以陶瓷拋光廢渣為發泡原料制備輕質釉面磚的研究

許林峰　曾德朝　鐘保民

(廣東東鵬陶瓷股份有限公司　廣東 佛山　528031)

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以陶瓷拋光廢渣為發泡原料制備輕質釉面磚的研究

許林峰曾德朝鐘保民

(廣東東鵬陶瓷股份有限公司廣東 佛山528031)

以拋光廢渣為發泡原料，結合粘土、石英、鉀長石等陶瓷原料，制備出抗變形能力好的輕質陶瓷磚坯；并研制出熱膨脹系數與輕質磚坯適配的高溫釉料和低溫釉料；采用雙層布釉的方法，制備出釉面質量良好的輕質釉面磚。測試結果表明：輕質陶瓷磚釉面具有優異的防污性能，抗折強度達到8.47 MPa，導熱系數為0.39 W/m·K。

陶瓷拋光廢渣釉面磚輕質磚防污性能

從2014年開始，我國陶瓷磚產量已突破100億m2，其中需要拋光的產品超過35%。每生產1 m2拋光磚需要拋掉厚度為0.8～1.2 mm的磚表面層，從而產生2.0 kg左右的陶瓷廢料。這些廢料中通常含有少量的碳化硅，其來源于拋光磨頭。由于碳化硅顆粒尺寸細小(微米級)，性質穩定，因此難以通過普通的物理或化學方法進行分離或去除。在堿性熔體侵蝕下，碳化硅在氧化氣氛中容易氧化(反應溫度低于700 ℃)產生氣體。這些廢料作為陶瓷原料循環再利用時，在燒成過程中容易引起陶瓷磚嚴重發泡、變形，使得生產工藝難以穩定，產品不合格。同時，拋光廢渣成分不穩定也是限制其應用的因素之一。

拋光廢渣每年的排放量超過700萬t，又難以資源化利用，生產所產生的大量廢料已經不能用簡單的填埋方法來解決了。大量堆積的陶瓷廢料侵占土地，污染水源、空氣和土壤環境[1～3]。如果不對這些廢料進行加工處理或再利用，不斷產生的陶瓷廢料將嚴重破壞我們的生存環境。如何將其變廢為寶，廢料資源化利用，己成為陶瓷生產企業和環保部門共同關注的問題[4～7]。

拋光廢渣資源化利用的研究和實踐工作早在十多年前就已經開展了。許多高校和科研院所對拋光廢渣進行了詳盡的基礎研究，發表了大量的論文。一些企業也對將拋光廢渣作為陶瓷原料，用于制備陶瓷磚的實踐工作進行了大膽的嘗試。有企業將少量(5%左右)拋光廢渣加入到拋光磚底料中，由于雙層布料的拋光磚底層可以燒結程度低一點，從而可抑制碳化硅的氧化。另外，底層有少量的發泡不會引起磚的變形和表面防污性能；也有企業將拋光廢渣加入到生燒的釉面瓷片中，加入量可以達到30%；還有企業直接利用拋光廢料的發泡性質制備輕質陶瓷磚，加入量可以超過50%，甚至達到80%。這種輕質陶瓷磚由于體積密度小(可以達到0.4 g/cm3)，因此具有良好的隔熱和隔音性能[8]。這種陶瓷磚既符合目前國家提倡的“綠色環保”政策，又具有良好的經濟效益和社會效益，值得研究開發。

目前，利用拋光廢渣制備輕質陶瓷磚，面臨的問題主要有兩方面：一是控制坯體變形，二是表面防污。針對這兩方面的問題，筆者對采用拋光廢渣為發泡原料，制備表面平整且防污的輕質釉面磚進行了研究。

1　實驗

1.1原料

實驗使用的原料有：建筑陶瓷企業的拋光廢渣、球土、桂丹泥、鉀長石、滑石、氧化鋁和石英砂。原料的化學組成見表1。

表1　原料的化學組成(質量%)

