陶瓷薄板生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景（一）

黃惠寧　柯善軍

摘 要：我國建筑陶瓷行業(yè)的迅速發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)中所發(fā)揮的作用明顯提升。陶瓷磚產(chǎn)量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一，但同時也存在著發(fā)展與資源、能源、廢棄物排放之間的矛盾。陶瓷磚薄型化是建筑陶瓷行業(yè)實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、節(jié)能減排的重要途徑之一。本文主要對陶瓷薄板的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，包括原料、配方組成、制備工藝、生產(chǎn)企業(yè)等，并展望了陶瓷薄板的市場前景。

關(guān)鍵詞：陶瓷薄板；技術(shù)；生產(chǎn)；市場；前景

1 引言

我國是建筑陶瓷的生產(chǎn)大國、消費(fèi)大國和出口大國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年全國各類陶瓷磚總產(chǎn)量約為87億m2，其中，出口約10億m2。隨著城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，我國建筑陶瓷產(chǎn)量繼續(xù)以較快的速度遞增。2012年1～4月，我國建筑陶瓷總產(chǎn)量近25億m2。建筑陶瓷行業(yè)在快速發(fā)展的同時，也存在著原材料、能源的過度消耗，“三廢”加劇對環(huán)境污染等問題，嚴(yán)重地制約著陶瓷產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2011年11月，國家工業(yè)和信息化部正式發(fā)布了《建筑衛(wèi)生陶瓷工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，其中，包括：重點(diǎn)研發(fā)與推廣的節(jié)能減排技術(shù)（陶瓷磚減薄工藝技術(shù)、成套裝備）、技術(shù)研發(fā)與技術(shù)改造重點(diǎn)（薄型建筑陶瓷磚（板）生產(chǎn)及應(yīng)用配套技術(shù)）。因此，陶瓷薄型化、減量化生產(chǎn)是建筑陶瓷行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、節(jié)能減排的重要途徑，也是建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向[1]。

20世紀(jì)80年代初，日本東麗株式會社最早提出陶瓷薄板的概念。陶瓷薄板，即一種大而薄的陶瓷磚，與普通陶瓷磚相比，其厚度為3～6mm，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(jié)約至少40%以上。因此，一次燒成陶瓷薄板產(chǎn)品屬于綠色建材產(chǎn)品。2004年，國家科技攻關(guān)項(xiàng)目“大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚制造工藝及裝備技術(shù)的研究與開發(fā)”專家論證會在佛山南莊成功舉行，標(biāo)志著我國陶瓷薄板項(xiàng)目研發(fā)順利啟動。2007年初，廣東蒙娜麗莎陶瓷有限公司與廣東科達(dá)機(jī)電股份有限公司合作，在科達(dá)機(jī)電陶瓷工程試驗(yàn)中心批量生產(chǎn)大規(guī)格陶瓷薄板，標(biāo)志著我國半干粉壓制成形大規(guī)格陶瓷薄板技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推廣拉開序幕，并基本具備了工業(yè)化生產(chǎn)的條件。隨后，在佛山、山東等地，相繼有陶瓷薄板生產(chǎn)線投產(chǎn)，并生產(chǎn)出大規(guī)格超薄陶瓷板[2]。2009年11月5日，GB/T 23266-2009《陶瓷板》標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，陶瓷板被定義為厚度不大于6mm，表面面積不小于1.62m2，由粘土和其它無機(jī)非金屬材料經(jīng)成形、高溫?zé)傻壬a(chǎn)工藝制成的板狀陶瓷制品，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。表2對比了陶瓷板國標(biāo)與ISO相關(guān)指標(biāo)。從表2中可以看出，《陶瓷板》國標(biāo)中部分性能參數(shù)高于ISO指標(biāo)。同時，由表1可以看出，陶瓷板的標(biāo)準(zhǔn)不僅對厚度進(jìn)行限制，而且對長、寬尺寸提出了較高的要求。陶瓷板的規(guī)格（長、寬）被限制在900mm×1800mm、1000mm×2000mm、1050mm×2060mm、1200mm×2800mm及1500mm×3200mm等超大規(guī)格的陶瓷薄板[3]，而將600mm×1200mm、600 mm×900mm等規(guī)格的陶瓷薄板排除在標(biāo)準(zhǔn)之外。因此，行業(yè)內(nèi)對現(xiàn)行的《陶瓷板》標(biāo)準(zhǔn)還存在一些意見分歧。筆者認(rèn)為，從推動陶瓷薄板技術(shù)發(fā)展來講，該標(biāo)準(zhǔn)尚需作進(jìn)一步的修訂補(bǔ)充。本文所涉及的內(nèi)容包括小規(guī)格尺寸的陶瓷薄板。陶瓷磚厚度概念（定性）見圖1，陶瓷薄板（含減薄板）的優(yōu)點(diǎn)見圖2。

