影响低温快烧玻化砖性能的因素

廖花妹 范新晖

摘 要：本文主要探讨了在低温快烧玻化砖生产技术中，添加剂对生坯强度的影响，以及配方组成与低温快烧玻化砖性能之间的关系。通过三点弯曲法测生坯强度，其它对应仪器测玻化砖的理化性能。结果表明，添加剂CMC、改性淀粉均能提高生坯强度，且当CMC与改性淀粉质量比为2：1时，组成的复合添加剂增强效果最显著。同时，获得最佳的配方组成为：陶瓷泥17%、水洗砂24.5%、定石粉40%、硅灰石12%、彭润土1.5%、透辉石3%、硼钙石2%。

关键词：低温快烧；添加剂；生坯强度；理化性能

1 前言

目前，国内外大量生产和使用的日用瓷、建筑陶瓷，其传统陶的煅烧温度都在1200℃以上，因此，能耗较大。随着能源供需矛盾的突出，以及燃料价格的大幅度上涨，节能成为陶瓷生产与科技工作者的首要问题。

在陶瓷生产中，烧成温度越高，烧成时间越长，能耗越高。据热平衡计算，若烧成温度降低100℃，则单位产品热耗可降低10%以上；烧成时间缩短10%，则产量增加10%，热耗降低4%。因此，在陶瓷行业中采用低温快烧技术，可以显著增加产量、节约能耗。此外，降低烧成温度也有利延长窑炉和窑具的使用寿命。

本文是在节能减排的趋势下，研究一种烧成温度在1100℃左右，烧成时间为60min左右的低温快烧玻化砖。

2 实验内容

2.1 实验原料

本实验所使用的原料主要有陶瓷泥、水洗砂、定石粉、膨润土、硼钙石、硅灰石、透辉石、烧滑石等。它们的化学组成如表1所示。

2.2 实验过程

（1） 首先称取适量的原料，然后在内衬镶嵌的球磨机中湿法研磨；

（2） 泥浆过筛，要求250目筛余小于0.5%；

（3） 经除铁和陈腐；

（4） 泥浆经喷雾干燥后的粉料再陈腐一段时间后进行布料；

（5） 设定适合的成形压力，得到生坯；

（6） 煅烧后，得到低温玻化砖。

2.3 生产工艺流程

低温玻化砖的生产工艺流程如图1所示。

2.4 煅烧过程

低温烧成玻化砖的烧成温度为1100℃，烧成时间为55min。在烧制过程中需要特别注意尾部冷却阶段，因为成品砖中存在大量的玻璃相，若尾冷太快，则砖容易出现分裂。图2为低温煅烧玻化砖的烧成曲线图。

2.5 性能测试

本文采用三点弯曲法，使用西安力创计量仪器有限公司生产的WDW-10型微机控制电子万能试验机，以测定生坯强度，主要有压后强度和干燥强度；采用宁夏机械研究院生产的CXK型陶瓷吸水率真空装置测产品的吸水率；采用宁夏机械研究院生产的TZS-8000型数显陶瓷砖抗折试验机测产品的断裂模数。

3 结果分析与讨论

3.1 添加剂对生坯强度的影响

选取四种添加剂，其中，A为改性淀粉；B为常用的陶瓷添加剂羧甲基纤维素钠CMC；C为CMC与改性淀粉组成的复合添加剂（CMC和改性淀粉质量比为2：1）；D为CMC与改性淀粉组成的复合添加剂（CMC和改性淀粉质量比为1：2），探讨不同添加剂及添加量对生坯强度的影响。不同添加剂的含量对产品的压后强度、干燥强度的影响见图3。

由图3可知，随着添加剂的增加，坯体强度均有显著的增强。当加入量小于0.8%时，随着添加量的增加，生坯压后强度和干燥强度快速升高。当加入量达到0.8%时，其中单一添加剂A和B的增强率还一直处在上升趋势，但上升的幅度很低，基本达到饱和状态；复合添加剂C和D反而有下降的趋势，坯体的生坯强度达到最大值。另外，添加剂都是有机物，其添加剂除了会对生坯强度造成影响外，还会直接影响坯体的成形性能和烧成收缩等。同时，提高有机物含量，可使成形性能得到改善，但是当添加量过多时，会造成坯体烧成收缩过大，且容易出现变形、针孔和气泡等缺陷。因此，在达到显著增强效果时，应该尽量减少添加剂的用量。结果表明，当加入0.8%复合添加剂C时，可显著提高坯体的压后强度和干燥强度，增强率分别达到84%和108%。

