一種高強高韌陶瓷巖板及其製備方法
2024-04-12 14:56:05 1
1.本發明屬於新型建築裝飾材料技術領域，具體涉及一種高強高韌陶瓷巖板及其製備方法。
背景技術：
2.陶瓷巖板(machinable porcelain slabs)是用於家居的臺面板、門板及建築物內外牆面、地面等，具有低吸水率及良好加工性能的板狀製品，一般分為臺面用、門板用、牆面用、地面和家電用等。其特點是厚度薄、單塊面積大(已達2.4
×
3.6米)、單位面積能耗低、裝飾效果好，是一種高端綠色環保的建築裝飾產品。現今存在的主要問題是其脆性大，對其進行切割或開孔等機械加工時容易開裂，因此必須對其進行強韌化處理。
3.目前，一般採取在坯中添加氧化鋯、氧化鋁、稀土、白炭黑等辦法，來提高產品的抗折強度(σb)或斷裂韌性(k
ic
)。例如，中國專利cn113601693a公開了一種分區分層布料製備強韌化巖板的工藝技術，其採用五層布料，在層間添加氧化鋯，燒結後形成大量t-zro2晶相，實現相變強韌，其σb達59～91mpa，k
ic
達1.3～1.6mpa
·m1/2
；中國發明專利cn112876226a公開了一種抗切割裂陶瓷巖板、製備方法，通過添加α-氧化鋁粉，形成更多剛玉相，促進形成莫乃石，減少玻璃相，其σb達47～69mpa；中國發明專利cn113354387a公開了一種莫來石增韌陶瓷巖板及其製備方法和應用，以氧化鋁、高嶺土、石英等製備陶瓷巖板，其燒結後生成針狀和柱狀且互鎖結構的莫乃石晶體，其σb達35～60mpa；中國發明專利cn112759368a公開了一種稀土氧化物增強增韌陶瓷巖板及其製備方法，添加了氧化釔、氧化鑭和氧化鈰等稀土，抑制晶粒生長，促進緻密化，其σb高達52～100mpa；中國發明專利cn112979273b公開一種高強度高韌性巖板坯體用組合物及其應用，採用具有比表面積較大的白炭黑，提高材料間的結合力，其σb達33.8～49.3mpa，k
ic
達1.26～1.68mpa
·m1/2
。
4.然而，上述方法製備的陶瓷巖板強度和韌性還不夠高，且使用稀土還會導致成本過高。
技術實現要素：
5.針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種高強高韌陶瓷巖板及其製備方法。
6.為實現上述目的，本發明通過如下技術方案實現：
7.一種高強高韌陶瓷巖板，包括依次層疊設置的坯體、底釉層、裝飾層和面釉層；其中，按重量份計，形成坯體的原料包括：鉀長石20～40份，鈉長石10～20份，蘇州土25～40份，英砂10～20份，α-氧化鋁3～16份，鋯粉0～7份。
8.優選的，按重量份計，形成坯體的原料包括：鉀長石23～27份，鈉長石11～13份，蘇州土33～40份，英砂11～16份，α-氧化鋁3～16份，鋯粉6～7份。
9.優選的，底釉層和面釉層的原料相同，按重量份計，包括熔塊85～90份，蘇州土6～10份，鋯粉4～8份，懸浮劑0.1～0.4份，分散劑0.2～0.5份。
10.優選的，懸浮劑為羧甲基纖維素，分散劑為三聚磷酸鈉。
11.本發明還提供一種高強高韌陶瓷巖板的製備方法，包括以下步驟：
12.s1.配製坯料和釉料，備用；
13.將坯料依次進行球磨混料、噴霧造粒、均化陳腐；
14.將均化陳腐後的坯料進行輥壓成型，得到坯體；
15.s2.在坯體上施釉料，得底釉層；
16.s3.在底釉層上進行圖案裝飾，得到裝飾層；
17.s4.在裝飾層上進行施釉，得到含面釉層的釉坯；
18.s5.對釉坯進行燒成，得到高強高韌陶瓷巖板。
19.優選的，步驟s1中球磨混料的料球質量比為1:2；噴霧造粒時水的加入量為坯料總重量的15～20％，均化陳腐的時間為24～48h。
20.優選的，步驟s1中採用半乾法進行輥壓成型，成型壓力為85～100kn，保壓時間15～20s。相比於幹壓法，半乾壓法以水為塑化劑，成型時壓力較低，適合於連續、大批量生產。
