免烧型磷酸盐陶瓷砖的研制

李小燕，周耀，刘春江

（佛山市陶瓷研究所，佛山 528031）

1 前言

通常意义上的陶瓷砖为硅酸盐材质，且一般经过1000℃以上的高温烧成。烧成的过程即是砖坯体形成足够强度的过程，也是生产成本的主要组成部分。若能不经过烧成就能制备出有足够强度的陶瓷砖制品，则可以大大降低生产成本，即为免烧型陶瓷砖。目前，通常的免烧砖为水泥结合的制品，有紧密型、多孔型、发泡型等，但这些砖通常较厚。因为其抗折强度一般较低，为了达到使用的强度性能，只有增加其厚度。

有人研究非硅酸盐水泥系列的免烧型陶瓷制品，其用磷酸、硅酸钙、金属氧化物等来制成发泡型和无泡的磷酸盐陶瓷，用于建材和绝缘材料。但其弯曲强度和密度过低，不能承受较大重量。对于地砖来说，尤其需要有较高的强度和硬度。

本文采用Ca-Al-Mg-P-Si体系，制备免烧型磷酸盐陶瓷砖，其具有高强、致密性高、稳定性好等优点，适合作高负载地砖使用。

2 实验过程

2.1 实验原料

本实验所采用的原料有85%工业磷酸、MgO、硅灰石、硅灰石纤维、Al（OH）3、云母、蛭石、钛白粉、各种色料等。

2.2 实验工艺

免烧型磷酸盐陶瓷砖的工艺流程如图1所示。

图1 免烧型磷酸盐陶瓷砖的工艺流程

（1）配料混料次序

首先，配制反应物原料，包括酸溶液、硅灰石、MgO等，并进行混料；然后，再混入蛭石和云母；最后，再加入色料、装饰性的颗粒，进行练泥。

在混料练泥的过程中，体系温度最好不超过20℃，一方面可以减慢反应速度；一方面较低的温度易于使湿混合物排气。练泥紧密后的泥团状态有助于反应混合物获得理想的成形效果，如：高强度、高密度、尺码稳定性等。

（2）成形

成形可用压制或铸模成形，混料时的低温可延迟物料的固化过程。而在压制或铸模成形过程中可进行加热，加速固化过程能缩短定形时间，加热温度为45～90℃。也可将成形砖坯进行加热促进固化。

（3）装饰

在压制或铸模成形时可运用浮雕装饰，也可在已制成的砖上进行切割或用雕刻装饰或通过镶嵌插入一小片具有对比形态颜色或其它设计的坯料进行装饰，这些具有对比效果的坯料、坯片可以在固化成砖之前的湿态混合物中加入进行压制或铸型，这样固化之后就形成镶嵌效果的砖。

2.3 翘曲度测试

由于是免烧型砖，砖体内部结构未经过高温烧结，接触水后易吸湿发胀，从而导致变形弯曲。翘曲度指砖最大的一个平面（通常为底面）浸水后，砖边缘远离砖平面的距离。不考虑砖大小和表面形状类型，一般翘曲度应≤20‰。对于以砖单位长度计算，翘曲度最大为砖长度每100 mm为6‰，砖尺寸越小，此值越大，而厚度越薄，翘曲值也会更高。

在测量翘曲度时，应将砖样品放在事先已在水中湿透的水泥平板上，3 h后，再进行数据测量。

3 影响免烧型磷酸盐陶瓷砖性能的因素

3.1 体系的组成对免烧型磷酸盐陶瓷砖性能的影响

磷酸在室温下有一定的粘性，本身即是耐火材料的一种免烧型结合剂。[PO4]3-、[HPO4]2-、[H2PO4]-三种酸根离子与多种金属阳离子可形成链状、网络状架构，不需要高温烧成就有很高的强度，从而可制作成免烧型陶瓷砖。阳离子一般为Al3+、Ca2+、Mg2+等，其对应的原料为Al(OH)3、硅灰石、MgO等，这些原料工业上容易得到，且成本不高。

