摘要 日用陶瓷是日常生活中不可或缺的用品，市场需求量巨大，但日用陶瓷行业又是一个高耗能行业，在当今世界能源日益紧缺、价格高涨的行情下，要实现节能减排的战略目标，降低烧成温度、缩短烧成周期十分必要。本文试从就瓷砖快速烧成的成功经验入手，进一步运用陶瓷工艺的基础理论，探讨日用陶瓷生产的节能降耗手段。
关键词 日用陶瓷，快速烧成，节能降耗，坯料配方
1前 言
瓷砖生产是陶瓷产业中一个历史很短而又富有现代工业特色的门类之一。对比日用陶瓷，瓷砖确实存在器形单一（纯平面）、易于机械化生产的特点。但不可否认，瓷砖行业深陷以价格为武器的惨烈搏杀之中，在这巨大的压力下，瓷砖行业不断地通过节能降耗、提高产量、降低成本去适应生存，从而创造出一系列的先进技术。日用陶瓷的快速烧成是一个重要的研究课题，笔者试从瓷砖和日用陶瓷的对比中，在瓷砖生产中寻找一些可鉴之处，期望业界共同探讨。
2快速烧成坯料配方结构的启示
2.1瓷质砖与日用瓷器：复合熔剂原料的使用
瓷砖的正常烧成周期约60min，而日用陶瓷将正常烧成周期定为10h以上，对比日用瓷器，瓷砖的快速烧成节约了大量的燃料，而坯料组成是瓷砖实现快速烧成的基础之一。按照瓷砖材质的区别进行粗分归类，瓷砖的坯料配方可分为瓷质砖和内墙砖两大类。而炻瓷砖和细炻砖实质上可以通过改变瓷质砖基础配方的熔剂比例而获得，此处暂归入瓷质砖大类中。瓷质砖属于长石质瓷，影响长石质瓷烧结的主要因素有：瓷坯组成、起始粒度、表面张力、煅烧温度和时间等几大要素[1]。其中坯料组成是第一要素和关键。对应于相同吸水率标准的日用瓷器，瓷质砖与日用瓷器坯料配方的最大区别在于使用复合熔剂原料，从而使低共熔点温度大幅度下降，烧结温度也随之下降。随着液相成分的变化，导致影响烧结的另一因素——表面张力发生变化，复合成分液相具有较低表面张力， 有利于烧结反应能够快速进行[2]。
我国的第一代瓷质砖坯料配方是随引进意大利瓷质砖生产线而进入国内的。配方的成分为粘土25%、半风化钾长石30%、高岭土41%、滑石4%，合计100%。烧成温度 1240℃,烧成周期60min。配方最突出的特点就是引入了滑石，构成了钾-钙-镁复合熔剂。滑石在降低烧成温度、扩大烧结范围、提高瓷砖的抗冲击性能及抗弯曲强度、提高热稳定性等方面具有显著作用[3]。
除引入滑石外，近年来瓷质砖配方中使用多种新型熔剂部分代替了钾长石和钠长石，如伟晶岩、珍珠岩、霞石正长岩、含锂瓷石等，对锂辉石、透辉石和透闪石也做了一定的探索[4]。烧成温度也逐渐降低至1200℃左右，产品规格越来越大，1000mm×1000mm的大型瓷砖的成熟生产技术已被众多厂家掌握，烧成周期仍保持在40～60min，坯料的快烧特点十分明显。
瓷质砖中常用的钠长石，具有低铁白度好、降低烧成温度、熔融能力好的优点，但存在烧结温度范围窄的弱点。钠长石这一弱点由于瓷砖的烧成设备单一，辊道窑能准确地控温而得到消化。在日用陶瓷生产中，不论是专业的瓷泥生产厂还是自制自用瓷泥的大型工厂，使用包括隧道窑、梭式窑和辊道窑在内的多种窑炉，隧道窑、梭式窑设备本身的温差范围大，如引入钠长石要注意控制用量，或针对不同窑型选用不同配方，以利于产品质量的稳定。
2.2 内墙砖与轻质瓷：低收缩原料的使用
