废瓷掺量料对陶瓷烧成性能影响

王 群 程小苏 曾令可 王 慧

（华南理工大学材料学院，广东广州 510640）

0 前言

近20 年来，陶瓷行业进入了日新月异的发展阶段，新技术、新设备的大量使用，陶瓷产量也有较大幅度增长。在产量猛增的同时，陶瓷废料的产生量也越来越多，以潮州瓷区为例，年陶瓷生产量200 多万吨，产生的废瓷在10 万吨以上。而且陶瓷碎片千年难以风化，难以处理，环保费用高。大量的陶瓷废料不仅让企业为如何处理而头疼，也让政府为其对环境造成的破坏而大伤脑筋，如何将之变废为宝，成为了整个行业实现可持续发展的当务之急。而于此同时，由于大量开采，瓷土资源正以惊人的速度减少，其中，潮州多数陶瓷厂家依赖的飞天燕瓷土矿在短短十几年间，已从原来的“高山”变成“小丘”。有人预测，以目前这样的开采速度，再过10 年，瓷都可能出现无瓷土开采的尴尬局面！事实上，把陶瓷废弃物回收制成再生陶瓷，可使陶瓷企业减少废弃物的排放量，甚至可以实现零排放，据测，再生陶瓷比普通陶瓷原料成本可下降30%，烧成成本下降50%，一级品率达98%以上，具有较高的环保效益和经济效益。这也是我国经济发展面临着资源短缺的瓶颈，实现资源的循环利用，以达到减量化、无害化、资源化的目的，建立资源节约型、环境友好型社会的重要任务的必然的选择。

1 废瓷的主要性能

1.1 废瓷的破碎

废瓷处理中的主要问题在于废瓷具有很高的强度，与其他原料不同。不同粘土矿物虽然颗粒大小不同，蒙脱石和伊利石的颗粒要比高岭石小，但一般粘土矿物的颗粒很细，其直径一般在1～2μm 以下[1]。而其他的矿物原料，由于本身较多裂纹的存在，也比废瓷更容易破碎。

1.2 废瓷的粒度

图1 废瓷的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of waste ceramics

表1 废瓷的化学组成Tab.1 Chemical composition of waste ceramics

2μm 颗粒很少。而对泥浆性能和烧结性能产生重大影响的是坯料中小于2μm 颗粒所占的比例。因此，废料的利用须配以可塑性好，细颗粒多的二次粘土，在配方的改进方面也要多考虑从粘土方面着手，并且合理控制各工序的含水率和分散剂的加入量，确保成品泥浆的含水率和工艺性能达到生产要求。

1.3 废瓷的组成

废瓷粉的化学组成如表1 所示，化学组成中SiO2、Al2O3含量与长石接近，K2O、Na2O 比长石低，在一般情况下，废瓷粉在釉料配方中可以部分代替长石，既降低了釉料中碱金属氧化物的含量，同时使釉料中SiO2、Al2O3含量不发生明显变化，从而提高釉的始融温度。而釉的始融温度提高，有利于坯体分解物的排出。废瓷已经过高温烧成，在烧成过程中不会再分解气体，因此，烧失量小，可以改善釉面质量，同时可以增强坯体抵抗变形的能力。

图2 为废瓷的XRD 图。从图中可以看到废瓷主要物相为莫来石和石英，图谱中还有较多的弥散峰，说明废瓷中还有部分玻璃相。玻璃相的存在主要是废瓷含有釉层，釉层中玻璃相较多[2]。玻璃相有利于降低陶瓷的烧成温度。

2 废瓷对烧成的影响

为解决废瓷的污染问题并节约资源，人们在烧成工艺及配方设计上都做了大量的工作，但是，目前废瓷的利用量比较低，废瓷的应用范围很窄。通过对生产工艺和原材料配方的研究，陶瓷废料已成功地用于多种釉料的生产中，并取得了较为理想的效果。人们逐渐在卫生陶瓷的生产中也尝试采用陶瓷废料[3]。

2.1 对坯体性能的影响

（1）添加废瓷可以提高浆料的流动性，但必须将掺量控制在适量的范围。卫生陶瓷的形状复杂，高塑性的泥浆不容易从复杂形状的制品中倒出，泥浆留在各个角落和复杂的部位，而后这些地方会因未排出的泥浆和吃浆层的湿度差而在制品风干时出现裂纹。

（2）废瓷已经过了高温的烧结，各部分成分间反应已经较为彻底。废瓷作为瘠性料，可以改善泥料的透水性，加快注浆速度，从而提高模具的效率。废瓷中的有机物、吸附水、结晶水和气体含量都很少，故烧失量很小（＜1%），甚至几乎没有，远远小于粘土等的烧失量。干燥和烧成的过程中收缩较小，在烧成过程中起着骨架的作用，减少了变形，便于控制产品的尺寸。

图2 废瓷矿物组成的XRD分析Fig.2 XRD analysis of waste ceramics

（3）在结晶过程中从母相中最初形成的可以稳定存在的新相的胚胎叫晶核，是新晶体生长的核心。加了废瓷粉比不加废瓷粉的瓷器含有更多的莫来石，这是因为，从图2 可知废瓷片中含有莫来石，莫来石在坯体中起晶核的作用。烧成时，莫来石更容易生成，因此，加了废瓷片的瓷器的强度增大，同时瓷器的热稳定性也得以提高；废瓷本身极少含有气体，致密度高，相应提高瓷器的密度，也提高了瓷器的强度[3]。

