淺談熱膨脹系數(shù)測試溫度范圍的選擇對有釉陶瓷磚生產(chǎn)的指導(dǎo)＊

鄭元耀

（廣東三水大鴻制釉有限公司 廣東 佛山 528143）

前言

隨著消費者對有釉陶瓷磚的整體質(zhì)量要求的提高以及陶瓷企業(yè)對有釉陶瓷磚質(zhì)量控制精細程度的提升，工程技術(shù)人員對有釉陶瓷磚生產(chǎn)時的磚形和后期磚形變化的控制尤為重視。為了控制磚形變化在合理的管制范圍內(nèi)，就必須充分了解陶瓷釉料和陶瓷坯體的熱膨脹系數(shù)，以利于生產(chǎn)實施前做好膨脹系數(shù)相互匹配的調(diào)整。為此越來越多的釉料企業(yè)和陶瓷企業(yè)通過購買熱膨脹系數(shù)測試儀或委托有資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu)對陶瓷釉料和坯體的熱膨脹系數(shù)進行測試，對陶瓷釉料與坯體的搭配調(diào)整和有釉陶瓷磚的磚形控制起到至關(guān)重要的數(shù)據(jù)支持作用。

1 現(xiàn)狀

在測試陶瓷釉料和坯體熱膨脹系數(shù)的過程中，經(jīng)常遇到工程技術(shù)人員對熱膨脹系數(shù)在表述與取值方面的疑問。因大部分陶瓷企業(yè)采用的是參照玻璃熱膨脹系數(shù)的表述方法，用線性熱膨脹系數(shù)α表示；但有的企業(yè)參照體熱膨脹系數(shù)的表述方法，用3α表示，即體膨脹系數(shù)近似線膨脹系數(shù)的3倍；而測試到多少溫度和在什么溫度范圍內(nèi)取值比較合適，各企業(yè)間也持有不同的觀點。釉料企業(yè)一般取100～400℃作為測試值；陶瓷企業(yè)中有的取室溫～100℃作為測試值，有的參照釉料企業(yè)取100～400℃時的測試值，還有的企業(yè)取700～1000℃作為測試值。存在這種不同溫度范圍取值熱膨脹系數(shù)的主要原因是對釉料或坯體的膨脹系數(shù)的理解與應(yīng)用有所不同，加上釉料或坯體的膨脹系數(shù)與測試溫度有一定關(guān)系，在不同的溫度范圍內(nèi)，測得的熱膨脹系數(shù)是不同的，如只簡單地將釉料與坯體在不同溫度范圍測得的膨脹系數(shù)直接應(yīng)用于生產(chǎn)陶瓷磚坯釉適應(yīng)性的調(diào)整上，確實存在一些問題。

在釉料工業(yè)實驗中，一般從室溫到釉的固化點（tg）時500～550℃進行膨脹系數(shù)測試，同時在表示膨脹系數(shù)中還需將取值溫度范圍記錄下來。理想的釉料要求和坯體在各種溫度下具有同樣的熱膨脹系數(shù)，實際上要做到這一點是不可能的。由于坯體是以石英和方石英形式含有大量的硅酸，要使釉料同時產(chǎn)生573℃和150℃的異常膨脹是很困難的。而且坯體與釉料間膨脹系數(shù)真正起實質(zhì)性的相互壓應(yīng)作用應(yīng)是在有釉陶瓷磚燒成冷卻至釉層開始固化以后，即至少是在生產(chǎn)精確控制緩慢冷卻到573℃以下。為此將溫度取值提高至超過573℃的700～1000℃甚至更高溫度范圍來考察釉料與坯體的膨脹系數(shù)，實際上對有釉陶瓷磚生產(chǎn)應(yīng)用的指導(dǎo)意義不大。

目前，陶瓷企業(yè)測試熱膨脹系數(shù)采用的國家標(biāo)準是GB／T 3810.8《陶瓷磚試驗方法 第8部分：線性熱膨脹的測定》為測定依據(jù)。在該國家標(biāo)準中的結(jié)果表示：線性熱膨脹系數(shù)α1用（10－6／℃）來表示，精確到小數(shù)點后第一位，按下式表示：

