陶瓷磚厚度對(duì)性能的影響

吳長(zhǎng)發(fā) 羅 飛 范偉峰

(佛山歐神諾陶瓷有限公司 廣東 佛山 528138)

前言

20世紀(jì)80年代初，日本東麗株式會(huì)社最早提出了薄型陶瓷的概念。陶瓷磚薄型化是建筑陶瓷行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、節(jié)能減排重要的途徑之一[1～4]。與普通陶瓷磚相比，陶瓷薄板厚度僅為普通陶瓷磚厚度的1/3～1/4，故其原料用量可減少60%左右，能源節(jié)約至少40%以上。因此，一次燒成陶瓷薄板產(chǎn)品屬于一種優(yōu)質(zhì)綠色建材產(chǎn)品，但目前市場(chǎng)接受程度依然不高[5～6]。從市場(chǎng)來(lái)看，一般咨詢較多，購(gòu)買較少，其主要原因在于價(jià)格，與同尺寸規(guī)格的普通陶瓷磚相比，陶瓷薄板的售價(jià)高出許多。既然陶瓷薄板在生產(chǎn)過(guò)程中比傳統(tǒng)陶瓷磚更省原材料和能耗，其價(jià)格高出普通磚數(shù)倍以上令人難以接受。同時(shí)，部分消費(fèi)者認(rèn)為“減薄就是偷工減料”，擔(dān)心減薄后產(chǎn)品的實(shí)用性，這種心理也阻礙了薄板市場(chǎng)的推廣[7～10]。此外，相關(guān)文獻(xiàn)[1]報(bào)道了采用流延成形可制備厚度1 mm的陶瓷墻紙。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了陶瓷磚的厚度與各項(xiàng)物化性能的關(guān)系，明確了傳統(tǒng)配方條件下陶瓷磚減薄的適宜厚度范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的陶瓷粉料來(lái)自佛山某陶瓷廠，其化學(xué)組成如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用陶瓷粉料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

1.2 試樣的制備與表征

將陶瓷粉料分別壓制不同厚度(2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm)的陶瓷磚試樣，將試樣在不同的溫度下(1 170 ℃、1 200 ℃、1 230 ℃)燒成，燒成周期55 min。采用陶瓷磚國(guó)標(biāo)的檢測(cè)方法對(duì)試樣的燒失、燒成收縮、吸水率、體積密度、斷裂模數(shù)、破壞強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，采用硅酸鹽成分快速測(cè)定儀(GKF-IV型，湘潭湘儀儀器有限公司)對(duì)坯體粉料試樣的成分進(jìn)行檢測(cè)；掃描電子顯微鏡(Quanta 200，荷蘭FEI公司)對(duì)陶瓷試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

圖1為厚度與陶瓷磚燒失的關(guān)系圖。由圖1可知，當(dāng)燒成溫度為1 170 ℃時(shí)，試樣在所有的厚度范圍內(nèi)，其燒失都較大，可能是由于相對(duì)較低的燒成溫度，使得坯體的結(jié)構(gòu)較為疏松，氣體揮發(fā)成分更容易排除。而燒成溫度為1 200 ℃和1 230 ℃時(shí)，試樣表面形成較多的液相，將表面封閉，使得氣體難以排除。同時(shí)，燒成溫度為1 170 ℃的試樣，較薄厚度的試樣燒失越大，可能是因?yàn)槌尚闻黧w越薄，坯體內(nèi)的氣體揮發(fā)物沖出表面的路徑更短，排除相對(duì)更容易。