轻质瓷在广东、福建等南方瓷区生产较多，产品以出口为主。基本配方结构为高岭土-粘土-石英-白云石，使用白云石作为熔剂，坯料习惯称为白云土。烧成温度1000～1050℃，二次烧成，吸水率约13%左右。由于产品吸水率较高，易于吸湿膨胀，如置于露天场所，经数年的风雨浸蚀、阳光催化，可完全解理，适合环保的理念，在国际上深受欢迎。轻质瓷的主要产品以色彩鲜艳的咖啡／啤酒杯具、密封罐、时尚盘／碗为主，甚少生产成套餐具。究其原因，在于产品的强度低，制品在洗碗机、微波炉、消毒碗柜的使用过程中破损大。建立在低温节能易风化分解的基础上的环保性能，却因产品的易损多耗，反而使能源消耗得更多。实际生产中更存在易惊风、釉裂、冷却降温周期长、窑炉利用率低、烧成风险高等弱点。以上诸多缺点已引起人们的关注，正在不断研究探索之中。
笔者认为，轻质瓷性能的改良可以参照借鉴：硅灰石／透辉石／叶腊石-石灰石-可塑粘土-石英体系的内墙砖配方结构。
硅灰石和透辉石都是性能优良的快速烧成原料。尤其是硅灰石具有较小的干燥收缩和烧成收缩、膨胀系数低、热稳定性能良好、吸湿膨胀率低等诸多优点。在成形方面，由于硅灰石颗粒为针状晶体，提供了水分快速排出的通道，加入硅灰石后，可增加泥浆的稳定性；注浆成形时，能加快石膏模的吃浆速度；滚压成形则易于脱模，坯体的干燥速度也快。国外自二十世纪五十年代初已开始在日用精陶等领域生产中广泛应用[5]。在国内，近年来在内墙砖生产中大量和广泛应用，最短的烧成周期仅十几分钟，最好的热稳定性达到20～200℃冷热循环不裂三次以上。这些指标和经验，可以直接地作为轻质瓷易惊风等生产弱点进行改进的借鉴。在配料中，辅助原料可因地制宜，就地取材而定，笔者用当地产的高岭土淘洗残渣代替石英，降低了生产成本。
轻质瓷强度的提高，笔者认为可以通过适当降低制品的吸水率来实现。
构成陶瓷制品风化分解的主要因素为：一是吸水造成的湿膨胀；二是陶瓷材料的成分组分所转化的晶相结构。而气候和环境条件是风化分解期限长短的决定因素。因此，具备一定吸水率，就可以保持制品风化分解的特性。
以内墙砖坯料结构为框架，引入一定量的长石熔剂，可以调整制品的吸水率，而最简便快捷的方法是按比例添加瓷质砖坯料。笔者采用细炻质砖坯料与内墙砖坯料按1 ：1的比例配料，已进行了多年的瓷砖生产，瓷砖吸水率为8%、收缩率为4%。瓷砖强度（断裂模数）从内墙砖（吸水率12%）的27.4MPa提高到34.4MPa。
制品的吸水率要提高至何等水平，考虑的因素往往一是客户的诉求、二是产品本身坯釉结合性能的改进。在美国，将吸水率为4～10%的餐具制品划分为半瓷器，是美国市场的一个传统品种，用量非常大[6]。同时，制品的吸水率有较大的可选范围。
对于坯釉性能而言，较低的吸水率有利于施釉工艺的简化，而且节省人力成本。内墙砖通过施用化妆土形成中间层以消化坯体高的膨胀系数。对于日用陶瓷来说，这一工艺在劳动力紧缺的情况下很难实施。随着长石熔剂的引入，坯料中石英熔融量的增多，坯体的膨胀系数也会随着下降。降至一定的吸水率后，完全可省去化妆土而直接施釉。此时，通过添加含锂瓷石能更好地大幅度降低坯体的膨胀系数。
3配方借鉴的可能性
虽然瓷砖坯料的快烧特点十分突出，但对于日用瓷器而言，还要考虑诸多的性能指标，如制品的机械强度、坯料的成形性能等，才能判断借鉴意义的大小。
3.1 制品强度提高的途径
