干法滲透陶瓷坯體的制備及其性能研究 *

趙存河

(蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528000)

前言

近年來隨著意大利Metco公司滲透墨水的引入,國內(nèi)市場興起了噴墨滲花磚的潮流。噴墨滲花磚工藝可分為濕法和干法兩種(干法工藝為面料和底料兩種粉料通過2次布料壓制成形)[1]。由于干法滲花工藝所制造的產(chǎn)品使用范圍更加廣范，因此在行業(yè)內(nèi)更加受到關注。本課題旨在通過參考已有的坯體配方，結合建筑陶瓷廠原有的坯用原料，合理制備選擇坯體的面料配方與原廠的底料相匹配，燒制出高白面料和底料結合性能優(yōu)良的干法滲花陶瓷產(chǎn)品。

1 實驗

1.1 實驗所用的原料化學組成(見表1)

原廠所提供的底料化學組成見表2，膨脹系數(shù)見表3，燒成后收縮11.72%。

表1 原料的化學組成(wt%)Tab 1 Chemical composition of raw materials (wt%)

表2 原廠底料的化學組成(wt%)Tab 2 Chemical composition of bottom layer powder of the original company(wt%)

表3 原廠底料的熱膨脹系數(shù)Tab 3 Coefficient of thermal expansion of original bottom powder

1.2 面料正交實驗設計

根據(jù)原廠提供的原料，用水磨鉀長石、56砂、水磨石粉、龍巖球土、水洗球土、硅酸鋯等原料作為因素，采用L16(45)正交表設計面料坯體正交實驗，其中硅酸鋯為定量，選擇合適的坯體配方。正交實驗的結果如表4所示。

表4 正交實驗表Tab 4 Orthogonal experiment table

1.3 實驗工藝流程

工藝流程見圖1。實驗中料球水比為1∶2∶0.5；球磨細度250目，篩余0.8～1.1；燒成周期72 min，燒成最高溫度1 175 ℃。

圖1 工藝流程Fig.1 Flow chart of test pieces

1.4 性能測試

采用NDJ-5S數(shù)字式粘度計測量試樣的粘度。采用HY-YZ電動液壓坯料制樣機，最大壓力20 MPa壓制粉料。采用DPK-300/1 000數(shù)顯電動抗折儀測試樣強度。采用Sc-80C全自動色差計測量試樣建材白度。采用winner2 000 zd智能激光粒度分析儀測量試樣細度分布。采用KS-B數(shù)顯可塑性測定儀測量試樣可塑性。采用PCY熱膨脹儀測試樣熱膨脹系數(shù)。采用蔡司EVO MA10掃描電鏡分析樣品形貌。

2 結果分析與討論

2.1 不同可塑性粘土對面料性能的影響

由表5坯體正交實驗性能數(shù)據(jù)和表6各性能極差值分析，隨著龍巖球土和水洗球土的增加，漿料粘度逐漸增大，坯料的濕強度和干強度也逐漸增強。但龍巖球土對粘度，濕、干強度影響更大，其主要原因與原材料本身性能有關。對這2種球土進行檢測分析如下表7。從表7可以看出龍巖球土分散相90%顆粒細度在28.86 um以下，顆粒細度比水洗球土更小，比表面積更大，可塑性更高[2]，因此相應的漿料粘度、坯體濕強度、結合性干強度都更高。

表5 坯體正交實驗性能測試Tab 5 Performance test of green body by orthogonal experiment

表6 各性能極差值Tab 6 Extreme value of each performance

表7 球土粒徑和可塑性分析Tab 7 Analysis of particle size and plasticity of spherical soil

綜合各性能總評極差值，可以確定坯體的最優(yōu)水平組合為A3B3C2D3E2F。測得最優(yōu)水平組合面料漿料粘度290.3 MPa·s，濕強度0.209 MPa，干強度1.410 MPa，熱膨脹系數(shù)9.150 4×10-6/ ℃可符合坯體基本性能要求。

