液相陶瓷的一種制備技術及應用實踐

摘 要：本發明采用溶膠凝膠原理，以膠體二氧化硅為水性樹脂粉，加入酸性膠凝固化劑，在特殊助劑的輔助下，凝膠形成連續性薄膜，涂在陶坯、石材、生態板、金屬板表面，形成釉面，相當于搪瓷一樣的產品。本產品解決了陶瓷工藝高溫耗能大、排放有毒氣體之類的缺陷，而且緩解了陶瓷產品硬脆易斷裂，不能在圓柱體、邊角異型上難裝飾的痛點，為陶瓷裝飾方面開辟了一條新途徑。

關鍵詞：陶瓷；溶膠凝膠；陶瓷裝飾

1 引言

陶瓷產品具有悠久歷史，高溫燒結的瓷磚、瓷板經久耐用，不燃燒、耐水、耐磨、耐候、而且美觀大方，是建筑領域中不可缺少的常用產品，尤其是近年來開發的釉面磚、大巖板，更是受市場歡迎。但是它有兩個致命痛點：一是硬脆、易斷裂、不便加工、安裝時也容易損壞；二是高溫灼燒能耗太大，又排放污染性氣體。國家對企業在節能減排和環保要求越來越嚴格。所以許多公司研發生態板，包括水泥板、硅鈣板、鎂板、復合板等，可以不經高溫灼燒的無機板材，開拓了建材的一個新跑道，然而它們的裝飾性差，不被廣大用戶接受。針對現狀，在免燒無機板材基礎上，通過智能型3D打印和液相陶瓷結合，使表面形成似釉面磚，又勝于釉面磚的高裝飾建材。

目前雖然房地產產業下滑，但是舊房改造、住房裝飾方面還是很大的。例如高級背景墻、從會客廳、大會堂到會議室、從公司裝飾到個體住房，到處都有墻面畫飾。這些裝飾墻畫，要求外觀優雅、阻燃、耐水、耐蟲蛀、個性要求高、大小尺寸不統一、畫面更是多彩多樣，還要有陶瓷釉磚的風格顯得高檔。普通紙畫、布畫逐漸被取代，尤其在地下工程，如地鐵，必須符合消防要求，又環保。在某些部位，如大羅馬柱，瓷磚不能彎曲，塑料類易燃等都不行，必須采用液體陶瓷復合板，兼有搪瓷釉特質，而且容易加工、裁切和彎曲面鋪貼。

2項目研究采用的工藝路線和試驗內容

2.1采用工藝路線

選用優質達到國家人造板質量標準的基礎板材，主要生態板選用硅鈣板、鎂板、水泥板及蜂鋁金屬板，先經過表面砂平再做防堿處理，做成平整白底板材，然后噴涂或輥涂液體陶瓷料，固化成釉面成品。

其中技術關鍵因素為：（1）板材強度性質由底板決定，必須達到國標質量要求，并且根據用戶特點，可以有致密高強度型或發泡成輕質板材。（2）表面液體陶瓷形成釉的質量和外觀漂亮，由本項目試驗取得。（3）表面釉層與底材之間的結合強度。

2.2研發試驗過程

（1）液體陶瓷配方是制備系列產品的核心技術。整個配方中含三個組分：

A組分為納米硅溶膠的穩定膠體溶液；

B組分為硅烷系復合改性劑（包括硅烷或硅烷偶聯劑、橋接樹脂-R基）；

C組分為促進劑，包括醋酸、蟻酸、檸檬酸等混合液。

整個體系反應比較復雜，有樹脂水解反應，形成帶R-COOH或R-OH活性官能團，與硅溶膠中硅氧醇基（-SiOH）和羥基（-OH）進行接枝脫水縮合反應放熱，其反應式為：

R'Si（OR）+3HO=R'Si（OH）+3ROH" " " " " " " " " " "（1）

R-COOH/R'（OH）+-SiOH/-OH（A）→-RCOOSi-/-R'SiOSi-+H2O" " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " "（2）

-SiOH/-OH（A）+-SiOH/-OH（A）→SiOSi-+H2O" " （3）

主要結構是由硅溶膠縮聚反應形成硅氧鍵鏈接而形成的立體多孔網狀結構。硅氧鍵的鍵能極高，所以非常穩定，耐高溫、耐老化性能非常好。次要結構是有機弱酸、硅烷等復合改性劑（B）與硅溶膠溶液（A）進行脫水縮合反應，在硅溶膠中硅醇（-SiOH）或羥基（-OH）反應接枝形成長鏈，穿插在主要結構（-Si-O-Si-）網絡中，可以增加硅氧網絡的柔性和釉面層的連續平整性。反應過程受C組分調節pH值來控制反應速度和程度。

液體陶瓷成釉過程是上述反應過程，反應速度主要由C組分來控制，試驗發現，反應快形成粉狀沉淀二氧化硅，反應緩慢進行，經幾個小時充分反應之后，烘干失水，才能形成連續相薄層釉面。試驗發現，增加C組分，提高濃度，（1）和（3）反應會向右移動，正反應加快。如果濃度過高，反應劇烈會發生爆聚，于是我們采用醋酸、檸檬酸、蟻酸等弱酸，保證PH值穩定而適中，使反應緩慢進行。

（2）助劑試驗：助劑能改善釉層表面流動性，使釉面平整光滑。有些功能性助劑可以殺菌、提高防污染性等。添加助劑試驗如表1所示。

由試驗結果得出，選定410流平劑、414復合流平劑、417流平劑，開展最佳加入量試驗，試驗結果顯示，選擇加入410流平劑的添加量為B組分的0.5%及0.3%的414復合流平劑，其效果最佳。

