陶瓷磚產品檢驗不合格原因分析*

周杰俤

(福建省產品質量檢驗研究院 福州 350002)

1 產品概述

根據出土文物考證,中國陶器約在一萬年前就已經出現了。陶瓷的原材料大多來源于天然礦物(如粘土、石英和長石等),燒結成形相對比較簡單,可直接批量生產、成本低廉,與美術工藝相結合,具有極高的觀賞價值和經濟價值。如果世界上存在“點石成金”的法術,那陶瓷也算其中之一。

從晶體結構看,陶瓷材料的原子間結合力主要為離子鍵、共價鍵或離子共價混合鍵。陶瓷的離子鍵和共價鍵結合強度相當高,表現為陶瓷材料高熔點、高硬度的特點。這些化學鍵還具有方向性、結構復雜、對稱性低,在位錯沿滑移面運動時,晶體結構難以復原,可能導致原子鍵破壞,出現毫無塑性形變的脆性斷裂。陶瓷材料一般由粉料成形、燒結而成,產生相當數量的氣孔相,其組分復雜且不均勻。不同粒度、組分不一的粉料雖經球磨處理,仍難以達到十分均勻的程度,經常存在與基體成分、結構不同的低熔點玻璃相。這些微觀結構特性決定了陶瓷材料具有高熔點、高耐磨性、高強度、耐腐蝕性等特點,同時存在脆性大(塑韌性差)、加工難等[1]問題。

陶瓷磚是人們常用的裝飾裝修材料之一,用于裝飾和保護建筑物墻面及地面。作為傳統陶瓷材料的一種,陶瓷磚也具備上述特性。筆者通過分析陶瓷磚產品監督抽查結果,深入研究產品技術要求,結合多年抽檢實踐經驗,分析了陶瓷磚產品檢測不合格的原因,并提出相應的改進意見。

2 產品標準

目前,我國陶瓷磚產品執行標準為國家標準GB/T 4100-2015[2](代替GB/T 4100-2006),新標準發布日期為2015年5月15日,實施日期為2015年12月1日,其中增加了對陶瓷磚厚度的規定,對陶瓷磚向薄型化發展起引導作用。陶瓷磚產品按照成形方式分為擠壓陶瓷磚(附錄A～E)和干壓陶瓷磚(附錄G～L)。擠壓陶瓷磚由陶瓷原料制成泥團,通過鋼絲網,擠出成形,再燒結而成,常見有劈開磚、廣場磚、透水磚等;干壓陶瓷磚由精細研磨后的粉料經過壓磚機壓制成形(產品規格越大需要的壓磚機的噸位越大,目前有萬噸級別的陶瓷磚壓磚機),再經窯爐干燥,表面施釉噴墨印花,最后經1 200℃左右高溫窯爐燒結而成,常見有玻化磚、仿古磚、拋光磚、拋釉磚、微晶石瓷磚、巖板等。國家監督抽查的陶瓷磚產品歷年基本上是干壓陶瓷磚。

相對于工藝簡單、色差單調的擠壓陶瓷磚,干壓陶瓷磚優勢比較明顯,其高強度、高耐磨、耐腐蝕、規格多樣、花色圖案細膩逼真,是常見的室內裝飾建材產品,也是筆者討論的重點。

根據吸水率(E)大小將干壓陶瓷磚分為五類:瓷質磚(E≤0.5%)、炻瓷磚(0.5%10%)。產品標準對不同規格尺寸的陶瓷磚產品提出了不同要求(見表1)。

表1 不同規格尺寸的陶瓷磚技術要求

3 制造工藝

陶瓷磚制造流程包括原料精選、原料檢測、原料均化、原料配比、原料球磨、除鐵過篩、陳腐均化、噴霧干燥、微機配料、壓制成形、施釉、印花、預燒成、高溫燒成、冷卻、切邊、刮平、拋光、磨邊倒角、防污處理、分選、打包、出廠檢測。

通過陶瓷磚制造工藝的了解,對分析陶瓷磚不合格因素會有一定的幫助。長石、粘土、石英等原料取自天然土壤,經過除雜、過篩、均化等工序才能保證陶瓷磚產品的穩定性。球磨工藝大幅降低原料的顆粒度(比表面積增大),化學反應活性大幅提高,對陶瓷磚燒結致密起到很大的作用。

