烧成温度对低温玻化砖性能的影响

赵田贵，董伟霞，施怡康，包启富，周健儿，刘贤本，刘书杰

(景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403)

烧成温度对低温玻化砖性能的影响

赵田贵，董伟霞，施怡康，包启富，周健儿，刘贤本，刘书杰

(景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403)

摘 要：在前期研究的基础上以特白钾砂、诸暨瓷砂为主要原料，选取建宁长石、钠长石和锂瓷石为熔剂，采用压制成型法制备性能优良的低温玻化砖。考察烧成温度对玻化砖性能的影响。通过XRD和SEM测试对材料的晶相和显微结构进行了分析。研究结果表明：以建宁长石加入量4wt.%，钠长石加入量16wt.%，锂瓷石加入量11wt.%，在烧成温度为1150 ℃、保温时间为20 min时，玻化砖各项性能可达到：烧成收缩为7.21%、抗弯强度为65.8 MPa、吸水率为0.11%。

关键词：玻化砖；吸水率；烧成温度；抗弯强度

E-mail:weixia_dong@sina.com

0　引 言

近年来随着陶瓷技术的不断发展，玻化砖尤其是大规格的玻化砖已经成为家居装饰的主流。这种陶瓷砖拥有天然石材的质感，而且还拥有高硬度、高耐磨性、高光泽度、吸水率低、色差少、规格多样化和色彩丰富等诸多优点。用玻化砖装饰铺贴的建筑会显示出更加高雅的品味，能将古典与现代的美感兼容并蓄。在国内外建筑陶瓷行业已经成为CO2废气排放重灾行业，它加剧了地球温室效应。玻化砖是建筑陶瓷主要产品之一，它的烧成温度通常在1200 ℃到1250 ℃之间，烧成周期一般为48到100 min，在保证产品性能指标符合已颁布的玻化砖国家技术标准的前提下，使烧成温度降低100 ℃左右，依然是国内以及国外难以攻克的技术壁垒。本论文在前期实验的基础上[1, 2]，采用三元复合熔剂降低陶瓷玻化砖的烧成温度，主要考察烧成温度对低温建筑玻化砖的性能影响。

1　实验过程

1.1实验原料

1.2样品制备

按照配方组成(wt.%)：钠长石16%，锂瓷石11%，建宁长石粉4%，特白钾砂33.8%，诸暨瓷砂27.2%，粘土13.6%，球土SW-211 5.4%，将配制好的原料经不同球磨时间后干燥，加入一定量的PVA作为粘合剂，干压成型(20 MPa)，考察烧成温度对其玻化砖性能的影响。

1.3性能测试与表征

采用日本电子公司生产的JSM-6700F型扫描电子显微镜分析形貌。采用德国Bruker D8-Advance 型X射线衍射仪测试样品的物相。采用阿基密德定律测定多孔陶瓷的吸水率和体积密度。采用三点弯曲法，将试样至于10KN微机控制电子万能试验机上，测定试样的抗弯强度。

表1　实验原料Tab.1 Experiment raw materials

2　结果分析与讨论

2.1 不同烧成温度对样品烧结性能的影响

从实验结果可知，当烧成温度为1120 ℃时，样品生烧，故在图1中略去。图1是不同烧成温度下样品的吸水率，体积密度和烧成收缩。烧成收缩，吸水率和体积密度是表征样品烧结性能的最基本参数之一[3]。从图1中可以看出，样品随着烧成温度的增加，样品的吸水率逐渐降低，而体积密度保持2.40 g/cm3不变。当烧成温度超过1170 ℃时，样品的吸水率反而增加。此时，样品的体积密度却随着烧成温度的升高而降低，如图1(a)所示。然而，随着烧成温度的升高，样品的烧成收缩先增加后降低，在1150 ℃呈现最大值7.21%，如图1(b)所示。这是由于随着烧成温度升高到1170 ℃，由于已达到三元熔剂组分的低共熔点液相量急剧增多，会包裹气孔形成闭口气孔。从而使其吸水率降低，相应地体积密度也随之降低。当烧成温度超过1170 ℃时，样品过烧程度增加，体积随之发生膨胀，闭口气孔被冲破，从而导致吸水率增加，体积密度进一步降低[4-6]。从上述实验结果可知，当烧成温度在1130 ℃-1150 ℃时，样品的吸水率都小于0.5%，体积密度在2.40 g/cm3和烧成收缩都大于6.5%，这说明该样品具有较宽的烧结温度范围，适宜于工业化生产。