21.優選的，步驟s2中採用淋釉法進行施釉料，並將施釉料後的坯體於100～120℃的熱風中乾燥6～8h，得到底釉層。
22.優選的，步驟s3中利用噴墨列印法進行圖案裝飾，並將圖案裝飾後的坯體於100～120℃的熱風中乾燥6～8h，得到裝飾層。
23.優選的，步驟s5中燒成的溫度為1180～1280℃，周期為24～48h。
24.本發明的有益效果是：
25.(1)本發明的坯體原料之間相互配合形成莫來石、石英和剛玉，這些晶相結構交錯生長且均勻分布在基體中，共同構成了基體的骨架；同時英砂中的al2o3和蘇州土中的sio2等晶粒均勻地穿插於莫來石網絡中，顯著提高了陶瓷巖板的抗折強度。
26.(2)本發明通過在坯體原料中添加鋯粉，促進坯體中t-zro2晶相的形成，與α-氧化鋁形成的剛玉共同交織穿插在莫來石中，進一步提高抗折強度，使得陶瓷巖板的σb高達95mpa。
27.(3)本發明合理調配釉料中的各組成成分，熔塊及蘇州土中的sio2與鋯粉中氧化鋯結合生成大量塊狀矽酸鋯晶粒，並且熔塊中游離的al2o3、zno及cao轉化為棒狀鋁酸鈣等晶體，晶粒覆蓋率及含量較高，可有效阻礙裂紋的擴展，降低材料的脆性，提高斷裂韌性。
28.(4)本發明的坯體層和釉層緊密結合，坯體中的t-zro2，發生馬氏體相變，吸收能量，進一步提高斷裂能，坯體層和釉層兩者的協同作用使得製備的陶瓷巖板k
ic
達到2.7mpa
·m1/2
。
附圖說明
29.圖1為本發明實施例2製備的陶瓷巖板坯體的sem圖；
30.圖2為實施例2製備的陶瓷巖板sem圖；
31.圖3為實施例2製備的陶瓷巖板坯體的xrd圖；
32.圖4為實施例2製備的陶瓷巖板的xrd圖。
具體實施方式
33.下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，均屬於本發明保護的範圍。
34.本發明提供一種高強高韌陶瓷巖板，包括依次層疊設置的坯體、底釉層、裝飾層和面釉層；其中，按重量份計，形成坯體的原料包括：鉀長石20～40份，鈉長石10～20份，蘇州土25～40份，英砂10～20份，α-氧化鋁3～16份，鋯粉0～7份。
35.本發明的坯體材料簡單易得，利用坯體中產生較多的莫來石及al2o3等晶相結構，來提升陶瓷巖板的強度和韌性。其中的鉀、鈉長石原料是促進坯體燒結的溶劑性原料；英砂是石英類原料，可增加坯體的機械強度，為莫來石的形成提供sio2；蘇州土作為黏土類原料，可提高坯體的可塑性，為莫來石的形成提供al2o3；α-氧化鋁作為添加劑，有利於促進坯體中生成剛玉，提升材料強度及韌性。
36.在一個較優的實施例中，按重量份計，按重量份計，形成坯體的原料包括：鉀長石23～27份，鈉長石11～13份，蘇州土33～40份，英砂11～16份，α-氧化鋁3～16份，鋯粉6～7份。具體的，英砂中游離的sio2與蘇州土中的al2o3結合生成莫來石，英砂中未反應的sio2轉化成為石英，剛玉由α-氧化鋁轉化而成，鋯粉中的氧化鋯轉化成t-zro2。莫來石、石英、剛玉以及t-zro2晶相交錯生長且均勻分布在基體中，共同構成了基體的骨架；同時，引入的al2o3、sio2及t-zro2等晶粒比較均勻地穿插於莫來石網絡中，顯著提高了陶瓷巖板的斷裂模量。
37.在一個較優的實施例中，底釉層和面釉層的原料相同，按重量份計，包括熔塊85～90份，蘇州土6～10份，鋯粉4～8份，懸浮劑0.1～0.4份，分散劑0.2～0.5份。懸浮劑和分散劑的種類不限，優選的，懸浮劑為羧甲基纖維素，分散劑為三聚磷酸鈉。在該較佳實施例中，釉料中的熔塊可提高釉料質量，且作為助熔劑降低陶瓷的燒結溫度，使陶瓷低溫下迅速燒成；釉料中的蘇州土可使釉漿具有適度的流動性與良好的吸附能力；釉料中的鋯粉可促進釉層中矽酸鋯及t-zro2的析晶。
38.具體的，釉料中熔塊及蘇州土中的sio2與鋯粉中氧化鋯結合生成大量塊狀矽酸鋯晶粒，熔塊中游離的al2o3、zno及cao轉化為棒狀鋁酸鈣等晶體，晶粒覆蓋率及含量較高，可有效阻礙裂紋的擴展，降低材料的脆性。並且上述組成成分的釉料使得坯體層和釉層結合緊密，坯體中的t-zro2，發生馬氏體相變，吸收能量，進一步提高斷裂能，通過坯體與底釉層和面釉層協同作用顯著提高陶瓷巖板的抗折強度和斷裂韌性。
