低吸水性輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷的研制

陳靜

摘 要：本文以粘土礦物、硅灰石為主要原料，采用澆鑄法制備輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷。研究表明：在有莫來(lái)石、石英、鈣長(zhǎng)石為主要成分的結(jié)晶相與SiO2、Al2O3為主要成分的玻璃相組成的陶瓷素?zé)髦?，形成許多四周由鈣長(zhǎng)石包覆的獨(dú)立氣孔，體積密度可達(dá)到2.0～2.24g/cm3；當(dāng)硅灰石的含量為15%、粒徑平均值為10？滋m時(shí)，可以獲得效果較好的輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷；吸水性；體積密度；鈣長(zhǎng)石；閉氣孔

1 前言

長(zhǎng)期以來(lái)，在建筑衛(wèi)生陶瓷領(lǐng)域?qū)p質(zhì)建筑衛(wèi)生陶瓷的研究甚少。但近些年來(lái)，這一研究已有突破，獲得不少引人注目的成果，如：國(guó)內(nèi)研發(fā)成功的大規(guī)格輕質(zhì)建筑陶瓷板、國(guó)外東陶公司研發(fā)出的薄型輕質(zhì)高強(qiáng)衛(wèi)生陶瓷等。預(yù)見(jiàn)未來(lái)，隨著建筑衛(wèi)生陶瓷的不斷發(fā)展，將會(huì)有更多的創(chuàng)新成果應(yīng)運(yùn)而生。

眾所周知，衛(wèi)生陶瓷屬于一種脆性產(chǎn)品，安裝時(shí)要特別注意。由于座便器通常較重，約達(dá)20～50kg，又給生產(chǎn)和施工帶來(lái)不便。因此，開(kāi)發(fā)出輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品是目前大家所關(guān)注的問(wèn)題。近期，有關(guān)技術(shù)人員圍繞開(kāi)發(fā)輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷這一課題，推出了諸多的技術(shù)。如：在陶瓷原料中摻用無(wú)機(jī)質(zhì)的粉煤灰微珠；在陶瓷泥漿中混合人造泡沫玻璃粒料；在陶瓷素坯中使用空心樹(shù)脂粉，在陶瓷燒成溫度下熱分解或氣化，使其多孔化。但由此制成的陶瓷均具有吸水性，不能用作衛(wèi)生潔具，其用途受到制約。因此，要使輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷得到實(shí)際應(yīng)用，關(guān)鍵還要解決吸水性的問(wèn)題。所以，一種低吸水性的輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷的研發(fā)，也順應(yīng)了當(dāng)今衛(wèi)生陶瓷發(fā)展的潮流。

2 吸水性低的輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷的制備

2.1 原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的主要原料為粘土礦物、硅灰石。除此外還可配合石英、含一價(jià)金屬的原料、含二價(jià)金屬的原料及燒失量小的原料。粘土礦物從高嶺石、地開(kāi)石、埃洛石、絹云母、葉臘石中至少選用一種。含一價(jià)金屬的原料為熔劑原料，宜使用絹云母、長(zhǎng)石、霞石。含二價(jià)金屬的原料同樣為熔劑原料，宜使用石灰石、白云石。燒失量小的原料使用耐火粘土熟料。用于生產(chǎn)輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷的原料配比為：粘土30%～40%、陶土30%～40%、熔劑料5%～15%、硅灰石5%～20%。

