陳冀渝

（四川省建材工業(yè)科研院 成都 610081）

前言

隨著建筑陶瓷工業(yè)的不斷發(fā)展，輕質薄型建筑陶瓷制品已成為今后的發(fā)展方向。用作建筑外裝飾材料的大規(guī)格陶瓷薄板（下稱陶瓷板）隨之應運而生，并得到廣泛的應用，市場前景廣闊。但一方面由于陶瓷板長期暴露在室外，在冬季遇水易凍結，會引起體積膨脹，特別是陶瓷板規(guī)格越大，凍害問題越突出。另一方面，雖然對陶瓷板的研究已有一段時間，規(guī)格為1m×1m×5mm的陶瓷板也已投放市場，但就目前的實際生產狀況而言，陶瓷板的規(guī)格越大，生產難度越大。其主要原因是受瓷質原料（如長石等和粘土中石英所含游離二氧化硅）的影響。即由于石英膨脹系數(shù)大，陶瓷板在燒成過程中，冷卻時容易產生溫度梯度差，引起內應變，導致冷裂現(xiàn)象產生。而且由此帶來的負面效果是燒成速度慢，生產效率低的問題。目前雖然也有膨脹系數(shù)小的原料如堇青石和透鋰長石，但由于其價格昂貴，難以作為批量材料以低價在市場上銷售。陶瓷板通常需在高于1200℃的溫度下燒結，易引起產品軟化變形，因收縮率超過10%，尺寸精度降低。

據(jù)有關專利技術文獻報道的一種改善脆性，提高彈性的陶瓷板生產技術。它采用針狀結晶礦物（纖維狀結晶礦物）——β型硅灰石與粘土和滑石均勻配料，以同一方向定向排列的硅灰石針狀結晶礦物成形坯板，后燒結，生產出具有高彈性的陶瓷板。不過，針狀結晶礦物的硅灰石屬于低溫型礦物，曾廣泛應用于不同工業(yè)領域，其中也包括陶瓷領域，但若采用與燒成瓷質磚相同的條件，在1200℃以上的高溫下燒結，使其致密化并降低吸水率，低溫型硅灰石在溫度接近1120～1130℃時，其結晶則轉變?yōu)楦邷匦凸杌沂?，針狀結晶開始產生變化而失去效果，雖然隨著其逐漸瓷質化和致密化，坯體吸水率降低，但同時還會隨著軟化變形而引起內應變，易導致產品龜裂。由此可見，就目前陶瓷板的生產現(xiàn)狀而言，因燒成溫度低于1100℃，吸水率高達10%，產生凍害的問題無法避免。因此，本研究的目的就在于解決上述存在的技術問題，為市場提供高性能的大規(guī)格薄型陶瓷板。

1 研制方案

為了解決上述存在的技術問題，只有控制在低于低溫型硅灰石針狀結晶轉變溫度下燒結時的反應性，保持其針狀結晶不變，即使使用瓷質成分的原料，在低于低溫型硅灰石針狀結晶轉變溫度下燒結，坯體也會變得致密，吸水率降低，才能研制出抑制冷裂、燒成收縮小、切割加工性好、抗凍性高的陶瓷板。正是基于這一技術觀點，筆者通過潛心研究，獲得了優(yōu)選的研制方案。

研制結果表明，以滑石、瓷質成分的原料、針狀結晶礦物的低溫型硅灰石和可塑性粘土為主要原料進行配料、混合，以硅灰石均勻定向排列，成形出薄形坯體，在低于低溫型硅灰石結晶轉變溫度的條件下燒結，可燒制出吸水率低（3 %以下）的陶瓷板，因此抗凍性能優(yōu)良，在寒冷地區(qū)的屋外使用也沒有問題。

燒制高性能的陶瓷板是以滑石、瓷質成分的原料如長石、高嶺石等、低溫型硅灰石和可塑性粘土為主要原料，其配料組成如表1所示。

表1 陶瓷板的配料組成及外觀評定結果（質量%）

續(xù)表1

原料所用低溫型硅灰石最好是長纖維和短纖維的混合粉體。這樣可使硅灰石的粒度保持均衡，有助于反應更穩(wěn)定，以便于批量生產吸水率在3%以下的陶瓷板。

1）配料中滑石是一種必不可少的成分。它不僅具有提高坯體成形的作用，還發(fā)揮與瓷質成分共熔的作用，可降低熔融溫度?；幢?所示的配比摻雜使用。其粒度在44μm以下，顆粒分布的中位粒徑以5μm為宜。試驗結果表明，不添加滑石，不僅坯體成形性差，而且難以發(fā)揮共熔作用，需在高溫下使其致密化，使低溫硅灰石結晶轉變。反之，如滑石添加量過多，其羥基就少，缺乏可塑性會影響成形性，而且反應過程中生成的非晶質二氧化硅轉變?yōu)榉接⑹赡軙鹄淞选?/p>