39.本發明還提供一種高強高韌陶瓷巖板的製備方法，包括以下步驟：
40.s1.配製坯料和釉料，備用；
41.s2.將坯料按照1:2的料球比進行球磨混料後，以水的加入量為坯料總重量的15～20％進行噴霧造粒，然後均化陳腐24～48h；
42.s3.將均化陳腐後的坯料採用半乾法進行輥壓成型，成型壓力為85～100kn，保壓時間15～20s，得到坯體；相比於幹壓法，半乾壓法以水為塑化劑，成型時壓力較低，適合於連續、大批量生產。
43.s4.採用淋釉法在坯體上施釉料，並將施釉料後的坯體於100～120℃的熱風中幹
燥6～8h，得底釉層；
44.s5.利用噴墨列印法在底釉層上進行圖案裝飾，並將圖案裝飾後的坯體於100～120℃的熱風中乾燥6～8h，得到裝飾層；
45.s6.採用與s4相同的方法在裝飾層上進行施釉，得到含面釉層的釉坯；
46.s7.對釉坯進行燒成，燒成的溫度為1180～1280℃，周期為24～48h，得到高強高韌陶瓷巖板。
47.為了闡述本發明，以下以具體實施例進行闡述。應當理解這些實施例僅用於說明性目的並且不應被理解為以任何方式限制本發明。
48.實施例1
49.一、坯體的製備
50.1)原料處理：將α-氧化鋁、鉀長石、鈉長石、英砂和蘇州土等原料分別用磨機粗磨6h，料球質量比為1:2，過250目篩，得到各種原料備用。
51.2)原料配比：將上述原材料按重量份配料：鉀長石23份，鈉長石11份，蘇州土34份，英砂16份，α-氧化鋁16份。
52.3)球磨混料：將上述配料置於磨機中細磨2h，料球質量比為1:2，過250目篩，得到混合均勻的坯用料備用。
53.4)噴霧造粒：將得到的坯用料置於噴霧乾燥塔中，進行噴霧造粒，水的加入量為粉料總重量的16％。
54.5)均化陳腐：將坯用料放入料倉中陳化48h，得到充分反應和混合均勻的坯料。
55.6)輥壓成型：將均化陳化後的坯料放入模具內，採用半乾壓法成型，成型壓力100kn，保壓時間20s，製得生坯。
56.二、釉面裝飾層的製備
57.1)配置釉料：將以下原材料按所重量份配料：熔塊85份，蘇州土7份，鋯粉8份，羧甲基纖維素(cmc)0.2份，三聚磷酸鈉(sttp)0.3份，加水細磨2h後過300目篩，得到混合均勻的釉料，作為底釉和面釉備用；
58.2)施釉、裝飾和乾燥：將生坯清灰後，採用淋釉法對生坯施底釉，再將施底釉後的坯體在熱風乾燥器中於100℃乾燥6h。然後，對其進行噴墨列印，得到所需要的裝飾圖案後，再次放入熱風乾燥器中於100℃乾燥6h，再以同樣的方法施一層面釉，得到釉坯。
59.3)釉坯燒成：將釉坯放入輥道窯中，最高溫度為1200℃，周期為48h，得到陶瓷巖板。
60.實施例2
61.一、坯體的製備
62.1)原料處理：將鋯粉、α-氧化鋁、鉀長石、鈉長石、英砂和蘇州土等原料分別用磨機粗磨6h，料球質量比為1:2，過250目篩，得到各種原料備用。
63.2)原料配比：將上述原材料按重量份配料：鉀長石23份，鈉長石11份，蘇州土33份，英砂11份，α-氧化鋁16份，鋯粉6份。
64.3)球磨混料：將上述配料置於磨機中細磨2h，料球質量比為1:2，過250目篩，得到混合均勻的坯用料備用。
65.4)噴霧造粒：將得到的坯用料置於噴霧乾燥塔中，進行噴霧造粒，水的加入量為粉
料總重量的18％。
66.5)均化陳腐：將坯用料放入料倉中陳化48h，得到充分反應和混合均勻的坯料。
67.6)輥壓成型：將均化陳化後的坯料放入模具內，採用半乾壓法成型，成型壓力100kn，保壓時間18s，製得生坯。
68.二、釉面裝飾層的製備
69.1)配置釉料：將以下原材料按所重量分數配料：熔塊85份，蘇州土7份，鋯粉8份，羧甲基纖維素(cmc)0.2份，三聚磷酸鈉(sttp)0.3份，加水細磨2h後過300目篩，得到混合均勻的釉料，作為底釉和面釉備用；
