干粒釉柔拋薄板的配方優(yōu)化及其性能研究*

黃玲艷 曹麗云， 鐘辛子 黃劍鋒 楊子煊 吳辰宇 蔣 永 張顥淼

(1 蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司 廣東 佛山 528211) (2 陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710021)

作為一種獨具特色的裝飾材料，自然石材因其硬度高、耐磨性好、色澤美觀而深受家裝陶瓷消費者的喜愛[1]。但隨著礦物資源的長期開采，自然石材的儲量急劇下降，開采成本逐年上升，高昂的成本令生產(chǎn)商和消費者望而止步。同時，礦物資源的長期開采易引發(fā)水土流失、生態(tài)破壞等不可逆的環(huán)境破壞，因此尋找一種能夠替代自然石材的綠色原料迫在眉睫[2-3]。

近年來，為了尋找能夠替代自然石材的原料體系，科學(xué)研究者對干粒釉等仿天然石材原料進(jìn)行了探索，取得了一定應(yīng)用進(jìn)展，但仍存在以下技術(shù)難點：①坯釉組分適配性差，坯釉的層間易出現(xiàn)脫落；②釉面色澤、亮度等仿真度差，難以替代自然石材；③制備工藝創(chuàng)新性差，難以實現(xiàn)應(yīng)用化研究[4-5]。基于以上技術(shù)難點，本文選用市面上常見的干粒釉作為釉料主相，借助控制變量法優(yōu)化坯體配方，探索出一種能夠和干粒釉完美適配的坯料體系，該研究對指導(dǎo)仿天然石材陶瓷薄板規(guī)?；a(chǎn)具有較大借鑒意義。

1 實驗

1.1 實驗原料

本實驗選用水洗球土、韶關(guān)球土、偉源球土作為球土類原材料，選用精品泥、中山黑泥作為原礦泥類原材料，選用精選鈉長石粉、山東石粉作為長石類原材料，選用鉀鋁砂、邦砂和高白鉀砂作為中、高溫砂類原材料，選用黑滑石作為助熔劑類原材料；選用煅燒鋁礬土、超白膨潤土作為配方添加劑。實驗原料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 實驗原料化學(xué)成分(%)

續(xù)表1

1.2 實驗過程

如圖1所示，首先將破碎后的實驗原料經(jīng)配料、濕法球磨、過篩除鐵和噴霧造粒等工序加工成微米級粉體，然后借助數(shù)字化配料系統(tǒng)，將靜電分散的包裹色料包裹在粉體的外表面，經(jīng)逐層篩選得到質(zhì)地均勻的前驅(qū)體粉料。即將前驅(qū)體粉料經(jīng)壓制成形、干燥、噴淋面釉和釉面裝飾等工藝，可得到干粒釉柔拋薄板。

圖1 干粒釉柔拋薄板的制備流程圖

1.3 性能測試

采用比重計對坯體漿料在室溫下的比重進(jìn)行測試；選用白度儀對坯體試樣的白度進(jìn)行測定；借助阿基米德排水法對坯體試樣的體積密度、吸水率等物理參數(shù)進(jìn)行測定；借助萬能材料試驗機(jī)對坯體的彎曲強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定。

2 結(jié)果和討論

2.1 坯料配方設(shè)計

根據(jù)控制變量法設(shè)計原則，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，為研究不同配方特點，選用表1中礦物原料開展坯料配方設(shè)計，同步研究13個因素的7種配方組合，配方表的設(shè)計如表2所示。

表2 坯料配方設(shè)計表(%)

續(xù)表2

2.2 性能研究及配方優(yōu)化

基于控制變量法制備的配方樣品，其性能測試結(jié)果如表3所示。通過性能測試結(jié)果可知，1#和7#配方試樣的白度明顯優(yōu)于其他配方試樣，這可能是由于球土類原料中高組分Fe、Ti類化合物的影響。因此，經(jīng)綜合分析可得：為了提高坯體試樣的白度，可以合理增多水洗球土、韶關(guān)球土、偉源球土等球土類原料，控制高白鉀砂等高白度原料的用量。

表3 基于正交試驗的樣品測試結(jié)果

續(xù)表3

此外，1#、2#、3#、4#、5#和6#配方試樣的線膨脹系數(shù)較低，可能是因為該類配方中引入的球土類原料較多，而球土類原料富含Al2O3相，可降低坯體的線膨脹系數(shù)。干粒釉柔拋陶瓷薄板多為坯體、面釉層和拋釉層三者共同復(fù)合，若各層材料的膨脹系數(shù)差異過大，則在受熱時不同的復(fù)合層會發(fā)生不一致的膨脹或收縮，致使坯、釉層發(fā)生分離，釉面出現(xiàn)明顯缺陷，所以要求坯體、釉層的膨脹系數(shù)盡可能接近[6-7]。因選用的干粒釉柔拋陶瓷薄板的面釉膨脹系數(shù)為(7.3～7.5)×10-6/K-1(40～600 ℃)，干粒釉的膨脹系數(shù)為(7.1～7.3)×10-6/K-1(40～600 ℃)，故可選取1#、2#、3#和4#坯體配方試樣作為優(yōu)選樣品。

從性能測試數(shù)據(jù)可知，相較于其他試樣，3#、6#和7#配方試樣具有稍低的燒結(jié)溫度，可能和配方體系中引入的精選鈉長石粉、山東石粉等長石類原料和黑滑石等助熔劑類原料有關(guān)[8]。長石類原料和助熔劑類原料可在配方體系中引入大量的低共熔點相物質(zhì)，在高溫下低共熔點物質(zhì)會轉(zhuǎn)化為熔融的玻璃態(tài)，充當(dāng)液相傳質(zhì)的重要媒介，促進(jìn)干粒釉柔拋陶瓷薄板的坯體實現(xiàn)快速致密化[9]。同時，1#、2#、3#、4#、5#和6#配方的濕、干坯試樣具有較大的彎曲強(qiáng)度，可能也和引入高白鉀砂和富含高鋁球土類原料有關(guān)[10]。

通過以上分析論證，筆者結(jié)合實際生產(chǎn)需求，綜合考慮以下3點原則，對以上坯料配方開展優(yōu)化：①盡可能降低生產(chǎn)成本；②坯、釉適配性合適；③坯體的力學(xué)性能好，便于上釉、切削加工等后續(xù)加工。最終選取3號配方體系作為最優(yōu)配方，其配方組成見表4。

表4 優(yōu)選的3號配方體系化學(xué)成分(%)

3 結(jié)語

(1)基于控制變量的設(shè)計原則，結(jié)合實際生產(chǎn)需求，同步研究13個因素的7種組合，可對干粒釉柔拋陶瓷薄板的坯料體系進(jìn)行優(yōu)選，最終選定3號配方體系作為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的配方。

(2)球土類原料和高白鉀砂等高白度原料有助于提升坯體的白度、彎曲強(qiáng)度，但球土類原料的大量引入會降低坯體的線膨脹系數(shù)。同時，鈉長石粉、山東石粉等長石類原料和黑滑石等助熔劑類原料有助于降低坯體的致密化溫度。