許林峰　曾德朝　鐘保民

(廣東東鵬陶瓷股份有限公司　廣東 佛山　528031)

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以陶瓷拋光廢渣為發(fā)泡原料制備輕質(zhì)釉面磚的研究

許林峰曾德朝鐘保民

(廣東東鵬陶瓷股份有限公司廣東 佛山528031)

以拋光廢渣為發(fā)泡原料，結(jié)合粘土、石英、鉀長(zhǎng)石等陶瓷原料，制備出抗變形能力好的輕質(zhì)陶瓷磚坯；并研制出熱膨脹系數(shù)與輕質(zhì)磚坯適配的高溫釉料和低溫釉料；采用雙層布釉的方法，制備出釉面質(zhì)量良好的輕質(zhì)釉面磚。測(cè)試結(jié)果表明：輕質(zhì)陶瓷磚釉面具有優(yōu)異的防污性能，抗折強(qiáng)度達(dá)到8.47 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.39 W/m·K。

陶瓷拋光廢渣釉面磚輕質(zhì)磚防污性能

從2014年開始，我國(guó)陶瓷磚產(chǎn)量已突破100億m2，其中需要拋光的產(chǎn)品超過(guò)35%。每生產(chǎn)1 m2拋光磚需要拋掉厚度為0.8～1.2 mm的磚表面層，從而產(chǎn)生2.0 kg左右的陶瓷廢料。這些廢料中通常含有少量的碳化硅，其來(lái)源于拋光磨頭。由于碳化硅顆粒尺寸細(xì)小(微米級(jí))，性質(zhì)穩(wěn)定，因此難以通過(guò)普通的物理或化學(xué)方法進(jìn)行分離或去除。在堿性熔體侵蝕下，碳化硅在氧化氣氛中容易氧化(反應(yīng)溫度低于700 ℃)產(chǎn)生氣體。這些廢料作為陶瓷原料循環(huán)再利用時(shí)，在燒成過(guò)程中容易引起陶瓷磚嚴(yán)重發(fā)泡、變形，使得生產(chǎn)工藝難以穩(wěn)定，產(chǎn)品不合格。同時(shí)，拋光廢渣成分不穩(wěn)定也是限制其應(yīng)用的因素之一。

拋光廢渣每年的排放量超過(guò)700萬(wàn)t，又難以資源化利用，生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量廢料已經(jīng)不能用簡(jiǎn)單的填埋方法來(lái)解決了。大量堆積的陶瓷廢料侵占土地，污染水源、空氣和土壤環(huán)境[1～3]。如果不對(duì)這些廢料進(jìn)行加工處理或再利用，不斷產(chǎn)生的陶瓷廢料將嚴(yán)重破壞我們的生存環(huán)境。如何將其變廢為寶，廢料資源化利用，己成為陶瓷生產(chǎn)企業(yè)和環(huán)保部門共同關(guān)注的問(wèn)題[4～7]。

拋光廢渣資源化利用的研究和實(shí)踐工作早在十多年前就已經(jīng)開展了。許多高校和科研院所對(duì)拋光廢渣進(jìn)行了詳盡的基礎(chǔ)研究，發(fā)表了大量的論文。一些企業(yè)也對(duì)將拋光廢渣作為陶瓷原料，用于制備陶瓷磚的實(shí)踐工作進(jìn)行了大膽的嘗試。有企業(yè)將少量(5%左右)拋光廢渣加入到拋光磚底料中，由于雙層布料的拋光磚底層可以燒結(jié)程度低一點(diǎn)，從而可抑制碳化硅的氧化。另外，底層有少量的發(fā)泡不會(huì)引起磚的變形和表面防污性能；也有企業(yè)將拋光廢渣加入到生燒的釉面瓷片中，加入量可以達(dá)到30%；還有企業(yè)直接利用拋光廢料的發(fā)泡性質(zhì)制備輕質(zhì)陶瓷磚，加入量可以超過(guò)50%，甚至達(dá)到80%。這種輕質(zhì)陶瓷磚由于體積密度小(可以達(dá)到0.4 g/cm3)，因此具有良好的隔熱和隔音性能[8]。這種陶瓷磚既符合目前國(guó)家提倡的“綠色環(huán)?！闭撸志哂辛己玫慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得研究開發(fā)。

目前，利用拋光廢渣制備輕質(zhì)陶瓷磚，面臨的問(wèn)題主要有兩方面：一是控制坯體變形，二是表面防污。針對(duì)這兩方面的問(wèn)題，筆者對(duì)采用拋光廢渣為發(fā)泡原料，制備表面平整且防污的輕質(zhì)釉面磚進(jìn)行了研究。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原料

