日用玻璃陶瓷研發(fā)的技術(shù)路線*

詹奕純

(廣東健誠高科玻璃制品股份有限公司 廣東 潮州 515658)

前言

日用玻璃陶瓷是供日常使用的，可以接觸食物的玻璃陶瓷制品。其外觀器型近似日用陶瓷，符合日用餐飲具在用餐、貯存食物的衛(wèi)生和易于清洗等方面的要求。日用玻璃陶瓷的現(xiàn)行標準有GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》，其器型及外觀要求近似于日用陶瓷，其化學(xué)穩(wěn)定性要求有“鉛、鎘、砷、銻”溶出量的限量要求。日用玻璃陶瓷的材質(zhì)和生產(chǎn)工藝不同于日用陶瓷，其是采用玻璃陶瓷材料制成的微晶玻璃日用制品。標準中對玻璃陶瓷的定義是“由結(jié)晶相和玻璃相構(gòu)成的一類復(fù)合材料，一般通過對玻璃進行適當加熱處理以使玻璃體內(nèi)產(chǎn)生足量結(jié)晶相而獲得”。

圖1 日用玻璃陶瓷技術(shù)路線框架圖

玻璃陶瓷又稱為微晶玻璃，結(jié)晶相對于玻璃的外觀顏色、強度、抗熱震性等方面產(chǎn)生影響，微晶量及晶體結(jié)構(gòu)與原料和生產(chǎn)工藝有直接關(guān)系。在目前，日用玻璃陶瓷的原料是通過熔煉處理后再成形并晶化等工序，這是其與日用陶瓷的工藝的不同之處，與普通玻璃的生產(chǎn)工藝相近似。

在日用玻璃陶瓷的研發(fā)中，必須根據(jù)日用玻璃陶瓷的特性及需求，以及背景技術(shù)來選擇和確定技術(shù)路線。在具備玻璃制品生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備等條件的生產(chǎn)企業(yè)，其研發(fā)的技術(shù)路線中，配方調(diào)整和確定、工藝優(yōu)化及確定、窯爐適用性及其技術(shù)改造，成為技術(shù)路線中的重要過程和環(huán)節(jié)。

1 技術(shù)路線的框架

1.1 技術(shù)路線框架圖

技術(shù)路線框架圖如圖1所示。

1.2 技術(shù)路線中相互關(guān)聯(lián)和相互作用的方面

上述技術(shù)路線是一般的日用玻璃陶瓷研發(fā)典型的技術(shù)路線。當企業(yè)具備日用玻璃器件的一般生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)條件時，可以采用此技術(shù)路線進行研發(fā)。如果企業(yè)是日用陶瓷生產(chǎn)企業(yè)，或從未涉及玻璃器件的生產(chǎn)，其技術(shù)路線中所涉及的部分和環(huán)節(jié)會更加復(fù)雜，在工藝方面不是優(yōu)化，而是選擇和配套，在熔煉方面不是熔煉爐改造，而是熔煉爐形式的選擇和建設(shè)。

技術(shù)路線中所設(shè)定的配方研究、工藝優(yōu)化、熔煉爐改造是相互關(guān)聯(lián)和相互作用的三大方面。制品的一般生產(chǎn)流程是：原料選用并經(jīng)計量取用和混和、向熔爐投料、退火(包括晶體培育)、熱修或冷修、鋼化處理、必要的外觀裝飾。不同制品的生產(chǎn)中，在成形之后的工藝中會有不同或某些方面的順序調(diào)整，特別是成形器件的溫度處理中會涉及晶體的變化，必須根據(jù)實際生產(chǎn)情況作出工藝調(diào)整和控制。

在配方研究中、選用的是多種礦物配合料，通常是以二氧化硅、碳酸鈉、氫氧化鋁、碳酸鈣等作為主要材料，并加入其它添加材料，其作用和要求包括微晶的形成、制品的密度、硬度、光折射率(主要是微晶折射)、熱膨脹系數(shù)(制品成形及制品使用過程時對冷熱環(huán)境變化的適應(yīng)性)等。由于制品是用于接觸食物，在使用中制品的有害物質(zhì)的溶出量要符合標準的限量要求。因而，配方的研究中主要是服從制品的質(zhì)量要求，同時也應(yīng)對生產(chǎn)工藝具有適應(yīng)性。由此可以看出，配方研究與后續(xù)的熔煉和工藝是相互關(guān)聯(lián)和相互作用的。

