大規格輕質陶瓷板的研制

摘 要：本文以陶瓷拋光廢渣為主要原料，通過配方優化、燒成制度的設計及裝備設計，研制了大規格輕質陶瓷板，其規格達1000mm×2000mm以上。既為市場提供了一種新的建筑裝飾材料，也為解決陶瓷拋光廢渣的出路提出了新的方向。

關鍵詞：陶瓷拋光廢渣；大規格；輕質；陶瓷板

1 前言

隨著拋光磚產量的增加，拋光廢渣越來越多，生產1m2的拋光磚大致要形成2.1kg左右的拋光磚廢渣。據統計，僅佛山陶瓷產區，各種拋光磚廢料的年產量已超過300萬噸，而全國拋光磚廢料的年產生量估計在500～600萬噸，對城市環境造成巨大壓力[1]。如此大量的廢棄物已經無法用簡單的填埋方法來解決了，廢棄物的堆積擠占土地，影響當地空氣的粉塵含量，污染地下水質，而且陶瓷廢料的填埋耗費人力物力，如何變廢為寶，化廢料為資源，已經成為科技和環保部門的當務之急。

輕質陶瓷也可以稱為多孔陶瓷[2]，以往多作為功能陶瓷被使用，如利用其過濾、隔熱保溫等功能，本研究以陶瓷拋光廢渣為主要原料，制備具有裝飾功能的大規格輕質陶瓷板，不僅能解決陶瓷拋光廢渣的污染問題，也為裝飾市場提供了新的裝飾材料。

2 實 驗

2.1原料

實驗采用的主要原料為陶瓷拋光廢渣，該廢渣是陶瓷磚坯磨邊、拋光后的碎屑經沉淀、壓濾處理過的廢料，其它原料還有部分粘土、砂石料以及少量添加劑。各原料的化學成分分析結果見表1。

2.2工藝過程

原料均混→原料稱量→球磨→除鐵過篩→造粒→成形→干燥→燒成→磨邊。

2.3性能測試

用6400A型火焰光度計和TN-II化學萬分快速分析儀分析原料的化學成分；用XY9-DXR型多孔陶瓷顯氣孔率容重測試儀測試多孔陶瓷的容重；用SKZ型數顯式抗折儀測試多孔陶瓷的斷裂模數；用Dino-Lite顯微鏡觀察產品的截面形貌、氣孔大小及分布情況；用NETZSCH熱膨脹儀測試產品的膨脹系數。

3 結果與討論

3.1拋光廢渣加入量對產品容重的影響

從表1中可以看出，拋光廢渣的主要化學成分與普通陶瓷原料并無多少差別，它能用作多孔陶瓷板的原料，是由于它含有一定量的SiC及少部分有機物，SiC在高溫下氧化膨脹導致產品容重變低[3]，其反應過程見式（1）。反應過程所釋放出的CO2在逸出過程中會使得產品急劇膨脹，高溫下由于液相的形成，使得釋放出的CO2被液相包裹形成封閉氣孔。根據化學反應速率理論[4]，化學反應的快慢主要取決于反應物的活化能、反應物的濃度與反應溫度。在反應物的活化能一定的條件下，反應條件就由反應物的濃度與反應溫度決定。反應物的濃度越大，反應越容易進行，因此產品的容重主要取決于拋光廢渣中含SiC的比例、拋光廢渣在原料配方中的比例、燒成制度的設計（包括燒成時間、燒成溫度、高火保溫時間）等因素。圖1是保持燒成制度不變的情況下，產品容重隨拋光廢渣在原料配方中比例的變化情況，可以根據產品性能要求確定拋光廢渣的使用比例。

3.2配方設計對產品性能的影響

大規格輕質陶瓷板材的特征之一就是多孔性。表面有少量開口氣孔，內部為封閉氣孔，圖2為多孔陶瓷板容重為0.958g/cm3時放大60倍的截面顯微照片。其中，白色為孔洞部位，從圖中可以看出，孔洞并非呈均勻分布，孔徑大小也是非均勻的，這與顆粒的堆積狀態有關[5]，有研究表明，粒度分布越窄，燒成后的氣孔孔徑愈均勻。

另外，由于拋光廢渣是各種材料的混合體，容易產生不均勻的現象，給生產控制帶來一定的波動，容易導致產品吸水率的波動而引起吸濕膨脹。一方面應該通過原料均混、合理的配方設計盡量把吸水率的波動控制在一個比較小的范圍，另一方面要控制吸濕膨脹率，如果吸濕膨脹過大，施工后易引起墻體表面變形。根據濕膨脹理論[6]，影響磚坯濕膨脹最大的就是玻璃相中的鉀、鈉含量。受到水侵蝕后，K、Na就會與水中的H+離子進行快速交換，使pH值提高，開始了OH-離子對玻璃相的侵蝕，使Na2O、K2O被侵蝕出來，增大了比表面積，結果產生濕膨脹。為此必須控制坯體配方中的鉀、鈉含量，適當增加鈣、鎂含量，提高玻璃相的抗侵蝕能力，減少濕膨脹率。