从图3还可以看出，不同种类的添加剂对坯体均有显著的增强。当单一添加剂A和B在添加剂量相同时，坯体强度增强效果明显B要优于A，即在相同情况下，CMC的增强效果要强于改性淀粉。同时，复合添加剂C和D的增强效果要明显优于单一添加剂A和B。相对于复合添加剂C比复合添加D的增强效果要明显。综上所述，CMC和改性淀粉比为2：1的复合添加剂C对生坯强度的增强效果最显著。

在不添加增强剂时，颗粒间主要有范德华力和毛细管力。添加增强剂后，由于颗粒表面被高分子材料包裹，颗粒间可以借助有机高分子而产生氢键作用来较大增强坯体强度。当添加量太少时，添加剂和水形成的混合物膜不能充分分布到颗粒表面，形成的氢键少，氢键作用力弱；当添加物太多时，形成的混合物膜较厚，颗粒间粘性质量增多，粘附力增大，但颗粒间距增大，导致颗粒间氢键作用力和毛细管力作用大大减少，所以强度不会随添加量的增加而提高。改性淀粉特点是以支链为主，长链为辅，且羧基多。因此，粘结力大、耐水性好。当CMC和改性淀粉配比适当时，可形成结构紧凑的网状骨架，在胶黏剂的固化过程中，阻止水分子进入产生膨胀而对氢键造成破坏。因此，复合添加剂的增强效果比单一添加剂的增强效果要好。

3.2 配方组成对低温快烧玻化砖性能的影响

要在超低温下烧结玻化砖，熔剂原料须多元化。本实验拟采用“K-Na-Li-Ca-Mg”五元系列，并复合优选之。要求控制K2O/Na2O的比例，同时引入部分Li2O，利用多碱效应来降低烧成温度。CaO和MgO的引入能形成较低膨胀系数和高粘度玻璃相，从而改善陶瓷产品的机械性能，也可使产品在烧成中具有更低的始熔温度和更宽的熔融温度范围，从而降低变形度。在原料选择与配方优化时，考虑引入少量硅灰石、透辉石等低温快烧原料，以减少坯体收缩较大的缺陷，抵消其收缩，减少产品变形度。同时，考虑到组分可塑性较差，故引入少量高可塑性粘土增加成形塑性，而又不影响烧结性能。初步拟定的实验方案一的配方如表2所示，其样品的理化性能见表3。

由表3可知，配方3#、5#的断裂模数不达标，吸水率只有配方1#达标，热稳定性只有配方2#达标。因此，必须进一步优化配方，增加坯体强度及适量低温材料，在保证坯体在烧成时不变形的基础上，尽量减少砂的用量，增加石粉、石粒的用量。同时，为保证制品有好的抗化学腐蚀性，在配方中尽量引入较多的钙、镁元素，替代部分钾、钠元素。对于配方温度降低的问题，不再采用玻璃粉作为助熔剂，而是通过添加少量的强助熔剂硼钙石来实现。优化升级后的实验配方如表4所示，其样品的理化性能见表5。

由表5可知，配方7#和9#较理想，最后通过微调中试，以9#配方为基础配方的低温快烧玻化砖性能最为优异。

4 结论

（1） 当添加剂的加入量为0.8%时，坯体的强度基本达到饱和状态。

（2） 复合添加剂对生坯强度的增加效果要强于单一添加剂，且CMC和改性淀粉质量比为2：1时，效果最佳。

（3） 当配方的组成为：陶瓷泥17%、水洗砂24.5%、定石粉40%、硅灰石12%、彭潤土1.5%、透辉石3%、硼钙石2%时，可以获得理化性能最佳的快烧玻化砖，如：吸水率为0.06%、断裂模数44.56MPa、莫氏硬度6.5、抗酸性0.04、抗碱性0.03、耐污性0.06、热稳定性3次热循环不裂、内放射性Ira 0.134、外放射性Tr 0.274，均优于国家标准。

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