熔煉是一道工藝，是在成形之前對原料的加工處理。熔煉過程中，不同原料在一定溫度中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，也已發(fā)生質(zhì)變，在后續(xù)的成形、退火之后形成新的結(jié)晶物。熔煉和成形及退火也是相互關(guān)聯(lián)和相互作用，使配方的目的得以實現(xiàn)。熔煉的效果對成形產(chǎn)生直接影響，同時對產(chǎn)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響。

工藝優(yōu)化關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量。工藝優(yōu)化中，除了熔煉工藝的優(yōu)化之外，重點還在于成形及退火工藝的優(yōu)化。成形的工藝是多樣化的，主要是器型的要求。恰當?shù)某尚喂に嚹苁怪破窚p少變形、制品表面缺陷減少；退火是清除內(nèi)應(yīng)力的重要手段，對于日用玻璃陶瓷來說，也是微晶生長和控制的關(guān)鍵過程；鋼化的主要作用是提高制品的表面壓應(yīng)力。從配方研究開始，就應(yīng)該考慮到后續(xù)加工條件的可行性，而后續(xù)加工條件的優(yōu)化，可以說是細節(jié)決定成敗。

2 技術(shù)路線的實施

在技術(shù)路線的實施中，配方研究、熔爐優(yōu)化和工藝優(yōu)化是三個重要方面，但不只這三個方面。根據(jù)制品的特殊要求，包括制品功能和檔次的提高，也包括附加值的提高，技術(shù)路線的實施中還應(yīng)考慮一些技術(shù)配套，熱修或冷修、外觀裝飾等。在系統(tǒng)策劃的前提下進行分段的研究和技術(shù)攻關(guān)，能提高技術(shù)路線實施的成效，并減少事倍功半的現(xiàn)象。

2.1 配方

日用玻璃陶瓷的原料配方研究中，可借用以往的配方進行改進，也可采用全新配方。礦化材料是主要原料，針對各自特性和相組合之后產(chǎn)生的效果，進行挑選和組合。通過不同形式和多次實驗來驗證并確認其效果。

在實驗中，通?？刹捎谜粚嶒灧?，并可結(jié)合逐步放大法。正交實驗法屬于優(yōu)選法，是數(shù)理統(tǒng)計方法，特別適用于分析多因素的試驗。

在日用玻璃陶瓷原料配方中，多種材料的各自加入量的大小都對生產(chǎn)結(jié)果產(chǎn)生影響。采用正交試驗法可以較快地找出主要因素。

配方研究中，一定要確保制品的化學(xué)穩(wěn)定性，并且盡量地提高制品的強度、抗熱震性和抗刻劃性。針對不同顏色的制品，可采用乳化劑或著色劑。如高白度制品是通過乳化作用，其它顏色的玻璃是加入了著色劑。透光率的改變會影響到顯色效果，如選用低透光率可以減少著色劑的加入量，降低生產(chǎn)成本。

2.2 熔煉爐改造

在分階段實驗中，熔煉爐可采用100 kg左右的小爐，如果中試，可采用2.5 t實驗爐。實驗性小爐在企業(yè)通常是具備的，可根據(jù)需要進行改進和優(yōu)化。

產(chǎn)業(yè)化方面采用的熔爐通常在30 t以上，最好是采用冷頂熔煉爐。由于日用玻璃陶瓷通常加入有含氟的材料，采用冷頂熔煉爐時，冷料層能阻擋氟氣體的揮發(fā)，在環(huán)保和節(jié)約成本、提高質(zhì)量等方面都有好處。在批量生產(chǎn)中，熔爐是連續(xù)投料和連續(xù)輸出漿料，可根據(jù)模擬情況確定加熱件(如鉬電極)的布設(shè)、確定熔爐的壁厚及保溫效果、確定料道的尺寸等。耐火材料會受到侵蝕，在易受侵蝕部位應(yīng)加厚，可以達到延長熔爐使用壽命及大修的周期。