實(shí)驗(yàn)使用的原料有：建筑陶瓷企業(yè)的拋光廢渣、球土、桂丹泥、鉀長(zhǎng)石、滑石、氧化鋁和石英砂。原料的化學(xué)組成見表1。

表1　原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

1.2工藝流程

1.2.1輕質(zhì)磚坯的制備工藝

本研究中的輕質(zhì)磚坯的基礎(chǔ)配方(質(zhì)量%)為：球土20，桂丹泥35，鉀長(zhǎng)石20，石英23，氧化鋁2。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，此配方的抗變形能力較好，加入拋光廢渣后，依然具有良好的尺寸穩(wěn)定性。坯體的制備工藝流程見圖1，其中行星球磨時(shí)間為10 min。

圖1　坯制備的工藝流程圖

1.2.2釉料的制備工藝

本研究采用的釉料配方有兩個(gè)，一個(gè)是熔融溫度較高，其配方組成(質(zhì)量%)為：球土15，桂丹泥27，滑石24.5，鉀長(zhǎng)石18，石英15，氧化鋁0.5；另一個(gè)是熔融溫度較低，其配方組成(質(zhì)量%)為：球土15，桂丹泥13，滑石20，鉀長(zhǎng)石22，石英30。釉料的制備工藝流程見圖2，其中行星球磨時(shí)間為30 min，過(guò)250 目篩。

圖2　釉制備的工藝流程圖

1.2.3噴釉工藝

采用空氣噴槍對(duì)干燥的磚坯進(jìn)行噴釉，可以連續(xù)噴2次。如果還需要繼續(xù)噴釉，必須對(duì)磚坯先進(jìn)行干燥，然后再噴釉。

1.2.4燒成工藝

對(duì)生坯進(jìn)行干燥處理后，將其置于耐火墊板上，在輥道窯中直接燒成。燒成周期為100 min，燒成溫度為1 200 ℃。

1.3測(cè)試方法

1.3.1顯微結(jié)構(gòu)觀察

采用荷蘭Philips公司的XL30FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面和斷面形貌。

1.3.2抗折強(qiáng)度測(cè)試

采用三點(diǎn)抗彎法，在CMT系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其抗折強(qiáng)度，加載速率為0.5 mm/min。測(cè)試樣品數(shù)量為10個(gè)，測(cè)量樣品的寬度和長(zhǎng)度時(shí)分別取兩邊和中間的3個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其平均值?？拐蹚?qiáng)度的計(jì)算公式為：

σ= 3FL/(2bh2)

式中：F——最大載荷；

L——跨距，cm;

b——樣品寬度，cm;

h——樣品厚度，cm。

1.3.3體積密度的測(cè)定

采用排水法測(cè)定樣品的體積密度，測(cè)試樣品數(shù)量為每種5片。體積密度的計(jì)算公式為：

ρb=M1×D1/(M3-M2) ×100%(g/cm3)

式中：M1——干重，g;

M2——水中浮重，g;

M3——飽和濕重，g。

1.3.4導(dǎo)熱性能測(cè)試

樣品的導(dǎo)熱性能采用熱線法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試設(shè)備采用Hot Disk公司生產(chǎn)的熱常數(shù)分析儀。測(cè)定的條件：溫度為25 ℃，平衡時(shí)間為10 s，輸出電壓為0.1 V。試樣長(zhǎng)×寬×高=50 mm×50 mm×10 mm，而且必須保證測(cè)試面平整。

1.3.5表面防污性能測(cè)試

將黑色墨水滴于樣品表面放置1 h后，將樣品置于水龍頭下進(jìn)行沖洗，再用濕布進(jìn)行擦拭后，觀察樣品表面是否存在污染痕跡，從而判斷樣品的防污效果。

2　結(jié)果與分析

2.1拋光廢渣添加量對(duì)樣品體積密度的影響

在配方中大量引入拋光廢渣雖然有利于廢料的資源化利用，但是在高溫階段產(chǎn)生的劇烈發(fā)泡容易引起陶瓷磚膨脹不均勻。為了制備表面平整的輕質(zhì)釉面磚，本研究從以下3個(gè)方面控制陶瓷磚的變形：

1)在基礎(chǔ)配方中盡量不采用含鈣和鈉的原料。因?yàn)殁}和鈉都會(huì)急劇降低液相的高溫粘度，導(dǎo)致氣泡在低粘度的液相中容易膨脹、連通并形成大孔，最后使得輕質(zhì)陶瓷磚中的孔結(jié)構(gòu)粗大，不規(guī)則，而且在燒成過(guò)程中，低粘度的液相在重力的作用下向周邊流動(dòng)，導(dǎo)致磚的外形呈饅頭狀。

