陶瓷磚生坯強(qiáng)度的影響因素

王梁 朱聯(lián)峰 李炯志 江澤峰 饒忠偉

摘 要：本文主要研究了陶瓷坯體增強(qiáng)劑、漿料球磨時(shí)間、粉料顆粒級(jí)配和水分對(duì)坯體強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明球磨時(shí)間13 min、粉料粒徑30 ～ 60目、粉料水分7%、增強(qiáng)劑加入量為0.5%AJ+0.2%CMC時(shí)坯體強(qiáng)度最大。

關(guān)鍵詞：生坯強(qiáng)度;球磨時(shí)間;顆粒級(jí)配;坯體增強(qiáng)劑

1 前 言

我國(guó)是建筑衛(wèi)生陶瓷最大生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。工信部網(wǎng)站發(fā)布2018年建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，顯示：全年陶瓷磚產(chǎn)量91.9億平方米，同比增長(zhǎng)1.8%，其中瓷質(zhì)磚產(chǎn)量66.3億平方米，同比增長(zhǎng)0.8%，陶質(zhì)磚產(chǎn)量25.6億平方米，同比增長(zhǎng)4.9%;衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)量2.1億件，同比增長(zhǎng)1.0%[1]。

陶瓷用粘土礦在我國(guó)中南和華東區(qū)域儲(chǔ)量豐富，總體滿足供需平衡，但是優(yōu)質(zhì)高塑性粘土仍舊短缺[2]。陶瓷墻地磚行業(yè)的急速發(fā)展加快了黑坭和優(yōu)質(zhì)粘土的消耗，而黑坭和粘土屬于不可再生資源且不具備可替代性，過(guò)量的消耗必將導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)粘土的枯竭。為了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，陶瓷磚生產(chǎn)過(guò)程中需要減少生坯中黑坭和粘土的用量，但這會(huì)導(dǎo)致坯體強(qiáng)度降低，影響生產(chǎn)過(guò)程中坯體加工良率。因此，研究生坯強(qiáng)度的影響因素對(duì)于指導(dǎo)陶瓷磚的生產(chǎn)具有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 生坯原料化學(xué)組成及礦物組成

本實(shí)驗(yàn)采用的是低坭添加量的配方體系，配方中加入的瘠性料較多，原始配方的坯體強(qiáng)度較低，以便于更顯著地反映出各影響因素導(dǎo)致的坯體強(qiáng)度變化。本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)配方化學(xué)組成見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)中使用的礦物原料主要有：石英粉、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、熔塊、塑性球土，工業(yè)添加劑主要有：羧甲基纖維素鈉（CMC）、三聚磷酸鈉、各類坯體增強(qiáng)劑，實(shí)驗(yàn)中采用的坯體增強(qiáng)劑有：淄博鼎澤化工增強(qiáng)劑（DZ增強(qiáng)劑）、肇慶市歐陶高效增強(qiáng)劑1#、2#、3#（1#、2#、3#增強(qiáng)劑）、上海愛(ài)杰化工增強(qiáng)劑（AJ增強(qiáng)劑）、濟(jì)南斌海商貿(mào)的木質(zhì)素磺酸鈉（BH增強(qiáng)劑）。

實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)配方原料配比見(jiàn)表2。

2.2 濕生坯的制作方法及強(qiáng)度測(cè)試方法

2.2.1 球磨及粉料制備工藝參數(shù)

按基礎(chǔ)配方稱取200 g原料及額外的工業(yè)添加劑，在球磨罐中加入水、球石、原料一起球磨（球磨機(jī)型號(hào)：KNM-Ⅱ型，湘潭市儀器儀表有限公司，轉(zhuǎn)速450 r/min），球磨好的漿料過(guò)篩倒入塑料盤(pán)中，先后放入微波爐及鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9245A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）中烘干，干料冷卻后破碎造粒，篩分后取20 ～ 60目的粉料備用，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

2.2.2坯體成型工藝及燒成制度

稱取30 g粉料倒入壓制模具中，模具規(guī)格40mm×80 mm，然后雙手用力前后左右搖平模具中的粉料，調(diào)節(jié)電動(dòng)液壓制樣機(jī)（型號(hào)：HY-YZ，佛山市華洋儀器有限公司）的壓力為10 MPa，將模具放置于制樣機(jī)上壓制成型。

