液相陶瓷的一種制備技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐

摘 要：本發(fā)明采用溶膠凝膠原理，以膠體二氧化硅為水性樹脂粉，加入酸性膠凝固化劑，在特殊助劑的輔助下，凝膠形成連續(xù)性薄膜，涂在陶坯、石材、生態(tài)板、金屬板表面，形成釉面，相當(dāng)于搪瓷一樣的產(chǎn)品。本產(chǎn)品解決了陶瓷工藝高溫耗能大、排放有毒氣體之類的缺陷，而且緩解了陶瓷產(chǎn)品硬脆易斷裂，不能在圓柱體、邊角異型上難裝飾的痛點(diǎn)，為陶瓷裝飾方面開辟了一條新途徑。

關(guān)鍵詞：陶瓷；溶膠凝膠；陶瓷裝飾

1 引言

陶瓷產(chǎn)品具有悠久歷史，高溫?zé)Y(jié)的瓷磚、瓷板經(jīng)久耐用，不燃燒、耐水、耐磨、耐候、而且美觀大方，是建筑領(lǐng)域中不可缺少的常用產(chǎn)品，尤其是近年來(lái)開發(fā)的釉面磚、大巖板，更是受市場(chǎng)歡迎。但是它有兩個(gè)致命痛點(diǎn)：一是硬脆、易斷裂、不便加工、安裝時(shí)也容易損壞；二是高溫灼燒能耗太大，又排放污染性氣體。國(guó)家對(duì)企業(yè)在節(jié)能減排和環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格。所以許多公司研發(fā)生態(tài)板，包括水泥板、硅鈣板、鎂板、復(fù)合板等，可以不經(jīng)高溫灼燒的無(wú)機(jī)板材，開拓了建材的一個(gè)新跑道，然而它們的裝飾性差，不被廣大用戶接受。針對(duì)現(xiàn)狀，在免燒無(wú)機(jī)板材基礎(chǔ)上，通過(guò)智能型3D打印和液相陶瓷結(jié)合，使表面形成似釉面磚，又勝于釉面磚的高裝飾建材。

目前雖然房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)下滑，但是舊房改造、住房裝飾方面還是很大的。例如高級(jí)背景墻、從會(huì)客廳、大會(huì)堂到會(huì)議室、從公司裝飾到個(gè)體住房，到處都有墻面畫飾。這些裝飾墻畫，要求外觀優(yōu)雅、阻燃、耐水、耐蟲蛀、個(gè)性要求高、大小尺寸不統(tǒng)一、畫面更是多彩多樣，還要有陶瓷釉磚的風(fēng)格顯得高檔。普通紙畫、布畫逐漸被取代，尤其在地下工程，如地鐵，必須符合消防要求，又環(huán)保。在某些部位，如大羅馬柱，瓷磚不能彎曲，塑料類易燃等都不行，必須采用液體陶瓷復(fù)合板，兼有搪瓷釉特質(zhì)，而且容易加工、裁切和彎曲面鋪貼。

2項(xiàng)目研究采用的工藝路線和試驗(yàn)內(nèi)容

2.1采用工藝路線

選用優(yōu)質(zhì)達(dá)到國(guó)家人造板質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)板材，主要生態(tài)板選用硅鈣板、鎂板、水泥板及蜂鋁金屬板，先經(jīng)過(guò)表面砂平再做防堿處理，做成平整白底板材，然后噴涂或輥涂液體陶瓷料，固化成釉面成品。

其中技術(shù)關(guān)鍵因素為：（1）板材強(qiáng)度性質(zhì)由底板決定，必須達(dá)到國(guó)標(biāo)質(zhì)量要求，并且根據(jù)用戶特點(diǎn)，可以有致密高強(qiáng)度型或發(fā)泡成輕質(zhì)板材。（2）表面液體陶瓷形成釉的質(zhì)量和外觀漂亮，由本項(xiàng)目試驗(yàn)取得。（3）表面釉層與底材之間的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2研發(fā)試驗(yàn)過(guò)程

（1）液體陶瓷配方是制備系列產(chǎn)品的核心技術(shù)。整個(gè)配方中含三個(gè)組分：

A組分為納米硅溶膠的穩(wěn)定膠體溶液；

B組分為硅烷系復(fù)合改性劑（包括硅烷或硅烷偶聯(lián)劑、橋接樹脂-R基）；

C組分為促進(jìn)劑，包括醋酸、蟻酸、檸檬酸等混合液。

整個(gè)體系反應(yīng)比較復(fù)雜，有樹脂水解反應(yīng)，形成帶R-COOH或R-OH活性官能團(tuán)，與硅溶膠中硅氧醇基（-SiOH）和羥基（-OH）進(jìn)行接枝脫水縮合反應(yīng)放熱，其反應(yīng)式為：