其主要原料中硅灰石（CaSiO3）為天然硅酸鈣礦物，燒成時(shí)與含SiO2和Al2O3的化合物反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)殁}長(zhǎng)石，相近連接形成氣孔。由于該氣孔在長(zhǎng)石熔融時(shí)開(kāi)始形成，在形成玻璃相之前，鈣長(zhǎng)石可防止玻璃相侵入氣孔，使得在素?zé)髦行纬稍S多閉氣孔，在無(wú)吸水性狀態(tài)下獲得比重低的素坯。因此，硅灰石最大纖維長(zhǎng)度應(yīng)在5？滋m以上。當(dāng)其粒徑小于5？滋m時(shí)，會(huì)促進(jìn)與長(zhǎng)石反應(yīng)，使玻璃相進(jìn)入閉氣孔，失去輕質(zhì)效果；當(dāng)其粒徑大于250？滋m時(shí)，硅灰石轉(zhuǎn)變?yōu)殁}長(zhǎng)石，使得縱向的鈣長(zhǎng)石難以連接，不便于閉氣孔形成。另外，由于氣孔尺寸增大，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。因此，硅灰石的纖維長(zhǎng)度要控制在5～250？滋m范圍內(nèi)。硅灰石含量越多，輕質(zhì)效果越好。當(dāng)其含量小于5%時(shí)，起不到良好的輕質(zhì)效果；當(dāng)硅灰石含量超過(guò)5%時(shí)，則需要增大助熔劑的用量。助熔劑宜使用對(duì)燒結(jié)也能起促進(jìn)作用的白云石，其含量為硅灰石的30%；當(dāng)硅灰石用量進(jìn)一步增大時(shí)，閉氣孔形成量也隨之增大，促進(jìn)輕質(zhì)化，但因其連接易形成開(kāi)氣孔。因此，摻用量不能超過(guò)20%。由此得知，硅灰石粒徑為5～250？滋m、含量為5%～20%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生陶瓷的輕質(zhì)化。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本文采用澆鑄法制備輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷。首先，將原料按配比稱(chēng)量好，然后加水；用球磨機(jī)濕法球磨，調(diào)制成泥漿。此時(shí)，泥漿的含水率為35%～50%、顆粒尺寸為1～10？滋m（以個(gè)數(shù)基準(zhǔn)的50%平均粒徑計(jì)），硅灰石最大纖維長(zhǎng)度不超過(guò)5？滋m；隨后將泥漿澆鑄成形，脫模、干燥、施釉；最后燒成，燒成溫度為1100～ 1300℃。普通衛(wèi)生陶瓷的體積密度一般為2.40g/cm3，但本文所研究的衛(wèi)生陶瓷其體積密度調(diào)在2.0～2.24g/cm3間，油墨滲透度按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)至3mm以下。

2.3 輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷性能的測(cè)定方法

（1） 體積密度的測(cè)定方法

本文采用阿基米德法進(jìn)行體積密度測(cè)定。將試件在110℃下干燥24h，冷卻，測(cè)定其質(zhì)量為W1；然后放入干燥器中，保持在真空下，充分滲透比重為p的精制煤油，從油中隨意吊起，稱(chēng)出質(zhì)量為W2；再?gòu)挠椭腥〕觯脻癫疾寥ケ砻娴挠偷?，直接測(cè)定質(zhì)量為W3。

依據(jù)這些數(shù)據(jù)，用（1）式求出體積密度。

體積密度=W3×p/（W2-W1）（1）

（2） 吸水率的測(cè)定方法

本文按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定吸水率。首先，將試件在110 ℃下干燥24h，冷卻，測(cè)出質(zhì)量W1。然后，再放入干燥器中用水浸漬，在真空狀態(tài)下保持1h，強(qiáng)制使開(kāi)氣孔達(dá)到水飽和，測(cè)出此時(shí)質(zhì)量W2。依據(jù)這些值，由（2）式求出吸水率。

（3） 油墨滲透率的測(cè)定方法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行油墨滲透率的測(cè)定。首先，將試件浸漬于濃度為1%的曙紅Y溶液中1h，取出切開(kāi)，測(cè)定紅油墨對(duì)坯體的滲透度。燒成試件的平均孔徑是通過(guò)掃描式電子顯微鏡觀察鏡面研磨的表面，在約400？滋m×300？滋m的視野范圍內(nèi)，對(duì)由最大往下依次排列的10個(gè)氣孔，算出其長(zhǎng)徑與短徑的平均值，作為這些孔的平均值。

（4） 輕質(zhì)效果的計(jì)算方法

使用精制煤油是因?yàn)槭褂盟畷?huì)使試件膨脹而破裂。輕質(zhì)效果用未摻用硅灰石的試件與各實(shí)例試件的體積密度p由（3）式求出。

輕質(zhì)效果=（P0-P）/P0（3）

3 硅灰石的含量及粒徑對(duì)輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷的影響

3.1 硅灰石的化學(xué)組成及粒徑大小

實(shí)驗(yàn)中所用硅灰石為天然硅灰石，其化學(xué)組成如表1所示。根據(jù)X射線衍射（XRD）分析，未發(fā)現(xiàn)有硅灰石以外的結(jié)晶存在。表2為硅灰石的最大粒徑和平均粒徑情況，其平均粒徑是取約20粒樣品隨機(jī)測(cè)定而算出的平均值。