2 生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 原料選擇和配方組成

由于陶瓷薄板規(guī)格大、厚度薄，在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)生坯和成品強(qiáng)度低、韌性差等問題。因此，陶瓷磚的薄型化生產(chǎn)首先必須在原料選擇和配方設(shè)計(jì)時考慮陶瓷磚增強(qiáng)、增韌技術(shù)。對于生坯強(qiáng)度的提高，主要采用以下幾種措施：第一，選用可塑性好、干燥強(qiáng)度高、品質(zhì)穩(wěn)定的粘土；第二，利用非全瘠性原料（如：瓷石）代替瘠性長石原料，增加坯料的可塑性，提高生坯強(qiáng)度；第三，高性能坯體增強(qiáng)劑的應(yīng)用。劉一軍等人[4]采用自制聚乙烯醇PVA改性淀粉聚合物作為添加劑。結(jié)果表明，對陶瓷薄板生坯的增強(qiáng)效果比氧化淀粉及羧甲基纖維素鈉明顯提高。同時，周健兒等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，采用聚丙烯酸鈉和改性淀粉的復(fù)合有機(jī)添加劑能有效提高大規(guī)格超薄磚的生坯強(qiáng)度。

普通的陶瓷磚瓷坯一般由石英、玻璃相和氣孔組成，且玻璃相的含量相對較高。因此，對于瓷坯強(qiáng)度的提高，主要集中在，第一，增加瓷坯的晶相含量，減少玻璃相和氣孔。劉一軍等人[6]選擇鎂-鋁-硅系統(tǒng)，以滑石為主要原料，同時，引入球土和霞石。燒成后產(chǎn)品的主晶相為原頑輝石，含少量斜頑輝石和α-方石英，玻璃相含量較少。研究發(fā)現(xiàn)，瓷坯晶相含量的增加是強(qiáng)度提高的主要原因。同時，以粉煤灰、鋁礬土與葉臘石等為原料，以氟化鋁為礦化劑，在相對較低的溫度下合成了莫來石質(zhì)陶瓷微晶薄板。瓷坯的強(qiáng)度隨莫來石含量的增加逐漸提高，當(dāng)燒成溫度為1200℃時，試樣中莫來石晶相的含量達(dá)95%，此時抗彎強(qiáng)度高達(dá)96MPa[7]。第二，在瓷坯中形成高強(qiáng)度的晶相，如：針狀莫來石、剛玉等。江宏等人[8，9]通過增加坯體中高嶺土或高嶺土類粘土的含量，提高坯體中氧化鋁含量，以達(dá)到增加產(chǎn)品中莫來石的含量。同時，引入含鋰輝石的復(fù)合熔劑，降低燒成溫度、促進(jìn)坯體燒結(jié)、提高熱穩(wěn)定性。燒成后，瓷坯晶相主要為石英、莫來石和β-鋰輝石。武秀蘭等人[10]以普通瓷質(zhì)磚坯料為基礎(chǔ)配方，引入熟鋁礬土研制出符合超薄瓷質(zhì)磚性能要求的高強(qiáng)坯料配方，其瓷坯晶相包括石英、莫來石及剛玉。周健兒等人[11]采用傳統(tǒng)高嶺土-長石-石英體系，通過引入含鋰瓷石，研制出適合大規(guī)格超薄磚生產(chǎn)的基礎(chǔ)配方。同時，添加30 %的α-Al2O3微粉，將瓷坯的抗折強(qiáng)度從60MPa提高到140MPa。王曉蘭[12]通過引入10%～20%的針狀硅灰石（長度為0.5～1.2 mm，長寬比為30以下。），不但能增加陶瓷薄板的強(qiáng)度和韌性，而且能降低燒成溫度，縮短燒成周期。此外，謝志軍等人[13]將日用瓷-高石英瓷的工藝特點(diǎn)融合到建筑陶瓷，研制出一種大規(guī)格高石英透光陶瓷板材。與天然石材及人造石板材相比，該板材在理化性能和成本價(jià)格上具有明顯的優(yōu)勢，具有良好的市場前景。

