CN112341236A - 一种用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷，包括基底陶瓷组合物和发泡组合物，两者的重量比为0.95：0.05‑0.80：0.20；所述基底陶瓷组合物包括：粘土25‑35份、铝矾土5‑15份、滑石1‑5份、钾钠长石水磨料15‑40份、环保泥5‑30份；所述发泡组合物包括：抛光渣50‑80份、硅砂15‑35份、环保泥5‑20份。本发明将轻质陶瓷的配方设计成两个体系，发泡体系和基底陶瓷体系，发泡体系作用是调整轻质陶瓷容重，主要利用了抛光渣高温发泡特性，但相较于抛光渣的发泡不可控，设计的发泡体系能够均匀发泡，且发泡温度可调控；基底陶瓷体系承担轻质陶瓷的力学性能，通过两个体系比例的合理调控，即可得到轻质高强的陶瓷，简化了轻质陶瓷的配方设计、拓宽了原料选择范围。
Description
技术领域
本发明属于建筑装饰陶瓷材料技术领域，主要涉及一种用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷及其制备方法。
背景技术
建筑幕墙通常是指由面板与支承结构体系(支承装置与支承结构)组成，不承担主体结构所受荷载与作用的建筑外围护系统，主要应用于城市高层建筑、公共建筑物、建筑综合体等。建筑幕墙的板材材料包括玻璃、陶板、瓷板、石材、金属板以及无机混凝土再造挂板等，在当前幕墙行业的产品结构中，石材和玻璃幕墙占了60％以上的市场份额。但由于石材幕墙日益短缺，自重大、质地不均匀以及内含裂纹等因素导致有安全隐患等问题；玻璃幕墙自爆问题频出、光污染严重、造价越来越高等问题，急需用质优价廉的新产品来替代。
在建筑陶瓷生产过程中，企业需要兼顾对陶瓷固废的处理，在国家日益提倡绿色、环保的今天，开发出能消耗固废的高附加值的产品，有利于实现企业的社会价值。陶瓷抛光废渣是在陶瓷地板砖制备工序中的抛光工序中研磨出来的废弃物，这种陶瓷抛光渣经过高温烧结，在自然环境中无法自行降解。同时由于地板砖产量大，故其排放量大。抛光渣粉末颗粒极微细，堆积密度小，极易在空气中大面积飘散，对大气造成严重污染，影响区域内的PM10和PM2.5指标。同时，人体吸入这种陶瓷抛光废渣，则容易引起尘肺病，吸附在植物叶表，则堵塞气孔，严重影响植物生长。同时随着时间推移，该废弃物可以缓慢的渗入地下，对区域内的地下水系统环境也造成了严重危害，故必须对其进行无害化处理。
目前建筑领域对轻质陶瓷的配方的设计是利用不同的原料比例，通过发泡剂(碳化硅或陶瓷抛光渣)高温发泡获得轻质陶瓷产品，建陶企业为了兼顾陶瓷固废的处理和降低成本，一般选用陶瓷抛光渣作为发泡剂，直接将抛光渣作为发泡剂进行配方设计，由于抛光渣发泡不可控，在设计配方过程中设计难度大且产品各项性能很难兼顾。CN201210403374.9公开了一种发泡陶瓷保温板及其制备方法。包括发泡陶瓷基板，所述发泡陶瓷基板是通过以重量份计的陶瓷砖抛光渣40-75份、长石10-40份、煅烧滑石3-6份、红土4-10份、萤石0-2份、锂长石1-2份、碳化硅1-3份、稳定剂2-4.5份经均化、球磨、干燥、装窑、烧成以及切割加工步骤制备而成。上述专利技术的发泡陶瓷基板配方设计，在实际生产过程中，发泡质量不好控制，各项性能较难兼顾。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷，将轻质陶瓷的配方设计分成两个体系，发泡体系和基底陶瓷体系，发泡体系作用是调整轻质陶瓷密度，主要利用了抛光渣高温发泡特性，但相较于抛光渣的发泡不可控，设计的发泡体系能够均匀发泡，且发泡温度可调控，基底陶瓷体系承担轻质陶瓷的力学性能，通过两个体系比例的合理调控，即可得到轻质高强陶瓷配方，简化了轻质陶瓷配方设计、拓宽了原料选择范围。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷，由基底陶瓷组合物和发泡组合物制备而成；所述基底陶瓷组合物和发泡组合物的重量比为0.95：0.05-0.80：0.20；