圖3　拋光廢渣含量對(duì)體積密度的影響Fig.3　Effect of polished waste content on bulk density

2)在燒成過(guò)程中采用低溫慢燒工藝。這樣可以使氣泡膨脹的速率減慢，磚體各部分的膨脹程度接近，從而保證陶瓷磚的尺寸穩(wěn)定。

3)采用合適的拋光廢渣添加量，既保證了拋光廢渣的利用率，又保證了產(chǎn)品性能和工藝的穩(wěn)定性。

為了兼顧輕質(zhì)陶瓷磚的體積密度和尺寸的穩(wěn)定性，以及釉面質(zhì)量，本研究將輕質(zhì)陶瓷磚的體積密度設(shè)定為0.9～1.0 g/cm3。圖3為拋光廢渣添加量對(duì)樣品體積密度的影響。

從圖3中可以看出，隨著拋光廢渣添加量的增加，樣品的體積密度降低。當(dāng)拋光廢渣的添加量為30%時(shí)，樣品的體積密度為0.95 g/cm3，繼續(xù)增加拋光廢渣的添加量，樣品體積密度的下降幅度減小，且樣品的變形也沒有明顯增加。這是由于孔隙率的增加除了與拋光廢渣的用量有關(guān)外，還與高溫液相粘度有關(guān)，且后者的影響更為顯著。當(dāng)拋光廢渣含量增加時(shí)，空氣擴(kuò)散的速率并不會(huì)增加。所以碳化硅的氧化會(huì)受到限制，導(dǎo)致氣體不會(huì)顯著增加。正是由于液相粘度大，少量的氣體增加不會(huì)引起顯著的膨脹。為了更好的控制釉面的質(zhì)量，本研究將拋光廢渣的用量設(shè)定為30%。

2.2釉面質(zhì)量的影響因素分析

影響輕質(zhì)磚釉面質(zhì)量的因素主要有：熱膨脹失配引起釉面的開裂或剝離；釉的粘度或表面張力不合適引起釉面鼓泡或針孔；釉層的厚度太薄引起的釉面鼓泡或針孔等。熱膨脹失配通過(guò)調(diào)整釉料配方改變其熱膨脹系數(shù)就可以解決。通過(guò)試驗(yàn)，配制出了熱膨脹系數(shù)合適的釉料配方。而釉面鼓泡和釉面針孔的問(wèn)題解決起來(lái)難度要大一點(diǎn)。因?yàn)槠胀ǖ奶沾纱u在預(yù)熱帶或燒成帶前期排氣基本上就已經(jīng)結(jié)束，或者大部分氣體已經(jīng)排出。輕質(zhì)陶瓷磚在到達(dá)燒成帶時(shí)排氣才剛剛開始，而且會(huì)有大量的氣體產(chǎn)生。產(chǎn)生的氣體很容易引起釉面氣泡和針孔，難以形成平整光滑的釉面。由于氣體會(huì)源源不斷的產(chǎn)生，因此不能通過(guò)釉面的自流平或自排氣來(lái)解決問(wèn)題。只能直接將氣體封在釉面下，所以我們采用雙層布釉的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：先布一層高溫釉，減少氣體的穿透，阻止形成氣泡，再布一層低溫釉，提高釉面的平整度和光澤度。

表2為釉面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2　釉面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，噴超過(guò)兩次高溫釉，就可以保證不出現(xiàn)針孔和釉泡缺陷。但是，由于高溫釉的粘度較大，導(dǎo)致輕質(zhì)磚膨脹時(shí)的阻力大，大的表面膨脹阻力會(huì)導(dǎo)致磚面上翹。噴低溫釉可以提高輕質(zhì)磚的表面光澤度，但是厚度較薄時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的釉面針孔和釉泡缺陷。即使釉層較厚時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生小的釉泡，形成釉面凸包；而采用雙層布釉時(shí)，就可以得到表面平整，沒有明顯缺陷的釉面，并且可以任意調(diào)整釉面的光澤度，既可以得到亞光、半亞光，也可以得到高光的釉面。

2.3輕質(zhì)釉面磚的顯微結(jié)構(gòu)觀察

圖4為輕質(zhì)釉面磚的表面和斷面的顯微結(jié)構(gòu)圖。

圖4(a)為釉面與磚坯的界面形貌圖，從圖中可以看出，釉面的厚度大約為100 μm。高溫底釉層和低溫面釉層已經(jīng)融合在一起，沒有明顯的界線。在存在孔洞的地方，釉面將孔洞牢牢地封住，且釉面沒有鼓起(如黑色箭頭所指示)。在面釉層存在明顯的凹坑，但是凹坑沒有發(fā)生貫穿，因此不影響釉面的防污性能。這說(shuō)明底層的高溫釉層可以阻止氣體的膨脹，防止釉面產(chǎn)生釉泡。

圖4(b)為釉表面的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，釉面平整，沒有明顯的小針孔和鼓泡。

圖4(c)為未上釉的輕質(zhì)磚坯表面，從圖中可以看到明顯的孔洞和凹坑，其表面很容易吸污，而且由于孔洞細(xì)而深，吸污之后很難清理。

圖4(d)為輕質(zhì)磚坯的斷面形貌圖，從圖中可以看出，孔的分布均勻，沒有明顯的異常大孔，均勻的顯微結(jié)構(gòu)有利于提高材料的性能穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度。

圖4　輕質(zhì)釉面磚表面與斷面的顯微結(jié)構(gòu)觀察圖

2.4輕質(zhì)釉面磚的性能測(cè)試結(jié)果

圖5為輕質(zhì)釉面磚樣品的光學(xué)照片，其中圖5(a)中的樣品經(jīng)過(guò)了滴墨處理，圖5(b)中的樣品未經(jīng)過(guò)任何處理。

從圖5中可以看出，經(jīng)過(guò)滴墨處理的樣品和未經(jīng)過(guò)處理的樣品沒有明顯的差異。測(cè)試過(guò)程中注意到，滴墨處理的樣品經(jīng)清水沖洗，濕抹布擦拭后，光潔如新，沒有留下明顯的痕跡。同時(shí)，從照片中可以看出，輕質(zhì)釉面磚的表面平整，沒有明顯的變形。輕質(zhì)釉面磚的抗折強(qiáng)度達(dá)到8.47 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.39 W/m·K。

3　結(jié)論

1)提高拋光廢料的含量可以降低輕質(zhì)磚的體積密度，但是添加量超過(guò)30%后，如果繼續(xù)增加拋光廢料的量，體積密度的下降趨勢(shì)將減緩。

2)釉的高溫粘度大可以防止針孔和釉泡的產(chǎn)生，但是會(huì)引起磚面上翹；釉的高溫粘度小雖然可以得到光滑的釉面，但是容易產(chǎn)生針孔和釉泡。將高溫釉和低溫釉結(jié)合起來(lái)使用，可以得到表面光滑的，沒有針孔和釉泡缺陷的釉面。

圖5　樣品的光學(xué)照片

3)研究制備的輕質(zhì)釉面磚表面防污效果好，抗折強(qiáng)度達(dá)到8.47 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.39 W/m·K。

1徐建國(guó).佛山陶瓷企業(yè)開展清潔生產(chǎn)的現(xiàn)狀及方向.佛山陶瓷,2007,17(3):11～15

2王繼杰,李旭.中國(guó)陶瓷產(chǎn)業(yè)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)性發(fā)展.中國(guó)陶瓷,2006,42(10):3～6

3Rambaldi E,Esposito L,Tucci A.Recycling of polishing porcelain stoneware residues in ceramic tiles.Journal of the European Ceramic Society，2007,27:3 509～3 515

4蔡祖光.陶瓷工業(yè)廢料廢渣的處理.佛山陶瓷,2002,2(3):11～12

5李玉峰.陶瓷廠廢料的開發(fā)和利用.佛山陶瓷,2003,13(3):16～18

6Nuran A.The use of waste ceramic tile in cement production.Cement and Concrete Research,2001,31:163～166

7夏海斌.利用拋光磚廢料制備功能性建筑材料的研究:[碩士學(xué)位論文].廣州:華南理工大學(xué),2009

8繆松蘭,馬光華,李清濤,等.建筑陶瓷廢渣制備輕質(zhì)陶瓷材料的研究.陶瓷學(xué)報(bào),2005,26(2):71～79

Ceramic Polishing Slag as Foaming Material for Preparation of Light Glazed Tile

Xu Linfeng,Zeng Dezhao,Zhong Baomin

(Guangdong Dongpeng Limited Liability Company,Guangdong,Foshan,528031)

A light ceramic tile body with outstanding non-deformability was produced by using ceramic polishing slag as foaming material and clay, silica sand, potash feldspar as raw materials. And a high temperature glaze and a low temperature glaze with coefficient of thermal expansion adapting to the body were also produced. Light ceramic glazed tiles with excellentglaze surface were prepared by a method of double-layer glazing. The test results indicate that the light ceramic glazed tiles show excellentantifouling property, and the flexural strength of 8.47 MPa and heat conductivity coefficient of 0.39 W/m·K were reached.

Ceramicpolishing slag; Glazed tile; Light tile; Antifouling property

許林峰(1984-)，博士；主要研究方向?yàn)樘沾杉{米粉體合成、多孔陶瓷制備。

TQ174.76

A

1002-2872(2016)09-0022-06