高性能大規(guī)格陶瓷薄板的研制

陳冀渝

（四川省建材工業(yè)科研院 成都 610081）

前言

隨著建筑陶瓷工業(yè)的不斷發(fā)展，輕質(zhì)薄型建筑陶瓷制品已成為今后的發(fā)展方向。用作建筑外裝飾材料的大規(guī)格陶瓷薄板（下稱陶瓷板）隨之應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。但一方面由于陶瓷板長(zhǎng)期暴露在室外，在冬季遇水易凍結(jié)，會(huì)引起體積膨脹，特別是陶瓷板規(guī)格越大，凍害問(wèn)題越突出。另一方面，雖然對(duì)陶瓷板的研究已有一段時(shí)間，規(guī)格為1m×1m×5mm的陶瓷板也已投放市場(chǎng)，但就目前的實(shí)際生產(chǎn)狀況而言，陶瓷板的規(guī)格越大，生產(chǎn)難度越大。其主要原因是受瓷質(zhì)原料（如長(zhǎng)石等和粘土中石英所含游離二氧化硅）的影響。即由于石英膨脹系數(shù)大，陶瓷板在燒成過(guò)程中，冷卻時(shí)容易產(chǎn)生溫度梯度差，引起內(nèi)應(yīng)變，導(dǎo)致冷裂現(xiàn)象產(chǎn)生。而且由此帶來(lái)的負(fù)面效果是燒成速度慢，生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。目前雖然也有膨脹系數(shù)小的原料如堇青石和透鋰長(zhǎng)石，但由于其價(jià)格昂貴，難以作為批量材料以低價(jià)在市場(chǎng)上銷售。陶瓷板通常需在高于1200℃的溫度下燒結(jié)，易引起產(chǎn)品軟化變形，因收縮率超過(guò)10%，尺寸精度降低。

據(jù)有關(guān)專利技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的一種改善脆性，提高彈性的陶瓷板生產(chǎn)技術(shù)。它采用針狀結(jié)晶礦物（纖維狀結(jié)晶礦物）——β型硅灰石與粘土和滑石均勻配料，以同一方向定向排列的硅灰石針狀結(jié)晶礦物成形坯板，后燒結(jié)，生產(chǎn)出具有高彈性的陶瓷板。不過(guò)，針狀結(jié)晶礦物的硅灰石屬于低溫型礦物，曾廣泛應(yīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域，其中也包括陶瓷領(lǐng)域，但若采用與燒成瓷質(zhì)磚相同的條件，在1200℃以上的高溫下燒結(jié)，使其致密化并降低吸水率，低溫型硅灰石在溫度接近1120～1130℃時(shí)，其結(jié)晶則轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦凸杌沂?，針狀結(jié)晶開始產(chǎn)生變化而失去效果，雖然隨著其逐漸瓷質(zhì)化和致密化，坯體吸水率降低，但同時(shí)還會(huì)隨著軟化變形而引起內(nèi)應(yīng)變，易導(dǎo)致產(chǎn)品龜裂。由此可見，就目前陶瓷板的生產(chǎn)現(xiàn)狀而言，因燒成溫度低于1100℃，吸水率高達(dá)10%，產(chǎn)生凍害的問(wèn)題無(wú)法避免。因此，本研究的目的就在于解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，為市場(chǎng)提供高性能的大規(guī)格薄型陶瓷板。

1 研制方案

為了解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，只有控制在低于低溫型硅灰石針狀結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度下燒結(jié)時(shí)的反應(yīng)性，保持其針狀結(jié)晶不變，即使使用瓷質(zhì)成分的原料，在低于低溫型硅灰石針狀結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度下燒結(jié)，坯體也會(huì)變得致密，吸水率降低，才能研制出抑制冷裂、燒成收縮小、切割加工性好、抗凍性高的陶瓷板。正是基于這一技術(shù)觀點(diǎn)，筆者通過(guò)潛心研究，獲得了優(yōu)選的研制方案。

