黃惠寧　柯善軍

摘 要：我國建筑陶瓷行業(yè)的迅速發(fā)展，在國民經(jīng)濟中所發(fā)揮的作用明顯提升。陶瓷磚產(chǎn)量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一，但同時也存在著發(fā)展與資源、能源、廢棄物排放之間的矛盾。陶瓷磚薄型化是建筑陶瓷行業(yè)實現(xiàn)資源節(jié)約、節(jié)能減排的重要途徑之一。本文主要對陶瓷薄板的生產(chǎn)技術現(xiàn)狀進行了綜述，包括原料、配方組成、制備工藝、生產(chǎn)企業(yè)等，并展望了陶瓷薄板的市場前景。

關鍵詞：陶瓷薄板；技術；生產(chǎn)；市場；前景

1 引言

我國是建筑陶瓷的生產(chǎn)大國、消費大國和出口大國。據(jù)統(tǒng)計，2011年全國各類陶瓷磚總產(chǎn)量約為87億m2，其中，出口約10億m2。隨著城鎮(zhèn)化和新農村建設的進一步推進，我國建筑陶瓷產(chǎn)量繼續(xù)以較快的速度遞增。2012年1～4月，我國建筑陶瓷總產(chǎn)量近25億m2。建筑陶瓷行業(yè)在快速發(fā)展的同時，也存在著原材料、能源的過度消耗，“三廢”加劇對環(huán)境污染等問題，嚴重地制約著陶瓷產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2011年11月，國家工業(yè)和信息化部正式發(fā)布了《建筑衛(wèi)生陶瓷工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，其中，包括：重點研發(fā)與推廣的節(jié)能減排技術（陶瓷磚減薄工藝技術、成套裝備）、技術研發(fā)與技術改造重點（薄型建筑陶瓷磚（板）生產(chǎn)及應用配套技術）。因此，陶瓷薄型化、減量化生產(chǎn)是建筑陶瓷行業(yè)實現(xiàn)節(jié)約資源、節(jié)能減排的重要途徑，也是建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向[1]。

20世紀80年代初，日本東麗株式會社最早提出陶瓷薄板的概念。陶瓷薄板，即一種大而薄的陶瓷磚，與普通陶瓷磚相比，其厚度為3～6mm，僅為普通陶瓷磚厚度的1/3～1/4，故其原料用量可減少60%左右，能源節(jié)約至少40%以上。因此，一次燒成陶瓷薄板產(chǎn)品屬于綠色建材產(chǎn)品。2004年，國家科技攻關項目“大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚制造工藝及裝備技術的研究與開發(fā)”專家論證會在佛山南莊成功舉行，標志著我國陶瓷薄板項目研發(fā)順利啟動。2007年初，廣東蒙娜麗莎陶瓷有限公司與廣東科達機電股份有限公司合作，在科達機電陶瓷工程試驗中心批量生產(chǎn)大規(guī)格陶瓷薄板，標志著我國半干粉壓制成形大規(guī)格陶瓷薄板技術產(chǎn)業(yè)化推廣拉開序幕，并基本具備了工業(yè)化生產(chǎn)的條件。隨后，在佛山、山東等地，相繼有陶瓷薄板生產(chǎn)線投產(chǎn)，并生產(chǎn)出大規(guī)格超薄陶瓷板[2]。2009年11月5日，GB/T 23266-2009《陶瓷板》標準正式實施。根據(jù)國家標準，陶瓷板被定義為厚度不大于6mm，表面面積不小于1.62m2，由粘土和其它無機非金屬材料經(jīng)成形、高溫燒成等生產(chǎn)工藝制成的板狀陶瓷制品，其主要技術指標如表1所示。表2對比了陶瓷板國標與ISO相關指標。從表2中可以看出，《陶瓷板》國標中部分性能參數(shù)高于ISO指標。同時，由表1可以看出，陶瓷板的標準不僅對厚度進行限制，而且對長、寬尺寸提出了較高的要求。陶瓷板的規(guī)格（長、寬）被限制在900mm×1800mm、1000mm×2000mm、1050mm×2060mm、1200mm×2800mm及1500mm×3200mm等超大規(guī)格的陶瓷薄板[3]，而將600mm×1200mm、600 mm×900mm等規(guī)格的陶瓷薄板排除在標準之外。因此，行業(yè)內對現(xiàn)行的《陶瓷板》標準還存在一些意見分歧。筆者認為，從推動陶瓷薄板技術發(fā)展來講，該標準尚需作進一步的修訂補充。本文所涉及的內容包括小規(guī)格尺寸的陶瓷薄板。陶瓷磚厚度概念（定性）見圖1，陶瓷薄板（含減薄板）的優(yōu)點見圖2。