对于采用磷酸盐、Al(OH)3、硅灰石以及MgO等原料制备的陶瓷砖来说，使用起来有一个难题，就是陶瓷内部易生长出水镁石（Mg(OH)2）晶体。在接触水时，此晶体更易产生，这种水镁石晶体的存在和生长将使砖体膨胀。因此，当此砖单面浸水或两面浸水不平衡时，有水面或水量更丰富的一侧将产生更多的水镁石，由此产生翘曲。实际使用时，难以平整进行铺贴。

免烧型陶瓷砖很难做到接近于0%的孔隙率，制品的孔隙率过高时，更易吸水、吸湿，从而产生更多的水镁石。孔隙率越低，越能对抗高湿度的环境。同时，其抗弯曲强度也更高。一般适宜的孔隙率为≤7%。

另外，在一方面降低孔隙率；一方面保证结合强度的情况下，使用尽可能少的MgO，可以明显减少水镁石的生成。本文所使用的MgO最佳含量为2%～4%。

砖体加厚可减小翘曲度，但将使砖加重，成本升高，失去应用优势。因此，当保证砖体厚度在6～8 mm时，翘曲度会保证在一个较低的范围内。

3.2 原料的组成对免烧型陶瓷砖性能的影响

本文采用的原料组成：磷酸-磷酸铝溶液 30%～50%、硅灰石为40%～60%、MgO为2%～6%、蛭石和云母为5%～20%。其中，CaSiO3/MgO的重量比为16:1～5:1，最佳为8:1～12:1。蛭石和云母矿物为促凝剂，在低水含量的混合物中加入蛭石和云母促凝剂，可明显提高制品的弯曲强度。

蛭石和云母颗粒大小范围为30 μm～2 mm。实验表明，颗粒尺寸＞0.5 mm时，强度下降；颗粒尺寸＜40 μm时，坯体易开裂；当颗粒尺寸为40～50 μm时，陶瓷砖性能较好。

为了提高强度，可以使用纤维作为填料，但不能过量添加。试验发现，当使用纤维增强时，制备过程中纤维易定向排列，导致产品仅在纤维方向得到增强。而使用云母和蛭石则是在所有方向都得到增强，同时，纤维也易团聚，不易分散。使用时，选择纤维最大平均长度为5～6 mm，最大平均径长比＜20%，加入量需＜10%。

在实际使用时，可选用玻璃纤维和硅灰石纤维，最好用硅灰石纤维，硅灰石纤维比硅灰石矿物原料反应活性低，在反应物中将保持完整，从而起到增强增韧的作用，加入量为3%～8%较佳。

3.3 成形工艺对免烧型陶瓷砖性能的影响

这种砖可制成各种适宜的尺寸和形态，砖的厚度将因砖的用途而受到影响。如：地砖需要承重、耐磨等。一般厚度范围为6～30 mm，对于承重的地砖一般为10～30 mm，无承重砖为6～10 mm。

砖的长度和宽度可根据实际需要进行设计，甚至可以为任意尺寸大小。一般大小范围为100～800 mm，可根据需要做成特殊形状，可在成形时一次完成，也可在固化后进行后加工处理。表1为压制成形和铸模成形两种工艺得到的磷酸盐陶瓷砖的性能参数。

由表1可以看出，采用压制成形法所生产的免烧型磷酸盐陶瓷砖的性能比铸模成形的要优越，且翘曲度明显比铸模成形的要低。因此，采用压制成形法比铸模成形法要好。

表1 不同成形方法得到磷酸盐陶瓷砖的性能参数

4 结论

（1）本文采用Ca-Al-Mg-P-Si体系制备免烧型磷酸盐陶瓷砖，其配方组成为：磷酸-磷酸铝溶液为 30%～50%、硅灰石为40%～60%、MgO为2%～6%、蛭石和云母为5%～20%时较佳。

（2）当蛭石和云母颗粒尺寸为40～50 μm时，陶瓷砖性能较好。

（3）硅灰石纤维的加入量为3%～8%时较佳。

（4）当砖体厚度在6～8 mm时，翘曲度会保证在一个较低的范围内。

（5）采用压制成形法比铸模成形法要好。