R'Si（OR）+3HO=R'Si（OH）+3ROH" " " " " " " " " " "（1）

R-COOH/R'（OH）+-SiOH/-OH（A）→-RCOOSi-/-R'SiOSi-+H2O" " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " "（2）

-SiOH/-OH（A）+-SiOH/-OH（A）→SiOSi-+H2O" " （3）

主要結(jié)構(gòu)是由硅溶膠縮聚反應(yīng)形成硅氧鍵鏈接而形成的立體多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。硅氧鍵的鍵能極高，所以非常穩(wěn)定，耐高溫、耐老化性能非常好。次要結(jié)構(gòu)是有機(jī)弱酸、硅烷等復(fù)合改性劑（B）與硅溶膠溶液（A）進(jìn)行脫水縮合反應(yīng)，在硅溶膠中硅醇（-SiOH）或羥基（-OH）反應(yīng)接枝形成長(zhǎng)鏈，穿插在主要結(jié)構(gòu)（-Si-O-Si-）網(wǎng)絡(luò)中，可以增加硅氧網(wǎng)絡(luò)的柔性和釉面層的連續(xù)平整性。反應(yīng)過(guò)程受C組分調(diào)節(jié)pH值來(lái)控制反應(yīng)速度和程度。

液體陶瓷成釉過(guò)程是上述反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)速度主要由C組分來(lái)控制，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)快形成粉狀沉淀二氧化硅，反應(yīng)緩慢進(jìn)行，經(jīng)幾個(gè)小時(shí)充分反應(yīng)之后，烘干失水，才能形成連續(xù)相薄層釉面。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加C組分，提高濃度，（1）和（3）反應(yīng)會(huì)向右移動(dòng)，正反應(yīng)加快。如果濃度過(guò)高，反應(yīng)劇烈會(huì)發(fā)生爆聚，于是我們采用醋酸、檸檬酸、蟻酸等弱酸，保證PH值穩(wěn)定而適中，使反應(yīng)緩慢進(jìn)行。

（2）助劑試驗(yàn)：助劑能改善釉層表面流動(dòng)性，使釉面平整光滑。有些功能性助劑可以殺菌、提高防污染性等。添加助劑試驗(yàn)如表1所示。

由試驗(yàn)結(jié)果得出，選定410流平劑、414復(fù)合流平劑、417流平劑，開展最佳加入量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，選擇加入410流平劑的添加量為B組分的0.5%及0.3%的414復(fù)合流平劑，其效果最佳。

然后對(duì)EC-505的最佳加入量進(jìn)行試驗(yàn)，加入B組分的1%、2%、3%、4%、5%、7%、10%和12%，防污效果隨EC-505的加入量增大而提升，加入3%-5%效果最佳；之后再增加EC-505的量，防污效果并無(wú)提升，而且出現(xiàn)了冒油現(xiàn)象，所以優(yōu)選其加入量為3%。

最終確定液體陶瓷釉的制備配方見表3。

如果制備色釉，則加入色漿即可。例如制備白色釉面層，即需要先制備白漿，配方見表4。

白漿研磨到25微米以下，然后攪拌下加入上述透明釉中，加入量為上述透明釉配方中，加入100-120份。

采用以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的配方，噴涂于底材表面，液體陶瓷固化后，得到表面搪瓷狀釉層，釉層豐滿、致密、硬度達(dá)到6-9H。各種理化性能優(yōu)良，性能如表5所示。

其表面顯微效果圖如圖1。

3經(jīng)濟(jì)效益

采用液相陶瓷在各種板材、異型件上涂飾制成搪瓷類釉面層，其經(jīng)濟(jì)效益舉例說(shuō)明。

例一：采用無(wú)機(jī)板材-3D打印-液體陶瓷工藝制備裝飾板，經(jīng)濟(jì)效益較好，可以產(chǎn)業(yè)化。按中試規(guī)模小型生產(chǎn)為計(jì)算實(shí)例：

市場(chǎng)均價(jià)為參考，成本部分如表6。

表面裝飾層成本：

1.底漆UV用量：2元/㎡。

2.智能3D打?。壕?20*1440dpi，4噴頭速度（材料2.5m×1.25m）標(biāo)準(zhǔn)精度下（4pass，整板）45㎡/h；較高精度（6pass，整板）30㎡/h，超高精度下（8pass，整板）22㎡/h；試驗(yàn)采用較高精度計(jì)算。

