燒成溫度對低溫玻化磚性能的影響

趙田貴，董偉霞，施怡康，包啟富，周健兒，劉賢本，劉書杰

(景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

燒成溫度對低溫?；u性能的影響

趙田貴，董偉霞，施怡康，包啟富，周健兒，劉賢本，劉書杰

(景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

摘 要：在前期研究的基礎(chǔ)上以特白鉀砂、諸暨瓷砂為主要原料，選取建寧長石、鈉長石和鋰瓷石為熔劑，采用壓制成型法制備性能優(yōu)良的低溫?；u?？疾鞜蓽囟葘Σ；u性能的影響。通過XRD和SEM測試對材料的晶相和顯微結(jié)構(gòu)進行了分析。研究結(jié)果表明：以建寧長石加入量4wt.%，鈉長石加入量16wt.%，鋰瓷石加入量11wt.%，在燒成溫度為1150 ℃、保溫時間為20 min時，?；u各項性能可達到：燒成收縮為7.21%、抗彎強度為65.8 MPa、吸水率為0.11%。

關(guān)鍵詞：?；u；吸水率；燒成溫度；抗彎強度

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0　引 言

近年來隨著陶瓷技術(shù)的不斷發(fā)展，?；u尤其是大規(guī)格的?；u已經(jīng)成為家居裝飾的主流。這種陶瓷磚擁有天然石材的質(zhì)感，而且還擁有高硬度、高耐磨性、高光澤度、吸水率低、色差少、規(guī)格多樣化和色彩豐富等諸多優(yōu)點。用?；u裝飾鋪貼的建筑會顯示出更加高雅的品味，能將古典與現(xiàn)代的美感兼容并蓄。在國內(nèi)外建筑陶瓷行業(yè)已經(jīng)成為CO2廢氣排放重災(zāi)行業(yè)，它加劇了地球溫室效應(yīng)。?；u是建筑陶瓷主要產(chǎn)品之一，它的燒成溫度通常在1200 ℃到1250 ℃之間，燒成周期一般為48到100 min，在保證產(chǎn)品性能指標符合已頒布的?；u國家技術(shù)標準的前提下，使燒成溫度降低100 ℃左右，依然是國內(nèi)以及國外難以攻克的技術(shù)壁壘。本論文在前期實驗的基礎(chǔ)上[1, 2]，采用三元復(fù)合熔劑降低陶瓷?；u的燒成溫度，主要考察燒成溫度對低溫建筑?；u的性能影響。

1　實驗過程

1.1實驗原料

1.2樣品制備

按照配方組成(wt.%)：鈉長石16%，鋰瓷石11%，建寧長石粉4%，特白鉀砂33.8%，諸暨瓷砂27.2%，粘土13.6%，球土SW-211 5.4%，將配制好的原料經(jīng)不同球磨時間后干燥，加入一定量的PVA作為粘合劑，干壓成型(20 MPa)，考察燒成溫度對其?；u性能的影響。

1.3性能測試與表征

采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡分析形貌。采用德國Bruker D8-Advance 型X射線衍射儀測試樣品的物相。采用阿基密德定律測定多孔陶瓷的吸水率和體積密度。采用三點彎曲法，將試樣至于10KN微機控制電子萬能試驗機上，測定試樣的抗彎強度。

