陶瓷磚生坯強度的影響因素

王梁 朱聯峰 李炯志 江澤峰 饒忠偉

摘 要：本文主要研究了陶瓷坯體增強劑、漿料球磨時間、粉料顆粒級配和水分對坯體強度的影響，結果表明球磨時間13 min、粉料粒徑30 ～ 60目、粉料水分7%、增強劑加入量為0.5%AJ+0.2%CMC時坯體強度最大。

關鍵詞：生坯強度;球磨時間;顆粒級配;坯體增強劑

1 前 言

我國是建筑衛生陶瓷最大生產國和消費國。工信部網站發布2018年建筑衛生陶瓷行業經濟運行情況，顯示：全年陶瓷磚產量91.9億平方米，同比增長1.8%，其中瓷質磚產量66.3億平方米，同比增長0.8%，陶質磚產量25.6億平方米，同比增長4.9%;衛生陶瓷產量2.1億件，同比增長1.0%[1]。

陶瓷用粘土礦在我國中南和華東區域儲量豐富，總體滿足供需平衡，但是優質高塑性粘土仍舊短缺[2]。陶瓷墻地磚行業的急速發展加快了黑坭和優質粘土的消耗，而黑坭和粘土屬于不可再生資源且不具備可替代性，過量的消耗必將導致優質粘土的枯竭。為了行業的可持續發展，陶瓷磚生產過程中需要減少生坯中黑坭和粘土的用量，但這會導致坯體強度降低，影響生產過程中坯體加工良率。因此，研究生坯強度的影響因素對于指導陶瓷磚的生產具有重要意義。

2 實驗內容

2.1 生坯原料化學組成及礦物組成

本實驗采用的是低坭添加量的配方體系，配方中加入的瘠性料較多，原始配方的坯體強度較低，以便于更顯著地反映出各影響因素導致的坯體強度變化。本實驗的基礎配方化學組成見表1。

實驗中使用的礦物原料主要有：石英粉、鉀長石、鈉長石、熔塊、塑性球土，工業添加劑主要有：羧甲基纖維素鈉（CMC）、三聚磷酸鈉、各類坯體增強劑，實驗中采用的坯體增強劑有：淄博鼎澤化工增強劑（DZ增強劑）、肇慶市歐陶高效增強劑1#、2#、3#（1#、2#、3#增強劑）、上海愛杰化工增強劑（AJ增強劑）、濟南斌海商貿的木質素磺酸鈉（BH增強劑）。

實驗基礎配方原料配比見表2。

2.2 濕生坯的制作方法及強度測試方法

2.2.1 球磨及粉料制備工藝參數

按基礎配方稱取200 g原料及額外的工業添加劑，在球磨罐中加入水、球石、原料一起球磨（球磨機型號：KNM-Ⅱ型，湘潭市儀器儀表有限公司，轉速450 r/min），球磨好的漿料過篩倒入塑料盤中，先后放入微波爐及鼓風干燥箱（DHG-9245A型，上海一恒科學儀器有限公司）中烘干，干料冷卻后破碎造粒，篩分后取20 ～ 60目的粉料備用，具體實驗參數見表3、表4。

2.2.2坯體成型工藝及燒成制度

稱取30 g粉料倒入壓制模具中，模具規格40mm×80 mm，然后雙手用力前后左右搖平模具中的粉料，調節電動液壓制樣機（型號：HY-YZ，佛山市華洋儀器有限公司）的壓力為10 MPa，將模具放置于制樣機上壓制成型。

壓制好的坯體放置于水平托盤上在干燥箱中150℃烘干30 min除去水分，然后將坯體放置于耐火磚上，在馬弗爐（Nabertherm LT15/13型）中燒成，具體燒成制度為：0 ～ 1000℃（100 min）、1000 ～ 1230℃（40 min）、1230℃保溫10 min，再隨爐冷卻到室溫。

如果要檢測坯體燒成后的彎曲變形，需要將干燥后的坯體放置于間距30 mm的兩塊耐火磚上，盡量保持坯體兩端位于耐火磚上的部分長度相同。燒成結束后，用游標卡尺測量坯體彎曲部分最大變形量（即圓弧最大高度）。

2.2.3生坯強度測試方法

生坯強度測試方法采用三點彎曲試驗法，使用數顯式抗折儀（型號：KY-DPK-300佛山市科信化工有限公司）檢測生坯強度，具體操作方法是：將坯體放置于間隔70 mm的兩個支架上，移動坯體使其位于支架標記線內并且坯體兩端與支架保持平行，按下加壓按鈕即可，得到最大壓力F后按以下公式計算生坯強度：

坯體強度=MPa

式中，F——抗折儀最大壓力，N;

l——支架間隔距離，70 mm;

h——坯體中心處厚度，mm;

b——坯體寬度，40 mm。

3 結果討論

3.1 漿料球磨時間對生坯強度的影響

在水分和其他工藝參數不變的情況下，原料球磨時間的長短會影響漿料流速和細度，生產過程中需要控制合適的漿料流速來適應漿料的傳輸，防止漿料流動性差而堵塞管道;漿料細度會影響漿料的觸變性及噴霧造粒的顆粒大小，而顆粒大小又影響坯體的強度。

為了探究漿料球磨時間對坯體強度的影響規律，本系列實驗（A系列）主要是控制漿料球磨時間，檢測不同球磨時間漿料的流速、細度以及漿料制粉后壓制坯體的干燥強度，A系列方案添加劑加入方式統一為：0.2%CMC+0.5%AJ增強劑+0.8%三聚磷酸鈉，實驗結果見表5。

從實驗結果可以看出，隨著球磨時間的增加，漿料細度一直在減小，流速則是呈現先減小后增大的趨勢，在球磨12 min時候達到最小值。而坯體強度隨球磨時間變化的規律不是很明顯，從8 min到12 min，坯體強度一直增加，但繼續增加球磨時間坯體強度呈現波動的狀態，這可能是因為球磨時間短，顆粒粒度大，漿料混合不均勻，顆粒間粘結性較大，流速較大;隨著球磨時間的增加，顆粒粒度減小，分布較均勻，顆粒間被水分子包圍，顆粒間流動性好，因此流速較小;球磨時間繼續增加，顆粒粒度過小，顆粒間表面能增加，顆粒間吸附作用增強，因此漿料反而再度變得粘稠，流速增大。至于初期坯體強度隨球磨時間的增加而增加，有文獻報道，一般情況下，在水分穩定情況下，細度指標會影響流速、觸變性、塑性、打餅試壓強度和試樣燒結性能，也就是說細度越細，在其他技術指標不變情況下，坯體強度會有所提高[3]。這可能是隨著球磨細度的增加，細顆粒增加，導致后期造粒時細粉增多，20 ～ 60目間顆粒級配分布更加均衡，堆積密度增大，顆粒間接觸面積增大，結合更加牢固。