以陶瓷抛光废渣为发泡原料制备轻质釉面砖的研究

许林峰　曾德朝　钟保民

(广东东鹏陶瓷股份有限公司　广东 佛山　528031)



以陶瓷抛光废渣为发泡原料制备轻质釉面砖的研究

许林峰曾德朝钟保民

(广东东鹏陶瓷股份有限公司广东 佛山528031)

以抛光废渣为发泡原料，结合粘土、石英、钾长石等陶瓷原料，制备出抗变形能力好的轻质陶瓷砖坯；并研制出热膨胀系数与轻质砖坯适配的高温釉料和低温釉料；采用双层布釉的方法，制备出釉面质量良好的轻质釉面砖。测试结果表明：轻质陶瓷砖釉面具有优异的防污性能，抗折强度达到8.47 MPa，导热系数为0.39 W/m·K。

陶瓷抛光废渣釉面砖轻质砖防污性能

从2014年开始，我国陶瓷砖产量已突破100亿m2，其中需要抛光的产品超过35%。每生产1 m2抛光砖需要抛掉厚度为0.8～1.2 mm的砖表面层，从而产生2.0 kg左右的陶瓷废料。这些废料中通常含有少量的碳化硅，其来源于抛光磨头。由于碳化硅颗粒尺寸细小(微米级)，性质稳定，因此难以通过普通的物理或化学方法进行分离或去除。在碱性熔体侵蚀下，碳化硅在氧化气氛中容易氧化(反应温度低于700 ℃)产生气体。这些废料作为陶瓷原料循环再利用时，在烧成过程中容易引起陶瓷砖严重发泡、变形，使得生产工艺难以稳定，产品不合格。同时，抛光废渣成分不稳定也是限制其应用的因素之一。

抛光废渣每年的排放量超过700万t，又难以资源化利用，生产所产生的大量废料已经不能用简单的填埋方法来解决了。大量堆积的陶瓷废料侵占土地，污染水源、空气和土壤环境[1～3]。如果不对这些废料进行加工处理或再利用，不断产生的陶瓷废料将严重破坏我们的生存环境。如何将其变废为宝，废料资源化利用，己成为陶瓷生产企业和环保部门共同关注的问题[4～7]。

抛光废渣资源化利用的研究和实践工作早在十多年前就已经开展了。许多高校和科研院所对抛光废渣进行了详尽的基础研究，发表了大量的论文。一些企业也对将抛光废渣作为陶瓷原料，用于制备陶瓷砖的实践工作进行了大胆的尝试。有企业将少量(5%左右)抛光废渣加入到抛光砖底料中，由于双层布料的抛光砖底层可以烧结程度低一点，从而可抑制碳化硅的氧化。另外，底层有少量的发泡不会引起砖的变形和表面防污性能；也有企业将抛光废渣加入到生烧的釉面瓷片中，加入量可以达到30%；还有企业直接利用抛光废料的发泡性质制备轻质陶瓷砖，加入量可以超过50%，甚至达到80%。这种轻质陶瓷砖由于体积密度小(可以达到0.4 g/cm3)，因此具有良好的隔热和隔音性能[8]。这种陶瓷砖既符合目前国家提倡的“绿色环保”政策，又具有良好的经济效益和社会效益，值得研究开发。

目前，利用抛光废渣制备轻质陶瓷砖，面临的问题主要有两方面：一是控制坯体变形，二是表面防污。针对这两方面的问题，笔者对采用抛光废渣为发泡原料，制备表面平整且防污的轻质釉面砖进行了研究。

1　实验

1.1原料

实验使用的原料有：建筑陶瓷企业的抛光废渣、球土、桂丹泥、钾长石、滑石、氧化铝和石英砂。原料的化学组成见表1。

表1　原料的化学组成(质量%)

1.2工艺流程

1.2.1轻质砖坯的制备工艺

本研究中的轻质砖坯的基础配方(质量%)为：球土20，桂丹泥35，钾长石20，石英23，氧化铝2。经大量的实验研究发现，此配方的抗变形能力较好，加入抛光废渣后，依然具有良好的尺寸稳定性。坯体的制备工艺流程见图1，其中行星球磨时间为10 min。

图1　坯制备的工艺流程图

1.2.2釉料的制备工艺

本研究采用的釉料配方有两个，一个是熔融温度较高，其配方组成(质量%)为：球土15，桂丹泥27，滑石24.5，钾长石18，石英15，氧化铝0.5；另一个是熔融温度较低，其配方组成(质量%)为：球土15，桂丹泥13，滑石20，钾长石22，石英30。釉料的制备工艺流程见图2，其中行星球磨时间为30 min，过250 目筛。