研制結(jié)果表明，以滑石、瓷質(zhì)成分的原料、針狀結(jié)晶礦物的低溫型硅灰石和可塑性粘土為主要原料進(jìn)行配料、混合，以硅灰石均勻定向排列，成形出薄形坯體，在低于低溫型硅灰石結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度的條件下燒結(jié)，可燒制出吸水率低（3 %以下）的陶瓷板，因此抗凍性能優(yōu)良，在寒冷地區(qū)的屋外使用也沒有問(wèn)題。

燒制高性能的陶瓷板是以滑石、瓷質(zhì)成分的原料如長(zhǎng)石、高嶺石等、低溫型硅灰石和可塑性粘土為主要原料，其配料組成如表1所示。

表1 陶瓷板的配料組成及外觀評(píng)定結(jié)果（質(zhì)量%）

續(xù)表1

原料所用低溫型硅灰石最好是長(zhǎng)纖維和短纖維的混合粉體。這樣可使硅灰石的粒度保持均衡，有助于反應(yīng)更穩(wěn)定，以便于批量生產(chǎn)吸水率在3%以下的陶瓷板。

1）配料中滑石是一種必不可少的成分。它不僅具有提高坯體成形的作用，還發(fā)揮與瓷質(zhì)成分共熔的作用，可降低熔融溫度?；幢?所示的配比摻雜使用。其粒度在44μm以下，顆粒分布的中位粒徑以5μm為宜。試驗(yàn)結(jié)果表明，不添加滑石，不僅坯體成形性差，而且難以發(fā)揮共熔作用，需在高溫下使其致密化，使低溫硅灰石結(jié)晶轉(zhuǎn)變。反之，如滑石添加量過(guò)多，其羥基就少，缺乏可塑性會(huì)影響成形性，而且反應(yīng)過(guò)程中生成的非晶質(zhì)二氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)榉接⑹?，可能?huì)引起冷裂。

2）瓷質(zhì)成分的原料為長(zhǎng)石、高嶺石等，根據(jù)堿含量（K2O、Na2O）和粒度的不同來(lái)調(diào)整摻入量。其堿含量在3%以上，粒度為44μm以下的顆粒至少在80%以上，最大粒度最好在110μm以下。考慮到與滑石的相互作用，按表1所示的配比進(jìn)行配料。試驗(yàn)表明，不添加瓷質(zhì)成分的原料，滑石作為礦化劑與粘土和硅灰石急劇反應(yīng)，易產(chǎn)生軟化使其變形，引起內(nèi)應(yīng)變，這成為陶瓷板翹曲的主要原因之一；反之，瓷質(zhì)成分的原料配比過(guò)多，瓷質(zhì)化作用過(guò)大，也易引起坯體軟化變形，使低溫型硅灰石形狀得不到保持，難以制成合格的陶瓷板。試驗(yàn)還表明，以一定百分比的質(zhì)量添加K2O、Na2O的堿分總含量在10%以上的長(zhǎng)石粉，可進(jìn)一步降低陶瓷板的燒成溫度。

3）低溫型硅灰石也是配料中一種必不可少的成分。因?yàn)樗芷鸬奖３痔沾砂逍螤詈吞峁┾}源來(lái)獲得所需灰長(zhǎng)石反應(yīng)性生成物的作用。雖然硅灰石粒度（纖維長(zhǎng)度縱橫尺寸比）越大，陶瓷板的形狀保持效果越好，但過(guò)大反而會(huì)降低反應(yīng)性，因此以縱橫尺寸比在20以下為宜。硅灰石使用量以表1所示的配比摻入為佳，因?yàn)槠渑浔仍酱?，達(dá)到致密化的溫度要求越高，反應(yīng)性更急劇，不利于陶瓷板的燒制；雖然配比越少可進(jìn)一步降低燒成溫度，但不利于防止龜裂和保持陶瓷板形狀。

4）作為主要原料之一的可塑性粘土同樣按表1所示的配比使用，否則因摻入量過(guò)少，可塑性差，坯料在以硅灰石同一方向定位成形坯板過(guò)程中難以成形，或因摻入量過(guò)多，干燥性變差，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，還因其它主要原料配比減少，即使在低于硅灰石結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度下燒結(jié)，也得不到能滿足性能要求的陶瓷板。