高溫燒成產生一定量的玻璃相,使其具有足夠的機械強度和較低的吸水率,其性能很大程度上取決于燒成帶的最高燒結溫度和保溫時間。高溫燒成陶瓷磚產品尺寸有一定的收縮,按照設定的尺寸進行切邊操作,使陶瓷磚長度、寬度偏差在一定范圍內,刮平和拋光工序使得陶瓷磚厚度偏差滿足標準要求。分選打包的工序也相當重要,去除不合格的殘次品,將合格的產品分別裝入相應的紙箱(標準附錄G～L)。

4 監督檢驗結果分析

國家質檢總局每年都公布產品質量國家監督抽查計劃公告,也發布相關產品的監督抽查結果公告,陶瓷磚作為家居建材產品之一連續多年上榜。陶瓷磚國家監督抽查檢驗項目主要有:尺寸偏差、吸水率、破壞強度、斷裂模數、無釉磚耐磨性、抗釉裂性、抗化學腐蝕性、耐污染和放射性核素等。

朱一軍[3]統計了2008～2013年陶瓷磚產品國抽情況,在1 368個批次中,不合格項目共有272個,其中64個尺寸偏差項目不合格,78個吸水率項目不合格,78個破壞強度項目不合格,44個斷裂模數不合格。尺寸偏差、吸水率、破壞強度和斷裂模數項目占不合格總數的97.1%。通過查詢國家市場監督管理總局網站等相關信息,筆者統計了2014～2018年國抽陶瓷磚產品抽查結果的合格率情況(詳見表2),還有2019年、2020年和2021年國抽陶瓷磚產品的抽查結果。

表2 2014～2018年陶瓷磚產品國抽不合格項目統計

續表2

2019年12月31日,國家市場監督管理總局通報了2019年陶瓷磚產品質量國家監督抽查情況:抽查了12個省(區、市)297家企業生產的300批次產品中,有38批次產品不合格,不合格發現率為12.7%,不合格項目涉及尺寸偏差、吸水率、破壞強度、斷裂模數、放射性核素限量。2021年2月9日,國家市場監督管理總局通報2020年陶瓷磚產品質量國家監督抽查情況:抽查了8個省(區、市)113家企業生產的114批次陶瓷磚產品,其中16批次產品不合格,不合格發現率為14.0%,不合格項目涉及尺寸偏差、吸水率、破壞強度、斷裂模數。

2021年12月30日,國家市場監督管理總局通報2021年陶瓷磚產品質量國家監督抽查情況:抽查了10個省(市)245家企業生產的251批次陶瓷磚產品,發現24批次產品不合格,不合格發現率為9.6%,不合格項目涉及尺寸偏差、吸水率、破壞強度、斷裂模數和抗釉裂性。

總而言之,尺寸偏差、吸水率、破壞強度、斷裂模數是陶瓷磚產品不合格主要項目。

5 不合格項目分析

5.1 尺寸偏差

名義尺寸:用來統稱產品規格的尺寸;工作尺寸:按照制造結果而確定的尺寸,實際尺寸與其之間的差應在規定的允許偏差之內;實際尺寸:按照國家標準GB/T 3810.2-2016[4]陶瓷磚尺寸試驗方法測得的尺寸。簡單的理解為生產企業按照名義尺寸進行生產,制造或客戶需求的陶瓷磚成品尺寸可能與名義尺寸有差異,需要外包裝箱備注,即工作尺寸。經過檢測的實際尺寸與工作尺寸的偏差如果在標準規定的范圍內,產品尺寸偏差項目合格,否則不合格。

陶瓷磚產品尺寸偏差項目不合格是指實際尺寸與工作尺寸的比較,而非名義尺寸。正常情況下,產品的名義尺寸和工作尺寸都會標注在產品的外包裝箱上,工作尺寸和名義尺寸可能一致,也有可能不一致。在不一致的情況下,比如名義尺寸為600 mm×300 mm×9.5 mm,工作尺寸為600 mm×298 mm×9.5mm,如果將此名義尺寸當作工作尺寸,那么寬度尺寸偏差極有可能檢測不合格。另外,生產企業如果未對成品尺寸進行檢測,工作尺寸直接按名義尺寸來確定,或者使用錯誤的產品外包裝箱,都會使產品尺寸偏差項目不合格。大部分陶瓷磚國抽尺寸偏差項目不合格都屬于這類情況。