1.2工藝流程

1.2.1輕質磚坯的制備工藝

本研究中的輕質磚坯的基礎配方(質量%)為：球土20，桂丹泥35，鉀長石20，石英23，氧化鋁2。經大量的實驗研究發現，此配方的抗變形能力較好，加入拋光廢渣后，依然具有良好的尺寸穩定性。坯體的制備工藝流程見圖1，其中行星球磨時間為10 min。

圖1　坯制備的工藝流程圖

1.2.2釉料的制備工藝

本研究采用的釉料配方有兩個，一個是熔融溫度較高，其配方組成(質量%)為：球土15，桂丹泥27，滑石24.5，鉀長石18，石英15，氧化鋁0.5；另一個是熔融溫度較低，其配方組成(質量%)為：球土15，桂丹泥13，滑石20，鉀長石22，石英30。釉料的制備工藝流程見圖2，其中行星球磨時間為30 min，過250 目篩。

圖2　釉制備的工藝流程圖

1.2.3噴釉工藝

采用空氣噴槍對干燥的磚坯進行噴釉，可以連續噴2次。如果還需要繼續噴釉，必須對磚坯先進行干燥，然后再噴釉。

1.2.4燒成工藝

對生坯進行干燥處理后，將其置于耐火墊板上，在輥道窯中直接燒成。燒成周期為100 min，燒成溫度為1 200 ℃。

1.3測試方法

1.3.1顯微結構觀察

采用荷蘭Philips公司的XL30FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面和斷面形貌。

1.3.2抗折強度測試

采用三點抗彎法，在CMT系列電子萬能試驗機上測試其抗折強度，加載速率為0.5 mm/min。測試樣品數量為10個，測量樣品的寬度和長度時分別取兩邊和中間的3個點，計算其平均值。抗折強度的計算公式為：

σ= 3FL/(2bh2)

式中：F——最大載荷；

L——跨距，cm;

b——樣品寬度，cm;

h——樣品厚度，cm。

1.3.3體積密度的測定

采用排水法測定樣品的體積密度，測試樣品數量為每種5片。體積密度的計算公式為：

ρb=M1×D1/(M3-M2) ×100%(g/cm3)

式中：M1——干重，g;

M2——水中浮重，g;

M3——飽和濕重，g。

1.3.4導熱性能測試

樣品的導熱性能采用熱線法進行測定，測試設備采用Hot Disk公司生產的熱常數分析儀。測定的條件：溫度為25 ℃，平衡時間為10 s，輸出電壓為0.1 V。試樣長×寬×高=50 mm×50 mm×10 mm，而且必須保證測試面平整。

1.3.5表面防污性能測試

將黑色墨水滴于樣品表面放置1 h后，將樣品置于水龍頭下進行沖洗，再用濕布進行擦拭后，觀察樣品表面是否存在污染痕跡，從而判斷樣品的防污效果。

2　結果與分析

2.1拋光廢渣添加量對樣品體積密度的影響

在配方中大量引入拋光廢渣雖然有利于廢料的資源化利用，但是在高溫階段產生的劇烈發泡容易引起陶瓷磚膨脹不均勻。為了制備表面平整的輕質釉面磚，本研究從以下3個方面控制陶瓷磚的變形：

1)在基礎配方中盡量不采用含鈣和鈉的原料。因為鈣和鈉都會急劇降低液相的高溫粘度，導致氣泡在低粘度的液相中容易膨脹、連通并形成大孔，最后使得輕質陶瓷磚中的孔結構粗大，不規則，而且在燒成過程中，低粘度的液相在重力的作用下向周邊流動，導致磚的外形呈饅頭狀。