表1　實驗原料Tab.1 Experiment raw materials

2　結(jié)果分析與討論

2.1 不同燒成溫度對樣品燒結(jié)性能的影響

從實驗結(jié)果可知，當燒成溫度為1120 ℃時，樣品生燒，故在圖1中略去。圖1是不同燒成溫度下樣品的吸水率，體積密度和燒成收縮。燒成收縮，吸水率和體積密度是表征樣品燒結(jié)性能的最基本參數(shù)之一[3]。從圖1中可以看出，樣品隨著燒成溫度的增加，樣品的吸水率逐漸降低，而體積密度保持2.40 g/cm3不變。當燒成溫度超過1170 ℃時，樣品的吸水率反而增加。此時，樣品的體積密度卻隨著燒成溫度的升高而降低，如圖1(a)所示。然而，隨著燒成溫度的升高，樣品的燒成收縮先增加后降低，在1150 ℃呈現(xiàn)最大值7.21%，如圖1(b)所示。這是由于隨著燒成溫度升高到1170 ℃，由于已達到三元熔劑組分的低共熔點液相量急劇增多，會包裹氣孔形成閉口氣孔。從而使其吸水率降低，相應(yīng)地體積密度也隨之降低。當燒成溫度超過1170 ℃時，樣品過燒程度增加，體積隨之發(fā)生膨脹，閉口氣孔被沖破，從而導(dǎo)致吸水率增加，體積密度進一步降低[4-6]。從上述實驗結(jié)果可知，當燒成溫度在1130 ℃-1150 ℃時，樣品的吸水率都小于0.5%，體積密度在2.40 g/cm3和燒成收縮都大于6.5%，這說明該樣品具有較寬的燒結(jié)溫度范圍，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1　不同燒成溫度樣品的(a)吸水率和體積密度、(b)燒成收縮Fig.1 Variation of (a) water absorption, bulk density, and (b) firing shrinkage of the samples with firing temperature

2.2不同燒成溫度對樣品抗折強度的影響

圖2是樣品在不同燒成溫度下的抗彎強度。隨著燒成溫度升高，樣品的抗彎強度先增加而后減少，當燒成溫度在1150 ℃時，其樣品的抗彎強度達到最大值。這主要是由于在三元熔劑配方中，鋰瓷石有強烈的助熔效果，隨著燒成溫度的升高，產(chǎn)生的液相量越來越多，可以填充坯體中的氣孔，使坯體達到致密化，故提高了試樣的抗折強度。當繼續(xù)升高燒成溫度時，由于已達到三元熔劑組分的低共熔點液相量急劇增多，氣孔來不及被填充，又被液相所包裹，導(dǎo)致樣品性能惡化[4]。

圖2　不同燒成溫度樣品的抗彎強度Fig.2 Variation of bending strength of the samples with firing temperature

圖3　不同燒成溫度樣品的XRD曲線(a)1130 ℃;(b)1150 ℃;(c)1170 ℃;(d)1190 ℃Fig.3 XRD patterns of the samples fired at different temperatures:(a) 1130 ℃; (b) 1150 ℃; (c) 1170 ℃; (d) 1190 ℃

圖4　不同燒成溫度樣品表面的SEM照片(未腐蝕)：(a)1130 ℃;(b)150 ℃;(c)1170 ℃;(d)1190 ℃Fig.4 SEM images of the uncorroded samples fired at different temperatures:(a)1130 ℃;(b)1150 ℃;(c)1170 ℃;(d)1190 ℃

2.3樣品的顯微結(jié)構(gòu)分析

圖3是樣品在不同燒成溫度樣品的XRD圖譜。從圖3可以看出樣品是由石英主晶相(PDF卡片號：51-1377)組成，并伴隨有少量的Al2Si4O10(PDF卡片號：25-0021)晶相，并且隨著燒成溫度的升高，石英晶相的衍射峰強度越來越低 [即I(cps)=670,585, 485,420]，說明石英晶相量隨之減少。這主要是由于樣品中的石英隨著燒成溫度的升高而逐漸被熔融，隨著石英熔融量的增加，液相的粘度與數(shù)量逐漸增加，從而導(dǎo)致樣品致密化程度增加，相應(yīng)地樣品的抗折強度增加。但繼續(xù)增加溫度超過1170 ℃時，盡管石英熔融量進一步增加，但液相量急劇增加速率遠大于石英熔融的速率，致使液相迅速包裹未排出的氣孔，相應(yīng)地，樣品的性能有所降低(如圖1和圖2所示)。

圖4是樣品在不同燒成溫度下的SEM圖片。從圖中可以看出，所有樣品表面都比較致密；并且隨著燒成溫度的升高，樣品表面越來越光滑。這主要是由于隨著燒成溫度的升高，液相量越來越多，石英顆粒被熔融，從而使表面光滑程度提高。正是由于樣品所呈現(xiàn)的致密化程度高，因此樣品都具有較低吸水率(<0.5%)。隨著燒成溫度的升高，樣品中的石英晶相含量較高(如圖3(b)所示)，同時，石英顆粒熔融到液相中，導(dǎo)致玻璃相粘度增加，因此樣品的抗折強度進一步提高。當燒成溫度繼續(xù)升高到1170 ℃時，石英顆粒繼續(xù)熔融，由于燒成溫度的提高液相量迅速增加，其增加速率遠高于石英顆粒的熔融速率，氣泡被玻璃相所包裹，此時氣孔以閉口氣孔形態(tài)存在，但樣品表面呈現(xiàn)出輕微過燒。因此吸水率減少，抗折強度減小。繼續(xù)升高溫度到1190 ℃，液相量迅速增加包裹了未排出的氣孔[5, 6]，樣品中的氣孔沖破排出，過燒程度進一步增加。因此，樣品表面呈現(xiàn)出少量氣孔的形態(tài)，相應(yīng)地，使樣品的吸水率增加，而樣品的抗折強度進一步降低。