式中：L0——室溫下試樣的長度，mm；

△L——試樣在室溫到100℃之間的增長，mm；

△t——溫度的升高值，℃。

從以上標(biāo)準的表達式中可知，該標(biāo)準對陶瓷磚線性熱膨脹系數(shù)的測試溫度與取值范圍是要求在室溫100℃。由于GB／T 3810.8《陶瓷磚試驗方法 第8部分：線性熱膨脹的測定》等同采用ISO 10545－8《陶瓷磚 第8部分：線性熱膨脹的測定》（英文版），說明該標(biāo)準方法在全球陶瓷工業(yè)中具有普遍的指導(dǎo)意義，這與陶瓷磚的使用環(huán)境溫度是100℃內(nèi)應(yīng)用于建筑物表面有關(guān)。陶瓷磚主要用于適合人們?nèi)粘；顒拥慕ㄖ锉砻娴匿佡N裝飾，與其相粘接的其它建筑材料表面溫度是常溫條件下，而且鋪貼表面通常也不會非常的致密。從使用環(huán)境條件來看，將測試的陶瓷磚和與之相匹配的建筑材料熱膨脹系數(shù)的取值溫度范圍選擇室溫～100℃是合理的。然而在實際生產(chǎn)應(yīng)用中對有釉陶瓷磚的坯體和釉料熱膨脹系數(shù)的測試，參照GB／T 3810.8《陶瓷磚試驗方法 第8部分：線性熱膨脹的測定》中規(guī)定的溫度范圍測試取值，測試結(jié)果的穩(wěn)定性不是最好的，而且坯體與釉料間的熱膨脹系數(shù)變動差異較大，單從數(shù)據(jù)上就難以匹配，不利于指導(dǎo)有釉陶瓷磚的生產(chǎn)與應(yīng)用調(diào)整，這也是導(dǎo)致陶瓷生產(chǎn)技術(shù)人員對熱膨脹系數(shù)在表述與取值方面產(chǎn)生疑問的主要原因之一。筆者在長期測試陶瓷釉料和坯體膨脹系數(shù)的實踐中總結(jié)發(fā)現(xiàn)，其主要原因在于該標(biāo)準中要求測試的溫度控制在室溫～100℃，即測試的溫度范圍偏低，膨脹儀測試樣品加熱室內(nèi)物料的實際溫度尚未達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，測試的不確定度相對偏大，無法平穩(wěn)真實地反映出釉料和坯體固有的熱膨脹系數(shù)。標(biāo)準GB／T 3810.8《陶瓷磚試驗方法 第8部分：線性熱膨脹的測定》中要求控制膨脹儀的升溫速率為5℃／min，如以室溫為25℃計算，溫度升至100℃時也只有75℃的溫差值，也就是說只需要15min就可將釉料或坯體的膨脹系數(shù)測試完畢，而陶瓷釉料與坯體的測試棒是一般要求直徑控制在4～6mm，長度在25～50mm的圓柱體，在短暫的15min時間內(nèi)，陶瓷釉料或坯體制成的測試棒的表面溫度與中心溫度還未能達到與監(jiān)測顯示的溫度一致就結(jié)束了測試，而且釉料與坯體的導(dǎo)熱系數(shù)也不同，以如此低溫結(jié)束測試，其結(jié)果的穩(wěn)定性與橫向可比性值得關(guān)注與探討。

2 不同溫度范圍的測試結(jié)果

由于當(dāng)前陶瓷企業(yè)在有釉陶瓷磚的生產(chǎn)過程中，技術(shù)人員為確保生產(chǎn)及后續(xù)應(yīng)用過程中磚型變化能控制在正常的范圍內(nèi)，在設(shè)計調(diào)配坯體與釉料的線性熱膨脹系數(shù)時一般要求控制坯體的線性熱膨脹系數(shù)比釉料的稍大0.1×10－6～0.5×10－6／℃。為了簡單、直觀地觀察陶瓷釉料與坯體在不同測試溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)的變化情況，筆者從廣東省內(nèi)一家知名陶瓷品牌取得實際生產(chǎn)且比較有代表性的有釉瓷質(zhì)地磚用坯體、陶質(zhì)內(nèi)墻磚用坯體、瓷質(zhì)地磚用生料釉和亞光熔塊、陶質(zhì)內(nèi)墻磚用乳白熔塊來制棒。

測試采用德國耐馳的熱膨脹儀以5℃／min的升溫速率來測試從室溫（25℃內(nèi)）到700℃以上的熱膨脹系數(shù)曲線，并分別取室溫～100℃、100～400℃和400～700℃3個不同溫度范圍的平均線性熱膨脹系數(shù)α來比對觀察。測試樣品制備：瓷質(zhì)地磚坯體與陶質(zhì)內(nèi)墻磚坯體均直接從正常的生產(chǎn)線上取得，切割制成測試用的棒體；熔塊的測試用棒為在熔塊生產(chǎn)時直接從生產(chǎn)窯爐流口拉棒制成；生料釉的測試用棒是采用釉漿注漿法成形，并經(jīng)應(yīng)用溫度燒成后打磨制成測試用棒，經(jīng)烘干冷卻后再放入膨脹儀樣品加熱室中進行測試。為了考察各樣品測試結(jié)果的重現(xiàn)性，將每一種樣品分別制成5支棒，棒體是長度為25.40mm±0.02mm，直徑為5.0mm±0.5mm的圓柱體。具體測試曲線圖與數(shù)據(jù)見圖1～圖5和表1，圖1～圖5均用1＃樣品的測試圖形來表示，表中α表示線性熱膨脹系數(shù)，為便于習(xí)慣用體熱膨脹系數(shù)的比對，同時用3α表示體熱膨脹系數(shù)。