表3和表4分別為普通陶瓷磚與幾種不同類型陶瓷薄板瓷坯化學(xué)組成及晶相組成的對比。從表4中可以看出，現(xiàn)有的陶瓷薄板組成與普通陶瓷磚有較大的差異。對于相同SiO2-Al2O3-Na2O/K2O體系的普通陶瓷磚和陶瓷薄板，陶瓷薄板組成中Al2O3含量相對較高。主要是在配料時，選擇了一些高鋁類粘土或者直接添加工業(yè)氧化鋁，從而增加制品中莫來石的含量，以達(dá)到提高產(chǎn)品的彈性和斷裂模數(shù)的目的。但是坯體中Al2O3含量的增加，不但提高了燒成溫度，而且也提高了瓷坯的熱膨脹系數(shù)。因此，常采用熱膨脹系數(shù)很低的含Li2O類原料代替部分含K2O和Na2O的長石類原料。同時，為了拓寬陶瓷薄板的應(yīng)用范圍，建筑陶瓷行業(yè)將日用瓷中的鎂質(zhì)瓷[6]、高石英質(zhì)瓷[14]、骨質(zhì)瓷[15]等配方進(jìn)行優(yōu)化，使其適應(yīng)于建筑陶瓷薄板生產(chǎn)工藝，制備出一系列兼具其他功能的高性能陶瓷薄板。

2.2 生產(chǎn)工藝技術(shù)與設(shè)備

目前，陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝主要有干法和濕法兩種，主要的差異體現(xiàn)在陶瓷薄板的成形工藝（見表5）。對于干法工藝，現(xiàn)有皮帶干壓成形和模具干壓成形兩種，其基本流程如圖3所示，即傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)方式。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、人工少、廢品率低、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品密度大、強(qiáng)度高，適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)。但該法受壓機(jī)噸位、模腔和壓制工作臺尺寸等限制而不被廣泛使用。傳統(tǒng)的模具干壓法，最大尺寸只能做到1200mm，且壓制過程，粉塵較大。另一種是濕法工藝，即傳統(tǒng)的擠壓/滾壓成形，具體工藝流程如圖4所示。濕法成形，從成形到產(chǎn)品燒成完成，整個過程沒有粉塵污染，可達(dá)到清潔生產(chǎn)的效果。目前，大部分的歐洲陶瓷薄板采用的是擠壓成形，而國內(nèi)如BOBO陶瓷薄板、蒙娜麗莎的PP板均采用干壓成形。

此外，流延法（又稱帶式澆注法或刮刀法）是一種制備大面積、薄平陶瓷材料的重要成形方法[17]。其成形工藝包括漿料制備、成形、干燥、剝離基帶等過程（見圖5）。由于流延法一般用于制造超薄型陶瓷制品，因此，坯料的細(xì)度、粒形要求比較高。粒度越細(xì)，粒形越圓滑，流動性越好，薄坯的質(zhì)量越高。根據(jù)流延法的工藝特點(diǎn)，可做小于1mm厚度的陶瓷薄板，像墻紙一樣，可作室內(nèi)裝修，即“陶瓷墻紙”。因此，該技術(shù)對傳統(tǒng)建筑陶瓷行業(yè)是一個新的革新技術(shù)，其發(fā)展前景較好。