由于生產(chǎn)中通常是多品種同時生產(chǎn)，常規(guī)的做法是一個熔爐配一料道供某一制品生產(chǎn)。如果設(shè)定多料道，可以同時生產(chǎn)多品種，但要同時考慮到料道的合理分布及輸料中的保溫，以適應(yīng)生產(chǎn)需要。

在顏色制品的生產(chǎn)中，應(yīng)先生產(chǎn)淺顏色制品，然后再生產(chǎn)深顏色制品。當企業(yè)熔爐數(shù)量有限時，深顏色制品的生產(chǎn)應(yīng)在熔爐大修前的適當階段進行，在產(chǎn)量達到時進行熔爐大修。

通過多場耦合和數(shù)值求解方式，根據(jù)模擬結(jié)果來調(diào)整并確定熔爐的各項參數(shù)，力求改善玻璃漿的均勻性，并且使熔爐的使用壽命得以延長。

2.3 工藝優(yōu)化

工藝優(yōu)化可以是多方面的。成形優(yōu)化和熱處理優(yōu)化是重要的方面。其優(yōu)化的結(jié)果可使制品表面的壓應(yīng)力增強，制品的晶體結(jié)構(gòu)更加理想。另外，成形優(yōu)化有利于制品規(guī)整度的提高以及表面缺陷的減少。熱處理優(yōu)化能使晶相和玻璃相構(gòu)成更加合理，通過鋼化的冷熱交替能使制品表面更加密實和微細裂紋減少，以確保制品質(zhì)量。

離心甩制是成形的一種方式，只有母模而沒公模。母模安放于同心轉(zhuǎn)臺上，液料計量進入模具中心時，模具轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生離心力，漿料隨模壁延伸運動至模邊緣，經(jīng)冷卻后制品成形出模。這種裝置包括擠料機構(gòu)、紅外線定位發(fā)射器、導(dǎo)料筒、冷卻風(fēng)機、模具、大小轉(zhuǎn)盤等。離心甩制可以在一個大轉(zhuǎn)盤上設(shè)多個崗位，可提高生產(chǎn)效率。離線甩制的制品內(nèi)表面在成形過程中無摩擦，裂紋少且表面光滑。

壺類等空心制品，除了常規(guī)的成形方法外，還可以采用加壓力方式，利用模具內(nèi)的空氣壓力，使?jié){料鋪滿到模具內(nèi)的各個點。這種方式可以使壺的出水嘴及壺把與壺體一次性成形。對于特殊器型，如玻璃筷子，重點是解決成形后制品變形問題，同時還可在成形后對制品進行冷修。

熱處理包括退火、鋼化及熱焰處理等工序。退火是消除制品內(nèi)應(yīng)力的主要手段之一，退火的過程也伴隨著制品內(nèi)部晶體變化，是兩項工藝的同時進行，與普通玻璃的退火存在差別，因而溫度控制應(yīng)更加精確。鋼化處理可采用冷液或冷風(fēng)等手段。在生產(chǎn)線上，冷風(fēng)處理比較方便和經(jīng)濟，但風(fēng)的均勻性控制至關(guān)重要。采用水溶液或礦物油等的處理，效果比風(fēng)冷更佳。在液體冷卻方面，采用輸送帶加熱制品，制品在運動中受到阻力而彈跳至液槽，這種方式可減少手工操作，也縮短了制品出爐至入液的時間，符合鋼化處理的急冷要求。

熱火焰處理適用于制品毛邊的處理，同時對表面裂紋的消除也有一定的作用。熱焰處理中，制品最好是轉(zhuǎn)動的，保持溫度的均勻性。托放制品的模件可采用石墨等材質(zhì)，減小摩擦力。

3 結(jié)語

日用玻璃陶瓷采用復(fù)合材料，制品由晶相和玻璃相構(gòu)成。制品在研發(fā)中，可以選擇并確定適合的技術(shù)路線，在配方研究、熔爐改造、工藝優(yōu)化等方面綜合研究，使相互關(guān)聯(lián)的多個方面相互作用，能使研發(fā)取得較好的效果，最終確保生產(chǎn)制品的質(zhì)量。