图1　不同烧成温度样品的(a)吸水率和体积密度、(b)烧成收缩Fig.1 Variation of (a) water absorption, bulk density, and (b) firing shrinkage of the samples with firing temperature

2.2不同烧成温度对样品抗折强度的影响

图2是样品在不同烧成温度下的抗弯强度。随着烧成温度升高，样品的抗弯强度先增加而后减少，当烧成温度在1150 ℃时，其样品的抗弯强度达到最大值。这主要是由于在三元熔剂配方中，锂瓷石有强烈的助熔效果，随着烧成温度的升高，产生的液相量越来越多，可以填充坯体中的气孔，使坯体达到致密化，故提高了试样的抗折强度。当继续升高烧成温度时，由于已达到三元熔剂组分的低共熔点液相量急剧增多，气孔来不及被填充，又被液相所包裹，导致样品性能恶化[4]。

图2　不同烧成温度样品的抗弯强度Fig.2 Variation of bending strength of the samples with firing temperature

图3　不同烧成温度样品的XRD曲线(a)1130 ℃;(b)1150 ℃;(c)1170 ℃;(d)1190 ℃Fig.3 XRD patterns of the samples fired at different temperatures:(a) 1130 ℃; (b) 1150 ℃; (c) 1170 ℃; (d) 1190 ℃

图4　不同烧成温度样品表面的SEM照片(未腐蚀)：(a)1130 ℃;(b)150 ℃;(c)1170 ℃;(d)1190 ℃Fig.4 SEM images of the uncorroded samples fired at different temperatures:(a)1130 ℃;(b)1150 ℃;(c)1170 ℃;(d)1190 ℃

2.3样品的显微结构分析

图3是样品在不同烧成温度样品的XRD图谱。从图3可以看出样品是由石英主晶相(PDF卡片号：51-1377)组成，并伴随有少量的Al2Si4O10(PDF卡片号：25-0021)晶相，并且随着烧成温度的升高，石英晶相的衍射峰强度越来越低 [即I(cps)=670,585, 485,420]，说明石英晶相量随之减少。这主要是由于样品中的石英随着烧成温度的升高而逐渐被熔融，随着石英熔融量的增加，液相的粘度与数量逐渐增加，从而导致样品致密化程度增加，相应地样品的抗折强度增加。但继续增加温度超过1170 ℃时，尽管石英熔融量进一步增加，但液相量急剧增加速率远大于石英熔融的速率，致使液相迅速包裹未排出的气孔，相应地，样品的性能有所降低(如图1和图2所示)。

图4是样品在不同烧成温度下的SEM图片。从图中可以看出，所有样品表面都比较致密；并且随着烧成温度的升高，样品表面越来越光滑。这主要是由于随着烧成温度的升高，液相量越来越多，石英颗粒被熔融，从而使表面光滑程度提高。正是由于样品所呈现的致密化程度高，因此样品都具有较低吸水率(<0.5%)。随着烧成温度的升高，样品中的石英晶相含量较高(如图3(b)所示)，同时，石英颗粒熔融到液相中，导致玻璃相粘度增加，因此样品的抗折强度进一步提高。当烧成温度继续升高到1170 ℃时，石英颗粒继续熔融，由于烧成温度的提高液相量迅速增加，其增加速率远高于石英颗粒的熔融速率，气泡被玻璃相所包裹，此时气孔以闭口气孔形态存在，但样品表面呈现出轻微过烧。因此吸水率减少，抗折强度减小。继续升高温度到1190 ℃，液相量迅速增加包裹了未排出的气孔[5, 6]，样品中的气孔冲破排出，过烧程度进一步增加。因此，样品表面呈现出少量气孔的形态，相应地，使样品的吸水率增加，而样品的抗折强度进一步降低。

