陶瓷坯體在壁厚減薄之后，斷裂負(fù)荷會(huì)迅速下降，變形度會(huì)明顯增大。因此要使坯體減薄輕量化，坯體必須具有更高的抗折強(qiáng)度、更低的變形度。如何提高坯體的抗折強(qiáng)度、降低變形度，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生陶瓷坯體薄壁輕量化目標(biāo)，已經(jīng)成為衛(wèi)生陶瓷企業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程中亟待解決的重要課題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用原料

本實(shí)驗(yàn)所用的主要原料包括球土、高嶺土、瓷土、瓷石、硬質(zhì)高嶺石、長石、滑石、廢瓷、電解質(zhì)等。所用原料的化學(xué)組成如表1所示。

1.2 配方設(shè)計(jì)

以高嶺土、瓷土、球土、硬質(zhì)高嶺石、長石等為主要原料，設(shè)計(jì)一系列配方，測(cè)量各配方的收縮率、變形度、抗折強(qiáng)度，用極差分析法分析影響這些關(guān)鍵指標(biāo)的因素主次關(guān)系，通過綜合平衡法得到適宜的配方水平，再進(jìn)行配方驗(yàn)證，以確定衛(wèi)生陶瓷坯體的最優(yōu)配方組成。本實(shí)驗(yàn)薄壁輕量化泥漿配方組成范圍如表2所示。

表1 原料化學(xué)組成及成分（質(zhì)量%）

表2 薄壁輕量化泥漿配方組成范圍（質(zhì)量%）

1.3 泥漿與試樣制備

1.3.1 泥漿制備

按照配比稱量原料，加入適量水、電解質(zhì)，放置球磨機(jī)中研磨至350目，篩余為3%～7%。經(jīng)過過篩、除鐵后制備成注漿成形用泥漿。

1.3.2 試樣制備

1）試樣成形。根據(jù)成形工藝性能的要求，將研磨好的泥漿的濃度、溫度、流動(dòng)性、吃漿速度等性能調(diào)整至適宜參數(shù)，陳腐7d后，進(jìn)行注漿成形，即可得到測(cè)量收縮、變形的試樣。

2）試樣干燥及燒成。待模具內(nèi)的試樣稍干后脫模，先在室溫～50℃干燥12h，然后再放入電熱干燥箱中，在105～110℃干燥12h。實(shí)驗(yàn)使用的燒成窯爐為90m長隧道窯，燒成周期為16h，最高燒成溫度為1 200～1 210℃，保溫時(shí)間為30～40min，燒成氣氛為氧化氣氛。

本實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)工藝流程如下：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 泥漿主要性能

制備注漿成形用泥漿的主要性能工藝參數(shù)見表3。

表3 泥漿成形性能工藝參數(shù)

坯體厚度減薄之后，其斷裂負(fù)荷會(huì)迅速下降，制品很容易破裂。為了實(shí)現(xiàn)坯體厚度減薄輕量化的目標(biāo)，必須大幅度提高坯體的抗折強(qiáng)度。此外，坯體厚度減薄后，其變形幾率會(huì)迅速增大，制品的規(guī)整度變差。為了保證制品具有良好的規(guī)整度，必須大幅度降低坯體的變形度。

減少熔劑含量，能夠降低坯體的燒成收縮量與變形度，可以顯著提高制品的規(guī)整度。但減少熔劑的用量會(huì)影響坯體的燒結(jié)，增大坯體的吸水率，降低坯體的抗折強(qiáng)度。為保證產(chǎn)品的吸水率合格并顯著提高坯體抗折強(qiáng)度，必須對(duì)泥漿的粒度級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，即減少泥漿中粒徑過于粗大的顆粒數(shù)量，主要是減少大于20μm粉體顆粒的數(shù)量。因?yàn)榇执蟮牧Ｗ訒?huì)增大氣孔率，并破壞坯體顯微結(jié)構(gòu)的均勻性［2］，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度降低。然而泥漿中微細(xì)顆粒過多，又會(huì)降低模型的吃漿速度，延長操作時(shí)間。因此也要減少過于微細(xì)的粉體顆粒數(shù)量。影響泥漿吸漿速度的粉體顆粒主要是小于2μm的微細(xì)顆粒。如果小于2μm顆粒過多，則會(huì)堵塞坯體毛細(xì)管排水通道，從而延長成形工序的注漿時(shí)間。因此為保持注漿成形時(shí)間基本不變或略有延長，必須將泥漿中小于2μm粉體顆粒的數(shù)量控制在合理的范圍之內(nèi)。