壓制好的坯體放置于水平托盤(pán)上在干燥箱中150℃烘干30 min除去水分，然后將坯體放置于耐火磚上，在馬弗爐（Nabertherm LT15/13型）中燒成，具體燒成制度為：0 ～ 1000℃（100 min）、1000 ～ 1230℃（40 min）、1230℃保溫10 min，再隨爐冷卻到室溫。

如果要檢測(cè)坯體燒成后的彎曲變形，需要將干燥后的坯體放置于間距30 mm的兩塊耐火磚上，盡量保持坯體兩端位于耐火磚上的部分長(zhǎng)度相同。燒成結(jié)束后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量坯體彎曲部分最大變形量（即圓弧最大高度）。

2.2.3生坯強(qiáng)度測(cè)試方法

生坯強(qiáng)度測(cè)試方法采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法，使用數(shù)顯式抗折儀（型號(hào)：KY-DPK-300佛山市科信化工有限公司）檢測(cè)生坯強(qiáng)度，具體操作方法是：將坯體放置于間隔70 mm的兩個(gè)支架上，移動(dòng)坯體使其位于支架標(biāo)記線內(nèi)并且坯體兩端與支架保持平行，按下加壓按鈕即可，得到最大壓力F后按以下公式計(jì)算生坯強(qiáng)度：

坯體強(qiáng)度=MPa

式中，F(xiàn)——抗折儀最大壓力，N;

l——支架間隔距離，70 mm;

h——坯體中心處厚度，mm;

b——坯體寬度，40 mm。

3 結(jié)果討論

3.1 漿料球磨時(shí)間對(duì)生坯強(qiáng)度的影響

在水分和其他工藝參數(shù)不變的情況下，原料球磨時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響漿料流速和細(xì)度，生產(chǎn)過(guò)程中需要控制合適的漿料流速來(lái)適應(yīng)漿料的傳輸，防止?jié){料流動(dòng)性差而堵塞管道;漿料細(xì)度會(huì)影響漿料的觸變性及噴霧造粒的顆粒大小，而顆粒大小又影響坯體的強(qiáng)度。

為了探究漿料球磨時(shí)間對(duì)坯體強(qiáng)度的影響規(guī)律，本系列實(shí)驗(yàn)（A系列）主要是控制漿料球磨時(shí)間，檢測(cè)不同球磨時(shí)間漿料的流速、細(xì)度以及漿料制粉后壓制坯體的干燥強(qiáng)度，A系列方案添加劑加入方式統(tǒng)一為：0.2%CMC+0.5%AJ增強(qiáng)劑+0.8%三聚磷酸鈉，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著球磨時(shí)間的增加，漿料細(xì)度一直在減小，流速則是呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在球磨12 min時(shí)候達(dá)到最小值。而坯體強(qiáng)度隨球磨時(shí)間變化的規(guī)律不是很明顯，從8 min到12 min，坯體強(qiáng)度一直增加，但繼續(xù)增加球磨時(shí)間坯體強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)的狀態(tài)，這可能是因?yàn)榍蚰r(shí)間短，顆粒粒度大，漿料混合不均勻，顆粒間粘結(jié)性較大，流速較大;隨著球磨時(shí)間的增加，顆粒粒度減小，分布較均勻，顆粒間被水分子包圍，顆粒間流動(dòng)性好，因此流速較小;球磨時(shí)間繼續(xù)增加，顆粒粒度過(guò)小，顆粒間表面能增加，顆粒間吸附作用增強(qiáng)，因此漿料反而再度變得粘稠，流速增大。至于初期坯體強(qiáng)度隨球磨時(shí)間的增加而增加，有文獻(xiàn)報(bào)道，一般情況下，在水分穩(wěn)定情況下，細(xì)度指標(biāo)會(huì)影響流速、觸變性、塑性、打餅試壓強(qiáng)度和試樣燒結(jié)性能，也就是說(shuō)細(xì)度越細(xì)，在其他技術(shù)指標(biāo)不變情況下，坯體強(qiáng)度會(huì)有所提高[3]。這可能是隨著球磨細(xì)度的增加，細(xì)顆粒增加，導(dǎo)致后期造粒時(shí)細(xì)粉增多，20 ～ 60目間顆粒級(jí)配分布更加均衡，堆積密度增大，顆粒間接觸面積增大，結(jié)合更加牢固。