3　結(jié) 論

研究結(jié)果表明：隨著燒成溫度的提高，樣品中的石英晶相含量較高，同時石英晶相熔融度增加，導(dǎo)致液相粘度增加，從而使樣品的抗折強度增加；隨著溫度的進一步提高，樣品中的石英晶相含量降低，而此時液相量增加速度遠遠高于石英晶相的熔融度，包裹了未排除的氣孔，因此試樣的抗折強度反而降低，燒結(jié)性能惡化。當燒成溫度在1150 ℃，保溫時間為20 min時，?；u各項性能符合國家標準(燒成收縮為7.21%，抗彎強度為65.8 MPa，吸水率為0.11%)。

參考文獻：

[1]劉昆, 周健兒, 汪永清, 等. 超低溫(≤1100 ℃)玻化磚的研究與開發(fā)[J]. 中國陶瓷工業(yè), 2012, 19(6): 14-17. LIU Kun, et al. China Ceramic Industry, 2012, 19(6): 14-17.

[2]周健兒, 劉昆, 汪永清, 等. 鋰瓷石在超低溫?；u中的應(yīng)用研究[J]. 陶瓷學報, 2010, 31(45): 29-33. ZHOU Jian’er, et al. Journal of Ceramics, 2010, 31(45): 29-33.

[3]MARTIN-MARQUEZ J , RINCON J M, ROMERO M . Effect of microstructure on mechanical properties of porcelain stoneware. J. Eur. Ceram. Soc., 2010, 30(15): 3063-3069.

[4]STATHIS G, EKONOMAKOU A, STOURNARAS C J, et al, Effect of firing conditions, filler grain size and quartz content on bending strength and physical properties of sanitary ware porcelain. J. Eur. Ceram. Soc., 2004(24): 2357-2366.

[5]DE NONI A Jr, HOTZA D , SOLER V C, et al. Influence of composition on mechanical behaviour of porcelain tile. Part II: Mechanical properties and microscopic residual stress. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527(7-8):1736-1743.

[6]MARTIN-MARQUEZ J, RINCON J M, ROMERO M. Effect of firing temperature on sintering of porcelain stoneware tiles. Ceram. Int., 2008, 34: 1867-1873.

通信聯(lián)系人：董偉霞(1977-)，女，博士，副教授。

Received date: 2014-09-01. Revised date: 2014-09-18.

Correspondent author:DONG Weixia(1977-), female, Ph. D., Associate professor.

Effects of Firing Temperature on the Properties of Low-Temperature Porcelain Building Tiles

ZHAO Tiangui, DONG Weixia, SHI Yikang, BAO Qifu, ZHOU Jian’er, LIU Xianben, LIU Shujie (Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Abstract:In this paper, the low temperature porcelain building tiles were prepared by fast firing process using white potassium and Zhuji porcelain sand as main materials, and Jianning feldspar, soda feldspar and lithium china stone as fluxes. Effects of firing temperature on the properties of low temperature building tiles were studied. The crystalline phase and microstructure of the sample were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) analysis. The results showed that when fired at 1150°C and heat soaked for 20 min, mixed with 4% Jianning feldspar, 16% soda feldspar and 11% lithium china stone as fluxes, the properties of the sample were optimal, with the linear shrinkage of 7.21%, the water absorption of 0.11% and the bending strength of 65.8 MPa.

Key words:porcelain building tile; water absorption; firing temperature; bending strength

中圖分類號：TQ174.76

文獻標志碼：A

文章編號：1000-2278(2015)01-0048-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.011

收稿日期：2014-09-01。

修訂日期：2014-09-18。

基金項目：江西省研究生創(chuàng)新專項基金項目(編號：YC2013-S252)；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(編號：703301-012)。