然后對EC-505的最佳加入量進行試驗，加入B組分的1%、2%、3%、4%、5%、7%、10%和12%，防污效果隨EC-505的加入量增大而提升，加入3%-5%效果最佳；之后再增加EC-505的量，防污效果并無提升，而且出現了冒油現象，所以優選其加入量為3%。

最終確定液體陶瓷釉的制備配方見表3。

如果制備色釉，則加入色漿即可。例如制備白色釉面層，即需要先制備白漿，配方見表4。

白漿研磨到25微米以下，然后攪拌下加入上述透明釉中，加入量為上述透明釉配方中，加入100-120份。

采用以上實驗結果的配方，噴涂于底材表面，液體陶瓷固化后，得到表面搪瓷狀釉層，釉層豐滿、致密、硬度達到6-9H。各種理化性能優良，性能如表5所示。

其表面顯微效果圖如圖1。

3經濟效益

采用液相陶瓷在各種板材、異型件上涂飾制成搪瓷類釉面層，其經濟效益舉例說明。

例一：采用無機板材-3D打印-液體陶瓷工藝制備裝飾板，經濟效益較好，可以產業化。按中試規模小型生產為計算實例：

市場均價為參考，成本部分如表6。

表面裝飾層成本：

1.底漆UV用量：2元/㎡。

2.智能3D打印：精度720*1440dpi，4噴頭速度（材料2.5m×1.25m）標準精度下（4pass，整板）45㎡/h；較高精度（6pass，整板）30㎡/h，超高精度下（8pass，整板）22㎡/h；試驗采用較高精度計算。

成本適中，為21元/㎡。

3.面漆：9元/㎡。

4.液體陶瓷罩面：28元/㎡。

5.加工成本（按40000張/月大板計算）：車間4000㎡，人員12人，建小型實驗室30萬元。采購噴涂及3D打印設備費用200萬元，廠房租金60萬元/年，使用原材料費用80萬元，人工總薪酬（一年）90萬元，業務招待、考察、調研等費用10萬元/年。

綜合生產成本為100～120元/㎡，每月40000張板，360元/張，總計360×40000=1444萬元/月。

銷售市場均價為200元/㎡，每張板600元，每月2400萬元。

銷售費用300萬元/月，毛利為660萬元/月，每年毛利約7000萬元。

例二：以江門陶瓷性水龍頭試產實例，生產車間投入1282萬元，年產49500套，生產成本見表7。

綜合估算，投資為1282萬元，年產值為2227萬元，成本為1012萬元，年毛利率為1215萬元。投資回報周期約一年。

4新技術新產品的市場應用

目前陶瓷產品，經久耐用、美觀大方，已在建材裝飾工程上得到廣泛使用。但是耗能大，環境污染，而且質地硬而脆，容易斷裂，在安裝過程容易損壞，又不易切割加工，很難打釘子，又不能彎曲，使用受到了一定的限制。我們開發的液相陶瓷，成型之前是流體，可以在板材及各種異型構件上固化成釉，具有接近陶瓷的各種優點，如烤瓷一般。

如果底材選用可彎曲軟瓷、可適當彎曲的生態板、鋁板之類，則制成的仿瓷磚產品，就可在羅馬柱，吊頂等各種場合使用。例如巖板，近年來發展很快，在整體化裝飾中很受歡迎。由于大板太重，拖工難度大，許多公司試制薄型3mm的大巖板，然而薄板經不住壓機磨砂、拋光、極易斷裂，又不便上釉美化，采用液相陶瓷來上釉表層，非常漂亮的外觀之外，不必高溫燒，解決了薄板痛點。

地下工程如地鐵裝飾、各站臺的大羅馬柱、有機涂裝、塑料加工均不可以，易燃品不準用，無機類瓷磚不能彎，做不成羅馬柱。采用液相陶瓷法，在柔性生態板或鋁板上，結合液相陶瓷成表面釉，就可制成設計要求大小的圓柱狀、異型的各件配件，做成羅馬柱，實現“陶瓷上墻”。

在生態板上用液相陶瓷配合3D打印，做成高級背景墻，應用范圍更是非常廣泛。

5結論

（1）液相陶瓷為流體，在各種材料上結合制成表面釉，相似于搪瓷一類，不必高溫煅燒成釉，節能環保。

（2）液相陶瓷固化之后，理化性能優良，優于各類涂料質量，其耐溫不燃，高硬度、高耐磨，都接近陶瓷產品。

（3）解決了瓷磚脆裂痛點，易加工。所以應用前景良好。

6不足之處和持續改進

液相陶瓷作為一種新型的無機裝飾材料，拓寬了陶瓷行業的市場范圍，補充了瓷磚的應用場景。但是大幅度推廣使用尚有不足之處，技術難度較大，制備液相陶瓷要求比較高的技術含量，尤其是慢反應充分熟化必須嚴格。另外，在應用時，與底材的結合往往要求高，許多材料上附著力不好。為此，我們將繼續改進，通過引入硅烷及納米纖維，增加液相陶瓷固化后與底板的結合力，增加柔韌性，防止裂紋，并且設計免熟化的化學反應，以提高生產效率。

參考資料

[1]劉建平.一種涂覆于基材表面的無機納米涂料及其制備和使用方法：中國，2538024[P].2017-06-30.

[2] 韓國陶瓷油：金剛高麗化學KCC公司.2016.

[3] 上海金力泰KNT-CA-10幕墻陶瓷涂料.2016.