小規格的陶瓷磚,尤其是陶瓷外墻磚,因原材料質量一般,燒結工藝相對不夠穩定,成品收縮程度不一,很少有切邊、刮平和拋光等工序處理,比較嚴重的情況是同一個包裝箱內的陶瓷磚產品會出現長短不一。大規格的陶瓷磚產品一般會按設定的尺寸進行上述工序處理,尺寸偏差基本能夠滿足標準要求。

5.2 吸水率、破壞強度、斷裂模數

這三個項目都與產品原料質量、燒結工藝等因素有關,存在有一定的相關性。一般來說,陶瓷磚產品吸水率越小,內部孔隙率就越小,破壞強度和斷裂模數越高。如果原材料組分不均、雜質多、燒結工藝不穩定,同一窯爐燒成的陶瓷磚產品吸水率差別就比較大了,特別是小規格的陶瓷外墻磚。比較嚴重的是0.5%～10%吸水率的陶瓷磚都存在一個包裝箱里面,無論執行那個產品標準,其檢測結果都是不合格。所以,提高原材料質量和提升燒結工藝水平至關重要。

尺寸偏差較大可以通過后工序彌補,但吸水率不一的問題卻比較麻煩:①高溫燒結的成品沒有修復的可能;②不像尺寸偏差那樣肉眼可見;③只能通過多次抽取樣品測試吸水率來區別各個批次的吸水率水平;這給后續的分選工序帶來不少的困難。產品分選不當比較容易產生不合格現象。2018年國家監督抽查陶瓷磚產品有10個批次吸水率項目不合格,其中4個批次標稱GB/T 4100-2015附錄H(0.5%10%),實測結果為7.1%(附錄K)。這10個批次不合格產品的標稱吸水率區間與實測區間相鄰(附錄G、H、J、K、L),恰好印證了不合格企業制造能力和品控水平有待進一步提高。另外,包裝箱(紙箱)使用不當也是吸水率不合格的重要因素。部分中小型企業對產品包裝執行標準認識不到位,混用包裝箱的情況時有發生。在未經確認的情況下,使用庫存的紙箱包裝下一批的陶瓷磚成品。

優異燒結工藝和良好的原材料成分可以形成較多的莫來石晶相和石英石晶相,減少氣孔和微裂紋,增大陶瓷磚產品的強度性能(破壞強度和斷裂模數)。相同生產條件下,破壞強度會因產品規格尺寸不同而不同。2018年國家監督抽查福建晉江某公司生產的薄瓷別墅飾板,規格為600 mm×300 mm×5.5 mm,破壞強度385 N,不符合標準要求。根據破壞強度計算公式S=FL/b(F為破壞載荷,L 為跨距,b為樣品寬度),破壞強度與寬度b 成反比,即使將此產品規格設計成600 mm×600 mm×5.5 mm,則破壞強度也基本沒有變化。然而,如果產品設計成600 mm×300 mm×7.0 mm,則破壞強度值也有可能滿足標準要求。相同制造條件下,陶瓷磚產品厚度越大,其破壞強度越大。陶瓷薄板(厚度5.5 mm 以下)需要注意這個問題。

國家標準GB/T 4100-2015 陶瓷磚附錄G～L是根據產品的厚度來劃分破壞強度的合格界限。由表1不難發現,產品工作尺寸厚度7.5 mm 是一個“分水嶺”。對工作尺寸厚度為7.5 mm 左右的陶瓷磚,產品標準的破壞強度要求差別很大。目前,我國制造的陶瓷磚厚度為3.5～20 mm。林亞榮[5]對7.5 mm 作為劃分指標值提出了疑問,建議將厚度分多段,規定多個區間,避免厚度相差0.1 mm,標準技術值相差300～600 N。如附錄H 中,工作尺寸厚度≥7.5 mm,破壞強度技術要求≥1 100 N;工作尺寸厚度<7.5 mm,破壞強度技術要求≥700 N。工作尺寸厚度7.4 mm 和7.5 mm 的破壞強度技術要求分別是700 N 和1 100 N,后者僅大了0.1 mm,破壞強度技術要求增大57%。2021年國抽陶瓷磚產品4個批次破壞強度項目不合格,其產品厚度分別為7.6 mm、7.8 mm、8.0 mm 和8.2 mm。陶瓷中板(厚度7.5～8.5 mm)比較容易產生破壞強度不合格。所以,生產企業在設計陶瓷磚產品規格(厚度)時應關注“7.5 mm”。

