適用于曲面陶瓷巖板的坯體配方研究

朱立洪 陳志川

（1 廣東東唯新材料有限公司；2 東莞市唯美陶瓷工業園有限公司）

陶瓷巖板作為近年來建筑陶瓷行業興起的新品種，因其尺寸大、冷加工性能優良以及裝飾效果好等特點，可以替代傳統陶瓷磚和石材用于內、外墻和地面裝飾，并拓展到泛家居領域，如餐桌、茶幾面板、電冰箱面板、櫥柜立面板等，是目前最具市場前景和技術創新潛力的陶瓷磚產品。巖板用于裝飾存在較多凹凸角落的室內建筑墻面時，通常的做法是直接切割大規格巖板，按傳統陶瓷磚轉接直角的方式進行鋪貼，這種方式一方面會由于切割造成破損和浪費，另一方面也無法展現大規格巖板裝飾紋理的連續性，尤其當室內存在較多圓柱、方柱和角落轉彎時，傳統的直接轉接的鋪貼方式已不能滿足和提升材料的裝飾優勢，對于圓柱的裝飾更是無能為力，無法表達和裝飾出巖板材料裝飾肌理連續性的美感，以至于巖板的應用空間領域受到了極大的限制[1]。開發具有不同弧度和直角的曲面陶瓷巖板，或者可用于圓柱裝飾的曲面巖板技術成為市場的需求。生產曲面陶瓷巖板具有較高的技術要求，其中合適的坯體配方和性能是關鍵因素之一[2]，有必要對此進行研究和分析。

1 前期工藝技術過程及試驗

1.1 主要工藝過程

本研究按現有常規曲面巖板生產工藝路線：

原料→配料→球磨制漿→噴霧造粒→陳腐→壓機成型→輥道窯干燥→噴底釉→噴墨打印→淋面釉→輥道窯燒成→梭式窯熱彎處理→拋光機磨光→曲邊切割機切割→直邊切割機切割→貼網→檢驗→表面復膜→包裝。以此工藝路線來考慮坯體的配方及性能要求。

1.2 前端熱彎模具制作

為了在實驗室小試階段能快速有效地實現樣品的熱彎測試，首先需要制作曲面形狀的模具；

根據產品終端實際圓柱裝飾應用需求，熱彎曲小試實驗過程中，設計了兩片拼圓（規格為弧長180mm、角度180°）和三片拼圓（規格為弧長120mm、角度120°）兩種模具弧度類型。制作模具的材料為高溫耐火材料，根據不同的規格采用不同大小的耐火磚材料拼接制作而成，拼接的接口處要整齊且縫隙盡量小，否則會使熱彎加工的產品表面出現不平整。兩種實驗模具圖如圖1、圖2。

圖1 兩片拼圓模具圖

圖2 三片拼圓模具圖

1.3 常規陶瓷巖板產品軟化點試驗與分析

平面陶瓷巖板要熱彎成曲面巖板，首先要達到軟化溫度使平面陶瓷巖板發生軟化變形為曲面巖板，軟化溫度（也叫軟化點）是對平面陶瓷巖板進行熱彎處理需要參考的溫度，為弄清楚熱彎溫度與軟化點之間的關系，對現有平面陶瓷巖板產品進行了熱彎測試。首先采用高溫影像儀測試現有陶瓷產品坯體燒結后的軟化點（如表1），為這些產品在熱彎試驗中的溫度設置提供參考。

表1 各種陶瓷產品坯體燒結后軟化點測試結果

分析表1 可知：陶瓷產品的軟化點隨陶瓷生坯的燒成溫度升高而呈現上升的趨勢，二者之間存在一定的正相關關系。三種巖板坯體配方中鋁含量越高軟化點越高，且常規陶瓷巖板生坯燒成溫度均在1190℃以上，對應陶瓷巖板產品的軟化點均在970℃以上，在保證陶瓷巖板基本性能的前提下，若想降低陶瓷巖板的軟化點，配方中的鋁含量是重點需要考察的因素。

1.4 熱彎測試實驗

根據表1 中陶瓷產品坯體軟化點測試結果，對上述五種坯體類型進行熱彎測試實驗，將其對應的平面陶瓷成品切割成試驗要求的試樣尺寸，然后放入小型推板窯中通過設置最高熱彎溫度及保溫時間進行試燒，采用兩片拼圓的高溫耐火材料模具進行熱彎測試，實驗結果如表2。實驗通過調整不同的熱彎溫度、保溫時間來考察現有不同類型產品的彎曲情況及釉面情況，探究熱彎處理的溫度設置原則及熱彎過程中可能存在的技術問題。

表2 不同坯體類型陶瓷產品熱彎測試結果（厚度9mm）

分析五種類型的陶瓷樣品，最佳熱彎方案是熱彎溫度設置在軟化點附近并保溫1h 熱彎效果最為理想。說明陶瓷產品的軟化點是熱彎處理需要參考的溫度，而陶瓷產品的軟化點和其生坯燒成溫度之間又存在一定的正相關關系，所以如果想降低熱彎溫度首先需要降低生坯的燒成溫度。為了實現曲面陶瓷巖板產業化，需要對平面巖板坯體進行有針對性的研究，以達到在較低溫度下進行熱彎處理即可實現圓弧彎曲。