圖1 厚度與陶瓷磚燒失的關(guān)系

圖2 厚度與陶瓷磚燒成收縮的關(guān)系

圖2為厚度與陶瓷磚燒成收縮率的關(guān)系圖。由圖2可知，隨著厚度的增加，所有燒成溫度條件下試樣的燒成收縮率逐漸降低，原因可能是在同樣的溫度場(chǎng)條件下，厚度越薄需要的熱量更少，更容易燒成。同時(shí)，同樣厚度的試樣，燒成溫度1 170 ℃的試樣燒成收縮率最小，1 200 ℃條件下的試樣燒成收縮最大，主要是低溫條件下陶瓷磚試樣尚未燒結(jié)，結(jié)構(gòu)較為疏松，因而收縮較小。當(dāng)試樣燒結(jié)后，進(jìn)一步增加燒成溫度至1 230 ℃，試樣中的封閉氣體膨脹，反而使坯體的燒成收縮率降低。

圖3為厚度與陶瓷磚體積密度的關(guān)系圖。由圖3可知，對(duì)于相同厚度的試樣，隨著燒成溫度的增加，體積密度先增加后降低。當(dāng)燒成溫度為1 200 ℃時(shí)，體積密度最大，規(guī)律與燒成收縮類似。對(duì)于相同的燒結(jié)溫度，隨著厚度的逐漸增加，體積密度略微降低。

圖3 厚度與陶瓷磚體積密度的關(guān)系

圖4 厚度與陶瓷磚吸水率的關(guān)系

圖4為厚度與陶瓷磚吸水率的關(guān)系圖。由圖可知，當(dāng)燒成溫度為1 170 ℃時(shí)，試樣的吸水率隨著厚度的增加而增加，且吸水率均在3%以上，主要是試樣厚度越大，坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越疏松。當(dāng)燒成溫度為1 200 ℃和1 230 ℃時(shí)，吸水率降至1%以下。1 200 ℃燒成的試樣，所有厚度條件下其吸水率均在0.5%以下。

圖5為厚度與陶瓷磚斷裂模數(shù)的關(guān)系圖。由圖5可知，當(dāng)溫度為1 170 ℃時(shí)，其所有厚度的試樣斷裂模數(shù)最小，主要是該組試樣的燒成溫度較低，試樣燒結(jié)程度較差，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松。當(dāng)溫度高于1 200 ℃時(shí)，所有厚度的試樣斷裂模數(shù)值均在45 MPa以上。根據(jù)現(xiàn)有陶瓷磚國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于瓷質(zhì)磚，斷裂模數(shù)平均值需不低于35 MPa。因此，普通陶瓷磚的厚度減薄在斷裂模數(shù)上不受標(biāo)準(zhǔn)的限制。

圖5 厚度與陶瓷磚斷裂模數(shù)的關(guān)系

圖6 厚度與陶瓷磚破壞強(qiáng)度的關(guān)系

圖6為厚度與陶瓷磚破壞強(qiáng)度的關(guān)系圖。由圖可知，所有燒成溫度條件下，試樣的破壞強(qiáng)度隨著厚度的增加而增加。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于瓷質(zhì)磚而言，其破壞強(qiáng)度不能低于700 N。即在吸水率低于0.5%燒結(jié)的情況下，陶瓷磚的厚度不能低于4.5 mm。圖7為5 mm厚度試樣在不同燒結(jié)條件下的微觀形貌圖。由圖7可知，1 170 ℃時(shí)，試樣內(nèi)部有較多松散的孔結(jié)構(gòu)；燒結(jié)溫度達(dá)到1 200 ℃時(shí)，孔結(jié)構(gòu)的形狀由無(wú)定型轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的圓孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步升溫至1 230 ℃時(shí)，試樣內(nèi)圓孔結(jié)構(gòu)的尺寸變大，主要是高溫液相量增加，包括在液相中的氣體膨脹所致。

(a)1 170 ℃ (b)1 200 ℃ (c)1 230 ℃

綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陶瓷磚的減薄對(duì)燒失、燒成收縮、吸水率、體積密度有一定的影響，但影響均較小。根據(jù)現(xiàn)有陶瓷磚國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于瓷質(zhì)磚的減薄，其斷裂模數(shù)也不會(huì)受到標(biāo)準(zhǔn)的限制，但根據(jù)破壞強(qiáng)度的界限，其厚度不能低于4.5 mm。