低吸水性輕質衛生陶瓷的研制

陳靜

摘 要：本文以粘土礦物、硅灰石為主要原料，采用澆鑄法制備輕質衛生陶瓷。研究表明：在有莫來石、石英、鈣長石為主要成分的結晶相與SiO2、Al2O3為主要成分的玻璃相組成的陶瓷素燒坯中，形成許多四周由鈣長石包覆的獨立氣孔，體積密度可達到2.0～2.24g/cm3；當硅灰石的含量為15%、粒徑平均值為10？滋m時，可以獲得效果較好的輕質衛生陶瓷。

關鍵詞：輕質衛生陶瓷；吸水性；體積密度；鈣長石；閉氣孔

1 前言

長期以來，在建筑衛生陶瓷領域對輕質建筑衛生陶瓷的研究甚少。但近些年來，這一研究已有突破，獲得不少引人注目的成果，如：國內研發成功的大規格輕質建筑陶瓷板、國外東陶公司研發出的薄型輕質高強衛生陶瓷等。預見未來，隨著建筑衛生陶瓷的不斷發展，將會有更多的創新成果應運而生。

眾所周知，衛生陶瓷屬于一種脆性產品，安裝時要特別注意。由于座便器通常較重，約達20～50kg，又給生產和施工帶來不便。因此，開發出輕質衛生陶瓷產品是目前大家所關注的問題。近期，有關技術人員圍繞開發輕質衛生陶瓷這一課題，推出了諸多的技術。如：在陶瓷原料中摻用無機質的粉煤灰微珠；在陶瓷泥漿中混合人造泡沫玻璃粒料；在陶瓷素坯中使用空心樹脂粉，在陶瓷燒成溫度下熱分解或氣化，使其多孔化。但由此制成的陶瓷均具有吸水性，不能用作衛生潔具，其用途受到制約。因此，要使輕質衛生陶瓷得到實際應用，關鍵還要解決吸水性的問題。所以，一種低吸水性的輕質衛生陶瓷的研發，也順應了當今衛生陶瓷發展的潮流。

2 吸水性低的輕質衛生陶瓷的制備

2.1 原料

本實驗所采用的主要原料為粘土礦物、硅灰石。除此外還可配合石英、含一價金屬的原料、含二價金屬的原料及燒失量小的原料。粘土礦物從高嶺石、地開石、埃洛石、絹云母、葉臘石中至少選用一種。含一價金屬的原料為熔劑原料，宜使用絹云母、長石、霞石。含二價金屬的原料同樣為熔劑原料，宜使用石灰石、白云石。燒失量小的原料使用耐火粘土熟料。用于生產輕質衛生陶瓷的原料配比為：粘土30%～40%、陶土30%～40%、熔劑料5%～15%、硅灰石5%～20%。

其主要原料中硅灰石（CaSiO3）為天然硅酸鈣礦物，燒成時與含SiO2和Al2O3的化合物反應，轉變為鈣長石，相近連接形成氣孔。由于該氣孔在長石熔融時開始形成，在形成玻璃相之前，鈣長石可防止玻璃相侵入氣孔，使得在素燒坯中形成許多閉氣孔，在無吸水性狀態下獲得比重低的素坯。因此，硅灰石最大纖維長度應在5？滋m以上。當其粒徑小于5？滋m時，會促進與長石反應，使玻璃相進入閉氣孔，失去輕質效果；當其粒徑大于250？滋m時，硅灰石轉變為鈣長石，使得縱向的鈣長石難以連接，不便于閉氣孔形成。另外，由于氣孔尺寸增大，導致其強度降低。因此，硅灰石的纖維長度要控制在5～250？滋m范圍內。硅灰石含量越多，輕質效果越好。當其含量小于5%時，起不到良好的輕質效果；當硅灰石含量超過5%時，則需要增大助熔劑的用量。助熔劑宜使用對燒結也能起促進作用的白云石，其含量為硅灰石的30%；當硅灰石用量進一步增大時，閉氣孔形成量也隨之增大，促進輕質化，但因其連接易形成開氣孔。因此，摻用量不能超過20%。由此得知，硅灰石粒徑為5～250？滋m、含量為5%～20%時，可實現衛生陶瓷的輕質化。

2.2 實驗內容

本文采用澆鑄法制備輕質衛生陶瓷。首先，將原料按配比稱量好，然后加水；用球磨機濕法球磨，調制成泥漿。此時，泥漿的含水率為35%～50%、顆粒尺寸為1～10？滋m（以個數基準的50%平均粒徑計），硅灰石最大纖維長度不超過5？滋m；隨后將泥漿澆鑄成形，脫模、干燥、施釉；最后燒成，燒成溫度為1100～ 1300℃。普通衛生陶瓷的體積密度一般為2.40g/cm3，但本文所研究的衛生陶瓷其體積密度調在2.0～2.24g/cm3間，油墨滲透度按相關技術標準調至3mm以下。