2 生產(chǎn)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)1

以滑石、長(zhǎng)石、高嶺石、木節(jié)粘土和長(zhǎng)纖維硅灰石（縱橫比20以下、中心纖維長(zhǎng)度為210μm）為主要原料，按表1所示用量配比，將混合的粉料置于混料機(jī)中混合攪拌15min，外加20%拌和水，混練成坯料，經(jīng)真空練泥機(jī)擠出泥料，由輥壓機(jī)壓延，再切割成尺寸為950mm×1895mm×5.3mm的坯板，后送入輥道窯，緩慢升溫?zé)Y(jié)，燒制成吸水率為2.5%的陶瓷板，并對(duì)其進(jìn)行外觀評(píng)定，評(píng)定結(jié)果見表1。結(jié)果表明，2＃、5＃、7＃、9＃、10＃和11＃的陶瓷板外觀狀態(tài)良好，而未摻入和摻入40%滑石的陶瓷板（1＃和3＃）、未摻入和摻入50%瓷質(zhì)成分的陶瓷板（4＃和6＃）以及未摻入硅灰石的陶瓷板（8＃）的外觀狀態(tài)較差。

圖1、圖2、圖3和圖4是燒成溫度與吸水率關(guān)系曲線圖。由于7＃陶瓷板摻有堿含量（5%）超過(guò)長(zhǎng)石細(xì)粉（10%），可在低于1078℃下燒成吸水率為2.5%的陶瓷板。

表24 ＃和10＃陶瓷板性能測(cè)定結(jié)果

表2列出了4＃和10＃陶瓷板的物理性能。從表2可以看出，燒成溫度為1091℃、厚度為4.3mm的10＃陶瓷板的各項(xiàng)性能良好，其吸水率低至2.5%，具有良好的抗凍性，抗彎強(qiáng)度高達(dá)48MPa，容重為2.2g／cm3，具有質(zhì)量輕，便于施工等優(yōu)點(diǎn)；收縮率為5.6%，具有較好的尺寸精度。而4＃陶瓷板在同一溫度下燒結(jié)出現(xiàn)軟化變形，因此為保持其形狀穩(wěn)定，將燒成溫度降至1070℃，結(jié)果其吸水率高達(dá)12%，抗凍性變差；抗彎強(qiáng)度為40MPa，低于期望值。

圖11 ＃、2＃、3＃陶瓷板吸水率與燒成溫度的關(guān)系

從10＃陶瓷板的下面著重于燒成溫度與吸水率即致密度的關(guān)系來(lái)看，在1088℃和1098℃的2個(gè)溫度的曲線呈右偏下垂?fàn)?，不成正比例（直線）。圖5為1＃陶瓷板的吸水率與圖4曲線斜度的關(guān)系。從圖5可知，曲線狀態(tài)變化大，可推定這是由于上述溫度帶反應(yīng)急劇所致。該溫度帶接近硅灰石結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度，激發(fā)反應(yīng)的內(nèi)能，提高了反應(yīng)性。而該反應(yīng)性又與粒度（表面積）密切相關(guān)，表面積越大，反應(yīng)性越高。

表3為所用硅灰石顆粒分布測(cè)定結(jié)果。

表3 硅灰石顆粒分布

續(xù)表3

由表3可以看出，1088℃下主要是粒度在125μm以下的硅灰石進(jìn)行反應(yīng)，1098℃下主要是粒度在150μm以上的硅灰石進(jìn)行反應(yīng)。在試驗(yàn)中，另取40%木節(jié)粘土、25%低溫型硅灰石和35%廢玻璃粉配料，按上述同一成形過(guò)程，成形坯板、干燥、燒結(jié)，制成陶瓷板。該陶瓷板在1080℃下的收縮率為5.1%，吸水率為3.4%，但有干燥裂紋和冷裂產(chǎn)生。X射線衍射分析還表明，存在方英石峰。雖使用玻璃粉可低溫?zé)Y(jié)，但受玻璃粉反應(yīng)性影響，轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟姆蔷з|(zhì)二氧化硅，生成方英石。由于方英石的存在，在200℃附近，熱膨脹變化大，耐熱沖擊性降低，從而導(dǎo)致冷裂。因此用玻璃粉難以燒制陶瓷板。而在共熔作用下，降低燒結(jié)溫度以保持低溫型硅灰石纖維狀態(tài)，這可使生成的液相含有較多的結(jié)晶相，緩和熱沖擊，有助于燒制陶瓷板。