配套裝備的成熟是陶瓷薄板大規(guī)模生產(chǎn)的前提。目前，干法工藝在國內(nèi)薄板與薄磚的生產(chǎn)中已非常成熟，其中，廣東科達(dá)機(jī)電股份有限公司（KEDA）能提供大規(guī)格干粉成形陶瓷薄板整線裝備與技術(shù)，包括日產(chǎn)分別為3000m2和6000m2的生產(chǎn)線，產(chǎn)品規(guī)格為900mm×1800mm、厚度為3.5～5.5mm、成品率可達(dá)95%。目前，廣東摩德娜科技股份有限公司（MODENA）對外宣稱已成功研制出擠出法一次燒大規(guī)格陶瓷薄板的全套工藝技術(shù)和成套裝備，填補(bǔ)了國內(nèi)濕法制備大規(guī)格陶瓷薄板的空缺。該套設(shè)備所制備的陶瓷薄板厚度僅為3～5mm，規(guī)格尺寸可達(dá)到1200mm×1800mm，生產(chǎn)過程粉塵少，且比同樣厚度的干壓陶瓷板密度高。表6為國產(chǎn)干法和濕法生產(chǎn)陶瓷薄板的關(guān)鍵設(shè)備。

2.3 產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)

目前，國內(nèi)對陶瓷薄板性能測試標(biāo)準(zhǔn)主要按照國標(biāo)GB/T3810-2006陶瓷磚試驗(yàn)方法進(jìn)行，如表7所示。表8和表9分別為兩個不同品牌陶瓷薄板性能指數(shù)。

2.4 節(jié)能減排的效果

建筑陶瓷生產(chǎn)需要消耗大量的礦物原料和燃料，為了促進(jìn)建陶行業(yè)的節(jié)能，我國于2008年6月1日開始執(zhí)行的《建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品單位能源消耗限額》強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)（見表10）。該標(biāo)準(zhǔn)提高了行業(yè)的技術(shù)門檻，也對陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求。2008年9月，中國陶瓷工業(yè)節(jié)能減排高層論壇在西安召開，最終達(dá)成共識：陶瓷薄型化、減量化生產(chǎn)，是未來陶瓷的發(fā)展方向。

咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院對建筑陶瓷（減薄前后）單位產(chǎn)品能耗分析如表11所示[18]。從表11中可以看出，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)拋光磚產(chǎn)品耗能最大，如果陶瓷磚厚度在原有的基礎(chǔ)上減少3mm，則每年可節(jié)約大量的資源和能源。其中，燃料消耗量平均減少1.49kgce/m2，同比減少29%；耗電量平均減少1.52kW·h/m2，同比減少28%。

同時，根據(jù)行業(yè)專家徐平《薄磚節(jié)能減排計(jì)算書》計(jì)算。以厚度為11.3mm的瓷磚為例，減薄到5.5mm的瓷磚，燃料消耗能節(jié)省5.6779kgce/m2。廣東蒙娜麗莎陶瓷薄板線為行業(yè)節(jié)能減排樹立了標(biāo)桿，對其薄板產(chǎn)品的評估為：與傳統(tǒng)瓷質(zhì)拋光磚相比，節(jié)約原材料75%、節(jié)水63.2%、綜合能耗降低58.82%、SO2減排59.5%、CO2減排58.8%[1]。廣東摩德娜科技股份有限公司成功研制的濕法擠出成形薄板工藝，產(chǎn)品厚度小于5.5mm，單位質(zhì)量僅為6～10kg/m2。與傳統(tǒng)厚度為7mm以上、單位質(zhì)量超過14kg/m2的內(nèi)墻磚相比，可節(jié)約原料29%～57%；與傳統(tǒng)厚度為10～15mm、單位質(zhì)量為22～32kg/m2的拋光磚相比，可節(jié)約原料60%～73%。此外，濕法擠出成形避免了干法成形的粉塵污染。由此可見，陶瓷磚行業(yè)的節(jié)能潛力很大，陶瓷磚薄型化是陶瓷行業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢。 （未完待續(xù)）