2 易熱彎陶瓷巖板坯體配方研制

結合前述常規陶瓷產品熱彎測試結果，將本巖板坯料研制目標確定為：一次燒成溫度低至1150℃以下，最高溫度段的保溫時間為10min，能夠制備得到質量符合國家標準GB/T 23266-2009《陶瓷板》要求的陶瓷平面巖板，在保溫時間低至1 小時的工藝條件下，熱彎溫度900℃以下，能夠實現平面巖板的熱彎成型。

巖板材料的軟化溫度主要取決于材料的化學礦物組成、顆粒組成、結晶結構，晶相與玻璃相的比例，玻璃相粘度隨溫度升高而變化的情況，以及升溫速度、材料厚度等。在有效保證巖板材料強度、韌性等基本性能符合要求的前提下，盡可能通過各種工藝手段的應用，優化坯體配方結構，實現一次燒成低溫快燒、熱彎處理軟化溫度低、燒成時間短的熱彎配方工藝。[2-4]

2.1 試驗步驟

按照設定配方表進行配料，然后按料:球:水=1:1.5:2 加入快速球磨機，球磨一定時間，將得到的漿料進行過篩除鐵、烘干、造粒，先在實驗室用簡易打餅器確定合適的壓力壓制成型，然后放入高溫影像儀中確定大致燒成溫度范圍、軟化點，然后再使用壓機壓制成324mm×324mm×6.75mm 坯體試條，放入梭式窯中燒制試樣，保溫時間統一為10min，確定最佳燒成溫度，用測溫環實測做好相關溫度，記錄吸水率、體積密度等參數。

2.2 試驗設備及儀器

試驗和檢測所用設備及儀器見表3。

表3 實驗設備及儀器

2.3 坯體配方調試

在普通陶瓷巖板生產工藝基礎上，根據前述對不同類型坯體對應的陶瓷產品的熱彎測試結果，坯體以K2ONa2O-CaO-B2O3-MgO 多元復合熔劑低溫快燒型坯體配方系統為主要研究對象，將目標陶瓷坯料的化學成分范圍設 計如下：SiO265～71 份、Al2O39～15 份、K2O1～3 份、Na2O1～3 份、CaO7～9 份、MgO0.2～1.0 份、TiO20～1 份、Fe2O30.1～0.3 份、ZrO23～5 份、ZnO+B2O3+Li2O 嚴格控制在0～0.1份范圍內。

通過引入低溫快燒原材料如硅灰石和煅燒熟料，降低坯體配方的燒成溫度，并對各種單物料和多物料進行測試及性能分析，最終確定1#球土、2#球土、硅酸鋯、熔塊、硅灰石、瓷砂等12 種原料的范圍，其中項目坯體原料化學成分見表4。

表4 坯用原料化學成分 (wt%)

2.4 坯體配方正交試驗

坯體配方的研制以陶瓷巖板易彎曲性能為出發點，按照低燒失量、干燥前后高生坯強度、低收縮、坯體性能滿足項目燒成目標的總體要求，參考自主研發的低溫快燒陶瓷磚坯方組成設計要求，固定配方中硅酸鋯、熟料渣、鉀鈉長石、球土含量相對不變。

選擇配方中增韌劑、硅灰石、熔塊、瓷砂四種原料作為變量因素，設計一個4 因素3 水平的L9(34)正交試驗（如表5～表7），第一輪篩選主要參考第一階段坯體干燥前強度、燒成溫度、燒成收縮、一次燒成變形量、重燒變形量等指標要求，第二輪篩選則在此基礎上持續縮小范圍進行微調。根據原材料性能和經濟性通過幾輪微調試驗，確定了4 組滿足全階段生產綜合性能要求的坯方并與標準大生產巖板及進口樣進行系統的全過程測試對比，最后選擇其中一組性價比最好的配方。

表5 試驗因素水平表

表6 正交試驗評分規則

表7 正交試驗設計

參考正交試驗中最佳理論結果組合配方A2B2C1D2和A2B3C1D2，按此方法再次縮小變量范圍以精確調整，確定了一個最優配方BT1，其化學組成見表8。

表8 最優配方BT1化學組成 （wt%）

2.5 最優坯體配方對應的巖板熱彎測試

將最優坯體配方對應的平面巖板作為熱彎實驗樣品，通過改變熱彎溫度、保溫時間、延長弧長等方法，設計8 種實驗方案進行熱彎實驗，熱彎測試方案及結果如表9所示。

表9 最優坯體配方對應的平面巖板熱彎測試方案及結果

從表9 最優坯體配方對應的平面巖板熱彎曲測試方案及結果分析可知：在最優配方軟化點附近900℃保溫1h 及以上，并適當延長弧長，兩片拼圓和三片拼圓均可以獲得較為理想的彎曲貼合效果，其中900℃保溫1h并延長弧長30mm 熱彎方案實驗效果最為理想，且燒制出來曲面巖板通過三片拼圓、兩片拼圓等方式經切除延長邊后可實現完整的圓柱拼接。

3 結論

本研究以K2O-Na2O-CaO-B2O3-MgO 多元復合熔劑低溫快燒型坯體配方系統為主要對象，通過引入一種改性粘土工藝制作的增韌劑，能夠大幅度降低配方中的鋁含量，同時設計引入了硅酸鋯、硅灰石和煅燒熟料渣，更有利于達到快速低溫燒成。經過正交優化實驗，最終優選出的配方符合本項目易彎曲陶瓷巖板的坯體配方研制目標。所制備的陶瓷巖板經熱彎處理，在熱彎溫度低至900℃，保溫時間低至1 小時的工藝條件下，能夠較好實現平面巖板的熱彎成型。