快速烧成瓷片热稳定性研究
陈雯
摘 要：本文以煅烧高岭土、高岭土、硅酸锆、钾长石、钠长石、坯面釉湿料等为原料，以膨胀系数相匹配为理论依据，通过大量实验，获得了膨胀系数同坯体和面釉互相适合的化妆土。这种化妆土能适合快速烧成，并且制成瓷砖的热稳定性合格。
关键词：快速烧成；热稳定性；化妆土
1 前言
随着人们生活水平的提高和陶瓷市场的激烈竞争，消费者对陶瓷制品的要求也越来越高，丰富陶瓷产品成为满足市场需求的一种重要手段。高光黑色瓷片以其纯正、凝重的装饰效果深得人们的喜爱，但我司生产的大规格高光黑色瓷片，热稳定性不过关，对此进行了研究，最终使其热稳定性合格。
2 理论依据
热稳定性又称抗热震性，耐急冷急热性，指陶瓷材料抵抗温度剧变而不破坏的性能。热稳定性跟同膨胀系数有关，若坯釉的热膨胀系数相同或接近，那么在冷却时，坯釉的收缩是一致的，坯釉结合完美，釉中既不会出现张应力也不会出现压应力。这只是最理想的状态，在实际生产中，应使釉的膨胀系数略小于坯的膨胀系数，釉中产生不大的压应力，这可以提高釉的热稳定性。
膨胀系数的相关要素有：坯料结构；化妆土的结构；面釉的结构；模具形面的结构；压机压力的改变；烧成的时间、温度、曲线，共六大要素。
坯釉的适应性好，热稳定性就好。坯釉的适应性是指熔融性良好的釉熔液冷却后与坯体紧密结合，不开裂也不剥落的能力。影响坯釉适应性主要有四个方面：坯、釉二者膨胀系数之差；坯釉中间层、釉坯的弹性；抗张强度即釉层厚度。
使坯釉相适应主要有以下两种方法：（1）使坯、釉二者膨胀系数之差较小，并且釉的膨胀系数略小于坯的膨胀系数；（2）增加釉的弹性模量。釉的弹性好，即使坯釉的膨胀系数有一定差别，也可以减少釉面裂纹。
3 各种原料的外观质量及性能
煅烧土：是一种熟料，在使用前已经过高温煅烧，失去了结晶水和有机物，基本上没有烧失量，因此它的烧成收缩小，烧成前后组成成分基本不变，可以保证产品的尺寸准确，平整不变形。其外观呈现灰白色，有少许的红色铁斑，微裂纹，块状或致密的块状。主要成份是SiO2和MgO，膨胀系数较小。
煅烧高岭土：是一种熟料，高岭土经过高温煅烧，失去了结晶水和有机物，基本上没有烧失量。外观呈现白色粉末，主要成份是SiO2和Al2O3 ， 膨胀系数较小。
超细锆英粉：主要成份为硅酸锆。硅酸锆的熔点高，化学稳定性好，不受烧成气氛的影响，可提高釉的化学稳定性，特别是耐酸能力，此外，还能显著提高坯釉结合性能，提高陶瓷釉面硬度和抗龟裂性能。近几年已被广泛应用为建筑卫生陶瓷的乳浊剂。
高岭土：是釉中不可缺少的成分，可满足釉料的悬浮性和附着力。
烧滑石：是煅烧后的熟料，由天然的含水硅酸镁矿物滑石煅烧失去结晶水而来。主要含MgO和SiO2，有利于降低釉的热膨胀系数和收缩性，提高表面张力，还可增加釉表面硬度、机械强度和抗酸碱风化能力，促进坯釉结合，从而减弱釉的碎裂倾向。然而，在高温时为强助熔剂，增加釉的流动性。滑石引入适量，有利于产品的热稳定性和增宽烧成温度范围，低温时却有提高耐火度的作用，同时对光泽也有一个适中的影响，少量的MgO在釉中能提高釉的光泽度，大量的MgO会使釉料失透，形成半光甚至无光，并引起釉烧温度提高，促进结晶生成。
钾长石：是熔剂性原料，使釉的成熟温度，高温粘度降低，同时降低釉的耐化学侵蚀能力，使釉的膨胀系数增大。
钠长石：也是熔剂性原料，主要成份含有Na2O，Na2O的膨胀系数较大，会使釉的膨胀系数增大。
4 实验过程
由上述理论依据可知，要使陶瓷砖的热稳定性能好，必须使坯和釉的膨胀系数相适应，釉的膨胀系数要略小于坯的膨胀系数，釉受到的压应力较小，陶瓷砖的热稳定性才好。
本次实验是使用大生产的坯体，面釉用全熔快釉，在大生产相同的窑炉烧成制度的条件下进行。通过调整面釉的膨胀系数，在现有的生产条件下难以实现，所以只能通过调整化妆土的膨胀系数，使“坯→化妆土→面釉”互相适应。
参照现有的化妆土配方，经过大量优化实验，最后得到有代表性的化妆土配方，见表1。分别在两厂进行中试，经过检测，产品热稳定性都合格。
