高强度超薄建筑陶瓷板材的制备、增强和性能研究

发布时间：2020-07-30 18:33

【摘要】：大规格陶瓷薄板是适应我国“一带一路”战略的创新型陶瓷产品。与传统的陶瓷墙地砖相比,大规格化与薄形化生产技术可以实现陶瓷原材料用量、综合能耗的大幅度降低以及废渣、SO_2、NO_x、烟尘等的减排,是传统建筑卫生陶瓷领域节能减排和绿色制造的发展方向之一。然而,如何进一步降低成本、利用废弃矿渣、废料等资源制备高性能的陶瓷薄板,以及如何进一步提高产品强度,为进一步降低产品的厚度奠定基础是当前本领域急需要解决的问题和难点。本课题旨在研究建筑陶瓷板材性能的提高及功能化。首先研究了利用抛光废渣等废弃物制备发泡陶瓷板的工艺、结构和性能,实现了废渣的高品质应用。在此基础上,还开发了高强度、高白度的镁质瓷陶瓷薄板。利用莫来石微晶、硅酸钇晶须、氧化锆、氧化铝和氧化钛短纤维等增强陶瓷薄板,并研究了其组成、结构和性能的关系。最后对优化的几种薄板进行了产业化中试研究。主要取得了以下研究成果:1.利用抛光废渣为主要原料,制备了发泡陶瓷板,优化了配方及化学组成。研究发现:烧成制度对材料结构和性能影响较大。烧成温度在大于1100℃以后开始发泡。随着烧成温度升高,轻质多孔陶瓷板材的总气孔率和闭孔气孔率均增加,开孔气孔率也略有增加,材料强度不断降低。提高烧成温度和延长保温时间有利于促进莫来石相的形成。2.开发了MgO-Al_2O_3-SiO_2材料体系,以高岭土、滑石、钾长石和钠长石为主要原料,使用三角配方设计方案,制备出满足国家标准和国际标准的陶瓷薄板。产品抗弯曲强度高,烧成范围宽。。3.分别以粉煤灰和粉煤灰漂珠为起始原料,通过引入氧化铝含量较高的矿物原料,在低温下煅烧成功合成了莫来石微晶,达到我国烧结莫来石标准。采用溶胶-凝胶方法,在800-1000℃温度下成功合成了莫来石微晶。分别采用上述三种莫来石微晶为增强相增强陶瓷薄板,发现三种莫来石均能有效增强陶瓷薄板。4.采用溶剂热方法制备了直径尺寸为1-5μm,长度为30-60μm的硅酸钇晶须,所制备的硅酸钇晶须其在室温至1000℃范围内的热导率在1.15W/(m?K)-1.25W/(m?K)之间,其在500℃至1100℃范围内的热膨胀系数在6×10~(-6)/K~7×10~(-6)/K之间。以制备的硅酸钇晶须增强陶瓷薄板时,锂辉石比钾长石和钠长石更适合充当助熔剂;当硅酸钇晶须加入量达到6%时,陶瓷薄板的强度最佳,达到92MPa,提高了80.4%。5.采用氧化锆、氧化铝和氧化钛商用短纤维作为增强原料增强陶瓷薄板,发现三者均可以在一定程度上提高陶瓷材料的力学性能。弯曲强度随纤维的加入量增加而先增加后降低,氧化锆短纤维的增强效果最好。6.采用液相法合成了氧化钨微晶,发现微晶的微观形貌和晶体结构对其催化反应活性有显著影响,薄片状的WO_3?H_2O具有活性晶面暴露和高比表面积特性而拥有最佳的光催化降解性能。以其为光催化釉料活性成分,在陶瓷薄板表面制备了钨基快速结晶釉,发现该釉层以WOP_2O_7为主晶相,析晶尺寸大,结晶取向明显,装饰效果好,且具有紫外可见光降解污染物性能,为提升结晶釉功能化应用提供了新的方向。7.对发泡陶瓷板、高白度陶瓷薄板、莫来石微晶增强陶瓷薄板、氧化锆短纤维增强陶瓷薄板以及光催化功能结晶釉装饰的陶瓷板材进行了中试研究,中试结果表明:几种陶瓷薄板的尺寸、断裂模数、吸水率、耐磨性、可溶性铅含量、可溶性镉含量、静摩擦系数等均符合国家标准。发泡陶瓷板中试产品的密度、导热系数、平均断裂模数、吸水率等关键指标均满足行业标准。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ174.76
【图文】：

建筑陶瓷,生产工艺流程,坯体

图 1-1 建筑陶瓷墙地砖典型生产工艺流程Fig. 1-1 Typical schematic flowchart of building ceramic wall and floor tiles原料是建筑陶瓷生产的基础，对于规模化工业生产，要求原料性能满足生产要量稳定，成本适当。黏土、长石、石英体系是传统陶瓷的典型配方，兼顾了生产前提。黏土类可塑性原料主要提供可塑性能，可以保证坯体的干燥强度，同时可得通过塑性形变获得所需形状的坯体，在湿法球磨时可以起到悬浮作用，形成稳，在烧结时其中 Al2O3的含量可以调节烧成温度。长石等熔剂类原料作用主要是体的烧成温度。石英等瘠性原料性能与可塑性原料相反，主要作用是与黏土相互节泥料的可塑性，降低坯体干燥收缩、减少坯体的变形，在烧成时减少烧成收缩高温下坯体的形变，提高制品的机械强度。一方面，保证坯体的成型、过程中的制品的烧成等制备工艺流程的要求；另一方面，满足了原料化学组成和烧成晶相陶瓷成品的质量要求[1-2]。造粒环节主要是为之后坯体成型部分提供合格且具有一定级配的粉料，是建筑地砖生产过程中重要环节。目前普遍采用喷雾造粒湿法制粉工艺，是在 20 世纪从食品工业用喷雾干燥技术引入的（可称为“湿法制粉工艺”），该工艺技术克服了

示意图,断裂模数,破坏强度,示意图

依据国标 GB/T 3810.14—2016《陶定》，污染物为轻油中的红色污染物（轻油为甘量分数为 0.40）。硬度的测量氏硬度计在试样表面上刻划，如果能刻划试样计所代表的硬度值，若不能刻划试样表面，则的硬度值，莫氏硬度计的标准矿物及其代表的硬表 2-4 莫氏硬度计的标准矿物及其代表的硬度值[32-33]e mosh hardness of standard hardness minerals and their re的测定标准 GB/T 3810.4-2016《陶瓷砖试验方法第 4 定陶瓷砖的断裂模数和破坏强度[32-33]。石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄2 3 4 5 6 7 8

单纯形,三分量,因子,等分

度超薄建筑陶瓷板材的制备、增强和性能在试验过程中应尽量保持“非配方要(Meta Batch)作为“因子”。数学模型式的回归方程，如公式 2-12 所示：bxxijijij 种材料性能参数的预测值；，又称“控制变量”，一般为三大元配，即 i，j=1,2,3，…，p。分别为常数项、线性项及交互项的于 3 分量，其变量及其回归系数有。对应于回归方程式（2-12），采用 3试验点（图 2-3）。对于 3 因子，共确

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