成本適中，為21元/㎡。

3.面漆：9元/㎡。

4.液體陶瓷罩面：28元/㎡。

5.加工成本（按40000張/月大板計(jì)算）：車間4000㎡，人員12人，建小型實(shí)驗(yàn)室30萬(wàn)元。采購(gòu)噴涂及3D打印設(shè)備費(fèi)用200萬(wàn)元，廠房租金60萬(wàn)元/年，使用原材料費(fèi)用80萬(wàn)元，人工總薪酬（一年）90萬(wàn)元，業(yè)務(wù)招待、考察、調(diào)研等費(fèi)用10萬(wàn)元/年。

綜合生產(chǎn)成本為100～120元/㎡，每月40000張板，360元/張，總計(jì)360×40000=1444萬(wàn)元/月。

銷售市場(chǎng)均價(jià)為200元/㎡，每張板600元，每月2400萬(wàn)元。

銷售費(fèi)用300萬(wàn)元/月，毛利為660萬(wàn)元/月，每年毛利約7000萬(wàn)元。

例二：以江門陶瓷性水龍頭試產(chǎn)實(shí)例，生產(chǎn)車間投入1282萬(wàn)元，年產(chǎn)49500套，生產(chǎn)成本見表7。

綜合估算，投資為1282萬(wàn)元，年產(chǎn)值為2227萬(wàn)元，成本為1012萬(wàn)元，年毛利率為1215萬(wàn)元。投資回報(bào)周期約一年。

4新技術(shù)新產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用

目前陶瓷產(chǎn)品，經(jīng)久耐用、美觀大方，已在建材裝飾工程上得到廣泛使用。但是耗能大，環(huán)境污染，而且質(zhì)地硬而脆，容易斷裂，在安裝過(guò)程容易損壞，又不易切割加工，很難打釘子，又不能彎曲，使用受到了一定的限制。我們開發(fā)的液相陶瓷，成型之前是流體，可以在板材及各種異型構(gòu)件上固化成釉，具有接近陶瓷的各種優(yōu)點(diǎn)，如烤瓷一般。

如果底材選用可彎曲軟瓷、可適當(dāng)彎曲的生態(tài)板、鋁板之類，則制成的仿瓷磚產(chǎn)品，就可在羅馬柱，吊頂?shù)雀鞣N場(chǎng)合使用。例如巖板，近年來(lái)發(fā)展很快，在整體化裝飾中很受歡迎。由于大板太重，拖工難度大，許多公司試制薄型3mm的大巖板，然而薄板經(jīng)不住壓機(jī)磨砂、拋光、極易斷裂，又不便上釉美化，采用液相陶瓷來(lái)上釉表層，非常漂亮的外觀之外，不必高溫?zé)?，解決了薄板痛點(diǎn)。

地下工程如地鐵裝飾、各站臺(tái)的大羅馬柱、有機(jī)涂裝、塑料加工均不可以，易燃品不準(zhǔn)用，無(wú)機(jī)類瓷磚不能彎，做不成羅馬柱。采用液相陶瓷法，在柔性生態(tài)板或鋁板上，結(jié)合液相陶瓷成表面釉，就可制成設(shè)計(jì)要求大小的圓柱狀、異型的各件配件，做成羅馬柱，實(shí)現(xiàn)“陶瓷上墻”。

在生態(tài)板上用液相陶瓷配合3D打印，做成高級(jí)背景墻，應(yīng)用范圍更是非常廣泛。

5結(jié)論

（1）液相陶瓷為流體，在各種材料上結(jié)合制成表面釉，相似于搪瓷一類，不必高溫煅燒成釉，節(jié)能環(huán)保。

（2）液相陶瓷固化之后，理化性能優(yōu)良，優(yōu)于各類涂料質(zhì)量，其耐溫不燃，高硬度、高耐磨，都接近陶瓷產(chǎn)品。

（3）解決了瓷磚脆裂痛點(diǎn)，易加工。所以應(yīng)用前景良好。

6不足之處和持續(xù)改進(jìn)

液相陶瓷作為一種新型的無(wú)機(jī)裝飾材料，拓寬了陶瓷行業(yè)的市場(chǎng)范圍，補(bǔ)充了瓷磚的應(yīng)用場(chǎng)景。但是大幅度推廣使用尚有不足之處，技術(shù)難度較大，制備液相陶瓷要求比較高的技術(shù)含量，尤其是慢反應(yīng)充分熟化必須嚴(yán)格。另外，在應(yīng)用時(shí)，與底材的結(jié)合往往要求高，許多材料上附著力不好。為此，我們將繼續(xù)改進(jìn)，通過(guò)引入硅烷及納米纖維，增加液相陶瓷固化后與底板的結(jié)合力，增加柔韌性，防止裂紋，并且設(shè)計(jì)免熟化的化學(xué)反應(yīng)，以提高生產(chǎn)效率。

參考資料

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