陶瓷薄板生产技术发展现状与前景（一）
时间：2020-03-18 05:21:28 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：我国建筑陶瓷行业的迅速发展，在国民经济中所发挥的作用明显提升。陶瓷砖产量已连续多年稳居世界第一，但同时也存在着发展与资源、能源、废弃物排放之间的矛盾。陶瓷砖薄型化是建筑陶瓷行业实现资源节约、节能减排的重要途径之一。本文主要对陶瓷薄板的生产技术现状进行了综述，包括原料、配方组成、制备工艺、生产企业等，并展望了陶瓷薄板的市场前景。
关键词：陶瓷薄板；技术；生产；市场；前景
1 引言
我国是建筑陶瓷的生产大国、消费大国和出口大国。据统计，2011年全国各类陶瓷砖总产量约为87亿m2，其中，出口约10亿m2。随着城镇化和新农村建设的进一步推进，我国建筑陶瓷产量继续以较快的速度递增。2012年1～4月，我国建筑陶瓷总产量近25亿m2。建筑陶瓷行业在快速发展的同时，也存在着原材料、能源的过度消耗，“三废”加剧对环境污染等问题，严重地制约着陶瓷产业的可持续发展。2011年11月，国家工业和信息化部正式发布了《建筑卫生陶瓷工业“十二五”发展规划》，其中，包括：重点研发与推广的节能减排技术（陶瓷砖减薄工艺技术、成套装备）、技术研发与技术改造重点（薄型建筑陶瓷砖（板）生产及应用配套技术）。因此，陶瓷薄型化、减量化生产是建筑陶瓷行业实现节约资源、节能减排的重要途径，也是建筑陶瓷产业未来发展的方向[1]。
20世纪80年代初，日本东丽株式会社最早提出陶瓷薄板的概念。陶瓷薄板，即一种大而薄的陶瓷砖，与普通陶瓷砖相比，其厚度为3～6mm，仅为普通陶瓷砖厚度的1/3～1/4，故其原料用量可减少60%左右，能源节约至少40%以上。因此，一次烧成陶瓷薄板产品属于绿色建材产品。2004年，国家科技攻关项目“大规格超薄建筑陶瓷砖制造工艺及装备技术的研究与开发”专家论证会在佛山南庄成功举行，标志着我国陶瓷薄板项目研发顺利启动。2007年初，广东蒙娜丽莎陶瓷有限公司与广东科达机电股份有限公司合作，在科达机电陶瓷工程试验中心批量生产大规格陶瓷薄板，标志着我国半干粉压制成形大规格陶瓷薄板技术产业化推广拉开序幕，并基本具备了工业化生产的条件。随后，在佛山、山东等地，相继有陶瓷薄板生产线投产，并生产出大规格超薄陶瓷板[2]。2009年11月5日，GB/T 23266-2009《陶瓷板》标准正式实施。根据国家标准，陶瓷板被定义为厚度不大于6mm，表面面积不小于1.62m2，由粘土和其它无机非金属材料经成形、高温烧成等生产工艺制成的板状陶瓷制品，其主要技术指标如表1所示。表2对比了陶瓷板国标与ISO相关指标。从表2中可以看出，《陶瓷板》国标中部分性能参数高于ISO指标。同时，由表1可以看出，陶瓷板的标准不仅对厚度进行限制，而且对长、宽尺寸提出了较高的要求。陶瓷板的规格（长、宽）被限制在900mm×1800mm、1000mm×2000mm、1050mm×2060mm、1200mm×2800mm及1500mm×3200mm等超大规格的陶瓷薄板[3]，而将600mm×1200mm、600 mm×900mm等规格的陶瓷薄板排除在标准之外。因此，行业内对现行的《陶瓷板》标准还存在一些意见分歧。笔者认为，从推动陶瓷薄板技术发展来讲，该标准尚需作进一步的修订补充。本文所涉及的内容包括小规格尺寸的陶瓷薄板。陶瓷砖厚度概念（定性）见图1，陶瓷薄板（含减薄板）的优点见图2。
2 生产技术现状
2.1 原料选择和配方组成
