復合工藝瓷質(zhì)仿古磚的研制 *

梁超成 岑婉婷 黃玲艷 何宇奇 黃辛辰 牛 丹

(1 廣東蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528211) (2 中國輕工業(yè)無機材料重點實驗室 廣東 佛山 528211)

前言

目前市場上的裝飾用普通瓷質(zhì)仿古磚，釉面裝飾樸實平淡，隨著噴墨打印機用量的增多，許多企業(yè)的同質(zhì)化越來越嚴重，工藝簡單，花式單一是目前陶瓷市場存在的一個普遍現(xiàn)象。而且慢慢都發(fā)現(xiàn)噴墨打印機也有一些無法避免的問題，或者無法超越接觸印刷的技術(shù)性難題。如噴墨打印機使用的墨水只有4～6個色系，不能調(diào)制出更復雜的色號，生產(chǎn)深色產(chǎn)品沒有優(yōu)勢。當墨水不能及時干透，釉面的花色會模糊，尤其是做一些紋理圖案時花色效果不如絲網(wǎng)印花和輥筒印花，黑金花、深咖色這類產(chǎn)品還要通過絲網(wǎng)印花技術(shù)才能做出效果。

由于產(chǎn)品花色的同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重，縮小了不同規(guī)模和不同實力陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)的競爭差距，因此必須重新利用目前的主流設備，開發(fā)出多種工藝裝飾技術(shù)復合的產(chǎn)品。

本文采用精雕技術(shù)的模具，使得表面紋理更加細膩逼真；通過在噴墨機和輥筒機間加特殊效果釉，使得產(chǎn)品具有明顯的立體的視覺效果；通過輥筒的工藝，可以在產(chǎn)品的表面印刷各種多變的效果釉(如半拋釉、干粒釉、全拋釉、浮凸釉等)，本文主要加印目前市場上流行的干粒釉，更加體現(xiàn)自然的質(zhì)感以及觸感。采用雙凹凸模具+亞光或光亮面釉+噴墨+啞光(亮光)保護釉+啞光(亮光)干粒釉等技術(shù)。該產(chǎn)品可以大大增加產(chǎn)品的色系，使得產(chǎn)品豐富多彩。

1 實驗方案

1.1 設計圖案的選擇

選定一個合適的設計圖案，該圖案分為兩個部分，一個用于噴墨機打印，要求紋理自然清晰并能與膠輥印花圖案匹配；另一個膠輥圖案要求豐富多樣，與噴墨既匹配又能更好體現(xiàn)整幅圖案的浮凸效果，同時通過色彩的反差讓整個裝飾面絢麗多彩。

1.2 坯體的研制過程

1.2.1 坯用原料的選擇及配方的組成

設計坯體配方時，根據(jù)坯料特殊工藝的需要，為平衡好磚的變形度，在原有配方的基礎上我們適量提高了氧化鋁的含量，使坯體抵抗高溫變形的能力增強。同時降低了坯體膨脹系數(shù)，拉近了坯體及釉料的膨脹系數(shù)差異性，提高了坯釉適應性[1]，便于窯爐燒成中磚形的控制。

坯體中主要使用的原料為慶鉀砂、鈉石粉、水磨石粉、力鴻鉀砂、南峰低溫砂、邦砂、球土、東基泥、黑滑石等多種泥砂料的復合。經(jīng)過大量實驗所得的中試坯體配方為(重量份)：慶鉀砂8 wt%、鈉石粉9 wt%、水磨石粉9 wt%、力鴻鉀砂7 wt%、南峰砂8 wt%、邦砂30 wt%、球土20 wt%、東基泥7 wt%、黑滑石2%，經(jīng)球磨加工和噴霧干燥形成坯粉。其中表1為所選坯用原料的化學成分。

1.2.2 坯料生產(chǎn)工藝參數(shù)

制粉工藝：泥漿密度：1.69～1.71 g/cm3；

球磨細度：0.8%～1.0%(250目篩余)；

顆粒級配：30目上：5～20%；

30～60目：≥64%；

60～80目：≤12%；

80目下：≤6%；

粉料水分：7.0～7.5%；

成形工藝：壓機機型：PH3000；

成形壓力：360 bar；

壓制周期：5.4次/min(600 mm×600 mm規(guī)格)；

干燥工藝：干燥溫度：140 ℃；

干燥時間：60 min；

干燥坯體水分：≤0.5%。

1.2.3 坯料燒成制度的確定

將中試坯體配方在輥道窯中試燒，燒成溫度為1 200 ℃，燒成時間65 min，經(jīng)燒成后檢測產(chǎn)品吸水率≤0.5%，坯體收縮率為7.1%，坯體的燒結(jié)性能良好[2]，達到本實驗的坯體要求。具體燒成溫度曲線如圖1。