2）瓷質成分的原料為長石、高嶺石等，根據(jù)堿含量（K2O、Na2O）和粒度的不同來調整摻入量。其堿含量在3%以上，粒度為44μm以下的顆粒至少在80%以上，最大粒度最好在110μm以下?？紤]到與滑石的相互作用，按表1所示的配比進行配料。試驗表明，不添加瓷質成分的原料，滑石作為礦化劑與粘土和硅灰石急劇反應，易產生軟化使其變形，引起內應變，這成為陶瓷板翹曲的主要原因之一；反之，瓷質成分的原料配比過多，瓷質化作用過大，也易引起坯體軟化變形，使低溫型硅灰石形狀得不到保持，難以制成合格的陶瓷板。試驗還表明，以一定百分比的質量添加K2O、Na2O的堿分總含量在10%以上的長石粉，可進一步降低陶瓷板的燒成溫度。

3）低溫型硅灰石也是配料中一種必不可少的成分。因為它能起到保持陶瓷板形狀和提供鈣源來獲得所需灰長石反應性生成物的作用。雖然硅灰石粒度（纖維長度縱橫尺寸比）越大，陶瓷板的形狀保持效果越好，但過大反而會降低反應性，因此以縱橫尺寸比在20以下為宜。硅灰石使用量以表1所示的配比摻入為佳，因為其配比越大，達到致密化的溫度要求越高，反應性更急劇，不利于陶瓷板的燒制；雖然配比越少可進一步降低燒成溫度，但不利于防止龜裂和保持陶瓷板形狀。

4）作為主要原料之一的可塑性粘土同樣按表1所示的配比使用，否則因摻入量過少，可塑性差，坯料在以硅灰石同一方向定位成形坯板過程中難以成形，或因摻入量過多，干燥性變差，導致生產效率降低，還因其它主要原料配比減少，即使在低于硅灰石結晶轉變溫度下燒結，也得不到能滿足性能要求的陶瓷板。

2 生產試驗

2.1 試驗1

以滑石、長石、高嶺石、木節(jié)粘土和長纖維硅灰石（縱橫比20以下、中心纖維長度為210μm）為主要原料，按表1所示用量配比，將混合的粉料置于混料機中混合攪拌15min，外加20%拌和水，混練成坯料，經(jīng)真空練泥機擠出泥料，由輥壓機壓延，再切割成尺寸為950mm×1895mm×5.3mm的坯板，后送入輥道窯，緩慢升溫燒結，燒制成吸水率為2.5%的陶瓷板，并對其進行外觀評定，評定結果見表1。結果表明，2＃、5＃、7＃、9＃、10＃和11＃的陶瓷板外觀狀態(tài)良好，而未摻入和摻入40%滑石的陶瓷板（1＃和3＃）、未摻入和摻入50%瓷質成分的陶瓷板（4＃和6＃）以及未摻入硅灰石的陶瓷板（8＃）的外觀狀態(tài)較差。

圖1、圖2、圖3和圖4是燒成溫度與吸水率關系曲線圖。由于7＃陶瓷板摻有堿含量（5%）超過長石細粉（10%），可在低于1078℃下燒成吸水率為2.5%的陶瓷板。

表24 ＃和10＃陶瓷板性能測定結果

表2列出了4＃和10＃陶瓷板的物理性能。從表2可以看出，燒成溫度為1091℃、厚度為4.3mm的10＃陶瓷板的各項性能良好，其吸水率低至2.5%，具有良好的抗凍性，抗彎強度高達48MPa，容重為2.2g／cm3，具有質量輕，便于施工等優(yōu)點；收縮率為5.6%，具有較好的尺寸精度。而4＃陶瓷板在同一溫度下燒結出現(xiàn)軟化變形，因此為保持其形狀穩(wěn)定，將燒成溫度降至1070℃，結果其吸水率高達12%，抗凍性變差；抗彎強度為40MPa，低于期望值。

圖11 ＃、2＃、3＃陶瓷板吸水率與燒成溫度的關系

從10＃陶瓷板的下面著重于燒成溫度與吸水率即致密度的關系來看，在1088℃和1098℃的2個溫度的曲線呈右偏下垂狀，不成正比例（直線）。圖5為1＃陶瓷板的吸水率與圖4曲線斜度的關系。從圖5可知，曲線狀態(tài)變化大，可推定這是由于上述溫度帶反應急劇所致。該溫度帶接近硅灰石結晶轉變溫度，激發(fā)反應的內能，提高了反應性。而該反應性又與粒度（表面積）密切相關，表面積越大，反應性越高。