圖3　拋光廢渣含量對體積密度的影響Fig.3　Effect of polished waste content on bulk density

2)在燒成過程中采用低溫慢燒工藝。這樣可以使氣泡膨脹的速率減慢，磚體各部分的膨脹程度接近，從而保證陶瓷磚的尺寸穩定。

3)采用合適的拋光廢渣添加量，既保證了拋光廢渣的利用率，又保證了產品性能和工藝的穩定性。

為了兼顧輕質陶瓷磚的體積密度和尺寸的穩定性，以及釉面質量，本研究將輕質陶瓷磚的體積密度設定為0.9～1.0 g/cm3。圖3為拋光廢渣添加量對樣品體積密度的影響。

從圖3中可以看出，隨著拋光廢渣添加量的增加，樣品的體積密度降低。當拋光廢渣的添加量為30%時，樣品的體積密度為0.95 g/cm3，繼續增加拋光廢渣的添加量，樣品體積密度的下降幅度減小，且樣品的變形也沒有明顯增加。這是由于孔隙率的增加除了與拋光廢渣的用量有關外，還與高溫液相粘度有關，且后者的影響更為顯著。當拋光廢渣含量增加時，空氣擴散的速率并不會增加。所以碳化硅的氧化會受到限制，導致氣體不會顯著增加。正是由于液相粘度大，少量的氣體增加不會引起顯著的膨脹。為了更好的控制釉面的質量，本研究將拋光廢渣的用量設定為30%。

2.2釉面質量的影響因素分析

影響輕質磚釉面質量的因素主要有：熱膨脹失配引起釉面的開裂或剝離；釉的粘度或表面張力不合適引起釉面鼓泡或針孔；釉層的厚度太薄引起的釉面鼓泡或針孔等。熱膨脹失配通過調整釉料配方改變其熱膨脹系數就可以解決。通過試驗，配制出了熱膨脹系數合適的釉料配方。而釉面鼓泡和釉面針孔的問題解決起來難度要大一點。因為普通的陶瓷磚在預熱帶或燒成帶前期排氣基本上就已經結束，或者大部分氣體已經排出。輕質陶瓷磚在到達燒成帶時排氣才剛剛開始，而且會有大量的氣體產生。產生的氣體很容易引起釉面氣泡和針孔，難以形成平整光滑的釉面。由于氣體會源源不斷的產生，因此不能通過釉面的自流平或自排氣來解決問題。只能直接將氣體封在釉面下，所以我們采用雙層布釉的方法來解決這個問題：先布一層高溫釉，減少氣體的穿透，阻止形成氣泡，再布一層低溫釉，提高釉面的平整度和光澤度。

表2為釉面質量的實驗結果。

表2　釉面質量的實驗結果

由表2可以看出，噴超過兩次高溫釉，就可以保證不出現針孔和釉泡缺陷。但是，由于高溫釉的粘度較大，導致輕質磚膨脹時的阻力大，大的表面膨脹阻力會導致磚面上翹。噴低溫釉可以提高輕質磚的表面光澤度，但是厚度較薄時，會產生嚴重的釉面針孔和釉泡缺陷。即使釉層較厚時，也會產生小的釉泡，形成釉面凸包；而采用雙層布釉時，就可以得到表面平整，沒有明顯缺陷的釉面，并且可以任意調整釉面的光澤度，既可以得到亞光、半亞光，也可以得到高光的釉面。

2.3輕質釉面磚的顯微結構觀察

圖4為輕質釉面磚的表面和斷面的顯微結構圖。

圖4(a)為釉面與磚坯的界面形貌圖，從圖中可以看出，釉面的厚度大約為100 μm。高溫底釉層和低溫面釉層已經融合在一起，沒有明顯的界線。在存在孔洞的地方，釉面將孔洞牢牢地封住，且釉面沒有鼓起(如黑色箭頭所指示)。在面釉層存在明顯的凹坑，但是凹坑沒有發生貫穿，因此不影響釉面的防污性能。這說明底層的高溫釉層可以阻止氣體的膨脹，防止釉面產生釉泡。

圖4(b)為釉表面的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，釉面平整，沒有明顯的小針孔和鼓泡。

