汪隴軍

(1 蒙娜麗莎集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)非金屬材料為原料,經(jīng)過制粉、成形、裝飾、高溫?zé)频裙に嚩?。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(diǎn),經(jīng)后期切割、鉆孔、打磨等加工后,廣泛應(yīng)用于家具面板、廚衛(wèi)臺(tái)面板等領(lǐng)域。作為家居領(lǐng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1實(shí)驗(yàn)所用原料及其化學(xué)組成

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所用原料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

續(xù)表1

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

本試驗(yàn)中所用設(shè)備及測試儀器見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

1.3 配方設(shè)計(jì)

筆者以K2O(Na2O)-SiO2-Al2O3三元體系配方為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原則和經(jīng)驗(yàn),所設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)液壓磚機(jī)壓成80 mm×120 mm 的試樣后,并在電熱鼓風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)HB 5353.2-2004熔模鑄造陶瓷型芯性能試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)長石質(zhì)坯體配方低溫快燒工藝,通常會(huì)引入少量的鈣、鎂熔劑來降低配方的共熔點(diǎn),從而促進(jìn)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(fù)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(xué)組成特點(diǎn)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(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)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(qiáng)的可塑性,但粒徑極細(xì)導(dǎo)致燒后收縮率大;同時(shí)燒成過程中,高嶺石類粘土礦物加熱過程中會(huì)生成莫來石(見式1),按礦物的克分子體積計(jì)算,該反應(yīng)的體積收縮率達(dá)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(jì)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(yīng)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(jì)算,硅灰石與高嶺石的固相反應(yīng)體積收縮率為9%,硅灰石與葉臘石的固相反應(yīng)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(gè)反應(yīng)(滑石本身生成頑火輝石的反應(yīng)和滑石與粘土礦物高嶺石生成堇青石的反應(yīng)(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(jì)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(yīng)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(fù)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(yù)期[3]。

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

鑒于坯用原料燒成收縮率的影響因素,設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(jié)其對燒后收縮率的影響規(guī)律。1#、2#、3#、4#坯體配方的化學(xué)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(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)行半定量分析檢測,其結(jié)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(yīng)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(yuǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(shè)計(jì)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(jié)其對燒后收縮率的影響規(guī)律。3#、5#、6#坯體配方的化學(xué)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(xué)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(xué)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(jié)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(dá)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。