所述基底陶瓷组合物包括如下按重量份数计组分：
粘土25-35份
铝矾土5-15份
滑石1-5份
钾钠长石水磨料15-40份
环保泥5-30份
所述发泡组合物包括如下按重量份数计组分：
抛光渣50-80份
硅砂15-35份
环保泥5-20份。
本发明发明人在长期对轻质高强陶瓷的配方实验研究中，意外发现将轻质高强陶瓷的配方设计分成两个体系，发泡体系和基底陶瓷体系，更易于调控发泡效果。发泡体系是通过高温阶段微发泡来设计轻质高强陶瓷容重的体系，能够均匀发泡，且发泡温度可调控。基底陶瓷体系是承载轻质陶瓷高温塑性形变的陶瓷体系，承担轻质陶瓷的力学性能。发泡体系主要是由抛光渣、环保泥和硅砂组成，发泡体系的配方可以均匀发泡且具有与基底陶瓷体系匹配的烧制温度。通过两个体系比例的合理调控，即可得到轻质高强陶瓷配方，简化了轻质陶瓷配方设计、拓宽了配方原料选择范围。
具体地，在本发明中，抛光渣是微发泡的主要来源，发泡体系通过调整环保泥和硅砂的比例来确保体系发泡均匀性，设计发泡体系烧制温度，具体是硅砂主要成分是二氧化硅，硅、铝占组分的95％以上，抛光渣和环保泥组成中包括钾钠钙镁等助熔成分，且两者助熔成分占比、钾钠钙镁比例不同，通过调整原料的比例，改变硅、铝组分占比以及硅铝两组分的比例来调控烧制温度，通过调整助熔成分的比例调整发泡体系高温液相粘度，确保液相粘度与产生气体的速率匹配，从而确保发泡均匀性。发泡体系与基底陶瓷匹配的烧制温度，是指发泡体系烧制温度比基底陶瓷体系烧制温度高5-10℃，这样两者能够很好的相互结合。基底陶瓷体系主要是由粘土、铝矾土、滑石、钾钠长石水磨料、环保泥组成。对基体陶瓷体系的要求主要是力学性能和高温抗变形能力，轻质高强陶瓷的力学性能主要依赖于基底陶瓷力学性能，为满足设计产品抗折强度要求，基底陶瓷抗折强度应大于50MPa；轻质高强陶瓷的高温微发泡过程相较于传统陶瓷会产生更多的液相量，基底陶瓷高温抗变形能力应保证基底陶瓷和轻质高强陶瓷相同烧制条件下，高温塑性形变量相当。基于此，基底陶瓷配方选用粘土、铝矾土、滑石、钾钠长石水磨料、环保泥，并调整组分配比获得。
在本发明中，优选地，所述基底陶瓷组合物和发泡组合物的重量比为0.90：0.10-0.85：0.15。上述基底陶瓷体系与发泡体系的重量比设置，可形成互补配合，烧制温度匹配性好，发泡均匀。
在本发明中，优选地，所述基底陶瓷组合物包括如下按重量份数计组分：
粘土30份
铝矾土10份
滑石3份
钾钠长石水磨料25份
环保泥20份
所述发泡组合物包括如下按重量份数计组分：
抛光渣70份
硅砂25份
环保泥15份。
发明人经过大量的实验总结，发现在上述组分配比下获得的轻质高强陶瓷性能较优。
在本发明中，优选地，所述轻质高强陶瓷还包括增韧剂，所述增韧剂为纳米二氧化锆。纳米氧化锆ZrO2增韧机理有如下三种理论：第一种是“细化理论”，认为纳米级氧化锆的引入能抑制基体晶粒的异常长大，使基体结构均匀细化，从而提高纳米陶瓷复合材料强度韧性。第二种“穿晶理论”，认为纳米复合材料中，基体颗粒以纳米颗粒为核发生致密化而将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部形成“晶内型”结构。这样便能减弱主晶界的作用，诱发穿晶断裂，使材料断裂时产生穿晶断裂而不是沿晶断裂，从而提高纳米陶瓷复合材料强度和韧性。第三种是“针孔”理论，认为存在于基体晶界的纳米颗粒产生针孔效应，从而限制了晶界滑移和空穴，蠕变的发生。晶界的增强导致纳米复相陶瓷韧性的提高。