由于陶瓷薄板规格大、厚度薄，在生产过程中易出现生坯和成品强度低、韧性差等问题。因此，陶瓷砖的薄型化生产首先必须在原料选择和配方设计时考虑陶瓷砖增强、增韧技术。对于生坯强度的提高，主要采用以下几种措施：第一，选用可塑性好、干燥强度高、品质稳定的粘土；第二，利用非全瘠性原料（如：瓷石）代替瘠性长石原料，增加坯料的可塑性，提高生坯强度；第三，高性能坯体增强剂的应用。刘一军等人[4]采用自制聚乙烯醇PVA改性淀粉聚合物作为添加剂。结果表明，对陶瓷薄板生坯的增强效果比氧化淀粉及羧甲基纤维素钠明显提高。同时，周健儿等人[5]研究发现，采用聚丙烯酸钠和改性淀粉的复合有机添加剂能有效提高大规格超薄砖的生坯强度。
普通的陶瓷砖瓷坯一般由石英、玻璃相和气孔组成，且玻璃相的含量相对较高。因此，对于瓷坯强度的提高，主要集中在，第一，增加瓷坯的晶相含量，减少玻璃相和气孔。刘一军等人[6]选择镁-铝-硅系统，以滑石为主要原料，同时，引入球土和霞石。烧成后产品的主晶相为原顽辉石，含少量斜顽辉石和α-方石英，玻璃相含量较少。研究发现，瓷坯晶相含量的增加是强度提高的主要原因。同时，以粉煤灰、铝矾土与叶腊石等为原料，以氟化铝为矿化剂，在相对较低的温度下合成了莫来石质陶瓷微晶薄板。瓷坯的强度随莫来石含量的增加逐渐提高，当烧成温度为1200℃时，试样中莫来石晶相的含量达95%，此时抗弯强度高达96MPa[7]。第二，在瓷坯中形成高强度的晶相，如：针状莫来石、刚玉等。江宏等人[8，9]通过增加坯体中高岭土或高岭土类粘土的含量，提高坯体中氧化铝含量，以达到增加产品中莫来石的含量。同时，引入含锂辉石的复合熔剂，降低烧成温度、促进坯体烧结、提高热稳定性。烧成后，瓷坯晶相主要为石英、莫来石和β-锂辉石。武秀兰等人[10]以普通瓷质砖坯料为基础配方，引入熟铝矾土研制出符合超薄瓷质砖性能要求的高强坯料配方，其瓷坯晶相包括石英、莫来石及刚玉。周健儿等人[11]采用传统高岭土-长石-石英体系，通过引入含锂瓷石，研制出适合大规格超薄砖生产的基础配方。同时，添加30 %的α-Al2O3微粉，将瓷坯的抗折强度从60MPa提高到140MPa。王晓兰[12]通过引入10%～20%的针状硅灰石（长度为0.5～1.2 mm，长宽比为30以下。），不但能增加陶瓷薄板的强度和韧性，而且能降低烧成温度，缩短烧成周期。此外，谢志军等人[13]将日用瓷-高石英瓷的工艺特点融合到建筑陶瓷，研制出一种大规格高石英透光陶瓷板材。与天然石材及人造石板材相比，该板材在理化性能和成本价格上具有明显的优势，具有良好的市场前景。
表3和表4分别为普通陶瓷砖与几种不同类型陶瓷薄板瓷坯化学组成及晶相组成的对比。从表4中可以看出，现有的陶瓷薄板组成与普通陶瓷砖有较大的差异。对于相同SiO2-Al2O3-Na2O/K2O体系的普通陶瓷砖和陶瓷薄板，陶瓷薄板组成中Al2O3含量相对较高。主要是在配料时，选择了一些高铝类粘土或者直接添加工业氧化铝，从而增加制品中莫来石的含量，以达到提高产品的弹性和断裂模数的目的。但是坯体中Al2O3含量的增加，不但提高了烧成温度，而且也提高了瓷坯的热膨胀系数。因此，常采用热膨胀系数很低的含Li2O类原料代替部分含K2O和Na2O的长石类原料。同时，为了拓宽陶瓷薄板的应用范围，建筑陶瓷行业将日用瓷中的镁质瓷[6]、高石英质瓷[14]、骨质瓷[15]等配方进行优化，使其适应于建筑陶瓷薄板生产工艺，制备出一系列兼具其他功能的高性能陶瓷薄板。
2.2 生产工艺技术与设备
目前，陶瓷薄板的生产工艺主要有干法和湿法两种，主要的差异体现在陶瓷薄板的成形工艺（见表5）。对于干法工艺，现有皮带干压成形和模具干压成形两种，其基本流程如图3所示，即传统的陶瓷生产方式。其优点是生产效率高、人工少、废品率低、生产周期短、产品密度大、强度高，适合大批量工业化生产。但该法受压机吨位、模腔和压制工作台尺寸等限制而不被广泛使用。传统的模具干压法，最大尺寸只能做到1200mm，且压制过程，粉尘较大。另一种是湿法工艺，即传统的挤压/滚压成形，具体工艺流程如图4所示。湿法成形，从成形到产品烧成完成，整个过程没有粉尘污染，可达到清洁生产的效果。目前，大部分的欧洲陶瓷薄板采用的是挤压成形，而国内如BOBO陶瓷薄板、蒙娜丽莎的PP板均采用干压成形。