由于產品規格大，鋪貼應用時收縮縫要比普通陶瓷磚少很多，因此需要控制坯體的膨脹系數。圖3是容重為0.958g/cm3的坯體的膨脹系數，可以看出，在40～600℃區間膨脹系數的平均值為7.79×10-6 K-1，普通陶瓷磚在此區間的膨脹系數一般為9.0×10-6～9.6×10-6K-1，前者比后者低了15%左右，更易于鋪貼應用。

3.3燒成制度的影響

配方確定以后，燒成制度的設計是控制發泡過程的關鍵。溫度決定著坯體在高溫發泡過程的黏度，發泡溫度下的持續時間決定著氣泡的大小，從而決定著成品的容重。整個燒成過程又決定著制品形狀。溫度低于1000℃，坯體隨溫度升高發生膨脹；溫度高于1000℃時，坯體隨著溫度的升高而收縮。在1150～1210℃，坯體又因發泡而膨脹。

對于燒成大規格產品，正確的燒成制度和控制好各階段輥棒上限溫度是保證產品不變形的關鍵。對于大規格輕質陶瓷板材的燒成而言，不僅要考慮產品的變形因素，同時要考慮制品燒成后要滿足產品容重和強度方面的要求，因此難度更大，需要根據產品的厚度、容重要求來制定相應的燒成曲線。

圖4是厚度為15mm、容重為1.4g/cm3大規格輕質陶瓷板材的燒成曲線，從圖中可以看出，坯體在980℃左右有一個氧化保溫階段，為的是保證坯體在比較厚的情況下能充分氧化，避免黑心。當溫度超過1150℃時，坯體開始膨脹，發泡溫度范圍以及發泡持續時間取決于厚度及容重，厚度越大，容重越小，所需的發泡溫度范圍越寬，發泡持續時間越長。

3.4裝備設計的影響

要成功制備大規格輕質陶瓷板，除了配方、工藝要重點考慮以外，裝備設計也是極為重要的。對于生坯長度超過2m的坯體來說，無論是成形還是燒成都很困難。國內有利用擠出成型生產大規格陶瓷板材的先例[7]，但是其對于建筑陶瓷生產來說效率比較低，并且對坯料要求很高，利用干壓成形技術生產大規格陶瓷板材則還未見報道。采用目前上下模壓制原理設計的壓機無法滿足大規格坯體的成形要求。一方面這種情況下大規格坯體脫模困難；另一方面，壓制力很難均勻，會造成坯體大小頭、厚度不均的現象。我們采用國內最新研制出的無下模芯、雙模壓制成形的壓機，有效解決了以上不足，另外采用“魔術師”布料系統裝飾設備作為干粉布料平臺，能生成豐富的三維圖案；以坯墊代替格柵作為粉料載體，利用坯墊輸送系統的定位功能確保落料的準確性及坯面效果的穩定性；可采用常規工藝生產的粉料，任意調節布料的厚度。

輕質陶瓷板的容重一般小于1.5g/cm3，在高溫燒成過程中，隨著坯體發泡膨脹，坯體的容重逐漸減小，其高溫抗變形能力也會逐漸減小，在這過程中坯體極易變形。另外，坯體規格大，在輸送過程中極易開裂，在滿足高溫荷重強度的前提下，適當減小輥棒直徑、縮短棒距有助于減少坯體變形[8]。我們通過采用直徑小于40mm的窯爐輥棒設計，且相應減小輥棒之間的間距，使之小于60mm，有效解決了大規格坯體易變形、開裂的問題。

4 結 論

（1） 采用陶瓷拋光廢渣制備大規格輕質陶瓷板，不僅可以節約天然礦物原料，還可以作為成孔劑使用，可以降低生產成本，并為解決拋光廢渣的出路提出了新的方向。

（2） 通過優化配方及燒成制度的設計，可以制得容重小于1.5g/cm3、尺寸可達1000mm×2000mm以上的大規格輕質陶瓷板，采用魔術師布料系統和無下模芯壓機模具設計及特別的窯爐設計，可以解決大規格產品脫模及易變形等問題。

（3） 大規格輕質陶瓷板性能優異，具有輕質、高強、隔熱保溫、防火、吸音等特點，是一種新型建筑裝飾材料。

參考文獻

［1］ 侯來廣，劉艷春，曾令可.陶瓷廢料在功能性多孔陶瓷制備

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［3］ 鄭樹龍，唐奇，盧斌.陶瓷磚拋光廢渣回收利用及產品的性能研

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［8］ 馮斌，萬冬梅.陶瓷輥棒的研究應用與發展[J].佛山陶瓷，

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