表3為所用硅灰石顆粒分布測定結果。

表3 硅灰石顆粒分布

續(xù)表3

由表3可以看出，1088℃下主要是粒度在125μm以下的硅灰石進行反應，1098℃下主要是粒度在150μm以上的硅灰石進行反應。在試驗中，另取40%木節(jié)粘土、25%低溫型硅灰石和35%廢玻璃粉配料，按上述同一成形過程，成形坯板、干燥、燒結，制成陶瓷板。該陶瓷板在1080℃下的收縮率為5.1%，吸水率為3.4%，但有干燥裂紋和冷裂產生。X射線衍射分析還表明，存在方英石峰。雖使用玻璃粉可低溫燒結，但受玻璃粉反應性影響，轉變?yōu)橐合嗟姆蔷з|二氧化硅，生成方英石。由于方英石的存在，在200℃附近，熱膨脹變化大，耐熱沖擊性降低，從而導致冷裂。因此用玻璃粉難以燒制陶瓷板。而在共熔作用下，降低燒結溫度以保持低溫型硅灰石纖維狀態(tài)，這可使生成的液相含有較多的結晶相，緩和熱沖擊，有助于燒制陶瓷板。

2.2 試驗2

采用長纖維與短纖維低溫型硅灰石的配合使用，調整其粒度，對反應穩(wěn)定性的作用進行了試驗。試驗中使用a和b的2種短纖維（見表4），按表5所示的配比和試驗1的試驗過程，混合攪拌、混練坯料、擠泥、壓延、切割成同一規(guī)格的坯板，后干燥、入窯燒結，制成陶瓷板。

表4 長、短纖維型硅灰石的顆粒分布

試驗2結果表明，與試驗1中的3＃陶瓷板一樣，均未產生龜裂，也無翹曲，外觀表現(xiàn)良好。燒成溫度與吸水率變化關系如圖4所示。由圖4中表明，2＃陶瓷板的燒成溫度與吸水率的關系略呈反比例關系，用短纖維來調整硅灰石粒度可在低于全使用長纖維時的燒成溫度下，獲得3%以下的吸水率。這意味著與短纖維硅灰石配合使用，可在低于結晶轉變溫度下燒制出無結晶轉變、形狀穩(wěn)定的陶瓷板。

圖5表示了1＃、2＃、3＃和4＃陶瓷板吸水率與圖4曲線斜度的關系，從圖5可以看出，由此形成的2＃和3＃陶瓷板曲線變化小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，只使用短纖維硅灰石的4＃陶瓷板，因其粒度的關系，燒成溫度有所降低，但與只使用長纖維陶瓷板一樣，不能控制其反應性。

表5 長、短纖維硅灰石配比及陶瓷板配料組成（質量%）

表61 ＃、2＃陶瓷板物理性能測定結果

表6列出1＃和2＃陶瓷板吸水率為2.5%時的物理性能。在表6中，盡管2＃陶瓷板的燒成溫度低，其物理性能基本與燒成溫度高的1＃陶瓷板的相同，這說明在降低燒成溫度下也能燒制性能好的陶瓷板。

表71 ＃陶瓷板與2＃陶瓷板的尺度公差

表7就長度尺寸約為1800mm的1＃和2＃陶瓷板的縱向左右端尺度公差作了對比。經(jīng)測定，1＃陶瓷板的尺度公差為4.0mm，而2＃陶瓷板的尺度公差僅為1.4mm。據(jù)推定這是由于硅灰石粒度通過調整，使粒度均衡化，因而提高了尺寸穩(wěn)定性。

3 結語

采用滑石、瓷質成分的原料如長石、高嶺石等低溫型硅灰石（最好是長纖維和短纖維型的混合粉體）和可塑性粘土為主要原料的粉料進行混合配料，以針狀結晶礦物均勻定向于同一方向擠泥、壓延，成形坯體，在低于低溫型硅灰石結晶轉變溫度下燒結，可制成吸水率小、抗凍性好、抗彎強度高的輕質大規(guī)格陶瓷薄板。

1 曾令可，等.大規(guī)格陶瓷薄板的特性及燒成技術.全國性建材核心期刊——陶瓷，2013（2）：28～31

2 セラボー株式會社.薄板狀の焼結體おびその製造方法.特開昭2006－89570

3 陳迪晴.擠出成形大規(guī)格陶瓷薄板的生產工藝.佛山陶瓷，2008（4）：9～13