此外，流延法（又称带式浇注法或刮刀法）是一种制备大面积、薄平陶瓷材料的重要成形方法[17]。其成形工艺包括浆料制备、成形、干燥、剥离基带等过程（见图5）。由于流延法一般用于制造超薄型陶瓷制品，因此，坯料的细度、粒形要求比较高。粒度越细，粒形越圆滑，流动性越好，薄坯的质量越高。根据流延法的工艺特点，可做小于1mm厚度的陶瓷薄板，像墙纸一样，可作室内装修，即“陶瓷墙纸”。因此，该技术对传统建筑陶瓷行业是一个新的革新技术，其发展前景较好。
配套装备的成熟是陶瓷薄板大规模生产的前提。目前，干法工艺在国内薄板与薄砖的生产中已非常成熟，其中，广东科达机电股份有限公司（KEDA）能提供大规格干粉成形陶瓷薄板整线装备与技术，包括日产分别为3000m2和6000m2的生产线，产品规格为900mm×1800mm、厚度为3.5～5.5mm、成品率可达95%。目前，广东摩德娜科技股份有限公司（MODENA）对外宣称已成功研制出挤出法一次烧大规格陶瓷薄板的全套工艺技术和成套装备，填补了国内湿法制备大规格陶瓷薄板的空缺。该套设备所制备的陶瓷薄板厚度仅为3～5mm，规格尺寸可达到1200mm×1800mm，生产过程粉尘少，且比同样厚度的干压陶瓷板密度高。表6为国产干法和湿法生产陶瓷薄板的关键设备。
2.3 产品技术性能指标
目前，国内对陶瓷薄板性能测试标准主要按照国标GB/T3810-2006陶瓷砖试验方法进行，如表7所示。表8和表9分别为两个不同品牌陶瓷薄板性能指数。
2.4 节能减排的效果
建筑陶瓷生产需要消耗大量的矿物原料和燃料，为了促进建陶行业的节能，我国于2008年6月1日开始执行的《建筑卫生陶瓷产品单位能源消耗限额》强制性标准（见表10）。该标准提高了行业的技术门槛，也对陶瓷砖生产企业提出了更高的要求。2008年9月，中国陶瓷工业节能减排高层论坛在西安召开，最终达成共识：陶瓷薄型化、减量化生产，是未来陶瓷的发展方向。
咸阳陶瓷研究设计院对建筑陶瓷（减薄前后）单位产品能耗分析如表11所示[18]。从表11中可以看出，生产优质抛光砖产品耗能最大，如果陶瓷砖厚度在原有的基础上减少3mm，则每年可节约大量的资源和能源。其中，燃料消耗量平均减少1.49kgce/m2，同比减少29%；耗电量平均减少1.52kW·h/m2，同比减少28%。
同时，根据行业专家徐平《薄砖节能减排计算书》计算。以厚度为11.3mm的瓷砖为例，减薄到5.5mm的瓷砖，燃料消耗能节省5.6779kgce/m2。广东蒙娜丽莎陶瓷薄板线为行业节能减排树立了标杆，对其薄板产品的评估为：与传统瓷质抛光砖相比，节约原材料75%、节水63.2%、综合能耗降低58.82%、SO2减排59.5%、CO2减排58.8%[1]。广东摩德娜科技股份有限公司成功研制的湿法挤出成形薄板工艺，产品厚度小于5.5mm，单位质量仅为6～10kg/m2。与传统厚度为7mm以上、单位质量超过14kg/m2的内墙砖相比，可节约原料29%～57%；与传统厚度为10～15mm、单位质量为22～32kg/m2的抛光砖相比，可节约原料60%～73%。此外，湿法挤出成形避免了干法成形的粉尘污染。由此可见，陶瓷砖行业的节能潜力很大，陶瓷砖薄型化是陶瓷行业发展的一种必然趋势。 （未完待续）
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