本发明还提供一种用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
S1.配制基底陶瓷体系和发泡体系，并将两者按比例混合均匀，加入分散剂后湿法球磨得到陶瓷浆料，经喷雾干燥获得陶瓷粉料；
S2.将S1中获得的陶瓷粉料压制成陶瓷坯体；
S3.将陶瓷坯体进干燥窑干燥；
S4.将干燥后的陶瓷坯体进行施釉；
S5.将施釉后的陶瓷坯体进行烧制得到陶瓷产品；
S6.对陶瓷产品进行后续处理工序。
优选地，S1所述分散剂为水玻璃、三聚磷酸钠中的一种或两种，添加量为干粉总重量的0.3％-2.0％；所述陶瓷粉料的含水率为5％-8％。球磨介质为水，球磨时间4-6小时。添加分散剂，可以起离子排斥(阴离子)与空间位阻(非离子)作用，润湿原料，同时使已经变小的粒子不容易因为巨大的表面能而重新聚集沉淀。球磨时间适宜，球磨效果好。
具体地，S1所述陶瓷浆料的流速为40-60s，陶瓷浆料过250目筛的筛余为1.0％以下。本发明陶瓷浆料的流速控制和粒度设置，使陶瓷的成型性能好，陶瓷整体的均匀性好。
优选地，S5所述烧制的烧成温度为1150-1200℃，得到容重为1.75-1.95g/cm3，吸水率≤0.5％，抗折强度大于28MPa的轻质高强陶瓷。设置的烧制温度，与陶瓷的配方相适应，获得容重较低的轻质高强的陶瓷产品。
具体地，S6所述后续处理工序包括本领域常规应用的处理工序，本发明不作限定。例如包括轻质高强陶瓷的磨边，表面处理和背面开槽处理等。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明获得应用于建筑幕墙领域的轻质高强陶瓷产品。具有重量轻、环保、节能、易加工的特点，可应用在多样化的建筑幕墙设计中，不仅能够减轻建筑物的载重，还能够起到降耗作用。
2、本发明产品中陶瓷废渣占比为15％～40％，包括抛光渣、环保泥、硅砂，起到消纳废渣的功效。
3、本发明的产品生产工艺流程与传统建筑陶瓷基本一致，减小了上线投产的设备投入；本产品具有轻质的特点，在生产过程中能够节省原料，同时降低运输成本。
附图说明
图1为本发明制备的轻质高强陶瓷的微观形貌SEM照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。
下述实施例所采用的原料如无特殊说明，均为市售。
吸水率和密度测试方法：根据《GB/T3810.3-2016陶瓷砖试验方法第3部分：吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定》进行测试，具体方法是：
吸水率采用真空法进行测试，将砖放在(110±5)℃的干燥箱干燥至恒重，即每隔24h的两次连续质量之差小于0.1％，称量记录m1。将砖竖直放入真空容器中，使砖互不接触，抽真空至(10±1)KPa，并保持30min后停止抽真空，加入足够的水将砖覆盖并高出5cm，将砖浸泡15min后取出，擦去表面水分，立即称重并记录m2v，通过公式EV＝(m2v-m1)/m1×100％计算即得到吸水率，其中EV为用m2v测定的吸水率。容重B用试样的干重m1除以表观体积V表示，通过公式B＝m1/V计算即得到容重。
抗折强度测试方法：根据《GB/T3810.4-2016陶瓷砖试验方法第4部分：断裂模数和破坏强度的测定》进行测试，具体测试方法是：采用三点法，通过公式R＝3Fl2/2bh2计算得到断裂模数即抗折强度，其中R为断裂模数，F为破坏载荷，l2为两根支撑棒之间的跨距，b为试样的宽度，h为试验后沿断裂边测得的试样断裂面的最小厚度。
实施例1:
