高強度仿古磚坯體配方的研制*

黃辛辰 趙存河 何宇奇 李國平 梁超成 何義力

(蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528000)

前言

近年來，隨著我國城鎮化建設加速，除了建筑裝飾材料美觀度的要求外，人們對陶瓷磚的基本性能要求越來越高，特別在進行戶外使用時，普通陶瓷磚因強度不足易出現開裂，影響使用效果，造成安全隱患，增加后期維護成本。本項目通過對坯料配方體系及燒成制度研究，研制出1.5～2.0 mm厚、破壞強度高(≥6 700 N)的適合低溫快燒的坯料配方，極大地提升了產品品質，為戶外用磚提供了解決方案。

1 實驗方法

1)參照實驗配方進行配料。經球磨、過篩、除鐵、造粒、壓制成形，在經干燥后燒成。

2)測試及表征。參照國家標準《陶瓷磚試驗方法》(GB/T 3810-2016)對所制備的試樣進行吸水率、顯氣孔率、表觀相對密度和破壞強度的測定。采用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡等對試樣的物相組成和顯微結構進行表征。

2 坯體的研究

2.1 坯料配方的研究

本項目綜合考慮成本、成形性、坯體強度、干燥收縮及燒成收縮等要求，初步選擇球土B、膨潤土、鉀石粉、鈉石粉、煅燒鋁礬土及滑石為原料體系，幾種原料的化學組成如表1所示，其相關的陶瓷工藝性能如表2所示。

表1 所用原料的化學組成(質量%)

表2 所選原料的相關工藝性能

續表2

按照表1的化學組成和表2的工藝性能，結合陶瓷制備工藝點，根據經驗，通過改變球土B、鉀石粉、鈉石粉、煅燒鋁礬土及膨潤土的份數進行實驗。

經實驗得出， 通過適當降低球土B的比例可降低燒失量，但過低會使得粉料粘性不夠致生坯強度低；增加鉀石粉可以降低坯體的干燥收縮和變形，但過量添加會導致達不到提高配方鋁含量的目的；增加鈉石粉可以降低坯體的燒結溫度，但添加過量容易造成產品變形；增加煅燒鋁礬土的比例可提高Al2O3的含量，但過量會使坯體不易燒結；添加適量的膨潤土可提升粉料的粘性，增加坯體的成形強度。通過對比試樣結果，發現表3配方性能適宜，該配方的化學組成見表4。

表3 坯料配方(質量%)

表4 坯料的化學組成(質量%)

2.2 成形性能研究

粉料成形性能越好，對壓機適應性越強。同時良好的粉料流動性有利于壓機布料的均勻性。主要從以下幾個方面進行研究：

2.2.1 粉料的濕強度

表5 粘土的基本物理性能

粘土原料極大地影響粉料的濕強度與產品白度。粘土是由許多大小各異、物理、化學及礦物學性能不同的礦物微粒組成的混合物，具有可塑性、結合性，是陶瓷磚生產的主要原料。粘土原料中的鐵、鈦含量較高時，燒成后白度會明顯降低。對使用的粘土原料從白度、粘度、濕坯強度及干燥強度進行比較，見表5。

1)球土B是一種復合調配粘土原料。使用黑泥、高嶺土、腐殖酸鈉等調配而成，經除砂、酸洗除鐵壓濾制成球土。

2)膨潤土選用河南信陽超白膨潤土，增強效果較好。

由表5粘土的基本物理性能，并結合經驗，選擇球土B和膨潤土用于2.1的配方調試。

2.2.2 基礎粉料顆粒級配

壓制成形工藝要求粉料含水量低，有一定可塑性，必須有良好的結合性和流動性，如粉料流動性不佳，難以充滿模腔，且不易壓實，獲得的坯體強度不高。對基礎粉料進行檢測，其性能如表6所示。

表6 基礎粉料性能

2.3 坯體增強劑

該項目基礎配方粘土類成分較低，坯體成形后濕坯強度和干燥強度偏低。為滿足陶瓷磚工業生產中的工藝要求和性能，在基礎配方的基礎上，分別探討添加坯體增強劑0、0.5%、1.0%、1.5%對坯體性能的影響。實驗結果如表7和圖1所示。

表7 坯體增強劑添加量對坯體性能的影響

從表7和圖1可知，隨著坯體增強劑增加，濕坯強度增加不明顯，坯體干燥強度逐漸增加，當添加量從0提高到1.5%時，坯體干燥強度由1.30～1.35 MPa增大到1.70～1.85 MPa，增加30%～37%。

圖1 坯體增強劑對坯體強度的影響

3 燒成制度的研究

因坯體厚度要求燒結后達到15～20 mm，比傳統仿古磚厚50%以上，傳統的解決辦法是延長窯頭干燥階段(0～350 ℃)的干燥時間、預熱區(400～700 ℃)的坯體晶型轉變時間、氧化還原階段(700～1 050 ℃)的氧化排氣時間及燒成區(1 050 ℃～最高溫)的燒成時間。為保證低溫快燒及產品效果，采用表3坯料配方，并對窯爐的燒成工藝、制度進行適當調整。首先需開啟窯前30 m干燥器，溫度控制在150～230 ℃，以排除坯體中的吸附水、結構水以及部分結晶水，提升坯體強度。進入燒成窯，窯頭干燥階段可快速升溫至150～250 ℃，并適當增加干燥階段的負壓強度，促進排氣、排濕，縮短坯體停留在該區域的時間。預熱區對比常規仿古磚燒成制度可適當增加該區域燒成時間，適當增加負壓強度，促進排氣、排濕，但500～600 ℃應控制升溫速率，保證石英晶型安全轉變。氧化分解階段為主要排氣區及液相產生區，應重點控制該區域的負壓強度、升溫速率及時間，保證此階段的磚坯不出現真孔、氧化不良等缺陷。燒成區可適當提升燒成溫度以達到產品燒結并縮短燒成時間的目的。整個燒成過程為全氧化燒成，燒成制度如圖2所示。

圖2 燒成制度

4 性能檢測

從表8可以看出，采用表3配方可以滿足大生產需求，各項關鍵性指標優異。

表8 表3配方關鍵性能指標

圖3是表3坯料配方試樣的SEM圖。從圖3中可以看出，試樣燒結致密，玻璃相相對連續，存在細針狀莫來石相，看不出明顯的孔隙與缺陷。

圖4是表3坯料配方試樣的XRD圖譜。從圖4中可以看出，試樣中的晶相為石英(SiO2)、莫來石(Al6SiO13)、剛玉(Al2O3)，通過半定量分析，晶相中的石英(SiO2)占19.71%，莫來石(Al6SiO13)占19.69%，剛玉(Al2O3)占3.48%，該試樣的莫來石晶相含量較高。

圖3 基礎坯料配方試樣SEM圖

5 結論

通過對坯體配方的各項理化性能進行檢測及燒成制度調整，當坯體增強劑添加量在1.0%時，此配方能夠運用于實際生產。項目所研究出的仿古磚坯體燒失量為4.0%～5.0%，莫來石晶相量≥19%，破壞強度≥6 700 N，性能優異。