2.3 輕質衛生陶瓷性能的測定方法

（1） 體積密度的測定方法

本文采用阿基米德法進行體積密度測定。將試件在110℃下干燥24h，冷卻，測定其質量為W1；然后放入干燥器中，保持在真空下，充分滲透比重為p的精制煤油，從油中隨意吊起，稱出質量為W2；再從油中取出，用濕布擦去表面的油滴，直接測定質量為W3。

依據這些數據，用（1）式求出體積密度。

體積密度=W3×p/（W2-W1）（1）

（2） 吸水率的測定方法

本文按標準方法測定吸水率。首先，將試件在110 ℃下干燥24h，冷卻，測出質量W1。然后，再放入干燥器中用水浸漬，在真空狀態下保持1h，強制使開氣孔達到水飽和，測出此時質量W2。依據這些值，由（2）式求出吸水率。

（3） 油墨滲透率的測定方法

本文采用標準方法進行油墨滲透率的測定。首先，將試件浸漬于濃度為1%的曙紅Y溶液中1h，取出切開，測定紅油墨對坯體的滲透度。燒成試件的平均孔徑是通過掃描式電子顯微鏡觀察鏡面研磨的表面，在約400？滋m×300？滋m的視野范圍內，對由最大往下依次排列的10個氣孔，算出其長徑與短徑的平均值，作為這些孔的平均值。

（4） 輕質效果的計算方法

使用精制煤油是因為使用水會使試件膨脹而破裂。輕質效果用未摻用硅灰石的試件與各實例試件的體積密度p由（3）式求出。

輕質效果=（P0-P）/P0（3）

3 硅灰石的含量及粒徑對輕質衛生陶瓷的影響

3.1 硅灰石的化學組成及粒徑大小

實驗中所用硅灰石為天然硅灰石，其化學組成如表1所示。根據X射線衍射（XRD）分析，未發現有硅灰石以外的結晶存在。表2為硅灰石的最大粒徑和平均粒徑情況，其平均粒徑是取約20粒樣品隨機測定而算出的平均值。

3.2 硅灰石的含量及粒徑對輕質衛生陶瓷性能的影響

對比例1為普通衛生陶瓷，所用泥料的配方組成為50%的骨架成形原料高嶺石、葉臘石；38%的塑性原料高嶺土、蛙目粘土；10%的熔劑原料長石；2%的白云石。稱量好后，置于球磨機中，添加適量的水和硅酸鈉解凝劑，濕法粉磨至約8？滋m平均粒徑，調制而成。比例2、3和實例1 ～6所用泥漿是在對比例1的泥漿中，分別按表2所示的用量摻入A、B、C三種硅灰石（見表2），以及一定量的水和解凝劑調制而成。將泥漿注入石膏模中，成形泥坯、脫模，在45℃下干燥24h，送入隧道窯；在1200 ℃下煅燒1h，制成陶瓷試件。表3為硅灰石的不同添加量對輕質衛生陶瓷性能的影響。

由表3可知，當硅灰石的含量為5%、平均粒徑為1？滋m時，輕質效果較差，為0.5%；當硅灰石的含量為25%、平均粒徑為10？滋m時，輕質效果較好，為14.8%，但具有較高的吸水率，為9.35%；當硅灰石的含量為15%、平均粒徑為10？滋m時，輕質效果較高，為14.4%，且吸水率較低，為0.09%。因此，硅灰石的含量為15%、平均粒徑為10？滋m時，輕質衛生陶瓷磚的效果較好。

圖1是實例2輕質陶瓷試件的斷面結構電子顯微圖。

由圖1可以看出，坯體中形成許多微細閉氣孔。閉氣孔尺寸非常微細，在50？滋m以下。因此，可以斷定獲得的燒結強度可確保制品獲得實際應用。從化學分析結果表明，幾乎氣孔周圍都有鈣存在，用X射線衍射分析表明，有含鈣的鈣長石結晶存在。因此，硅灰石反應生成鈣長石，可形成閉氣孔。

圖2是某一氣孔的放大圖。基體除存在鈣長石外，基本為莫來石、石英和玻璃相。

研究表明，在有莫來石、石英、鈣長石為主要成分的結晶相與SiO2、Al2O3為主要成分的玻璃相組成的陶瓷素燒坯中，形成許多四周由鈣長石包覆的獨立氣孔，使體積密度達到2.0～2.24g/cm3。通過分析可知，當周圍形成獨立的鈣長石氣孔時，有助于降低體積密度。由于獨立氣孔為密閉的氣孔，有助于降低吸水率。獨立氣孔孔徑應在50？滋m以下，這樣的氣孔均勻地分布在陶器內，可避免局部強度降低。如果孔徑大于50？滋m，會引起破裂，導致強度大幅降低。鈣長石是在燒成中由陶瓷原料中所含鈣化合物與SiO2和Al2O3化合物反應而形成的。形成鈣長石的鈣化合物有碳酸鈣、硅灰石。但碳酸鈣燒成中會釋放CO2，呈空心狀，不利于致密。而硅灰石在燒成中不會放出氣體，有利于快速致密。所用硅灰石呈纖維狀，其平均最大粒徑為5～25？滋m。硅灰石在燒成中轉變為鈣長石相，形成中心為空心，外殼為鈣長石的獨立氣孔。

4 結語

參考文獻

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