傳統(tǒng)加工泥漿的方法是將細(xì)顆粒軟質(zhì)料與粗顆粒硬質(zhì)料按一定配比混合入磨，在球磨機(jī)中研磨至規(guī)定粒徑，這種泥漿加工方法會(huì)造成軟質(zhì)料的細(xì)顆粒變得更細(xì)、更多，而難磨的硬質(zhì)料（主要有長石、瓷石、廢瓷、硬質(zhì)高嶺石等）粗顆粒卻仍然未得到充分磨細(xì)。本實(shí)驗(yàn)采用對(duì)每種粗顆粒硬質(zhì)料進(jìn)行單獨(dú)預(yù)先干法粉磨加工，通過風(fēng)選篩分去除過于粗大的粉體顆粒，再將各種硬質(zhì)細(xì)粉料混合球磨至規(guī)定粒徑，最后與軟質(zhì)料攪拌至混合均勻即可。實(shí)驗(yàn)所用方法既可以保證泥漿的吸漿速度基本不變，也可以保證坯體能夠充分燒結(jié)。

通過上述措施，本實(shí)驗(yàn)坯體比對(duì)照坯體的變形度明顯降低，而抗折強(qiáng)度顯著提高。

2.2 成瓷減重比較

普通坯體與實(shí)驗(yàn)坯體主要性能指標(biāo)對(duì)比見表4。

表4 成品主要技術(shù)指標(biāo)

由表4可知，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)難度大的連體坐便器產(chǎn)品，使用實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{坯體生產(chǎn)的成品，具有良好的規(guī)整度，荷重試驗(yàn)合格，完全能夠滿足衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品的要求，但其重量減輕了15%，具有顯著的節(jié)約成本、降低能耗的作用。

2.3 化學(xué)組成

2.3.1 實(shí)驗(yàn)坯體最佳配方的化學(xué)組成（見表5）

表5 配方的化學(xué)組成（質(zhì)量%）

2.3.2 實(shí)驗(yàn)坯體最佳配方坯式：

由表5可知，與一般衛(wèi)生陶瓷坯體相比，實(shí)驗(yàn)坯體中的K2O與Na2O含量大幅度減少，因此具有較低的變形度。

文獻(xiàn)［3］中提出通過增加配方中的Al2O3含量，以增加坯體中剛玉、莫來石晶相的含量，從而提高坯體機(jī)械強(qiáng)度與規(guī)整度，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品薄壁輕量化。但坯體中Al2O3含量的顯著增加，會(huì)導(dǎo)致坯體耐火度的大幅度提高，致使燒結(jié)困難；還會(huì)使坯體的熱膨脹系數(shù)迅速降低，導(dǎo)致坯釉匹配性變差，制品容易出現(xiàn)釉面龜裂，且其抗熱沖擊性變差。此外，由于氧化鋁的容重較大，導(dǎo)致坯體的密度增加，從而削弱減薄輕量化的作用。因此，通過增加配方中的Al2O3含量的方法來實(shí)現(xiàn)坯體減薄輕量化的做法是困難且不現(xiàn)實(shí)的。而通過減少坯體配方熔劑含量與優(yōu)化泥漿粒度相結(jié)合的方法，完全可以規(guī)避上述問題，實(shí)現(xiàn)坯體減薄輕量化的目標(biāo)。

3 結(jié)論

要實(shí)現(xiàn)瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷坯體的減薄輕量化的目標(biāo)，必須提高坯體的抗折強(qiáng)度，降低坯體的變形度。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）本實(shí)驗(yàn)坯體中通過減少熔劑用量，優(yōu)化泥漿粒度級(jí)配，可以提高坯體抗折強(qiáng)度，降低坯體變形度，最終實(shí)現(xiàn)坯體減薄輕量化的目標(biāo)。

2）本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)配方坯體的抗折強(qiáng)度在100MPa以上，標(biāo)準(zhǔn)變形度在15mm以下，可以顯著減少瓷質(zhì)衛(wèi)生陶瓷制品壁厚，其中制品單面吸漿部位厚度為7～8mm，雙面吸漿部位厚度為10～12mm，制品質(zhì)量可以減輕15%以上，從而降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，可以節(jié)約有限的礦產(chǎn)資源、燃料能源，提高資源和能源利用率。

1 我國陶衛(wèi)行業(yè)“十二五”六大發(fā)展重點(diǎn).中國陶瓷信息簡報(bào)，2011（3）：2～3

2 小田功.高強(qiáng)度長石瓷及其制造方法.日本專利，86100202，1989－3－15

3 古賀直樹，等.衛(wèi)生陶具用陶瓷基體及制造方法.日本專利，CN1298373A，2001－6－6

TQ174.6

B

1002－2872（2011）09－0021－03

楊暉（1973－），本科，工程師；主要從事衛(wèi)生陶瓷材料性能與工藝研究。E－mail：yanghui8029@163.com