干法滲透陶瓷坯體的制備及其性能研究 *

趙存河

(蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司 廣東 佛山 528000)

前言

近年來隨著意大利Metco公司滲透墨水的引入,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)興起了噴墨滲花磚的潮流。噴墨滲花磚工藝可分為濕法和干法兩種(干法工藝為面料和底料兩種粉料通過2次布料壓制成形)[1]。由于干法滲花工藝所制造的產(chǎn)品使用范圍更加廣范，因此在行業(yè)內(nèi)更加受到關(guān)注。本課題旨在通過參考已有的坯體配方，結(jié)合建筑陶瓷廠原有的坯用原料，合理制備選擇坯體的面料配方與原廠的底料相匹配，燒制出高白面料和底料結(jié)合性能優(yōu)良的干法滲花陶瓷產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)所用的原料化學(xué)組成(見表1)

原廠所提供的底料化學(xué)組成見表2，膨脹系數(shù)見表3，燒成后收縮11.72%。

表1 原料的化學(xué)組成(wt%)Tab 1 Chemical composition of raw materials (wt%)

表2 原廠底料的化學(xué)組成(wt%)Tab 2 Chemical composition of bottom layer powder of the original company(wt%)

表3 原廠底料的熱膨脹系數(shù)Tab 3 Coefficient of thermal expansion of original bottom powder

1.2 面料正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)原廠提供的原料，用水磨鉀長(zhǎng)石、56砂、水磨石粉、龍巖球土、水洗球土、硅酸鋯等原料作為因素，采用L16(45)正交表設(shè)計(jì)面料坯體正交實(shí)驗(yàn)，其中硅酸鋯為定量，選擇合適的坯體配方。正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表4所示。

表4 正交實(shí)驗(yàn)表Tab 4 Orthogonal experiment table

1.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程

工藝流程見圖1。實(shí)驗(yàn)中料球水比為1∶2∶0.5；球磨細(xì)度250目，篩余0.8～1.1；燒成周期72 min，燒成最高溫度1 175 ℃。

圖1 工藝流程Fig.1 Flow chart of test pieces

1.4 性能測(cè)試

采用NDJ-5S數(shù)字式粘度計(jì)測(cè)量試樣的粘度。采用HY-YZ電動(dòng)液壓坯料制樣機(jī)，最大壓力20 MPa壓制粉料。采用DPK-300/1 000數(shù)顯電動(dòng)抗折儀測(cè)試樣強(qiáng)度。采用Sc-80C全自動(dòng)色差計(jì)測(cè)量試樣建材白度。采用winner2 000 zd智能激光粒度分析儀測(cè)量試樣細(xì)度分布。采用KS-B數(shù)顯可塑性測(cè)定儀測(cè)量試樣可塑性。采用PCY熱膨脹儀測(cè)試樣熱膨脹系數(shù)。采用蔡司EVO MA10掃描電鏡分析樣品形貌。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同可塑性粘土對(duì)面料性能的影響

由表5坯體正交實(shí)驗(yàn)性能數(shù)據(jù)和表6各性能極差值分析，隨著龍巖球土和水洗球土的增加，漿料粘度逐漸增大，坯料的濕強(qiáng)度和干強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。但龍巖球土對(duì)粘度，濕、干強(qiáng)度影響更大，其主要原因與原材料本身性能有關(guān)。對(duì)這2種球土進(jìn)行檢測(cè)分析如下表7。從表7可以看出龍巖球土分散相90%顆粒細(xì)度在28.86 um以下，顆粒細(xì)度比水洗球土更小，比表面積更大，可塑性更高[2]，因此相應(yīng)的漿料粘度、坯體濕強(qiáng)度、結(jié)合性干強(qiáng)度都更高。

表5 坯體正交實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試Tab 5 Performance test of green body by orthogonal experiment

表6 各性能極差值Tab 6 Extreme value of each performance

表7 球土粒徑和可塑性分析Tab 7 Analysis of particle size and plasticity of spherical soil

綜合各性能總評(píng)極差值，可以確定坯體的最優(yōu)水平組合為A3B3C2D3E2F。測(cè)得最優(yōu)水平組合面料漿料粘度290.3 MPa·s，濕強(qiáng)度0.209 MPa，干強(qiáng)度1.410 MPa，熱膨脹系數(shù)9.150 4×10-6/ ℃可符合坯體基本性能要求。