表1 瓷質(zhì)地磚用坯體與釉料的熱膨脹系數(shù)（10－6／℃）

圖1 瓷質(zhì)地磚坯體膨脹系數(shù)測試曲線圖

圖2 瓷質(zhì)地磚用生料釉膨脹系數(shù)測試曲線圖

圖3 瓷質(zhì)地磚用亞光熔塊膨脹系數(shù)測試曲線圖

表2 陶質(zhì)內(nèi)墻磚用坯體和乳白熔塊的熱膨脹系數(shù)（10－6／℃）

圖4 陶質(zhì)內(nèi)墻磚坯體膨脹系數(shù)測試曲線圖

3 結(jié)論

從以上對測試樣的不同溫區(qū)熱膨脹系測試結(jié)果和曲線變化趨勢可以比較直觀地看出，不論坯體還是釉料，在不同的測試溫度范圍，測得的熱膨脹系數(shù)是不同的，這對正常生產(chǎn)的有釉陶瓷磚坯體與釉料取樣所測得的熱膨脹系數(shù)也有一定的了解。其中，在室溫（25℃內(nèi)）～100℃，坯體與釉料的熱膨脹系數(shù)的波動（極差）均相對較大，而且坯體在該溫區(qū)的熱膨脹系數(shù)與相對應(yīng)釉料的還要小些，在應(yīng)用上如單從該溫度段測試數(shù)據(jù)上看是不符合坯與釉熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)的調(diào)整原則，且容易誤導(dǎo)坯體與釉料的熱膨脹系數(shù)匹配的調(diào)整。若要在該溫度段取值釉料和坯體的熱膨脹系數(shù)測試結(jié)果，在應(yīng)用上需更加謹慎，要特別注意生產(chǎn)時磚型的變化；在100～400℃，坯體與釉料的熱膨脹系數(shù)的波動（極差）相對最小，而且測試的結(jié)果與實際生產(chǎn)有釉陶瓷磚的坯體與釉料的熱膨脹系數(shù)調(diào)配相對一致；在400～700℃時，坯體與釉料的熱膨脹系數(shù)的波動相對100～400℃時的要大一些，而且坯體在400～700℃時的熱膨脹系數(shù)相對釉料的要大的多，在與熔塊的對比時特別明顯。因為，坯體與釉料在573℃石英晶型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的膨脹系數(shù)變化是不一致的，從測試曲線上可以清晰地看到，不論坯體還是釉料當(dāng)測試到573℃石英晶型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的膨脹系數(shù)異常變化溫度點均比理論溫度573℃要高一些，而從150℃開始石英晶型轉(zhuǎn)換的膨脹系數(shù)變化在測試曲線上表現(xiàn)平穩(wěn)，無大的異常變化。為此，建議取值溫度范圍不要選擇高于573℃以上的溫度區(qū)間。

圖5 陶質(zhì)內(nèi)墻磚用乳白熔塊膨脹系數(shù)測試曲線

綜合以上測試結(jié)果及結(jié)合有釉陶瓷磚的生產(chǎn)應(yīng)用實踐得出，適當(dāng)控制坯體的線性熱膨脹系數(shù)比釉料稍大0.1×10－6～0.5×10－6／℃，就可以得出比較適合同時考察陶瓷釉料與坯體熱膨脹系數(shù)的測試取值溫度范圍，即100～400℃。

當(dāng)研究者只為單一測試某一種陶瓷磚、釉料或坯體的熱膨脹系數(shù)而無需考慮釉料與坯體之間熱膨脹系數(shù)的匹配時，可依自已關(guān)注的重點區(qū)域來選擇測試熱膨脹系數(shù)的溫度范圍或溫度點。如果需要在釉料與坯體、釉料與釉料、坯體與坯體之間進行橫向比對與應(yīng)用熱膨脹系數(shù)的測試數(shù)據(jù)時則建議選擇在100～400℃的取值比較適宜。當(dāng)然這并不是一個絕對固定的取值溫度范圍，主要是提供除標(biāo)準要求外可供參考的方向。如，針對釉料可結(jié)合釉式對釉料熱膨脹系數(shù)的理論計算結(jié)果與測試時曲線的平滑程度，可在50～550℃進行選取合適的溫度范圍計算測試的平均熱膨脹系數(shù)，因為選擇的溫度過低至近室溫25℃或過高至近573℃時，測試數(shù)據(jù)相對沒有近100～400℃的穩(wěn)定性好。在實際有釉陶瓷磚生產(chǎn)中，還有較多資深的技術(shù)人員直接根據(jù)燒成磚形的彎曲度和翹曲度變化來調(diào)整釉料與坯體的膨脹系數(shù)，但在沒有具體膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)的情況下，較難實施標(biāo)準化的生產(chǎn)與控制，且花費精力與時間較多。因此，陶瓷工程技術(shù)人員對陶瓷釉料和坯體熱膨脹系數(shù)測試的主要目的是為生產(chǎn)有釉陶瓷磚的應(yīng)用調(diào)整提供相對客觀、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持，不僅僅是為了滿足于測試而固守即定的標(biāo)準。

1 蔡瑞年，等.陶瓷釉料熱膨脹系數(shù)測試用釉棒的制備方法［J］.全國性核心科技期刊——陶瓷，2010（8）：57～58