含莫来石废料添加对陶瓷性能的影响研究

吴 彤，黄春宝，曹晓国

（1. 清远职业技术学院机电与汽车工程学院，广东 清远 511000；2. 广东家美陶瓷有限公司，广东 清远 511000；3. 广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006）

含莫来石废料添加对陶瓷性能的影响研究

吴 彤1，黄春宝2，曹晓国3

（1. 清远职业技术学院机电与汽车工程学院，广东 清远 511000；2. 广东家美陶瓷有限公司，广东 清远 511000；3. 广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006）

采用分离提纯优化技术制备富含莫来石组分的废料，利用传统烧结工艺制备废料添加量高达60%的陶瓷烧结体，研究不同废料掺杂量对样品显微结构、物相组成及力学性能的影响。结果表明：莫来石废料掺杂对物相组成、力学性能、热稳性及耐化学腐蚀性均满足GB/T3810.4-2006相关标准，在掺杂量达到30%时，样品的综合性能最佳，吸水率为5.36%，坯体强度1.53 MPa，烧结强度高达62.6 MPa，耐化学腐蚀性达到GLA标准。

废料掺杂；显微结构；力学性能；固相反应

0 引 言

随着陶瓷产业的不断发展，企业产生废料急剧增加，在废料回收利用中，富含一定莫来石晶体结构的废料研究目前主要集中于蜂窝陶瓷，水泥混凝土粗骨料，多孔陶瓷方面，魏泽民等[1]在环保透水砖方面也做出一定的研究，但将废料直接应用于建筑陶瓷中的研究不多。

建筑陶瓷废料经过分类收集，处理后，基本可以分为三类：磨边工艺和刮平工艺废料；辊道窑烧成过程废品废料；抛光工序废料。其中第一类和第二类废料经过优化处理后可以应用于陶瓷砖生产中，第三类废料由于含有较多的树脂，碳化硅，氯氧镁粘结剂，会导致坯体出现开裂等缺陷，故在经过碳化提纯后主要用于釉面砖底料中。本文将陶瓷废料作为建筑陶瓷的主要配方组分，研究建筑陶瓷掺杂高达60%陶瓷废料的内在物理化学性质及显微结构，并探讨化学组成，微观结构及物理性能之间相互机理。

1 实 验

1.1 原 料

以仿古砖坯料和陶瓷废料为初始原料。其中原料均来源于广东某建筑陶瓷企业，废料的化学组成如表1所示。废料经过优化提纯处理后，其主要组分是以SiO2，Al2O3为主要组分的矿物原料，碱金属及碱土金属中以MgO为主要组分，构成莫来石体系。经过X射线衍射(XRD)结果与X衍射标准数据库《PDF》对比，也验证了废料的莫来石物相。

1.2 制 备

将废料经过提纯化技术处理后，经过造粒，陈腐后得到流动性较好的废料，掺杂10%，20%，30%，40%，50 %，60%废料至成熟坯料配方，加入一定的粘结剂后，经过283MPa干压成型，制得600×600 mm的陶瓷砖坯体。在1170 ℃下进行烧结得到致密性良好的瓷片，利用三点抗折仪对烧结体进行抗折强度测试。

1.3 表 征

用D/MAX-Ultima IV型X射线衍射仪分析物料的相组成。用日本株式会社S-3400N-Ⅱ扫描电镜分析陶瓷样品表面的微观结构。用KZJ-500型电动抗折试验机进行掺杂废料不同含量坯体破坏强度以及陶瓷烧结体的抗折强度。

2 结果与讨论

2.1 莫来石废料掺杂对微观结构的影响

图1为陶瓷坯体与莫来石废料掺杂30%坯体的SEM照片。从图中可以看出，在未添加废料的陶瓷坯体中，孔隙较多，而添加了一定废料的陶瓷坯体呈现出较好的有序度，在结构中增加了坯体的强化效应。颗粒细化将有助于改善材料塑性变形能力，避免脆性断裂的发生，提高坯体的破坏强度。图2是陶瓷烧结体与莫来石废料掺杂30%烧结体的SEM照片。从图中可以看出，未掺杂废料坯体经

过烧结后，陶瓷有明显的孔洞，致密度较差。掺杂后烧结体，陶瓷无明显孔洞，致密度较高，说明随着掺杂料加入，促进了陶瓷样品的烧结[2]。这主要是由于MgO的加入，形成复相，烧结中形成一致熔融固溶体，晶界移动过程中将大型颗粒，气体等缺陷推至表面，导致陶瓷体内缺陷减少。

图1 陶瓷坯体与莫来石废料掺杂30%坯体的SEM照片(a未掺杂废料，b掺杂废料)Fig.1 Scanning electron microscope (SEM) photographs of ceramic bodies with and without 30% mullite crystal scrap (a not doped, b doped)

图2 陶瓷烧结体与莫来石废料掺杂30%烧结体的SEM照片(a未掺杂废料，b掺杂废料)Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) photographs of the sintered ceramic bodies with and without 30% mullite crystal scrap (a not doped, b doped)

