免燒型磷酸鹽陶瓷磚的研制

李小燕，周耀，劉春江

（佛山市陶瓷研究所，佛山 528031）

1 前言

通常意義上的陶瓷磚為硅酸鹽材質(zhì)，且一般經(jīng)過(guò)1000℃以上的高溫?zé)?。燒成的過(guò)程即是磚坯體形成足夠強(qiáng)度的過(guò)程，也是生產(chǎn)成本的主要組成部分。若能不經(jīng)過(guò)燒成就能制備出有足夠強(qiáng)度的陶瓷磚制品，則可以大大降低生產(chǎn)成本，即為免燒型陶瓷磚。目前，通常的免燒磚為水泥結(jié)合的制品，有緊密型、多孔型、發(fā)泡型等，但這些磚通常較厚。因?yàn)槠淇拐蹚?qiáng)度一般較低，為了達(dá)到使用的強(qiáng)度性能，只有增加其厚度。

有人研究非硅酸鹽水泥系列的免燒型陶瓷制品，其用磷酸、硅酸鈣、金屬氧化物等來(lái)制成發(fā)泡型和無(wú)泡的磷酸鹽陶瓷，用于建材和絕緣材料。但其彎曲強(qiáng)度和密度過(guò)低，不能承受較大重量。對(duì)于地磚來(lái)說(shuō)，尤其需要有較高的強(qiáng)度和硬度。

本文采用Ca-Al-Mg-P-Si體系，制備免燒型磷酸鹽陶瓷磚，其具有高強(qiáng)、致密性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適合作高負(fù)載地磚使用。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料有85%工業(yè)磷酸、MgO、硅灰石、硅灰石纖維、Al（OH）3、云母、蛭石、鈦白粉、各種色料等。

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝

免燒型磷酸鹽陶瓷磚的工藝流程如圖1所示。

圖1 免燒型磷酸鹽陶瓷磚的工藝流程

（1）配料混料次序

首先，配制反應(yīng)物原料，包括酸溶液、硅灰石、MgO等，并進(jìn)行混料；然后，再混入蛭石和云母；最后，再加入色料、裝飾性的顆粒，進(jìn)行練泥。

在混料練泥的過(guò)程中，體系溫度最好不超過(guò)20℃，一方面可以減慢反應(yīng)速度；一方面較低的溫度易于使?jié)窕旌衔锱艢狻＞毮嗑o密后的泥團(tuán)狀態(tài)有助于反應(yīng)混合物獲得理想的成形效果，如：高強(qiáng)度、高密度、尺碼穩(wěn)定性等。

（2）成形

成形可用壓制或鑄模成形，混料時(shí)的低溫可延遲物料的固化過(guò)程。而在壓制或鑄模成形過(guò)程中可進(jìn)行加熱，加速固化過(guò)程能縮短定形時(shí)間，加熱溫度為45～90℃。也可將成形磚坯進(jìn)行加熱促進(jìn)固化。

（3）裝飾

在壓制或鑄模成形時(shí)可運(yùn)用浮雕裝飾，也可在已制成的磚上進(jìn)行切割或用雕刻裝飾或通過(guò)鑲嵌插入一小片具有對(duì)比形態(tài)顏色或其它設(shè)計(jì)的坯料進(jìn)行裝飾，這些具有對(duì)比效果的坯料、坯片可以在固化成磚之前的濕態(tài)混合物中加入進(jìn)行壓制或鑄型，這樣固化之后就形成鑲嵌效果的磚。

2.3 翹曲度測(cè)試

由于是免燒型磚，磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)未經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，接觸水后易吸濕發(fā)脹，從而導(dǎo)致變形彎曲。翹曲度指磚最大的一個(gè)平面（通常為底面）浸水后，磚邊緣遠(yuǎn)離磚平面的距離。不考慮磚大小和表面形狀類型，一般翹曲度應(yīng)≤20‰。對(duì)于以磚單位長(zhǎng)度計(jì)算，翹曲度最大為磚長(zhǎng)度每100 mm為6‰，磚尺寸越小，此值越大，而厚度越薄，翹曲值也會(huì)更高。

在測(cè)量翹曲度時(shí)，應(yīng)將磚樣品放在事先已在水中濕透的水泥平板上，3 h后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

3 影響免燒型磷酸鹽陶瓷磚性能的因素

3.1 體系的組成對(duì)免燒型磷酸鹽陶瓷磚性能的影響

磷酸在室溫下有一定的粘性，本身即是耐火材料的一種免燒型結(jié)合劑。[PO4]3-、[HPO4]2-、[H2PO4]-三種酸根離子與多種金屬陽(yáng)離子可形成鏈狀、網(wǎng)絡(luò)狀架構(gòu)，不需要高溫?zé)删陀泻芨叩膹?qiáng)度，從而可制作成免燒型陶瓷磚。陽(yáng)離子一般為Al3+、Ca2+、Mg2+等，其對(duì)應(yīng)的原料為Al(OH)3、硅灰石、MgO等，這些原料工業(yè)上容易得到，且成本不高。

