陶瓷磚厚度對性能的影響

吳長發 羅 飛 范偉峰

(佛山歐神諾陶瓷有限公司 廣東 佛山 528138)

前言

20世紀80年代初，日本東麗株式會社最早提出了薄型陶瓷的概念。陶瓷磚薄型化是建筑陶瓷行業實現節約資源、節能減排重要的途徑之一[1～4]。與普通陶瓷磚相比，陶瓷薄板厚度僅為普通陶瓷磚厚度的1/3～1/4，故其原料用量可減少60%左右，能源節約至少40%以上。因此，一次燒成陶瓷薄板產品屬于一種優質綠色建材產品，但目前市場接受程度依然不高[5～6]。從市場來看，一般咨詢較多，購買較少，其主要原因在于價格，與同尺寸規格的普通陶瓷磚相比，陶瓷薄板的售價高出許多。既然陶瓷薄板在生產過程中比傳統陶瓷磚更省原材料和能耗，其價格高出普通磚數倍以上令人難以接受。同時，部分消費者認為“減薄就是偷工減料”，擔心減薄后產品的實用性，這種心理也阻礙了薄板市場的推廣[7～10]。此外，相關文獻[1]報道了采用流延成形可制備厚度1 mm的陶瓷墻紙。筆者通過實驗研究了陶瓷磚的厚度與各項物化性能的關系，明確了傳統配方條件下陶瓷磚減薄的適宜厚度范圍。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用的陶瓷粉料來自佛山某陶瓷廠，其化學組成如表1所示。

表1 實驗用陶瓷粉料的化學組成(質量%)

1.2 試樣的制備與表征

將陶瓷粉料分別壓制不同厚度(2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm)的陶瓷磚試樣，將試樣在不同的溫度下(1 170 ℃、1 200 ℃、1 230 ℃)燒成，燒成周期55 min。采用陶瓷磚國標的檢測方法對試樣的燒失、燒成收縮、吸水率、體積密度、斷裂模數、破壞強度等指標進行檢測。同時，采用硅酸鹽成分快速測定儀(GKF-IV型，湘潭湘儀儀器有限公司)對坯體粉料試樣的成分進行檢測；掃描電子顯微鏡(Quanta 200，荷蘭FEI公司)對陶瓷試樣的微觀結構進行表征。

2 結果與討論

圖1為厚度與陶瓷磚燒失的關系圖。由圖1可知，當燒成溫度為1 170 ℃時，試樣在所有的厚度范圍內，其燒失都較大，可能是由于相對較低的燒成溫度，使得坯體的結構較為疏松，氣體揮發成分更容易排除。而燒成溫度為1 200 ℃和1 230 ℃時，試樣表面形成較多的液相，將表面封閉，使得氣體難以排除。同時，燒成溫度為1 170 ℃的試樣，較薄厚度的試樣燒失越大，可能是因為成形坯體越薄，坯體內的氣體揮發物沖出表面的路徑更短，排除相對更容易。

圖1 厚度與陶瓷磚燒失的關系

圖2 厚度與陶瓷磚燒成收縮的關系

圖2為厚度與陶瓷磚燒成收縮率的關系圖。由圖2可知，隨著厚度的增加，所有燒成溫度條件下試樣的燒成收縮率逐漸降低，原因可能是在同樣的溫度場條件下，厚度越薄需要的熱量更少，更容易燒成。同時，同樣厚度的試樣，燒成溫度1 170 ℃的試樣燒成收縮率最小，1 200 ℃條件下的試樣燒成收縮最大，主要是低溫條件下陶瓷磚試樣尚未燒結，結構較為疏松，因而收縮較小。當試樣燒結后，進一步增加燒成溫度至1 230 ℃，試樣中的封閉氣體膨脹，反而使坯體的燒成收縮率降低。

圖3為厚度與陶瓷磚體積密度的關系圖。由圖3可知，對于相同厚度的試樣，隨著燒成溫度的增加，體積密度先增加后降低。當燒成溫度為1 200 ℃時，體積密度最大，規律與燒成收縮類似。對于相同的燒結溫度，隨著厚度的逐漸增加，體積密度略微降低。

圖3 厚度與陶瓷磚體積密度的關系

圖4 厚度與陶瓷磚吸水率的關系

圖4為厚度與陶瓷磚吸水率的關系圖。由圖可知，當燒成溫度為1 170 ℃時，試樣的吸水率隨著厚度的增加而增加，且吸水率均在3%以上，主要是試樣厚度越大，坯體內部結構越疏松。當燒成溫度為1 200 ℃和1 230 ℃時，吸水率降至1%以下。1 200 ℃燒成的試樣，所有厚度條件下其吸水率均在0.5%以下。

圖5為厚度與陶瓷磚斷裂模數的關系圖。由圖5可知，當溫度為1 170 ℃時，其所有厚度的試樣斷裂模數最小，主要是該組試樣的燒成溫度較低，試樣燒結程度較差，內部結構較為疏松。當溫度高于1 200 ℃時，所有厚度的試樣斷裂模數值均在45 MPa以上。根據現有陶瓷磚國家標準，對于瓷質磚，斷裂模數平均值需不低于35 MPa。因此，普通陶瓷磚的厚度減薄在斷裂模數上不受標準的限制。

圖5 厚度與陶瓷磚斷裂模數的關系

圖6 厚度與陶瓷磚破壞強度的關系

圖6為厚度與陶瓷磚破壞強度的關系圖。由圖可知，所有燒成溫度條件下，試樣的破壞強度隨著厚度的增加而增加。根據標準，對于瓷質磚而言，其破壞強度不能低于700 N。即在吸水率低于0.5%燒結的情況下，陶瓷磚的厚度不能低于4.5 mm。圖7為5 mm厚度試樣在不同燒結條件下的微觀形貌圖。由圖7可知，1 170 ℃時，試樣內部有較多松散的孔結構；燒結溫度達到1 200 ℃時，孔結構的形狀由無定型轉變為細小的圓孔結構，進一步升溫至1 230 ℃時，試樣內圓孔結構的尺寸變大，主要是高溫液相量增加，包括在液相中的氣體膨脹所致。

(a)1 170 ℃ (b)1 200 ℃ (c)1 230 ℃

綜上所述，實驗結果發現，陶瓷磚的減薄對燒失、燒成收縮、吸水率、體積密度有一定的影響，但影響均較小。根據現有陶瓷磚國家標準，對于瓷質磚的減薄，其斷裂模數也不會受到標準的限制，但根據破壞強度的界限，其厚度不能低于4.5 mm。