高强度仿古砖坯体配方的研制*

黄辛辰 赵存河 何宇奇 李国平 梁超成 何义力

(蒙娜丽莎集团股份有限公司 广东 佛山 528000)

前言

近年来，随着我国城镇化建设加速，除了建筑装饰材料美观度的要求外，人们对陶瓷砖的基本性能要求越来越高，特别在进行户外使用时，普通陶瓷砖因强度不足易出现开裂，影响使用效果，造成安全隐患，增加后期维护成本。本项目通过对坯料配方体系及烧成制度研究，研制出1.5～2.0 mm厚、破坏强度高(≥6 700 N)的适合低温快烧的坯料配方，极大地提升了产品品质，为户外用砖提供了解决方案。

1 实验方法

1)参照实验配方进行配料。经球磨、过筛、除铁、造粒、压制成形，在经干燥后烧成。

2)测试及表征。参照国家标准《陶瓷砖试验方法》(GB/T 3810-2016)对所制备的试样进行吸水率、显气孔率、表观相对密度和破坏强度的测定。采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜等对试样的物相组成和显微结构进行表征。

2 坯体的研究

2.1 坯料配方的研究

本项目综合考虑成本、成形性、坯体强度、干燥收缩及烧成收缩等要求，初步选择球土B、膨润土、钾石粉、钠石粉、煅烧铝矾土及滑石为原料体系，几种原料的化学组成如表1所示，其相关的陶瓷工艺性能如表2所示。

表1 所用原料的化学组成(质量%)

表2 所选原料的相关工艺性能

续表2

按照表1的化学组成和表2的工艺性能，结合陶瓷制备工艺点，根据经验，通过改变球土B、钾石粉、钠石粉、煅烧铝矾土及膨润土的份数进行实验。

经实验得出， 通过适当降低球土B的比例可降低烧失量，但过低会使得粉料粘性不够致生坯强度低；增加钾石粉可以降低坯体的干燥收缩和变形，但过量添加会导致达不到提高配方铝含量的目的；增加钠石粉可以降低坯体的烧结温度，但添加过量容易造成产品变形；增加煅烧铝矾土的比例可提高Al2O3的含量，但过量会使坯体不易烧结；添加适量的膨润土可提升粉料的粘性，增加坯体的成形强度。通过对比试样结果，发现表3配方性能适宜，该配方的化学组成见表4。

表3 坯料配方(质量%)

表4 坯料的化学组成(质量%)

2.2 成形性能研究

粉料成形性能越好，对压机适应性越强。同时良好的粉料流动性有利于压机布料的均匀性。主要从以下几个方面进行研究：

2.2.1 粉料的湿强度

表5 粘土的基本物理性能

粘土原料极大地影响粉料的湿强度与产品白度。粘土是由许多大小各异、物理、化学及矿物学性能不同的矿物微粒组成的混合物，具有可塑性、结合性，是陶瓷砖生产的主要原料。粘土原料中的铁、钛含量较高时，烧成后白度会明显降低。对使用的粘土原料从白度、粘度、湿坯强度及干燥强度进行比较，见表5。

1)球土B是一种复合调配粘土原料。使用黑泥、高岭土、腐殖酸钠等调配而成，经除砂、酸洗除铁压滤制成球土。

2)膨润土选用河南信阳超白膨润土，增强效果较好。

由表5粘土的基本物理性能，并结合经验，选择球土B和膨润土用于2.1的配方调试。

2.2.2 基础粉料颗粒级配

压制成形工艺要求粉料含水量低，有一定可塑性，必须有良好的结合性和流动性，如粉料流动性不佳，难以充满模腔，且不易压实，获得的坯体强度不高。对基础粉料进行检测，其性能如表6所示。

表6 基础粉料性能

2.3 坯体增强剂

该项目基础配方粘土类成分较低，坯体成形后湿坯强度和干燥强度偏低。为满足陶瓷砖工业生产中的工艺要求和性能，在基础配方的基础上，分别探讨添加坯体增强剂0、0.5%、1.0%、1.5%对坯体性能的影响。实验结果如表7和图1所示。

表7 坯体增强剂添加量对坯体性能的影响

从表7和图1可知，随着坯体增强剂增加，湿坯强度增加不明显，坯体干燥强度逐渐增加，当添加量从0提高到1.5%时，坯体干燥强度由1.30～1.35 MPa增大到1.70～1.85 MPa，增加30%～37%。

图1 坯体增强剂对坯体强度的影响

3 烧成制度的研究

因坯体厚度要求烧结后达到15～20 mm，比传统仿古砖厚50%以上，传统的解决办法是延长窑头干燥阶段(0～350 ℃)的干燥时间、预热区(400～700 ℃)的坯体晶型转变时间、氧化还原阶段(700～1 050 ℃)的氧化排气时间及烧成区(1 050 ℃～最高温)的烧成时间。为保证低温快烧及产品效果，采用表3坯料配方，并对窑炉的烧成工艺、制度进行适当调整。首先需开启窑前30 m干燥器，温度控制在150～230 ℃，以排除坯体中的吸附水、结构水以及部分结晶水，提升坯体强度。进入烧成窑，窑头干燥阶段可快速升温至150～250 ℃，并适当增加干燥阶段的负压强度，促进排气、排湿，缩短坯体停留在该区域的时间。预热区对比常规仿古砖烧成制度可适当增加该区域烧成时间，适当增加负压强度，促进排气、排湿，但500～600 ℃应控制升温速率，保证石英晶型安全转变。氧化分解阶段为主要排气区及液相产生区，应重点控制该区域的负压强度、升温速率及时间，保证此阶段的砖坯不出现真孔、氧化不良等缺陷。烧成区可适当提升烧成温度以达到产品烧结并缩短烧成时间的目的。整个烧成过程为全氧化烧成，烧成制度如图2所示。

图2 烧成制度

4 性能检测

从表8可以看出，采用表3配方可以满足大生产需求，各项关键性指标优异。

表8 表3配方关键性能指标

图3是表3坯料配方试样的SEM图。从图3中可以看出，试样烧结致密，玻璃相相对连续，存在细针状莫来石相，看不出明显的孔隙与缺陷。

图4是表3坯料配方试样的XRD图谱。从图4中可以看出，试样中的晶相为石英(SiO2)、莫来石(Al6SiO13)、刚玉(Al2O3)，通过半定量分析，晶相中的石英(SiO2)占19.71%，莫来石(Al6SiO13)占19.69%，刚玉(Al2O3)占3.48%，该试样的莫来石晶相含量较高。

图3 基础坯料配方试样SEM图

5 结论

通过对坯体配方的各项理化性能进行检测及烧成制度调整，当坯体增强剂添加量在1.0%时，此配方能够运用于实际生产。项目所研究出的仿古砖坯体烧失量为4.0%～5.0%，莫来石晶相量≥19%，破坏强度≥6 700 N，性能优异。