图2　釉制备的工艺流程图

1.2.3喷釉工艺

采用空气喷枪对干燥的砖坯进行喷釉，可以连续喷2次。如果还需要继续喷釉，必须对砖坯先进行干燥，然后再喷釉。

1.2.4烧成工艺

对生坯进行干燥处理后，将其置于耐火垫板上，在辊道窑中直接烧成。烧成周期为100 min，烧成温度为1 200 ℃。

1.3测试方法

1.3.1显微结构观察

采用荷兰Philips公司的XL30FEG型扫描电子显微镜(SEM)观察样品的表面和断面形貌。

1.3.2抗折强度测试

采用三点抗弯法，在CMT系列电子万能试验机上测试其抗折强度，加载速率为0.5 mm/min。测试样品数量为10个，测量样品的宽度和长度时分别取两边和中间的3个点，计算其平均值。抗折强度的计算公式为：

σ= 3FL/(2bh2)

式中：F——最大载荷；

L——跨距，cm;

b——样品宽度，cm;

h——样品厚度，cm。

1.3.3体积密度的测定

采用排水法测定样品的体积密度，测试样品数量为每种5片。体积密度的计算公式为：

ρb=M1×D1/(M3-M2) ×100%(g/cm3)

式中：M1——干重，g;

M2——水中浮重，g;

M3——饱和湿重，g。

1.3.4导热性能测试

样品的导热性能采用热线法进行测定，测试设备采用Hot Disk公司生产的热常数分析仪。测定的条件：温度为25 ℃，平衡时间为10 s，输出电压为0.1 V。试样长×宽×高=50 mm×50 mm×10 mm，而且必须保证测试面平整。

1.3.5表面防污性能测试

将黑色墨水滴于样品表面放置1 h后，将样品置于水龙头下进行冲洗，再用湿布进行擦拭后，观察样品表面是否存在污染痕迹，从而判断样品的防污效果。

2　结果与分析

2.1抛光废渣添加量对样品体积密度的影响

在配方中大量引入抛光废渣虽然有利于废料的资源化利用，但是在高温阶段产生的剧烈发泡容易引起陶瓷砖膨胀不均匀。为了制备表面平整的轻质釉面砖，本研究从以下3个方面控制陶瓷砖的变形：

1)在基础配方中尽量不采用含钙和钠的原料。因为钙和钠都会急剧降低液相的高温粘度，导致气泡在低粘度的液相中容易膨胀、连通并形成大孔，最后使得轻质陶瓷砖中的孔结构粗大，不规则，而且在烧成过程中，低粘度的液相在重力的作用下向周边流动，导致砖的外形呈馒头状。

图3　抛光废渣含量对体积密度的影响Fig.3　Effect of polished waste content on bulk density

2)在烧成过程中采用低温慢烧工艺。这样可以使气泡膨胀的速率减慢，砖体各部分的膨胀程度接近，从而保证陶瓷砖的尺寸稳定。

3)采用合适的抛光废渣添加量，既保证了抛光废渣的利用率，又保证了产品性能和工艺的稳定性。

为了兼顾轻质陶瓷砖的体积密度和尺寸的稳定性，以及釉面质量，本研究将轻质陶瓷砖的体积密度设定为0.9～1.0 g/cm3。图3为抛光废渣添加量对样品体积密度的影响。

从图3中可以看出，随着抛光废渣添加量的增加，样品的体积密度降低。当抛光废渣的添加量为30%时，样品的体积密度为0.95 g/cm3，继续增加抛光废渣的添加量，样品体积密度的下降幅度减小，且样品的变形也没有明显增加。这是由于孔隙率的增加除了与抛光废渣的用量有关外，还与高温液相粘度有关，且后者的影响更为显著。当抛光废渣含量增加时，空气扩散的速率并不会增加。所以碳化硅的氧化会受到限制，导致气体不会显著增加。正是由于液相粘度大，少量的气体增加不会引起显著的膨胀。为了更好的控制釉面的质量，本研究将抛光废渣的用量设定为30%。

2.2釉面质量的影响因素分析

影响轻质砖釉面质量的因素主要有：热膨胀失配引起釉面的开裂或剥离；釉的粘度或表面张力不合适引起釉面鼓泡或针孔；釉层的厚度太薄引起的釉面鼓泡或针孔等。热膨胀失配通过调整釉料配方改变其热膨胀系数就可以解决。通过试验，配制出了热膨胀系数合适的釉料配方。而釉面鼓泡和釉面针孔的问题解决起来难度要大一点。因为普通的陶瓷砖在预热带或烧成带前期排气基本上就已经结束，或者大部分气体已经排出。轻质陶瓷砖在到达烧成带时排气才刚刚开始，而且会有大量的气体产生。产生的气体很容易引起釉面气泡和针孔，难以形成平整光滑的釉面。由于气体会源源不断的产生，因此不能通过釉面的自流平或自排气来解决问题。只能直接将气体封在釉面下，所以我们采用双层布釉的方法来解决这个问题：先布一层高温釉，减少气体的穿透，阻止形成气泡，再布一层低温釉，提高釉面的平整度和光泽度。

