不同熔劑對陶瓷巖板坯體燒成收縮率影響的探究*

汪隴軍

(1 蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528000)

(2 廣東省大尺寸陶瓷薄板企業(yè)重點實驗室 廣東 佛山 528000)

陶瓷巖板作為一種全新的新型飾面裝飾材料,以粘土、長石等無機非金屬材料為原料,經(jīng)過制粉、成形、裝飾、高溫燒制等工藝而成。陶瓷巖板具有耐高溫、耐磨刮、防滲透、耐酸堿、零甲醛、環(huán)保健康等特點,經(jīng)后期切割、鉆孔、打磨等加工后,廣泛應用于家具面板、廚衛(wèi)臺面板等領域。作為家居領域的新材料和傳統(tǒng)裝飾材料相比,巖板規(guī)格更大,對切割和加工性能要求更高。飾面裝飾材料的可加工性,對陶瓷巖板的性能和品質(zhì)提出了更高的要求。陶瓷巖板若沿用傳統(tǒng)釉面磚的坯體配方體系,燒成收縮大,冷卻過程中易產(chǎn)生內(nèi)應力,不利于巖板后期的切割加工,所以需要開發(fā)一種低燒成收縮率的陶瓷巖板的坯體配方。

1 實驗內(nèi)容

1.1實驗所用原料及其化學組成

本實驗選取原料均系建筑陶瓷常用原料包括:精選鈉石粉、水磨鉀長石、黑滑石、硅灰石、高溫砂、高鉀砂、葉蠟石、煅燒高嶺土、水洗球土A、水洗球土B、高白膨潤土等。實驗所用原料的化學組成如表1所示。

表1 原料的化學組成(質(zhì)量%)

續(xù)表1

1.2 試驗設備及儀器

本試驗中所用設備及測試儀器見表2。

表2 試驗設備及儀器

1.3 配方設計

筆者以K2O(Na2O)-SiO2-Al2O3三元體系配方為基礎,設計不同熔劑類配方,研究不同熔劑組分對坯體燒后收縮率的影響。根據(jù)建筑陶瓷配方設計原則和經(jīng)驗,所設計出的不同堿金屬、堿土金屬熔劑的坯體配方見表3。

表3 不同堿金屬、堿土金屬熔劑坯體配方原料比例(質(zhì)量%)

續(xù)表3

1.4 實驗步驟

(1)材料稱取。先將原料烘干后,再按配方原料比例稱取。

(2)球磨參數(shù)。配料500 g,球石600 g,加水55%,三聚磷酸鈉0.5%,球磨時間為7 min/100 g。

(3)粉料參數(shù)。含水率為7.5%～8.0%,20 目篩網(wǎng)全過;造好粉料后,置于自封袋中陳腐4 h。

(4)用電動液壓磚機壓成80 mm×120 mm 的試樣后,并在電熱鼓風干燥箱烘干。

(5)燒成條件。燒成曲線見圖1,最高燒成溫度為1 235℃,燒成周期43 min。

圖1 燒成溫度曲線

(6)根據(jù)國家標準HB 5353.2-2004熔模鑄造陶瓷型芯性能試驗方法第2部分:燒成收縮率的測定測試燒成收縮率,公式如下:

式中:δ——試樣燒成收縮率,%;

L——試樣燒成前的長度,mm;

L1——試樣燒成后的長度,mm。

2 實驗結果與討論

建筑陶瓷板坯體配方由于生產(chǎn)工藝及成本所限,通常采用粘土-長石-石英體系配方,屬長石質(zhì)瓷K2O(Na2O)-Al2O3-SiO2體系配方。長石質(zhì)坯體燒成后的顯微結構主要由玻璃相、晶相、氣孔等組成。通常情況下普通長石質(zhì)瓷的顯微結構由40%～65%玻璃相、10%～30%莫來石晶體、10%～25%殘留石英(含方石英)以及少量的氣孔組成[1]。為了實現(xiàn)長石質(zhì)坯體配方低溫快燒工藝,通常會引入少量的鈣、鎂熔劑來降低配方的共熔點,從而促進坯體低溫快燒。該體系配方中粘土、長石、石英類原料對燒成收縮率的影響較為復雜。