圖4(c)為未上釉的輕質磚坯表面，從圖中可以看到明顯的孔洞和凹坑，其表面很容易吸污，而且由于孔洞細而深，吸污之后很難清理。

圖4(d)為輕質磚坯的斷面形貌圖，從圖中可以看出，孔的分布均勻，沒有明顯的異常大孔，均勻的顯微結構有利于提高材料的性能穩定性和力學強度。

圖4　輕質釉面磚表面與斷面的顯微結構觀察圖

2.4輕質釉面磚的性能測試結果

圖5為輕質釉面磚樣品的光學照片，其中圖5(a)中的樣品經過了滴墨處理，圖5(b)中的樣品未經過任何處理。

從圖5中可以看出，經過滴墨處理的樣品和未經過處理的樣品沒有明顯的差異。測試過程中注意到，滴墨處理的樣品經清水沖洗，濕抹布擦拭后，光潔如新，沒有留下明顯的痕跡。同時，從照片中可以看出，輕質釉面磚的表面平整，沒有明顯的變形。輕質釉面磚的抗折強度達到8.47 MPa，導熱系數為0.39 W/m·K。

3　結論

1)提高拋光廢料的含量可以降低輕質磚的體積密度，但是添加量超過30%后，如果繼續增加拋光廢料的量，體積密度的下降趨勢將減緩。

2)釉的高溫粘度大可以防止針孔和釉泡的產生，但是會引起磚面上翹；釉的高溫粘度小雖然可以得到光滑的釉面，但是容易產生針孔和釉泡。將高溫釉和低溫釉結合起來使用，可以得到表面光滑的，沒有針孔和釉泡缺陷的釉面。

圖5　樣品的光學照片

3)研究制備的輕質釉面磚表面防污效果好，抗折強度達到8.47 MPa，導熱系數為0.39 W/m·K。

1徐建國.佛山陶瓷企業開展清潔生產的現狀及方向.佛山陶瓷,2007,17(3):11～15

2王繼杰,李旭.中國陶瓷產業與環境保護的協調性發展.中國陶瓷,2006,42(10):3～6

3Rambaldi E,Esposito L,Tucci A.Recycling of polishing porcelain stoneware residues in ceramic tiles.Journal of the European Ceramic Society，2007,27:3 509～3 515

4蔡祖光.陶瓷工業廢料廢渣的處理.佛山陶瓷,2002,2(3):11～12

5李玉峰.陶瓷廠廢料的開發和利用.佛山陶瓷,2003,13(3):16～18

6Nuran A.The use of waste ceramic tile in cement production.Cement and Concrete Research,2001,31:163～166

7夏海斌.利用拋光磚廢料制備功能性建筑材料的研究:[碩士學位論文].廣州:華南理工大學,2009

8繆松蘭,馬光華,李清濤,等.建筑陶瓷廢渣制備輕質陶瓷材料的研究.陶瓷學報,2005,26(2):71～79

Ceramic Polishing Slag as Foaming Material for Preparation of Light Glazed Tile

Xu Linfeng,Zeng Dezhao,Zhong Baomin

(Guangdong Dongpeng Limited Liability Company,Guangdong,Foshan,528031)

A light ceramic tile body with outstanding non-deformability was produced by using ceramic polishing slag as foaming material and clay, silica sand, potash feldspar as raw materials. And a high temperature glaze and a low temperature glaze with coefficient of thermal expansion adapting to the body were also produced. Light ceramic glazed tiles with excellentglaze surface were prepared by a method of double-layer glazing. The test results indicate that the light ceramic glazed tiles show excellentantifouling property, and the flexural strength of 8.47 MPa and heat conductivity coefficient of 0.39 W/m·K were reached.

Ceramicpolishing slag; Glazed tile; Light tile; Antifouling property

許林峰(1984-)，博士；主要研究方向為陶瓷納米粉體合成、多孔陶瓷制備。

TQ174.76

A

1002-2872(2016)09-0022-06