3.2 硅灰石的含量及粒徑對(duì)輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷性能的影響

對(duì)比例1為普通衛(wèi)生陶瓷，所用泥料的配方組成為50%的骨架成形原料高嶺石、葉臘石；38%的塑性原料高嶺土、蛙目粘土；10%的熔劑原料長(zhǎng)石；2%的白云石。稱(chēng)量好后，置于球磨機(jī)中，添加適量的水和硅酸鈉解凝劑，濕法粉磨至約8？滋m平均粒徑，調(diào)制而成。比例2、3和實(shí)例1 ～6所用泥漿是在對(duì)比例1的泥漿中，分別按表2所示的用量摻入A、B、C三種硅灰石（見(jiàn)表2），以及一定量的水和解凝劑調(diào)制而成。將泥漿注入石膏模中，成形泥坯、脫模，在45℃下干燥24h，送入隧道窯；在1200 ℃下煅燒1h，制成陶瓷試件。表3為硅灰石的不同添加量對(duì)輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷性能的影響。

由表3可知，當(dāng)硅灰石的含量為5%、平均粒徑為1？滋m時(shí)，輕質(zhì)效果較差，為0.5%；當(dāng)硅灰石的含量為25%、平均粒徑為10？滋m時(shí)，輕質(zhì)效果較好，為14.8%，但具有較高的吸水率，為9.35%；當(dāng)硅灰石的含量為15%、平均粒徑為10？滋m時(shí)，輕質(zhì)效果較高，為14.4%，且吸水率較低，為0.09%。因此，硅灰石的含量為15%、平均粒徑為10？滋m時(shí)，輕質(zhì)衛(wèi)生陶瓷磚的效果較好。

圖1是實(shí)例2輕質(zhì)陶瓷試件的斷面結(jié)構(gòu)電子顯微圖。

由圖1可以看出，坯體中形成許多微細(xì)閉氣孔。閉氣孔尺寸非常微細(xì)，在50？滋m以下。因此，可以斷定獲得的燒結(jié)強(qiáng)度可確保制品獲得實(shí)際應(yīng)用。從化學(xué)分析結(jié)果表明，幾乎氣孔周?chē)加锈}存在，用X射線衍射分析表明，有含鈣的鈣長(zhǎng)石結(jié)晶存在。因此，硅灰石反應(yīng)生成鈣長(zhǎng)石，可形成閉氣孔。

圖2是某一氣孔的放大圖?；w除存在鈣長(zhǎng)石外，基本為莫來(lái)石、石英和玻璃相。

研究表明，在有莫來(lái)石、石英、鈣長(zhǎng)石為主要成分的結(jié)晶相與SiO2、Al2O3為主要成分的玻璃相組成的陶瓷素?zé)髦校纬稍S多四周由鈣長(zhǎng)石包覆的獨(dú)立氣孔，使體積密度達(dá)到2.0～2.24g/cm3。通過(guò)分析可知，當(dāng)周?chē)纬瑟?dú)立的鈣長(zhǎng)石氣孔時(shí)，有助于降低體積密度。由于獨(dú)立氣孔為密閉的氣孔，有助于降低吸水率。獨(dú)立氣孔孔徑應(yīng)在50？滋m以下，這樣的氣孔均勻地分布在陶器內(nèi)，可避免局部強(qiáng)度降低。如果孔徑大于50？滋m，會(huì)引起破裂，導(dǎo)致強(qiáng)度大幅降低。鈣長(zhǎng)石是在燒成中由陶瓷原料中所含鈣化合物與SiO2和Al2O3化合物反應(yīng)而形成的。形成鈣長(zhǎng)石的鈣化合物有碳酸鈣、硅灰石。但碳酸鈣燒成中會(huì)釋放CO2，呈空心狀，不利于致密。而硅灰石在燒成中不會(huì)放出氣體，有利于快速致密。所用硅灰石呈纖維狀，其平均最大粒徑為5～25？滋m。硅灰石在燒成中轉(zhuǎn)變?yōu)殁}長(zhǎng)石相，形成中心為空心，外殼為鈣長(zhǎng)石的獨(dú)立氣孔。

4 結(jié)語(yǔ)

參考文獻(xiàn)

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