提高制品机械强度最重要的途径是配方的改良。以粘土-长石-石英为原料的制品强度取决于瓷体中莫来石含量的高低，特别是二次莫来石的含量及其在玻璃相中的分布形状[7]。而莫来石含量的多少完全取决于配料中粘土的含量[1]。在瓷质砖坯料中增加粘土的含量，就可以提高制品的机械强度。粘土量的增加，也即坯料中氧化铝含量的增加，必然带来烧成温度的提高。但由此升高的烧成温度也将由于烧成周期的延长而得到抵消。瓷砖在烧成过程中为平卧展开形，有利于辐射和对流等形式进行热交换。日用陶瓷除平盘外，都为立体半封闭式，不利于热交换；复杂的器形可能出现局部的不均匀收缩；采用托板承载使瓷器与硼板接触部位进行热交换的效率更低，诸多因素使日用陶瓷的烧成周期被动地要相对延长。烧结温度与烧成时间成反比，通过烧成时间的延长，使烧成温度仍维持在一个相对低的水平。烧成周期的延长，给予二次莫来石更长的析出反应时间，带来良好的形状分布，有利于制品强度的进一步提高；釉料的反应时间也更长，可以减少瓷砖釉料中常用的锌、钡、钙等碱性离子的加入量，提高制品的耐酸能力，降低釉料的成本。
另一方面，日用陶瓷由于整体施釉，通过釉层的压应力作用，相同坯料制成的日用陶瓷机械强度也将大于瓷砖。瓷砖采用干粉冲压成形，在边角部分容易出现排气所致的质地疏松易脆裂的缺陷，日用陶瓷可通过注浆或滚压成形工艺得到克服。多种工艺措施可使制品的机械强度得到保证。
3.2 坯料对成形性能的影响
干压成形的瓷砖生产工艺，容易给非行业内人士造成一种错觉。例如：一是高吨位压机产生巨大压力，使坯料成形后密度很高，坯体才有较低的收缩率；二是坯体强度由很高的压力形成，坯料的可塑性要求不高。但实际并非如此。由于粉料本身存在气孔，布料填粉后，颗粒之间再产生了二次孔隙，这些气孔和孔隙在压力成形后不能完全排除，残留在坯体中的孔隙在烧结过程中需由玻璃相填充从而构成烧成收缩的一部份。日用陶瓷采用湿法成形，原料颗粒中的毛细管力使颗粒堆聚得更紧密。相同的坯料，采用注浆和滚压湿法成形工艺的烧成收缩不会大于干压成形，而瓷砖生坯强度主要来自坯料本身。笔者有过因粘土的塑性差而致砖坯大量开裂的教训，由此可见，压机压力不能无限提高坯体强度。干压成形（包括等静压）主要的特点是坯体密度较均匀，避免湿法成形后干燥过程的不均匀收缩和变形。
改善坯料的成形性能，在日用陶瓷的坯料制备过程有较多的手段：（1）常温压滤脱水工艺，有利于保留原料的原生态胶质；（2）采取外加保水剂如CMC，提高颗粒间的蓄水能力，增大毛细管力；（3）增加真空练泥次数；（4）延长泥料陈腐时间；（5）粘土和高岭土分别采用淘洗和机碓后淘洗的分离工艺，石英颗粒等高硬度残渣预先研磨，保证有效控制颗粒的真实细度。
4结 束 语
综上所述，瓷砖的坯料配方结构对于日用陶瓷烧成速度的提高有一定的借鉴价值。但日用陶瓷的快速烧成是一个系统工程，还受到烧成设备性能、工艺控制水平等诸多因素的制约。只有综合考虑、完善这些因素条件，才能取得最佳的烧成效果，获得较好的经济效益。
参考文献
1 南京化工学院，华南工学院，清华大学合编.陶瓷物理化学[M].中国建筑工业出版社，1981
2 江苏省宜兴陶瓷工业学校.陶瓷工艺[M].轻工业出版社，1985
3 李家驹.日用陶瓷工艺学[M]. 武汉:武汉理工大学出版社,1992
4 蔡飞虎，冯国娟.实用墙地砖生产技术[M].佛山陶瓷(2003年增刊),2003
5 郭靖远，相清清编著.日用精陶[M].轻工业出版社，1984
6 （日）素木洋一.细陶瓷[M].轻工业出版社，1984
7 张孝文，薛万荣，杨兆雄.固体材料结构基础[M].中国建筑工业出版社，1980