表1 陶瓷废料成分分析(化学滴定法)Tab.1 Component analysis of the powder from brick polishing (chemical titration method)

2.2 莫来石废料掺杂对相组成的影响

图3是莫来石陶瓷废料的XRD图谱，从图中可以看出，陶瓷废料主要成分为SiO2， Al2O3， MgO三种化学组成[3-9]。掺杂陶瓷废料样品经过烧结后，达到较致密状态，这主要源于掺杂废料中所含有的主要组成中，SiO2作为网络形成体提供骨架结构，Al2O3作为网络中间体具有了网络形成体与网络变形体的双重效能，而MgO作为网络外体，在陶瓷烧结方面起到了助熔作用。表1是掺杂废料经过化学分析方法得出的主要组成列表，从表中可以看出，废料的主要成分为SiO2，Al2O3，MgO。

2.3 莫来石废料掺杂对陶瓷力学等性能的影响

图4是样品强度随掺杂物料用量的变化趋势。从图中可以看出，随着掺杂废料用量的增加，陶瓷坯体和陶瓷烧结体的强度发生了相反方向的变化。即坯体强度随着废料掺杂量的增加逐步下降，而样品烧结体强度则随着掺杂量的增加先减小后随增加。这主要是由于废料中含有较独立矿物成分，坯料在处理过程中出现短暂混料不匀，压制过程中受力不均等现象导致坯体强度略有下降。而烧结体强度随着废料掺杂量的递增而增大，主要由于部分助熔矿物成分加入，相对烧结温度有所下降，晶界移动加快，气孔随晶界移动至烧结体表面而排出形成体内气孔率较小陶瓷烧结结构。同时在烧结过程中，随着温度不断升高，掺杂物料中的化学成分与坯体发生固相反应，形成一定固溶体[10]，使烧结后样品致密度快速增加，故而强度呈现增大趋势，最高可达到86.3 MPa。结合建筑陶瓷辊道窑生产特点，坯体在传输过程需具备一定强度，故选择坯体强度和烧结体强度居中的配方作为最佳配方，即当掺杂量为30%wt，坯体强度1.53 MPa，烧结体强度62.6 MPa符合生产需求。根据GB/T 3810.13-2006/ISO 10545-13:1995对样品进行检测，样品可以达到GLA标准，热稳定性满足GB/T 3810.9-2006/ISO 10545-9:1994标准，样品吸水率为5.36%。

图3 莫来石陶瓷废料的XRD谱Fig.3 X-ray diffraction (XRD) pattern of mullite crystal ceramic waste

图4 样品强度随掺杂物料用量的变化趋势Fig.4 The change of the sample strength with the content of the admixture

3 结 论

(1)通过对掺杂废料分析得出，其主要组分为莫来石，为陶瓷样品的掺杂使用提供了理论依据。

(2)莫来石废料掺杂对陶瓷相组成及结构有影响，掺杂量从0%增加至30%时，坯体有序度提高，烧结体致密化增大。

(3)莫来石废料掺杂随着引入量的增大，坯体强度逐渐下降，而烧结体强度先小幅下降后逐步增大。当掺杂量达到30%时，综合性能达到最优，坯体强度1.53 MPa，烧结强度62.6 MPa，吸水率为5.36%，耐化学腐蚀性达到GLA标准。

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The Inf l uence of Mullite Crystal Waste on the Performance of Ceramics

WU Tong1, HUANG Chunbao2, CAO Xiaoguo3
(1. College of Mechanical Engineering, Qingyuan Polytechnic, Qingyuan 511000, Guangdong, China; 2. Guangdong Jiamei Ceramics Co., Ltd., Qingyuan 511000, Guangdong, China; 3. College of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guagnzhou 510006, Guangdong, China)

Using the separation and purification, the waste material with rich mullite crystal content was prepared. Then the ceramic sintered body with 60% of waste material was fabricated by the traditional sintering process. Effects of different mullite scrap doping amounts on the microstructure, phase composition and mechanical performance were studied. The results show the composition, mechanical properties, thermal stability and chemical corrosion resistance of tha samples doped with mullite crystal waste materials meet the relevant standards of GB/ T3810. 4 - 2006. With 30% doping, the composite performance is the best, at which the water absorption rate is 5.36%, the body strength is 1.53 MPa, the sintering strength is 62.6MPa, and the chemical resistance meets the requirements of GLA.

scrap doping; microstructure; mechanical properties; solid phase reaction

date:2017-03-15. Revised date: 2017-03-18.

TQ174.9

A

1006-2874(2017)04-0024-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.04.006

2017-03-15。

2017-03-18。

清远市产学研结合项目(001171720530040)； 清远职业技术学院校级重点资助项目(ZK14001)。

吴彤，女，讲师。

Correspondent author:WU Tong, female, Lecturer.

E-mail:wutong11201120@126.com