轻质高强陶瓷装饰板材的制备：
(a)基体陶瓷体系的重量百分比组成：30％的粘土、10％的铝矾土、30％的钾钠长石水磨料、4％的滑石、26％的环保泥。发泡体系的重量百分比组成：80％的抛光渣、15％的硅砂、5％的环保泥。将基底陶瓷体系和发泡体系按照重量比0.90：0.10比例配制，同时外加占原料总重量0.3％的三聚磷酸钠和0.5％的水玻璃。
(b)将上述所有原料混料、放入球磨机湿法球磨；球磨时间为4个小时，获得的浆料流速为46S，250目筛余0.8％；浆料干燥后得到的粉料含水率6.4％。
(c)将陶瓷粉料压制成陶瓷生坯，干燥、施釉后进行烧制，烧成温度1170℃，烧制时间151min，得到吸水率为0.12％，抗折强度36MPa，容重1.92g/cm3的轻质陶瓷。
(d)将步骤(c)得到的轻质陶瓷板进行后续处理，包括磨边，表面处理和背面开槽。
实施例2:
轻质高强陶瓷装饰板材的制备：
(a)基体陶瓷体系的重量百分比组成：25％的粘土、15％的铝矾土、40％的钾钠长石水磨料、3％的滑石、17％的环保泥。发泡体系的重量百分比组成：65％的抛光渣、25％的硅砂、10％的环保泥。将基底陶瓷体系和发泡体系按照重量比0.85：0.15比例配制，同时外加占原料总重量0.3％的三聚磷酸钠和0.3％的水玻璃。
(b)将上述所有原料混料、放入球磨机湿法球磨；球磨时间为5个小时，获得的浆料流速为43S，250目筛余0.6％；浆料干燥后得到的粉料含水率6.7％。
(c)将陶瓷粉料压制成陶瓷生坯，干燥、施釉后进行烧制，烧成温度1180℃，烧制时间166min，得到吸水率为0.18％，抗折强度30MPa，容重1.79g/cm3的轻质陶瓷。
(d)将步骤(c)得到的轻质陶瓷板进行后续处理，包括磨边，表面处理和背面开槽。
实施例3:
轻质高强陶瓷装饰板材的制备：
(a)基体陶瓷体系的重量百分比组成：35％的粘土、10％的铝矾土、20％的钾钠长石水磨料、5％的滑石、30％的环保泥。发泡体系的重量百分比组成：70％的抛光渣、15％的硅砂、15％的环保泥。将基底陶瓷体系和发泡体系按照重量比0.80：0.20比例配制，同时外加占原料总重量1％的三聚磷酸钠。
(b)将上述所有原料混料、放入球磨机湿法球磨；球磨时间为4个小时，获得的浆料流速为52S，250目筛余0.9％；浆料干燥后得到的粉料含水率7.0％。
(c)将陶瓷粉料压制成陶瓷生坯，干燥、施釉后进行烧制，烧成温度1155℃，烧制时间143min，得到吸水率为0.15％，抗折强度31MPa，容重1.84g/cm3的轻质陶瓷。
(d)将步骤(c)得到的轻质陶瓷板进行后续处理，包括磨边，表面处理和背面开槽。
实施例4:
轻质高强陶瓷装饰板材的制备：
(a)基体陶瓷体系的重量百分比组成：30％的粘土、5％的铝矾土、40％的钾钠长石水磨料、1％的滑石、24％的环保泥。发泡体系的重量百分比组成：50％的抛光渣、30％的硅砂、20％的环保泥。将基底陶瓷体系和发泡体系按照重量比0.80：0.20比例配制，同时外加占原料总重量2％的三聚磷酸钠。
(b)将上述所有原料混料、放入球磨机湿法球磨；球磨时间为6个小时，获得的浆料流速为48S，250目筛余0.5％；浆料干燥后得到的粉料含水率6.0％。
(c)将陶瓷粉料压制成陶瓷生坯，干燥、施釉后进行烧制，烧成温度1185℃，烧制时间157min，得到吸水率为0.21％，抗折强度29MPa，容重1.76g/cm3的轻质陶瓷。
(d)将步骤(c)得到的轻质陶瓷板进行后续处理，包括磨边，表面处理和背面开槽。
实施例5:
轻质高强陶瓷装饰板材的制备：