需要注意的是，废瓷的使用应配以高可塑性的粘土，保证浆料的悬浮性和稳定性，防止沉底现象，这对制备高质量的陶瓷产品是至关重要的。

2.2 对釉面质量的影响

釉料或坯体中一般有较多的有机物和气体、釉的始融温度低，加上釉的高温粘度大等原因，有机物或无机物高温产生的气体很难排出，使得在釉面容易形成针孔和釉泡，这在一定程度上影响釉面光泽度。为了提高釉面的光泽度，提高产品的档次，通常将一些折射率较高的氧化物加入到釉料中来提高釉面的光泽度[3]。

（1）废瓷已经经过了高温烧结，各项反应都已进行得较为彻底，故而废瓷中的吸附水、结晶水、有机物和其他含量都很少，所以烧失量很小。当加入适量的废瓷粉时，由于气体量的减少，可以减少釉面针孔和釉泡等缺陷。这样就可有效地防止釉在低温阶段和重还原阶段吸附更多的游离碳素。反之，如果游离碳素在高温阶段重新氧化成气体，将会使釉面产生更多的针孔和釉泡，故釉料中引入适量的废瓷粉，釉层中的气孔率大为减少，能防止游离碳素的吸附，从而减少了釉面针孔和釉泡等缺陷的产生。加之，废瓷本身致密度较高，废瓷中的莫来石的折射率高，这些都相应地提高了釉层密度和反射率，对提高釉面的光泽度有积极的作用。

（2）废瓷中各组份已经过高温煅烧，各种反应较彻底，其化学活性明显降低。根据化学动力学可知,其吸热与放热反应均较慢,故而废瓷与釉料中的其它成分反应缓慢[4]，而提高了釉料的始熔温度，有利于坯釉料中物化反应所产生的气体快速排除，从而减少了釉面针孔和釉泡等缺陷，并扩大了釉料的烧成温度范围。

（3）废瓷中含有10%左右的釉料，烧结温度比同类坯料低。当釉料中引入大量的废瓷粉时，可以适当的减少长石等熔剂的量，因此，减少釉中氧化钾和氧化钠等熔剂对釉层网络结构体的破坏，降低釉的膨胀系数。另一方面，废瓷粉有利于形成较厚的坯釉中间层，提高坯釉的适应性，对提高产品的釉面硬度十分有效。

（4）如果氧化钙由废瓷引入，一方面可以解决高钙釉、低长石烧结范围较窄而难以适应梭式窑及隧道窑等烧成的问题；另一方面可以避免低钙釉、高长石在重油还原烧成时出现吸“黄烟”现象。若这些氧化钙不是从废瓷粉中引入，而是从白云石等引入，由于白云石等高温分解有CO2易析出易引起吸“黄烟”现象。生产实践证明，在重油还原气氛中烧成时肯定出现吸“黄烟”，严重影响产品质量。所以，釉中引入含有一定量氧化钙的废瓷粉，易形成光滑、明亮、无针孔的釉面，对提高釉面光泽度有重要的作用。

但是要注意的是，废瓷中的铁、钛的含量较高，部分还含有色釉成分，将降低瓷泥的白度，处理不好，极容易出现质量问题，造成更多的废瓷，所以需要使用遮盖能力强的乳浊釉。由于废瓷粉中的莫来石的折射率比较高，对陶瓷釉面的光泽度提高有利，同时会影响陶瓷制品透光性，当对制品的透光性要求较高时，应减少其用量。

3 废瓷的节能降耗作用

废瓷是烧成之物，故其在烧成过程中所需热量少，因此，可以节省燃料成本。废瓷中含有10%～30%的莫来石晶体，8%～15%的方石英，40%～70%的玻璃相[3]，这些玻璃相使得坯体在烧成过程中较早出现液相，促进烧成，降低烧成温度。生产实践证明，加入30%左右的废瓷制备卫生陶瓷，其烧成温度是1200～1220℃，低于潮州地区卫生洁具瓷的传统烧成温度，目前该地区卫生洁具瓷的烧成温度一般高达1250℃，降低了30～50℃。加之，这几年瓷土的价格以每年10%的速度在增长，废瓷的再生利用显得尤为重要。

4 结论

掺加废瓷，有利于提高陶瓷制品的坯体和釉面质量，能降低制品烧成温度，从而降低产品的成本。我国是世界上最大的陶瓷生产国，废瓷堆积越来越多，污染了环境，极大影响了人们的生活，已经成了一种“公害”。利用废瓷，做到变废为宝，解决了环境污染问题的同时，也是缓解当前资源短缺的良策，具有广阔的应用前景。

1 李家驹主编.陶瓷工艺学.北京:中国轻工业出版社，1995

2 蔡镇城，伍武，曾令可等.废瓷回收利用在卫生洁具生产中的应用.陶瓷，2011（10）：22～24

3 曾令可等.陶瓷废料回收利用技术.北京:化学工业出版社，2007,7

4 徐乃平，缪松兰.废瓷粉在日用细瓷釉中的应用研究.资源节约和综合利用，1998（6）：32～37