3　结 论

研究结果表明：随着烧成温度的提高，样品中的石英晶相含量较高，同时石英晶相熔融度增加，导致液相粘度增加，从而使样品的抗折强度增加；随着温度的进一步提高，样品中的石英晶相含量降低，而此时液相量增加速度远远高于石英晶相的熔融度，包裹了未排除的气孔，因此试样的抗折强度反而降低，烧结性能恶化。当烧成温度在1150 ℃，保温时间为20 min时，玻化砖各项性能符合国家标准(烧成收缩为7.21%，抗弯强度为65.8 MPa，吸水率为0.11%)。

参考文献：

[1]刘昆, 周健儿, 汪永清, 等. 超低温(≤1100 ℃)玻化砖的研究与开发[J]. 中国陶瓷工业, 2012, 19(6): 14-17. LIU Kun, et al. China Ceramic Industry, 2012, 19(6): 14-17.

[2]周健儿, 刘昆, 汪永清, 等. 锂瓷石在超低温玻化砖中的应用研究[J]. 陶瓷学报, 2010, 31(45): 29-33. ZHOU Jian’er, et al. Journal of Ceramics, 2010, 31(45): 29-33.

[3]MARTIN-MARQUEZ J , RINCON J M, ROMERO M . Effect of microstructure on mechanical properties of porcelain stoneware. J. Eur. Ceram. Soc., 2010, 30(15): 3063-3069.

[4]STATHIS G, EKONOMAKOU A, STOURNARAS C J, et al, Effect of firing conditions, filler grain size and quartz content on bending strength and physical properties of sanitary ware porcelain. J. Eur. Ceram. Soc., 2004(24): 2357-2366.

[5]DE NONI A Jr, HOTZA D , SOLER V C, et al. Influence of composition on mechanical behaviour of porcelain tile. Part II: Mechanical properties and microscopic residual stress. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527(7-8):1736-1743.

[6]MARTIN-MARQUEZ J, RINCON J M, ROMERO M. Effect of firing temperature on sintering of porcelain stoneware tiles. Ceram. Int., 2008, 34: 1867-1873.

通信联系人：董伟霞(1977-)，女，博士，副教授。

Received date: 2014-09-01. Revised date: 2014-09-18.

Correspondent author:DONG Weixia(1977-), female, Ph. D., Associate professor.

Effects of Firing Temperature on the Properties of Low-Temperature Porcelain Building Tiles

ZHAO Tiangui, DONG Weixia, SHI Yikang, BAO Qifu, ZHOU Jian’er, LIU Xianben, LIU Shujie (Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Abstract:In this paper, the low temperature porcelain building tiles were prepared by fast firing process using white potassium and Zhuji porcelain sand as main materials, and Jianning feldspar, soda feldspar and lithium china stone as fluxes. Effects of firing temperature on the properties of low temperature building tiles were studied. The crystalline phase and microstructure of the sample were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) analysis. The results showed that when fired at 1150°C and heat soaked for 20 min, mixed with 4% Jianning feldspar, 16% soda feldspar and 11% lithium china stone as fluxes, the properties of the sample were optimal, with the linear shrinkage of 7.21%, the water absorption of 0.11% and the bending strength of 65.8 MPa.

Key words:porcelain building tile; water absorption; firing temperature; bending strength

中图分类号：TQ174.76

文献标志码：A

文章编号：1000-2278(2015)01-0048-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.011

收稿日期：2014-09-01。

修订日期：2014-09-18。

基金项目：江西省研究生创新专项基金项目(编号：YC2013-S252)；大学生创新创业训练计划项目(编号：703301-012)。