以最優(yōu)面料配方A3B3C2D3E2F為基礎，球磨到達細度后再加入不同質(zhì)量分數(shù)的助紅劑(助紅劑XRD掃描如圖2)，球磨混勻后制樣測試。

圖2 助紅劑XRDFig.2 XRD of red aid reagent

2.2 助紅劑對墨水紅度值的影響

圖3 助紅劑含量對墨水紅度值的影響Fig.3 The influence of the content of red aid on the redness of ink

圖3是助紅劑對墨水紅度值的影響。由圖2可看出助紅劑主要成份為納米SiO2，其在高溫下與棕色墨水中的Fe離子發(fā)生反應生成包裹形態(tài)的硅鐵紅，呈現(xiàn)鮮紅色調(diào)[3]。棕色的紅度值隨著助紅劑的含量增加而增加，但當助紅劑含量大于5%時，其紅度值增加緩慢且趨于平穩(wěn)，其主要原因為可理解為墨水中的Fe離子已被SiO2包裹反應完全，呈色已接近最大值。

2.3 助紅劑對坯料燒成收縮的影響。

圖4是助紅劑對坯料燒成收縮的影響。面料的布料厚度在1.4 mm～1.8 mm，在燒成收縮過程中，若面料和底料收縮相差大，生產(chǎn)過程中易造成磚形扭曲變形。由圖可見，助紅劑含量增加，坯體燒成收縮逐漸增大，其主要為坯料細度相對更細，比表面積大，粉料流動性變差，堆積密度變小，壓制成形時難以壓實。且在燒成過程中坯料細度越細，比表面積大，能量高，燒結活性大，更易于燒結收縮。

圖4 助紅劑含量對坯體收縮的影響Fig.4 Effect of red aid content on shrinkage of green body

2.4 助紅劑對坯體熱膨脹系數(shù)的影響

圖5 助紅劑對坯體熱膨脹系數(shù)的影響Fig.5 Effect of red aid on thermal expansion coefficient of green body

圖5是助紅劑對坯體熱膨脹系數(shù)的影響。由圖5可以看出隨著助紅劑的增加，坯體的膨脹系數(shù)下降。此時將助紅劑含量為2%的樣品測試燒結，發(fā)現(xiàn)并無燒結范圍(如圖6)。說明面料配方此時已接近于釉料配方，隨助紅劑含量的增加，面料燒結活性增大，降低了燒成溫度，促進了面料中石英的熔融，從而降低了熱膨脹系數(shù)[4]。

圖6 面料的燒結范圍Fig.6 Sintering range of surface powder

圖7 最優(yōu)配方SEM掃描圖Fig.7 SEM scanning of the optimal formula

圖8 能譜線掃描Zr分析Fig.8 Analysis of energy spectrum line scanning Zr

綜合各性能分析紅度值、收縮與膨脹系數(shù)，選取助紅劑含量2%時最適宜，此時面料紅度值為11.74，收縮11.70%，膨脹系數(shù)9.020 7×10-6/ ℃。

圖7是最優(yōu)面料配方A3B3C2D3E2F和助紅劑含量2%時與底料二次布料壓制燒成后的斷面SEM掃描圖，圖8為對應的能譜線掃描Zr分析。由圖7可看出面料和底料結合良好，兩者之間的中間層并不明顯，其主要為在燒成過程中，面料和底料各成分之間相互擴散，使底面料合成良好的整體[5]。通過能譜線掃描Zr分析，可大致判斷出面料層與底料層交接部分的分布情況。

3 結論

當面料配方組成，水磨鉀長石33、56砂11、水磨石粉27、龍巖球土15、水洗球土6、硅酸鋯2.5、助紅劑2.0時所制備的面料與原廠底料相匹配，結合性能良好。此時面料紅度值為11.74，收縮11.70%，膨脹系數(shù)9.020 7×10-6/ ℃。