國家標準GB/T 4100-2015陶瓷磚增加了術語“背紋”,陶瓷磚背面具有一定形狀的凹凸槽,上窄下寬,即“燕尾槽”,其深度技術要求≥0.7 mm。根據斷裂模數計算公式R=3FL/2bh2=3S/2h2,h為斷裂面的最小厚度,其測量位置大部分在背紋的“燕尾”,此處是陶瓷磚強度試驗過程中最先發生斷裂的薄弱位置。如果此處厚度偏小,斷裂模數取決于原材料質量和燒結工藝,基本沒有變化,但破壞強度可能偏小。2018年國家監督抽查福建晉江某公司生產的大理石瓷磚,規格為600 mm×300 mm×5.5 mm,斷裂模數32 MPa符合標準的要求,但破壞強度408 N,卻不符合標準的要求。合理深度的背紋設計可以增大陶瓷磚與漿料的接觸面積,提高陶瓷磚的粘結強度,有效地防止陶瓷磚脫落現象產生。然而,不同背紋圖形的陶瓷磚產品,破壞強度差別較大。斷裂面上背紋的數量越多,受力面積也大,陶瓷磚的破壞強度越高。目前陶瓷產品背紋以長條紋、斜形紋、圓紋為主。一般來說,相同工藝相同規格尺寸的陶瓷磚產品,長條紋破壞強度要高于圓紋。當然,這里應該會有個平衡點需要探索,既要增大斷裂面的受力面積,也要保證與粘結漿料的接觸面積。

另外,選擇合適的產品標準也很關鍵。2018年國家監督抽查有8家受檢企業產品破壞強度項目不合格,其中6家情況如下:

(1)工作尺寸:95 mm×45 mm×5.0 mm,破壞強度為512 N;

(2)工作尺寸:94.3 mm×45 mm×5.0 mm,破壞強度為558 N;

(3)工作尺寸:200 mm×60 mm×6.0 mm,破壞強度為668 N;

(4)工作尺寸:95 mm×45 mm×5.1 mm,破壞強度為641 N;

(5)工作尺寸:600 mm×300 mm×5.5 mm,破壞強度為408 N;

(6)工作尺寸:600 mm×300 mm×5.5 mm,破壞強度為385 N;產品的工作尺寸厚度在5.5 mm 左右,如果產品按照行業標準JC/T 2195-2013[6]或國家標準GB/T 37214-2018[7]執行,則有可能得到合格的結論。

6 結語

歷年國抽陶瓷磚產品質量總體平穩,合格率多年保持在90%左右,不合格產品集中在中小企業,不合格項目主要為尺寸偏差、吸水率、破壞強度、斷裂模數。筆者結合多年的監督抽查經驗提出以下建議:①如果生產企業的燒結工藝控制不夠有力,建議陶瓷磚產品按吸水率E<0.5%(玻化磚)或E>10%(瓷片)生產,避開中間部分0.5%～10%,便于制造吸水率合格的產品。②生產企業設計產品規格尺寸要充分考慮到“7.5 mm”和背紋等影響因素。③生產企業務必提高對產品外包裝的重視程度。陶瓷磚產品外包裝(紙箱)標注的工作尺寸、執行標準等是產品檢驗檢測的重要判定依據。標注錯誤標準(附錄)、工作尺寸和用錯包裝紙箱將得到不合格的結果。企業品控部門應在分選、打包和出廠檢測等工序多加注意。總之,生產企業應依照產品標準合理設計陶瓷磚產品,提升制造水平,加強品質管控,提高標準認識水平,增強質量意識。