對(duì)于采用磷酸鹽、Al(OH)3、硅灰石以及MgO等原料制備的陶瓷磚來(lái)說(shuō)，使用起來(lái)有一個(gè)難題，就是陶瓷內(nèi)部易生長(zhǎng)出水鎂石（Mg(OH)2）晶體。在接觸水時(shí)，此晶體更易產(chǎn)生，這種水鎂石晶體的存在和生長(zhǎng)將使磚體膨脹。因此，當(dāng)此磚單面浸水或兩面浸水不平衡時(shí)，有水面或水量更豐富的一側(cè)將產(chǎn)生更多的水鎂石，由此產(chǎn)生翹曲。實(shí)際使用時(shí)，難以平整進(jìn)行鋪貼。

免燒型陶瓷磚很難做到接近于0%的孔隙率，制品的孔隙率過(guò)高時(shí)，更易吸水、吸濕，從而產(chǎn)生更多的水鎂石?？紫堵试降?，越能對(duì)抗高濕度的環(huán)境。同時(shí)，其抗彎曲強(qiáng)度也更高。一般適宜的孔隙率為≤7%。

另外，在一方面降低孔隙率；一方面保證結(jié)合強(qiáng)度的情況下，使用盡可能少的MgO，可以明顯減少水鎂石的生成。本文所使用的MgO最佳含量為2%～4%。

磚體加厚可減小翹曲度，但將使磚加重，成本升高，失去應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，當(dāng)保證磚體厚度在6～8 mm時(shí)，翹曲度會(huì)保證在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。

3.2 原料的組成對(duì)免燒型陶瓷磚性能的影響

本文采用的原料組成：磷酸-磷酸鋁溶液 30%～50%、硅灰石為40%～60%、MgO為2%～6%、蛭石和云母為5%～20%。其中，CaSiO3/MgO的重量比為16:1～5:1，最佳為8:1～12:1。蛭石和云母礦物為促凝劑，在低水含量的混合物中加入蛭石和云母促凝劑，可明顯提高制品的彎曲強(qiáng)度。

蛭石和云母顆粒大小范圍為30 μm～2 mm。實(shí)驗(yàn)表明，顆粒尺寸＞0.5 mm時(shí)，強(qiáng)度下降；顆粒尺寸＜40 μm時(shí)，坯體易開(kāi)裂；當(dāng)顆粒尺寸為40～50 μm時(shí)，陶瓷磚性能較好。

為了提高強(qiáng)度，可以使用纖維作為填料，但不能過(guò)量添加。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用纖維增強(qiáng)時(shí)，制備過(guò)程中纖維易定向排列，導(dǎo)致產(chǎn)品僅在纖維方向得到增強(qiáng)。而使用云母和蛭石則是在所有方向都得到增強(qiáng)，同時(shí)，纖維也易團(tuán)聚，不易分散。使用時(shí)，選擇纖維最大平均長(zhǎng)度為5～6 mm，最大平均徑長(zhǎng)比＜20%，加入量需＜10%。

在實(shí)際使用時(shí)，可選用玻璃纖維和硅灰石纖維，最好用硅灰石纖維，硅灰石纖維比硅灰石礦物原料反應(yīng)活性低，在反應(yīng)物中將保持完整，從而起到增強(qiáng)增韌的作用，加入量為3%～8%較佳。

3.3 成形工藝對(duì)免燒型陶瓷磚性能的影響

這種磚可制成各種適宜的尺寸和形態(tài)，磚的厚度將因磚的用途而受到影響。如：地磚需要承重、耐磨等。一般厚度范圍為6～30 mm，對(duì)于承重的地磚一般為10～30 mm，無(wú)承重磚為6～10 mm。

磚的長(zhǎng)度和寬度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，甚至可以為任意尺寸大小。一般大小范圍為100～800 mm，可根據(jù)需要做成特殊形狀，可在成形時(shí)一次完成，也可在固化后進(jìn)行后加工處理。表1為壓制成形和鑄模成形兩種工藝得到的磷酸鹽陶瓷磚的性能參數(shù)。

由表1可以看出，采用壓制成形法所生產(chǎn)的免燒型磷酸鹽陶瓷磚的性能比鑄模成形的要優(yōu)越，且翹曲度明顯比鑄模成形的要低。因此，采用壓制成形法比鑄模成形法要好。

表1 不同成形方法得到磷酸鹽陶瓷磚的性能參數(shù)

4 結(jié)論

（1）本文采用Ca-Al-Mg-P-Si體系制備免燒型磷酸鹽陶瓷磚，其配方組成為：磷酸-磷酸鋁溶液為 30%～50%、硅灰石為40%～60%、MgO為2%～6%、蛭石和云母為5%～20%時(shí)較佳。

（2）當(dāng)蛭石和云母顆粒尺寸為40～50 μm時(shí)，陶瓷磚性能較好。

（3）硅灰石纖維的加入量為3%～8%時(shí)較佳。

（4）當(dāng)磚體厚度在6～8 mm時(shí)，翹曲度會(huì)保證在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。

（5）采用壓制成形法比鑄模成形法要好。