调整煅烧土、煅烧高岭土的用量，并增加了钠长石。由于生产需要，对坯料配方进行调整，调整后坯料配方见表2。
计算出坯料的化学组成见表4。
坯式如下：
根据霍尔因子和坯的加和性能计算其线膨胀系数。根据理论知识，化妆土的线膨胀系数要略小于坯的膨胀系数。根据化妆土的特性，配方组成必须：（1）不含950℃以上易分解或脱水并产生气体的成分；（2）含适量的耐火组成，如锆英粉、煅烧高岭土、煅烧土等；（3）含有适当的熔剂，使化妆土本身烧结，并能促进与坯体、面釉的经合，调整膨胀系数。
化妆土的调配原则：（1）使用铁钛含量低的原料；（2）为了提高始熔点，又不至于大幅度提高热膨胀系数，应提高氧化铝含量，同时避免增加游石英用量；（3）化妆土中不要使用生滑石等原料，碳酸盐生料也应少用或尽量不用。可以使用烧滑石、煅烧高岭土、煅烧土等无烧失量原料。
笔者参照中试的化妆土配方，经过大量优化试验，最后得出具有代表性的化妆土配方，调整后的化妆土配方见表5，其化学组成见表6，化妆土的化学成分见表7。
釉式如下：
根据霍尔因子和釉的加和性能计算其线膨胀系数，其线膨胀系数略比坯体的膨胀系数小。
本文主要研究大规格高光黑色瓷片的热稳定问题。
釉层的开裂有两种类型，如果开裂的形状如图1（1），釉层出现交错网状的裂纹，这说明釉应到张应力，釉的膨胀系数大于坯的膨胀系数。2003年厂里艺术马赛克就利用这个性能，生产出裂纹釉马赛克。如果开裂的形状如图1（2），釉层出现圆圈状裂纹，这说明釉受到较大压应力，釉的膨胀系数远小于坯的膨胀系数。如果釉面出现针孔，熔洞或有窑脏，往往在这些地方容易出现开裂现象，这是因为有缺陷的地方是应力集中的地方。
影响热稳定性的因素有：坯、釉的膨胀系数，釉料弹性模量。坯、釉中的膨胀系数大小主要取决于坯、釉结构中的离子键力，键力愈大，热膨胀系数愈小；键力愈小，热膨胀系数愈大。SiO2 是网络生成体，增加它的含量，使釉整体结构的紧密度提高而膨胀系数降低。碱金属和碱土金属氧化物中的金属离子能削弱釉中的Si-O键力，随着其含量的增加，膨胀系数增大。
釉料弹性模量是影响釉面开裂的重要因素之一，釉的弹性可以补偿坯和釉之间的接触层所产生的应力，同时也能补偿机械力作用下产生的应力。不论坯料或釉料，其弹性模量大的，弹性均小，一般认为釉组成中的碱金属氧化物能降低釉的弹性模量。影响釉弹性的因素除了化学组成外，气泡的大小和数量、釉层的厚薄及釉的不均匀性等因素都有一定的影响。
黑色色料属于同晶混合型尖晶石系颜料。由于黑色色料中Fe2O3 含量较高。使用该色料时，一些未合成的尖晶石的Fe2O3混入釉中，会导致产品的釉面产生小气泡。因为ZnO和MgO会影响黑色的发色，所以黑色色料必须用少ZnO无MgO的基础釉。在钙釉、钡釉、铅釉及高温流动性好的长石釉中，加入黑色色料会呈现出非常鲜明的黑色。
本次实验选用全熔块釉作为面釉的配方，选用1405熔块，化学组成见表8。面釉配方是1405熔块94%、高岭土6%，面釉的化学组成见表9。
釉式如下：
根据霍尔因子和釉的加和性能计算其线膨胀系数，釉的膨胀系数又比化妆土的膨胀系数小。
必须指出，由于釉之间的组分相互渗透，以及釉中可能存在结晶物，使熔融釉不能达到均一的组织，因而下述计算方法不能真实表现釉的某一物理性质，计算结果只能作为参考。
5 工艺参数及控制指标
化妆土：料：球：水=1：2：36
球磨细度：325目筛余：0.03%至0.08%
面釉：料：球：水=1：2：36
球磨细度：325目筛余：2.5%至4%
最高烧成温度：1110℃
烧成周期：52 min
6 结果
小试完成后，在其中一厂进行大生产，生产的产品通过检测中心检测，热稳定性170℃：三次不裂；耐化学腐性：GLA；抗釉裂性：不裂；耐污染性：4级；透水性：1级。
7 结论
通过调整化妆土的配方，使其膨胀系数与坯体、面釉互相适应，能改善瓷片的内质，使其合格。