2.1 燒成收縮率的影響因素

建筑陶瓷長石質(zhì)坯體配方的化學組成特點是硅飽和,也就是說坯體配方中始終都有不能熔解的石英相。石英在燒成過程中除生成石英玻璃外,均會發(fā)生晶型轉變,有少許膨脹,可降低坯體燒成收縮率。高嶺石類原料的粒徑為0.5μm,從而具有較強的可塑性,但粒徑極細導致燒后收縮率大;同時燒成過程中,高嶺石類粘土礦物加熱過程中會生成莫來石(見式1),按礦物的克分子體積計算,該反應的體積收縮率達20%,這是長石質(zhì)坯體配方燒成收縮率大的主要原因[2]。

葉蠟石質(zhì)礦物在加熱過程中沒有像高嶺石那樣發(fā)生較大的體積收縮(見式2),按照礦物相克分子體積計算,反而略有2%的膨脹,可用來制備燒成收縮小的坯體[2]。

堿土金屬熔劑中,硅灰石在較低溫度下(1 100℃以下)易與高嶺石、葉蠟石固相反應生產(chǎn)鈣長石、方石英等(見式3、式4)。按礦物相克分子體積計算,硅灰石與高嶺石的固相反應體積收縮率為9%,硅灰石與葉臘石的固相反應的體積膨脹為9%[3]。

堿土金屬熔劑中,滑石在陶瓷坯體中的兩個反應(滑石本身生成頑火輝石的反應和滑石與粘土礦物高嶺石生成堇青石的反應(見式5、式6))前后的體積收縮較小,根據(jù)各礦物相的克分子體積值計算,前者收縮不到12%,后者收縮為4.8%。這可以證明,在主要以固相反應的陶質(zhì)和吸水率較高(玻璃相較少)的陶瓷坯體中,滑石有利于減小陶瓷坯體的燒成收縮。但在玻璃相中,Mg2+的拓樸體積為負值,比Na+、K+、Ca2+均小。這說明在玻璃相較多的瓷質(zhì)坯體中,加入滑石將增加這一玻璃相的體積收縮,要特別留意所研制陶瓷坯體的種類、吸水率狀況、玻璃相的多少以及各原料組分的比例,才能得到坯體燒成的正確預期[3]。

堿金屬熔劑中,含Na2O 的鈉長石當熔成鈉長石玻璃時,體積會有少許的膨脹[4]。

鑒于坯用原料燒成收縮率的影響因素,設計不同的堿金屬、堿土金屬熔劑坯體配方來尋找不同熔劑對坯體燒成收縮率的影響規(guī)律。

2.1.1 堿金屬、堿土金屬熔劑對燒后收縮率的影響

K2O、Na2O-SiO2-Al2O3三元體系長石質(zhì)瓷坯體配方中的K2O、Na2O 等堿金屬熔劑主要通過鉀長石、鈉長石引入,CaO、Mg O 等堿土金屬熔劑主要通過黑滑石、硅灰石引入。本次實驗的鉀、鈉、鈣、鎂熔劑分別由水磨鉀長石、精選鈉長石、黑滑石、硅灰石引入。

鑒于鉀長石、鈉長石、黑滑石、硅灰石等不同熔劑高溫熔融性能的特異性,筆者設計了1#、2#、3#、4#配方,在同樣燒成制度的條件下,對比配方中添加不同熔劑的坯體燒后收縮率,總結其對燒后收縮率的影響規(guī)律。1#、2#、3#、4#坯體配方的化學組成見表4;其燒后的收縮率等理化性能數(shù)據(jù)見表5。

表4 不同熔劑配方化學組成(質(zhì)量%)

表5 不同熔劑配方的燒后理化性能

從表4配方的不同熔劑配方的化學組成及表5不同熔劑配方的燒后理化性能可知:

(1)1#、2#配方在Mg O 組分不變、無CaO 組分引入的情況下,高鈉低鉀的2#配方燒后收縮率(10.41%)要比高鉀低鈉的1#配方燒后收縮率(10.52%)小0.11%。

(2)3#、4#配方在CaO 組分不變、無Mg O 組分引入的情況下,高鈉低鉀的3#配方燒后收縮率(10.08%)要比高鉀低鈉的4#配方燒后收縮率(10.29%)小0.21%。

從上述實驗數(shù)據(jù)可知:在堿土金屬熔劑組分不變的情況下,坯體配方中引入Na2O 熔劑比坯體配方中引入K2O 熔劑有利于減少陶瓷坯體的燒成收縮率。

(3)2#、3#配方在高鈉低鉀的堿金屬組分不變的情況下,無鎂鈣質(zhì)的3#配方燒后收縮率(10.08%)要比無鈣鎂質(zhì)的2#配方燒后收縮率(10.41%)小0.33%。

