干粒釉柔抛薄板的配方优化及其性能研究*

黄玲艳 曹丽云， 钟辛子 黄剑锋 杨子煊 吴辰宇 蒋 永 张颢淼

(1 蒙娜丽莎集团股份有限公司 广东 佛山 528211) (2 陕西科技大学材料科学与工程学院 西安 710021)

作为一种独具特色的装饰材料，自然石材因其硬度高、耐磨性好、色泽美观而深受家装陶瓷消费者的喜爱[1]。但随着矿物资源的长期开采，自然石材的储量急剧下降，开采成本逐年上升，高昂的成本令生产商和消费者望而止步。同时，矿物资源的长期开采易引发水土流失、生态破坏等不可逆的环境破坏，因此寻找一种能够替代自然石材的绿色原料迫在眉睫[2-3]。

近年来，为了寻找能够替代自然石材的原料体系，科学研究者对干粒釉等仿天然石材原料进行了探索，取得了一定应用进展，但仍存在以下技术难点：①坯釉组分适配性差，坯釉的层间易出现脱落；②釉面色泽、亮度等仿真度差，难以替代自然石材；③制备工艺创新性差，难以实现应用化研究[4-5]。基于以上技术难点，本文选用市面上常见的干粒釉作为釉料主相，借助控制变量法优化坯体配方，探索出一种能够和干粒釉完美适配的坯料体系，该研究对指导仿天然石材陶瓷薄板规模化生产具有较大借鉴意义。

1 实验

1.1 实验原料

本实验选用水洗球土、韶关球土、伟源球土作为球土类原材料，选用精品泥、中山黑泥作为原矿泥类原材料，选用精选钠长石粉、山东石粉作为长石类原材料，选用钾铝砂、邦砂和高白钾砂作为中、高温砂类原材料，选用黑滑石作为助熔剂类原材料；选用煅烧铝矾土、超白膨润土作为配方添加剂。实验原料的化学成分如表1所示。

表1 实验原料化学成分(%)

续表1

1.2 实验过程

如图1所示，首先将破碎后的实验原料经配料、湿法球磨、过筛除铁和喷雾造粒等工序加工成微米级粉体，然后借助数字化配料系统，将静电分散的包裹色料包裹在粉体的外表面，经逐层筛选得到质地均匀的前驱体粉料。即将前驱体粉料经压制成形、干燥、喷淋面釉和釉面装饰等工艺，可得到干粒釉柔抛薄板。

图1 干粒釉柔抛薄板的制备流程图

1.3 性能测试

采用比重计对坯体浆料在室温下的比重进行测试；选用白度仪对坯体试样的白度进行测定；借助阿基米德排水法对坯体试样的体积密度、吸水率等物理参数进行测定；借助万能材料试验机对坯体的弯曲强度等力学参数进行测定。

2 结果和讨论

2.1 坯料配方设计

根据控制变量法设计原则，结合实际生产经验，为研究不同配方特点，选用表1中矿物原料开展坯料配方设计，同步研究13个因素的7种配方组合，配方表的设计如表2所示。

表2 坯料配方设计表(%)

续表2

2.2 性能研究及配方优化

基于控制变量法制备的配方样品，其性能测试结果如表3所示。通过性能测试结果可知，1#和7#配方试样的白度明显优于其他配方试样，这可能是由于球土类原料中高组分Fe、Ti类化合物的影响。因此，经综合分析可得：为了提高坯体试样的白度，可以合理增多水洗球土、韶关球土、伟源球土等球土类原料，控制高白钾砂等高白度原料的用量。

表3 基于正交试验的样品测试结果

续表3

此外，1#、2#、3#、4#、5#和6#配方试样的线膨胀系数较低，可能是因为该类配方中引入的球土类原料较多，而球土类原料富含Al2O3相，可降低坯体的线膨胀系数。干粒釉柔抛陶瓷薄板多为坯体、面釉层和抛釉层三者共同复合，若各层材料的膨胀系数差异过大，则在受热时不同的复合层会发生不一致的膨胀或收缩，致使坯、釉层发生分离，釉面出现明显缺陷，所以要求坯体、釉层的膨胀系数尽可能接近[6-7]。因选用的干粒釉柔抛陶瓷薄板的面釉膨胀系数为(7.3～7.5)×10-6/K-1(40～600 ℃)，干粒釉的膨胀系数为(7.1～7.3)×10-6/K-1(40～600 ℃)，故可选取1#、2#、3#和4#坯体配方试样作为优选样品。

从性能测试数据可知，相较于其他试样，3#、6#和7#配方试样具有稍低的烧结温度，可能和配方体系中引入的精选钠长石粉、山东石粉等长石类原料和黑滑石等助熔剂类原料有关[8]。长石类原料和助熔剂类原料可在配方体系中引入大量的低共熔点相物质，在高温下低共熔点物质会转化为熔融的玻璃态，充当液相传质的重要媒介，促进干粒釉柔抛陶瓷薄板的坯体实现快速致密化[9]。同时，1#、2#、3#、4#、5#和6#配方的湿、干坯试样具有较大的弯曲强度，可能也和引入高白钾砂和富含高铝球土类原料有关[10]。

通过以上分析论证，笔者结合实际生产需求，综合考虑以下3点原则，对以上坯料配方开展优化：①尽可能降低生产成本；②坯、釉适配性合适；③坯体的力学性能好，便于上釉、切削加工等后续加工。最终选取3号配方体系作为最优配方，其配方组成见表4。

表4 优选的3号配方体系化学成分(%)

3 结语

(1)基于控制变量的设计原则，结合实际生产需求，同步研究13个因素的7种组合，可对干粒釉柔抛陶瓷薄板的坯料体系进行优选，最终选定3号配方体系作为产业化应用的配方。

(2)球土类原料和高白钾砂等高白度原料有助于提升坯体的白度、弯曲强度，但球土类原料的大量引入会降低坯体的线膨胀系数。同时，钠长石粉、山东石粉等长石类原料和黑滑石等助熔剂类原料有助于降低坯体的致密化温度。