表2为釉面质量的实验结果。

表2　釉面质量的实验结果

由表2可以看出，喷超过两次高温釉，就可以保证不出现针孔和釉泡缺陷。但是，由于高温釉的粘度较大，导致轻质砖膨胀时的阻力大，大的表面膨胀阻力会导致砖面上翘。喷低温釉可以提高轻质砖的表面光泽度，但是厚度较薄时，会产生严重的釉面针孔和釉泡缺陷。即使釉层较厚时，也会产生小的釉泡，形成釉面凸包；而采用双层布釉时，就可以得到表面平整，没有明显缺陷的釉面，并且可以任意调整釉面的光泽度，既可以得到亚光、半亚光，也可以得到高光的釉面。

2.3轻质釉面砖的显微结构观察

图4为轻质釉面砖的表面和断面的显微结构图。

图4(a)为釉面与砖坯的界面形貌图，从图中可以看出，釉面的厚度大约为100 μm。高温底釉层和低温面釉层已经融合在一起，没有明显的界线。在存在孔洞的地方，釉面将孔洞牢牢地封住，且釉面没有鼓起(如黑色箭头所指示)。在面釉层存在明显的凹坑，但是凹坑没有发生贯穿，因此不影响釉面的防污性能。这说明底层的高温釉层可以阻止气体的膨胀，防止釉面产生釉泡。

图4(b)为釉表面的扫描电镜图，从图中可以看出，釉面平整，没有明显的小针孔和鼓泡。

图4(c)为未上釉的轻质砖坯表面，从图中可以看到明显的孔洞和凹坑，其表面很容易吸污，而且由于孔洞细而深，吸污之后很难清理。

图4(d)为轻质砖坯的断面形貌图，从图中可以看出，孔的分布均匀，没有明显的异常大孔，均匀的显微结构有利于提高材料的性能稳定性和力学强度。

图4　轻质釉面砖表面与断面的显微结构观察图

2.4轻质釉面砖的性能测试结果

图5为轻质釉面砖样品的光学照片，其中图5(a)中的样品经过了滴墨处理，图5(b)中的样品未经过任何处理。

从图5中可以看出，经过滴墨处理的样品和未经过处理的样品没有明显的差异。测试过程中注意到，滴墨处理的样品经清水冲洗，湿抹布擦拭后，光洁如新，没有留下明显的痕迹。同时，从照片中可以看出，轻质釉面砖的表面平整，没有明显的变形。轻质釉面砖的抗折强度达到8.47 MPa，导热系数为0.39 W/m·K。

3　结论

1)提高抛光废料的含量可以降低轻质砖的体积密度，但是添加量超过30%后，如果继续增加抛光废料的量，体积密度的下降趋势将减缓。

2)釉的高温粘度大可以防止针孔和釉泡的产生，但是会引起砖面上翘；釉的高温粘度小虽然可以得到光滑的釉面，但是容易产生针孔和釉泡。将高温釉和低温釉结合起来使用，可以得到表面光滑的，没有针孔和釉泡缺陷的釉面。

图5　样品的光学照片

3)研究制备的轻质釉面砖表面防污效果好，抗折强度达到8.47 MPa，导热系数为0.39 W/m·K。

1徐建国.佛山陶瓷企业开展清洁生产的现状及方向.佛山陶瓷,2007,17(3):11～15

2王继杰,李旭.中国陶瓷产业与环境保护的协调性发展.中国陶瓷,2006,42(10):3～6

3Rambaldi E,Esposito L,Tucci A.Recycling of polishing porcelain stoneware residues in ceramic tiles.Journal of the European Ceramic Society，2007,27:3 509～3 515

4蔡祖光.陶瓷工业废料废渣的处理.佛山陶瓷,2002,2(3):11～12

5李玉峰.陶瓷厂废料的开发和利用.佛山陶瓷,2003,13(3):16～18

6Nuran A.The use of waste ceramic tile in cement production.Cement and Concrete Research,2001,31:163～166

7夏海斌.利用抛光砖废料制备功能性建筑材料的研究:[硕士学位论文].广州:华南理工大学,2009

8缪松兰,马光华,李清涛,等.建筑陶瓷废渣制备轻质陶瓷材料的研究.陶瓷学报,2005,26(2):71～79

Ceramic Polishing Slag as Foaming Material for Preparation of Light Glazed Tile

Xu Linfeng,Zeng Dezhao,Zhong Baomin

(Guangdong Dongpeng Limited Liability Company,Guangdong,Foshan,528031)

A light ceramic tile body with outstanding non-deformability was produced by using ceramic polishing slag as foaming material and clay, silica sand, potash feldspar as raw materials. And a high temperature glaze and a low temperature glaze with coefficient of thermal expansion adapting to the body were also produced. Light ceramic glazed tiles with excellentglaze surface were prepared by a method of double-layer glazing. The test results indicate that the light ceramic glazed tiles show excellentantifouling property, and the flexural strength of 8.47 MPa and heat conductivity coefficient of 0.39 W/m·K were reached.

Ceramicpolishing slag; Glazed tile; Light tile; Antifouling property

许林峰(1984-)，博士；主要研究方向为陶瓷纳米粉体合成、多孔陶瓷制备。

TQ174.76

A

1002-2872(2016)09-0022-06