(4)1#、4#配方在高鉀低鈉的堿金屬組分不變的情況下,無鎂鈣質(zhì)的4#配方燒后收縮率(10.29%)要比無鈣鎂質(zhì)的1#配方燒后收縮率(10.52%)小0.23%。

從上述實驗數(shù)據(jù)可知:在堿金屬熔劑組分不變的情況下,坯體配方中引入CaO 熔劑比坯體配方中引入MgO 熔劑有利于減少陶瓷坯體的燒成收縮率。

2.1.2 不同熔劑對燒成收縮率的影響機理

對不同堿金屬熔劑、堿土金屬熔劑的4組坯體配方燒后礦物組成進行半定量分析檢測,其結果見表6。

表6 不同熔劑配方的物相半定量分析(質(zhì)量%)

由表6 可 知,K2O-Na2O-CaO 熔 劑 的3#、4#鈣質(zhì)配方的燒后礦物組成與K2O-Na2O-Mg O 的1#、2#鎂質(zhì)配方的燒后礦物組成相比有明顯不同,鈣質(zhì)配方則出現(xiàn)了新的拉長石Ca0.65Na0.35(Al1.65Si2.35O8)晶相。

這主要是由于引入硅灰石的3#、4#鈣質(zhì)配方,在較低溫度下(1 100℃以下)易與層狀鋁硅酸鹽的粘土類礦物(高嶺石、葉蠟石)加熱釋放的SiO2與Al2O3固相反應生產(chǎn)鈣長石,與鈉長石固溶形成拉長石,減少莫來石的生成量,從而降低燒成收縮率[3]。而引入黑滑石的1#、2#配方燒后礦物組成中無新的晶相出現(xiàn),但莫來石晶相含量遠高于引入硅灰石的3#、4#配方,而莫來石含量越多,則燒成收縮率越大,導致引入黑滑石的1#、2#配方燒成收縮率相對較大。

在同樣CaO 組分的情況下,高鈉低鉀的3#配方比高鉀低鈉的4#配方燒后所形成的拉長石晶相要多,導致3#配方所生產(chǎn)莫來石晶相的有所減少,從而降低坯體的燒成收縮率,即坯體配方引入Na2O 組分比K2O 組分有利于拉長石晶相的生產(chǎn),有利于坯體燒成燒成收縮率的減小。從不同熔劑坯體的燒后礦物組成來看,配方中引入Mg O、K2O 熔劑可促進高嶺石、葉臘石類粘土的莫來石化,而引入CaO、Na2O 熔劑可抑制高嶺石類粘土的莫來石化,尤其是配方中引入CaO熔劑可明顯降低莫來石相的生產(chǎn)量。

2.2 不同CaO 含量的燒成收縮率

為開發(fā)出低收縮率的坯體配方,設計了3#、5#、6#配方,在同樣燒成制度的條件下,對比配方中添加不同比例硅灰石的坯體燒后收縮率,總結其對燒后收縮率的影響規(guī)律。3#、5#、6#坯體配方的化學組成見表7,其燒后的收縮率等理化性能數(shù)據(jù)見表8。

表7 不同比例硅灰石配方化學組成(質(zhì)量%)

表8 不同比例硅灰石配方的燒后理化性能

從表7中不同比例硅灰石配方的化學組成及表8中不同比例硅灰配方的燒后理化性能可知:

(1)坯體配方的燒成收縮率隨著硅灰石用量的增加而呈線性下降,燒成收縮率從10.08%降低至8.36%。

(2)坯體配方的燒成體密度隨著硅灰石用量的增加而也呈線性下降,體密度從2.381 g/cm3降低至2.319 g/cm3。

總之,坯體配方中增加CaO 組分,可有效減小坯體的燒成收縮率,且坯體的燒成收縮率隨著CaO 組分的增加而收縮率呈線性下降。

3 結論

用精選鈉石粉、水磨鉀長石、高溫砂、高鉀砂、葉臘石、煅燒高嶺土、黑滑石、硅灰石、水洗球土A、水洗球土B、高白膨潤土開發(fā)出燒成收縮率達8.36%的K2O、Na2O-CaO-SiO2-Al2O3體系陶瓷巖板坯體配方。

(1)坯體中引入Na2O 熔劑比引入K2O 熔劑更有利于減小燒后收縮率。

(2)坯體中引入CaO 熔劑比引入Mg O 熔劑更有利于減小燒后收縮率。

(3)坯體中增加CaO、Na2O 熔劑,可增加燒后礦物組成的拉長石晶相含量,減少莫來石晶相的含量,可明顯降低坯體燒成收縮率。