(a)基体陶瓷体系的重量百分比组成：35％的粘土、15％的铝矾土、15％的钾钠长石水磨料、5％的滑石、30％的环保泥。发泡体系的重量百分比组成：55％的抛光渣、35％的硅砂、10％的环保泥。将基底陶瓷体系和发泡体系按照重量比0.95：0.05比例配制，同时外加占原料总重量0.3％的三聚磷酸钠和占原料总重量1％的纳米二氧化锆。
(b)将上述所有原料混料、放入球磨机湿法球磨；球磨时间为4个小时，获得浆料的流速为58S，250目筛余0.8％；浆料干燥后得到的粉料含水率5.8％。
(c)将陶瓷粉料压制成陶瓷生坯，干燥、施釉后进行烧制，烧成温度1190℃，烧制时间163min，得到吸水率为0.13％，抗折强度35MPa，容重1.92g/cm3的轻质陶瓷。
(d)将步骤(c)得到的轻质陶瓷板进行后续处理，包括磨边，表面处理和背面开槽。
实施例6:
轻质高强陶瓷装饰板材的制备：
(a)基体陶瓷体系的重量百分比组成：35％的粘土、15％的铝矾土、40％的钾钠长石水磨料、5％的滑石、5％的环保泥。发泡体系的重量百分比组成：60％的抛光渣、25％的硅砂、15％的环保泥。将基底陶瓷体系和发泡体系按照重量比0.90：0.10比例配制，同时外加占原料总重量0.4％的三聚磷酸钠和0.6％的水玻璃以及占原料总重量0.5％的纳米二氧化锆。
(b)将上述所有原料混料、放入球磨机湿法球磨；球磨时间为5个小时，获得浆料的流速为55S，250目筛余0.6％；浆料干燥后得到的粉料含水率6.7％。
(c)将陶瓷粉料压制成陶瓷生坯，干燥、施釉后进行烧制，烧成温度1175℃，烧制时间144min，得到吸水率为0.15％，抗折强度32MPa，容重1.85g/cm3的轻质陶瓷。
(d)将步骤(c)得到的轻质陶瓷板进行后续处理，包括磨边，表面处理和背面开槽。
对比例1
陶瓷装饰板材对比试样的制备：
(a)基体陶瓷体系的重量百分比组成：30％的粘土、10％的铝矾土、30％的钾钠长石水磨料、4％的滑石、26％的环保泥。发泡体系的重量百分比组成：100％的抛光渣。将基底陶瓷体系和发泡体系按照重量比0.92：0.08比例配制，同时外加占原料总重量0.3％的三聚磷酸钠和0.5％的水玻璃。
(b)将上述所有原料混料、放入球磨机湿法球磨；球磨时间为4个小时，获得的浆料流速为50S，250目筛余0.7％；浆料干燥后得到的粉料含水率6.7％。
(c)将陶瓷粉料压制成陶瓷生坯，干燥、施釉后进行烧制，烧成温度1170℃，烧制时间151min，得到陶瓷吸水率为2.43％，抗折强度16MPa，容重1.83g/cm3。
对比试样与实施例1基体陶瓷体系相同，抛光渣添加比例相同，烧制时间相同。抛光渣发泡可以降低体系容重，但由于单纯的抛光渣发泡不均导致试样表面和内部存在发泡不均产生的气孔，严重影响产品吸水率和强度。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷，其特征在于，包括基底陶瓷组合物和发泡组合物制备而成；所述基底陶瓷组合物和发泡组合物的重量比为0.95：0.05-0.80：0.20；
所述基底陶瓷组合物包括如下按重量份数计组分：
粘土25-35份
铝矾土5-15份
滑石1-5份
钾钠长石水磨料15-40份
环保泥5-30份
所述发泡组合物包括如下按重量份数计组分：
抛光渣50-80份
硅砂15-35份
环保泥5-20份。
2.根据权利要求1所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷，其特征在于，所述基底陶瓷组合物和发泡组合物的重量比为0.90：0.10-0.85：0.15。
3.根据权利要求1所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷，其特征在于，所述基底陶瓷组合物包括如下按重量份数计组分：
粘土30份
铝矾土10份