以最優(yōu)面料配方A3B3C2D3E2F為基礎(chǔ)，球磨到達(dá)細(xì)度后再加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的助紅劑(助紅劑XRD掃描如圖2)，球磨混勻后制樣測(cè)試。

圖2 助紅劑XRDFig.2 XRD of red aid reagent

2.2 助紅劑對(duì)墨水紅度值的影響

圖3 助紅劑含量對(duì)墨水紅度值的影響Fig.3 The influence of the content of red aid on the redness of ink

圖3是助紅劑對(duì)墨水紅度值的影響。由圖2可看出助紅劑主要成份為納米SiO2，其在高溫下與棕色墨水中的Fe離子發(fā)生反應(yīng)生成包裹形態(tài)的硅鐵紅，呈現(xiàn)鮮紅色調(diào)[3]。棕色的紅度值隨著助紅劑的含量增加而增加，但當(dāng)助紅劑含量大于5%時(shí)，其紅度值增加緩慢且趨于平穩(wěn)，其主要原因?yàn)榭衫斫鉃槟械腇e離子已被SiO2包裹反應(yīng)完全，呈色已接近最大值。

2.3 助紅劑對(duì)坯料燒成收縮的影響。

圖4是助紅劑對(duì)坯料燒成收縮的影響。面料的布料厚度在1.4 mm～1.8 mm，在燒成收縮過程中，若面料和底料收縮相差大，生產(chǎn)過程中易造成磚形扭曲變形。由圖可見，助紅劑含量增加，坯體燒成收縮逐漸增大，其主要為坯料細(xì)度相對(duì)更細(xì)，比表面積大，粉料流動(dòng)性變差，堆積密度變小，壓制成形時(shí)難以壓實(shí)。且在燒成過程中坯料細(xì)度越細(xì)，比表面積大，能量高，燒結(jié)活性大，更易于燒結(jié)收縮。

圖4 助紅劑含量對(duì)坯體收縮的影響Fig.4 Effect of red aid content on shrinkage of green body

2.4 助紅劑對(duì)坯體熱膨脹系數(shù)的影響

圖5 助紅劑對(duì)坯體熱膨脹系數(shù)的影響Fig.5 Effect of red aid on thermal expansion coefficient of green body

圖5是助紅劑對(duì)坯體熱膨脹系數(shù)的影響。由圖5可以看出隨著助紅劑的增加，坯體的膨脹系數(shù)下降。此時(shí)將助紅劑含量為2%的樣品測(cè)試燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)并無(wú)燒結(jié)范圍(如圖6)。說明面料配方此時(shí)已接近于釉料配方，隨助紅劑含量的增加，面料燒結(jié)活性增大，降低了燒成溫度，促進(jìn)了面料中石英的熔融，從而降低了熱膨脹系數(shù)[4]。

圖6 面料的燒結(jié)范圍Fig.6 Sintering range of surface powder

圖7 最優(yōu)配方SEM掃描圖Fig.7 SEM scanning of the optimal formula

圖8 能譜線掃描Zr分析Fig.8 Analysis of energy spectrum line scanning Zr

綜合各性能分析紅度值、收縮與膨脹系數(shù)，選取助紅劑含量2%時(shí)最適宜，此時(shí)面料紅度值為11.74，收縮11.70%，膨脹系數(shù)9.020 7×10-6/ ℃。

圖7是最優(yōu)面料配方A3B3C2D3E2F和助紅劑含量2%時(shí)與底料二次布料壓制燒成后的斷面SEM掃描圖，圖8為對(duì)應(yīng)的能譜線掃描Zr分析。由圖7可看出面料和底料結(jié)合良好，兩者之間的中間層并不明顯，其主要為在燒成過程中，面料和底料各成分之間相互擴(kuò)散，使底面料合成良好的整體[5]。通過能譜線掃描Zr分析，可大致判斷出面料層與底料層交接部分的分布情況。

3 結(jié)論

當(dāng)面料配方組成，水磨鉀長(zhǎng)石33、56砂11、水磨石粉27、龍巖球土15、水洗球土6、硅酸鋯2.5、助紅劑2.0時(shí)所制備的面料與原廠底料相匹配，結(jié)合性能良好。此時(shí)面料紅度值為11.74，收縮11.70%，膨脹系數(shù)9.020 7×10-6/ ℃。