2.2 試驗(yàn)2

采用長(zhǎng)纖維與短纖維低溫型硅灰石的配合使用，調(diào)整其粒度，對(duì)反應(yīng)穩(wěn)定性的作用進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用a和b的2種短纖維（見表4），按表5所示的配比和試驗(yàn)1的試驗(yàn)過(guò)程，混合攪拌、混練坯料、擠泥、壓延、切割成同一規(guī)格的坯板，后干燥、入窯燒結(jié)，制成陶瓷板。

表4 長(zhǎng)、短纖維型硅灰石的顆粒分布

試驗(yàn)2結(jié)果表明，與試驗(yàn)1中的3＃陶瓷板一樣，均未產(chǎn)生龜裂，也無(wú)翹曲，外觀表現(xiàn)良好。燒成溫度與吸水率變化關(guān)系如圖4所示。由圖4中表明，2＃陶瓷板的燒成溫度與吸水率的關(guān)系略呈反比例關(guān)系，用短纖維來(lái)調(diào)整硅灰石粒度可在低于全使用長(zhǎng)纖維時(shí)的燒成溫度下，獲得3%以下的吸水率。這意味著與短纖維硅灰石配合使用，可在低于結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度下燒制出無(wú)結(jié)晶轉(zhuǎn)變、形狀穩(wěn)定的陶瓷板。

圖5表示了1＃、2＃、3＃和4＃陶瓷板吸水率與圖4曲線斜度的關(guān)系，從圖5可以看出，由此形成的2＃和3＃陶瓷板曲線變化小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，只使用短纖維硅灰石的4＃陶瓷板，因其粒度的關(guān)系，燒成溫度有所降低，但與只使用長(zhǎng)纖維陶瓷板一樣，不能控制其反應(yīng)性。

表5 長(zhǎng)、短纖維硅灰石配比及陶瓷板配料組成（質(zhì)量%）

表61 ＃、2＃陶瓷板物理性能測(cè)定結(jié)果

表6列出1＃和2＃陶瓷板吸水率為2.5%時(shí)的物理性能。在表6中，盡管2＃陶瓷板的燒成溫度低，其物理性能基本與燒成溫度高的1＃陶瓷板的相同，這說(shuō)明在降低燒成溫度下也能燒制性能好的陶瓷板。

表71 ＃陶瓷板與2＃陶瓷板的尺度公差

表7就長(zhǎng)度尺寸約為1800mm的1＃和2＃陶瓷板的縱向左右端尺度公差作了對(duì)比。經(jīng)測(cè)定，1＃陶瓷板的尺度公差為4.0mm，而2＃陶瓷板的尺度公差僅為1.4mm。據(jù)推定這是由于硅灰石粒度通過(guò)調(diào)整，使粒度均衡化，因而提高了尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

采用滑石、瓷質(zhì)成分的原料如長(zhǎng)石、高嶺石等低溫型硅灰石（最好是長(zhǎng)纖維和短纖維型的混合粉體）和可塑性粘土為主要原料的粉料進(jìn)行混合配料，以針狀結(jié)晶礦物均勻定向于同一方向擠泥、壓延，成形坯體，在低于低溫型硅灰石結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度下燒結(jié)，可制成吸水率小、抗凍性好、抗彎強(qiáng)度高的輕質(zhì)大規(guī)格陶瓷薄板。

1 曾令可，等.大規(guī)格陶瓷薄板的特性及燒成技術(shù).全國(guó)性建材核心期刊——陶瓷，2013（2）：28～31

2 セラボー株式會(huì)社.薄板狀の焼結(jié)體おびその製造方法.特開昭2006－89570

3 陳迪晴.擠出成形大規(guī)格陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝.佛山陶瓷，2008（4）：9～13