70.2)施釉、裝飾和乾燥：將生坯清灰後，採用淋釉法對生坯施底釉，再將施底釉後的坯體在熱風乾燥器中於120℃乾燥6h。然後，對其進行噴墨列印，得到所需要的裝飾圖案後，再次放入熱風乾燥器中於100℃乾燥6h，再以同樣的方法施一層面釉，得到釉坯。
71.3)釉坯燒成：將釉坯放入輥道窯中，最高溫度為1200℃，周期為48h，得到陶瓷巖板。
72.圖1～2分別表示了本實施例製備的陶瓷巖板坯體和塗釉料之後的sem圖。從圖1可以看出坯體樣品的緻密度較高，沒有較多氣孔，坯體中晶粒分布較為均勻且緊密；從圖2可以看出樣品釉層與坯體結合緊密，釉層中晶粒覆蓋率較大，且分布較為均勻。圖3～4分別表示了本實施例製備的陶瓷巖板坯體和塗釉料之後的xrd圖。從圖3和圖4可以看出坯體中的晶相主要為剛玉、石英、莫來石及t-zro2，釉層中晶相為矽酸鋯、t-zro2、鋁酸鈣及鋅鋁尖晶石。坯體和釉層中各種晶相結構的形成，使得本發明製備的陶瓷巖板具有較高強度和韌性。
73.實施例3
74.一、坯體的製備
75.1)原料處理：將鋯粉、α-氧化鋁、鉀長石、鈉長石、英砂和蘇州土等原料分別用磨機粗磨6h，料球質量比為1:2，過250目篩，得到各種原料備用。
76.2)原料配比：將上述原材料按重量份配料：鉀長石23份，鈉長石11份，蘇州土33份，英砂11份，α-氧化鋁16份，鋯粉6份。
77.3)球磨混料：將上述配料置於磨機中細磨2h，料球質量比為1:2，過250目篩，得到混合均勻的坯用料備用。
78.4)噴霧造粒：將得到的坯用料置於噴霧乾燥塔中，進行噴霧造粒，水的加入量為粉料總重量的18％。
79.5)均化陳腐：將坯用料放入料倉中陳化48h，得到充分反應和混合均勻的坯料。
80.6)輥壓成型：將均化陳化後的坯料放入模具內，採用半乾壓法成型，成型壓力100kn，保壓時間18s，製得生坯。
81.二、釉面裝飾層的製備
82.1)配置釉料：將以下原材料按所重量份配料：熔塊85份，蘇州土7份，羧甲基纖維素(cmc)0.2份，三聚磷酸鈉(sttp)0.3份，加水細磨2h後過300目篩，得到混合均勻的釉料，作為底釉和面釉備用；
83.2)施釉、裝飾和乾燥：將生坯清灰後，採用淋釉法對生坯施底釉，再將施底釉後的坯體在熱風乾燥器中於120℃乾燥6h。然後，對其進行噴墨列印，得到所需要的裝飾圖案後，再次放入熱風乾燥器中於100℃乾燥6h，再以同樣的方法施一層面釉，得到釉坯。
84.3)釉坯燒成：將釉坯放入輥道窯中，最高溫度為1200℃，周期為48h，得到陶瓷巖板。
85.對比例1
86.坯體的製備中不添加α-氧化鋁，其他步驟與實施例2相同。
87.對比例2
88.坯體的製備中不添加α-氧化鋁和鋯粉，其他步驟與實施例2相同。
89.採用三點抗折法及壓痕法對實施例1～3和對比例1～2製備的陶瓷巖板進行測試，測試結果如表1所示。
90.表1
91.樣品抗折強度σb(mpa)斷裂韌性k
ic
(mpa
·m1/2
)實施例1902.54實施例2952.71實施例3882.44對比例1702.12對比例2512.45
92.從表1可以看出，本發明實施例製備的陶瓷巖板具有良好的抗折強度和斷裂韌性。實施例2的綜合性能優於實施例1，表明在坯體原料中進一步添加鋯粉，能夠與α-氧化鋁發揮協同作用，增強強度和韌性；實施例2的結果優於實施例3，表明在釉料中添加鋯粉，能夠改善釉層的綜合性能，並與坯體協同共同起到增強增韌效果；實施例2的結果優於對比例1，表明α-氧化鋁所作出的技術貢獻；對比例2的綜合性能較差，表明坯料中添加的鋯粉與α-氧化鋁能夠協同起到增強增韌作用。因此，本發明通過對原料的調控與選擇，達到了釉層與坯體協同增強增韌的效果。
93.需要說明的是，以上各實施例均屬於同一發明構思，各實施例的描述各有側重，在個別實施例中描述未詳盡之處，可參考其他實施例中的描述。
94.以上所述實施例僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。