表1 試驗所選坯用原料化學成分(wt%)

圖1 窯爐燒成曲線

1.3 釉料配方的研制

1.3.1 面釉的配方設計選擇

在設計坯料的同時也要進行高溫面釉、高溫保護釉、凹凸效果釉配方的設計，為了能夠適應坯料的燒成制度和提高坯釉的結(jié)合性，我們選用瓷質(zhì)仿古磚專用高溫啞光面釉，適量添加一些輔助原料，如煅燒高嶺土提高面釉的燒成溫度。通過對比釉面效果、防污性能、磚的變形情況，本實驗所用面釉基礎配方(重量份)：成釉90 wt%、硅酸鋯5 wt%，煅燒高嶺土5 wt%，經(jīng)球磨加工，過篩除鐵，陳腐備用。同時根據(jù)不同場合的需要，面釉配方可配以不同的色料，制成更多不同的產(chǎn)品。

1.3.2 保護釉的配方設計選擇

保護釉既要保護圖案層不被破壞又要有較好的透明性.同時要具有一定的耐磨效果，手感細膩，燒成范圍寬，燒后光澤度在15～30度之間。配方中引入方解石和煅燒高嶺土，經(jīng)燒成使釉層析出大量鈣長石晶體，光線產(chǎn)生漫反射，形成啞光效果。通過大量對比實驗，最終確定了耐磨釉的配方，主要化學成分見表2。

1.3.3 干粒釉的開發(fā)

干粒釉的特點是集仿古產(chǎn)品和拋光產(chǎn)品的優(yōu)點于一體，釉面如拋光磚光滑亮潔，花色如仿古磚圖案豐富，色彩厚重、絢麗，質(zhì)地晶瑩剔透，細膩如玉。

為了保證產(chǎn)品釉面細膩平整、圖案清晰、耐磨性好、防污性能優(yōu)異，要求釉料耐高溫、耐磨、透明度高。在研發(fā)過程中通過大量實驗，并對比不同廠家產(chǎn)品進行對比，測試耐磨性、防污性、光澤度、膨脹系數(shù)等。結(jié)果表明，提高了產(chǎn)品的耐磨度，減少了釉面針孔，拓寬了燒成范圍。項目干粒釉料的化學成分見表3。

表2 耐磨釉配方的化學成分(wt%)

表3 效果釉料的化學成份(wt%)

1.3.4 各釉料的施釉工藝參數(shù)

磚坯表面淋水量：5～10 g/盤(托盤規(guī)格為200 mm×600 mm,下同)

面釉密度：1.42～1.46 g/cm3；

噴釉重量：40～45 g/盤；

干粒釉密度：1.48～1.52 g/cm3；

淋釉重量：16±2 g/盤；

高溫透明釉的參數(shù)可以視圖案的設計而調(diào)整；

燒成工藝：燒成窯爐：輥道窯；

最高燒成溫度：1 170 ℃～1 180 ℃；

燒成周期：57 min。

1.4 坯釉配方化學分析

將上面所選原料按不同比例確定幾組配方，分別進行不同的測試，并對燒制后樣品進行理化性能檢測，根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化出最佳方案進行中試。表4為坯體配方化學成分，表5為面釉化學成分，表6為坯體及釉料膨脹系數(shù)對比。

2 釉層表面裝飾打印技術(shù)的研究

2.1 噴墨印花裝飾工藝研究

把耐磨釉料制成樣品，測定其熔融溫度范圍，見圖2?？芍?，釉料從1 131 ℃開始出現(xiàn)熔融，1 231 ℃完全熔融，熔融范圍寬(約100 ℃)，利于燒成。

表4 坯體化學成分(wt%)

表5 面釉化學成分(wt%)

表6 為坯體及各釉料膨脹系數(shù)對比

(a)1 131 ℃時的圖像

(b)1 171 ℃時的圖像

(c)1 206 ℃時的圖像

(d)1 231 ℃時的圖像

耐磨釉料的XRD結(jié)果見圖3?？梢娭饕獮殁}鈉斜長石和部分莫來石晶相。

耐磨釉料的表層電鏡掃描照片見圖4，中、下層電鏡掃描照片見圖5。由圖可知，釉層中存在大量針狀或柱狀鈣長石晶體，析晶均勻，呈網(wǎng)狀交織，布滿整個磚面，會使光線產(chǎn)生漫反射，形成啞光(見圖6)。