滑石3份
钾钠长石水磨料25份
环保泥20份
所述发泡组合物包括如下按重量份数计组分：
抛光渣70份
硅砂25份
环保泥15份。
4.根据权利要求1所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷，其特征在于，所述轻质高强陶瓷还包括增韧剂，所述增韧剂为纳米二氧化锆。
5.权利要求1-4任一所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.配制基底陶瓷体系和发泡体系，并将两者按比例混合均匀，加入分散剂后湿法球磨得到陶瓷浆料，经喷雾干燥获得陶瓷粉料；
S2.将S1中获得的陶瓷粉料压制成陶瓷坯体；
S3.将陶瓷坯体进干燥窑干燥；
S4.将干燥后的陶瓷坯体进行施釉；
S5.将施釉后的陶瓷坯体进行烧制得到陶瓷产品；
S6.对陶瓷产品进行后续处理工序。
6.根据权利要求5所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷的制备方法，其特征在于，S1所述分散剂为水玻璃、三聚磷酸钠中的一种或两种，添加量为干粉总重量的0.3％-2.0％；所述陶瓷粉料的含水率为5％-8％。
7.根据权利要求6所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷的制备方法，其特征在于，球磨介质为水，球磨时间4-6小时。
8.根据权利要求5所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷的制备方法，其特征在于，S1所述陶瓷浆料的流速为40-60s，陶瓷浆料过250目筛的筛余为1.0％以下。
9.根据权利要求5所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷的制备方法，其特征在于，S5所述烧制的烧成温度为1150-1200℃，得到容重为1.75-1.95g/cm3，吸水率≤0.5％，抗折强度大于28MPa的轻质高强陶瓷。
10.根据权利要求5所述用于建筑幕墙的轻质高强陶瓷的制备方法，其特征在于，S6所述后续处理工序包括轻质高强陶瓷的磨边，表面处理和背面开槽处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 526124 Bai Tu Yi and ER Cun, Lubu Town, Gaoyao District, Zhaoqing City, Guangdong Province Applicant after: New Pearl (Guangdong) New Materials Co.,Ltd. Applicant after: New Pearl Group Co.,Ltd. Applicant after: Foshan Sanshuiguanzhu Ceramics Co.,Ltd. Address before: 526124 Bai Tu Yi and ER Cun, Lubu Town, Gaoyao District, Zhaoqing City, Guangdong Province Applicant before: GUANGDONG SUMMIT CERAMICS Co.,Ltd. Applicant before: GUANGDONG NEWPEARL CERAMIC GROUP Co.,Ltd. Applicant before: Foshan Sanshuiguanzhu Ceramics Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |