低吸水性轻质卫生陶瓷的研制

陈静

摘 要：本文以粘土矿物、硅灰石为主要原料，采用浇铸法制备轻质卫生陶瓷。研究表明：在有莫来石、石英、钙长石为主要成分的结晶相与SiO2、Al2O3为主要成分的玻璃相组成的陶瓷素烧坯中，形成许多四周由钙长石包覆的独立气孔，体积密度可达到2.0～2.24g/cm3；当硅灰石的含量为15%、粒径平均值为10？滋m时，可以获得效果较好的轻质卫生陶瓷。

关键词：轻质卫生陶瓷；吸水性；体积密度；钙长石；闭气孔

1 前言

长期以来，在建筑卫生陶瓷领域对轻质建筑卫生陶瓷的研究甚少。但近些年来，这一研究已有突破，获得不少引人注目的成果，如：国内研发成功的大规格轻质建筑陶瓷板、国外东陶公司研发出的薄型轻质高强卫生陶瓷等。预见未来，随着建筑卫生陶瓷的不断发展，将会有更多的创新成果应运而生。

众所周知，卫生陶瓷属于一种脆性产品，安装时要特别注意。由于座便器通常较重，约达20～50kg，又给生产和施工带来不便。因此，开发出轻质卫生陶瓷产品是目前大家所关注的问题。近期，有关技术人员围绕开发轻质卫生陶瓷这一课题，推出了诸多的技术。如：在陶瓷原料中掺用无机质的粉煤灰微珠；在陶瓷泥浆中混合人造泡沫玻璃粒料；在陶瓷素坯中使用空心树脂粉，在陶瓷烧成温度下热分解或气化，使其多孔化。但由此制成的陶瓷均具有吸水性，不能用作卫生洁具，其用途受到制约。因此，要使轻质卫生陶瓷得到实际应用，关键还要解决吸水性的问题。所以，一种低吸水性的轻质卫生陶瓷的研发，也顺应了当今卫生陶瓷发展的潮流。

2 吸水性低的轻质卫生陶瓷的制备

2.1 原料

本实验所采用的主要原料为粘土矿物、硅灰石。除此外还可配合石英、含一价金属的原料、含二价金属的原料及烧失量小的原料。粘土矿物从高岭石、地开石、埃洛石、绢云母、叶腊石中至少选用一种。含一价金属的原料为熔剂原料，宜使用绢云母、长石、霞石。含二价金属的原料同样为熔剂原料，宜使用石灰石、白云石。烧失量小的原料使用耐火粘土熟料。用于生产轻质卫生陶瓷的原料配比为：粘土30%～40%、陶土30%～40%、熔剂料5%～15%、硅灰石5%～20%。

其主要原料中硅灰石（CaSiO3）为天然硅酸钙矿物，烧成时与含SiO2和Al2O3的化合物反应，转变为钙长石，相近连接形成气孔。由于该气孔在长石熔融时开始形成，在形成玻璃相之前，钙长石可防止玻璃相侵入气孔，使得在素烧坯中形成许多闭气孔，在无吸水性状态下获得比重低的素坯。因此，硅灰石最大纤维长度应在5？滋m以上。当其粒径小于5？滋m时，会促进与长石反应，使玻璃相进入闭气孔，失去轻质效果；当其粒径大于250？滋m时，硅灰石转变为钙长石，使得纵向的钙长石难以连接，不便于闭气孔形成。另外，由于气孔尺寸增大，导致其强度降低。因此，硅灰石的纤维长度要控制在5～250？滋m范围内。硅灰石含量越多，轻质效果越好。当其含量小于5%时，起不到良好的轻质效果；当硅灰石含量超过5%时，则需要增大助熔剂的用量。助熔剂宜使用对烧结也能起促进作用的白云石，其含量为硅灰石的30%；当硅灰石用量进一步增大时，闭气孔形成量也随之增大，促进轻质化，但因其连接易形成开气孔。因此，掺用量不能超过20%。由此得知，硅灰石粒径为5～250？滋m、含量为5%～20%时，可实现卫生陶瓷的轻质化。

2.2 实验内容

本文采用浇铸法制备轻质卫生陶瓷。首先，将原料按配比称量好，然后加水；用球磨机湿法球磨，调制成泥浆。此时，泥浆的含水率为35%～50%、颗粒尺寸为1～10？滋m（以个数基准的50%平均粒径计），硅灰石最大纤维长度不超过5？滋m；随后将泥浆浇铸成形，脱模、干燥、施釉；最后烧成，烧成温度为1100～ 1300℃。普通卫生陶瓷的体积密度一般为2.40g/cm3，但本文所研究的卫生陶瓷其体积密度调在2.0～2.24g/cm3间，油墨渗透度按相关技术标准调至3mm以下。

2.3 轻质卫生陶瓷性能的测定方法

（1） 体积密度的测定方法

本文采用阿基米德法进行体积密度测定。将试件在110℃下干燥24h，冷却，测定其质量为W1；然后放入干燥器中，保持在真空下，充分渗透比重为p的精制煤油，从油中随意吊起，称出质量为W2；再从油中取出，用湿布擦去表面的油滴，直接测定质量为W3。

依据这些数据，用（1）式求出体积密度。

体积密度=W3×p/（W2-W1）（1）

（2） 吸水率的测定方法

本文按标准方法测定吸水率。首先，将试件在110 ℃下干燥24h，冷却，测出质量W1。然后，再放入干燥器中用水浸渍，在真空状态下保持1h，强制使开气孔达到水饱和，测出此时质量W2。依据这些值，由（2）式求出吸水率。

（3） 油墨渗透率的测定方法

本文采用标准方法进行油墨渗透率的测定。首先，将试件浸渍于浓度为1%的曙红Y溶液中1h，取出切开，测定红油墨对坯体的渗透度。烧成试件的平均孔径是通过扫描式电子显微镜观察镜面研磨的表面，在约400？滋m×300？滋m的视野范围内，对由最大往下依次排列的10个气孔，算出其长径与短径的平均值，作为这些孔的平均值。

（4） 轻质效果的计算方法

使用精制煤油是因为使用水会使试件膨胀而破裂。轻质效果用未掺用硅灰石的试件与各实例试件的体积密度p由（3）式求出。

轻质效果=（P0-P）/P0（3）

3 硅灰石的含量及粒径对轻质卫生陶瓷的影响

3.1 硅灰石的化学组成及粒径大小

实验中所用硅灰石为天然硅灰石，其化学组成如表1所示。根据X射线衍射（XRD）分析，未发现有硅灰石以外的结晶存在。表2为硅灰石的最大粒径和平均粒径情况，其平均粒径是取约20粒样品随机测定而算出的平均值。

3.2 硅灰石的含量及粒径对轻质卫生陶瓷性能的影响

对比例1为普通卫生陶瓷，所用泥料的配方组成为50%的骨架成形原料高岭石、叶腊石；38%的塑性原料高岭土、蛙目粘土；10%的熔剂原料长石；2%的白云石。称量好后，置于球磨机中，添加适量的水和硅酸钠解凝剂，湿法粉磨至约8？滋m平均粒径，调制而成。比例2、3和实例1 ～6所用泥浆是在对比例1的泥浆中，分别按表2所示的用量掺入A、B、C三种硅灰石（见表2），以及一定量的水和解凝剂调制而成。将泥浆注入石膏模中，成形泥坯、脱模，在45℃下干燥24h，送入隧道窑；在1200 ℃下煅烧1h，制成陶瓷试件。表3为硅灰石的不同添加量对轻质卫生陶瓷性能的影响。

由表3可知，当硅灰石的含量为5%、平均粒径为1？滋m时，轻质效果较差，为0.5%；当硅灰石的含量为25%、平均粒径为10？滋m时，轻质效果较好，为14.8%，但具有较高的吸水率，为9.35%；当硅灰石的含量为15%、平均粒径为10？滋m时，轻质效果较高，为14.4%，且吸水率较低，为0.09%。因此，硅灰石的含量为15%、平均粒径为10？滋m时，轻质卫生陶瓷砖的效果较好。

图1是实例2轻质陶瓷试件的断面结构电子显微图。

由图1可以看出，坯体中形成许多微细闭气孔。闭气孔尺寸非常微细，在50？滋m以下。因此，可以断定获得的烧结强度可确保制品获得实际应用。从化学分析结果表明，几乎气孔周围都有钙存在，用X射线衍射分析表明，有含钙的钙长石结晶存在。因此，硅灰石反应生成钙长石，可形成闭气孔。

图2是某一气孔的放大图。基体除存在钙长石外，基本为莫来石、石英和玻璃相。

研究表明，在有莫来石、石英、钙长石为主要成分的结晶相与SiO2、Al2O3为主要成分的玻璃相组成的陶瓷素烧坯中，形成许多四周由钙长石包覆的独立气孔，使体积密度达到2.0～2.24g/cm3。通过分析可知，当周围形成独立的钙长石气孔时，有助于降低体积密度。由于独立气孔为密闭的气孔，有助于降低吸水率。独立气孔孔径应在50？滋m以下，这样的气孔均匀地分布在陶器内，可避免局部强度降低。如果孔径大于50？滋m，会引起破裂，导致强度大幅降低。钙长石是在烧成中由陶瓷原料中所含钙化合物与SiO2和Al2O3化合物反应而形成的。形成钙长石的钙化合物有碳酸钙、硅灰石。但碳酸钙烧成中会释放CO2，呈空心状，不利于致密。而硅灰石在烧成中不会放出气体，有利于快速致密。所用硅灰石呈纤维状，其平均最大粒径为5～25？滋m。硅灰石在烧成中转变为钙长石相，形成中心为空心，外壳为钙长石的独立气孔。

4 结语

参考文献

[1] 川澄一司等.多孔质轻质陶器[P].JP特开平10-130073.

[2] TOTO株式会社.轻质陶器[P].JP特开平2010-162376.

[3] 周锡荣等.大规格轻质陶瓷板的研制[J].佛山陶瓷，2011（5）.