由于析晶在釉的中、下層，避免了長期使用后表面磨損造成的光澤度變化。

鈉鈣斜長石的硬度為6，表面致密。經(jīng)檢測，這種耐磨釉的耐磨度可達到四級(6 000轉(zhuǎn))。

2.2 噴墨印花裝飾工藝研究

噴墨打印是一種無接觸印刷技術(shù)，具有可變數(shù)據(jù)印刷、個性化印刷、按需印刷的能力，優(yōu)點是圖案的隨機性、高保真和高清晰。噴頭是噴墨打印技術(shù)的關(guān)鍵。

本項目采用1024型噴頭并結(jié)合最先進的設計和制造工藝，通過運用壓電按需噴墨技術(shù)、串流等專利技術(shù)，大幅提高了穩(wěn)定性與靈活性。工作原理是：計算機存儲的設計圖案經(jīng)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號，在打印機控制系統(tǒng)的控制下，無數(shù)據(jù)信號的噴頭不工作，有數(shù)據(jù)信號的噴頭把墨水噴印到坯體表面對應的位置而形成圖案。

充分利用噴墨印花優(yōu)勢，應用國際領先水平的電腦仿真技術(shù)，在圖案創(chuàng)新、印花精細程度、色彩豐富性等方面進行了創(chuàng)新，最大限度地還原了天然石材的紋理效果。

2.3 輥筒印花裝飾工藝研究

滾筒印花是一種利用輥筒表層特種橡膠上雕刻的圖案與仿古磚釉層接觸印花的高速工藝。所用的輥筒，是指將圖案通過雕刻在鋁或不銹鋼輥筒表層的特種橡膠上，可以雕刻出各種緊密排列的十分精致的細紋，因而能印十分細致、柔和的圖案。例如精細、致密的佩利茲利渦旋紋花呢印花就是通過滾筒印花印制的一類圖案?；ㄍ驳窨虘c圖案設計者的設計圖稿完全一致，每一種花色各自需要一只雕刻輥筒。印花時,先使輥筒表面沾上色釉，再用鋒利而平整的刮刀將輥筒未刻花部分的表面色漿刮除，使凹形花紋內(nèi)留有色漿。當花筒壓印于織物時，色釉即轉(zhuǎn)移到仿古磚釉面上而印得花紋。每只花輥筒印一種色釉，如在印花設備上同時裝有多只輥筒，就可連續(xù)印制彩色圖案。

圖4 耐磨釉表面層的SEM圖譜

圖5 耐磨釉中、下層的SEM圖譜

圖6 釉層中的光學現(xiàn)象

本文就是利用輥筒印花優(yōu)勢將墨水無法發(fā)出的純紅、純黃、純黑、白色、綠色等特殊顏色配合高清晰噴墨圖案呈現(xiàn)在磚面上，使得產(chǎn)品具有高清度的前提下顏色更加豐富多彩。

3 成品磚的生產(chǎn)工藝流程及控制

3.1 生產(chǎn)工藝流程(見圖7)

圖7 生產(chǎn)工藝流程圖[2]

3.2 生產(chǎn)工藝控制要求

生產(chǎn)工藝的控制優(yōu)劣，特別是燒成制度的穩(wěn)定性，會直接影響成品轉(zhuǎn)的質(zhì)量，而噴墨+膠輥復合工藝珍石仿古磚中的面釉和保護釉是在穩(wěn)定的燒成制度下多次實驗后得出的較合理的配方，在匹配坯體的同時，也使成品磚形能滿足國標要求。最后對燒成后的半成品磚進行不拋或半拋或全拋工藝加工，產(chǎn)品效果逼真、層次豐富、紋理自然，極大的提升了產(chǎn)品品質(zhì)。經(jīng)抗折儀檢測，力學強度≥35 MPa，經(jīng)抗磨儀檢測，該仿古磚的耐磨度達到6級，各性能優(yōu)異均達到國家標準。

4 新型噴墨+膠輥復合工藝珍石仿古磚與傳統(tǒng)全拋仿古磚的區(qū)別

從圖8、圖9可發(fā)現(xiàn)新型大理石仿古磚通過在噴墨機和輥筒機間加印特殊效果釉[3]，使得產(chǎn)品具有明顯的立體的視覺效果；通過輥筒的工藝，可以在產(chǎn)品的表面印刷各種多變的效果釉，更加體現(xiàn)自然的質(zhì)感以及觸感。

圖8 為一種常規(guī)噴墨仿古磚的截面圖

圖9 為新型大理石仿古磚拋光后的截面圖

5 結(jié)語

本文初步介紹了新型噴墨+膠輥大理石復合工藝仿古磚的制備方法，后面我們會通過技術(shù)更新、新材料和新設備的使用等等，進一步對坯體和釉料配方的研究和改進，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量、裝飾效果更上一層樓，能夠多層次展現(xiàn)產(chǎn)品貼近自然特性，為高端消費者提供更優(yōu)的選擇。