2 生產(chǎn)技術現(xiàn)狀

2.1 原料選擇和配方組成

由于陶瓷薄板規(guī)格大、厚度薄，在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)生坯和成品強度低、韌性差等問題。因此，陶瓷磚的薄型化生產(chǎn)首先必須在原料選擇和配方設計時考慮陶瓷磚增強、增韌技術。對于生坯強度的提高，主要采用以下幾種措施：第一，選用可塑性好、干燥強度高、品質穩(wěn)定的粘土；第二，利用非全瘠性原料（如：瓷石）代替瘠性長石原料，增加坯料的可塑性，提高生坯強度；第三，高性能坯體增強劑的應用。劉一軍等人[4]采用自制聚乙烯醇PVA改性淀粉聚合物作為添加劑。結果表明，對陶瓷薄板生坯的增強效果比氧化淀粉及羧甲基纖維素鈉明顯提高。同時，周健兒等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，采用聚丙烯酸鈉和改性淀粉的復合有機添加劑能有效提高大規(guī)格超薄磚的生坯強度。

普通的陶瓷磚瓷坯一般由石英、玻璃相和氣孔組成，且玻璃相的含量相對較高。因此，對于瓷坯強度的提高，主要集中在，第一，增加瓷坯的晶相含量，減少玻璃相和氣孔。劉一軍等人[6]選擇鎂-鋁-硅系統(tǒng)，以滑石為主要原料，同時，引入球土和霞石。燒成后產(chǎn)品的主晶相為原頑輝石，含少量斜頑輝石和α-方石英，玻璃相含量較少。研究發(fā)現(xiàn)，瓷坯晶相含量的增加是強度提高的主要原因。同時，以粉煤灰、鋁礬土與葉臘石等為原料，以氟化鋁為礦化劑，在相對較低的溫度下合成了莫來石質陶瓷微晶薄板。瓷坯的強度隨莫來石含量的增加逐漸提高，當燒成溫度為1200℃時，試樣中莫來石晶相的含量達95%，此時抗彎強度高達96MPa[7]。第二，在瓷坯中形成高強度的晶相，如：針狀莫來石、剛玉等。江宏等人[8，9]通過增加坯體中高嶺土或高嶺土類粘土的含量，提高坯體中氧化鋁含量，以達到增加產(chǎn)品中莫來石的含量。同時，引入含鋰輝石的復合熔劑，降低燒成溫度、促進坯體燒結、提高熱穩(wěn)定性。燒成后，瓷坯晶相主要為石英、莫來石和β-鋰輝石。武秀蘭等人[10]以普通瓷質磚坯料為基礎配方，引入熟鋁礬土研制出符合超薄瓷質磚性能要求的高強坯料配方，其瓷坯晶相包括石英、莫來石及剛玉。周健兒等人[11]采用傳統(tǒng)高嶺土-長石-石英體系，通過引入含鋰瓷石，研制出適合大規(guī)格超薄磚生產(chǎn)的基礎配方。同時，添加30 %的α-Al2O3微粉，將瓷坯的抗折強度從60MPa提高到140MPa。王曉蘭[12]通過引入10%～20%的針狀硅灰石（長度為0.5～1.2 mm，長寬比為30以下。），不但能增加陶瓷薄板的強度和韌性，而且能降低燒成溫度，縮短燒成周期。此外，謝志軍等人[13]將日用瓷-高石英瓷的工藝特點融合到建筑陶瓷，研制出一種大規(guī)格高石英透光陶瓷板材。與天然石材及人造石板材相比，該板材在理化性能和成本價格上具有明顯的優(yōu)勢，具有良好的市場前景。

表3和表4分別為普通陶瓷磚與幾種不同類型陶瓷薄板瓷坯化學組成及晶相組成的對比。從表4中可以看出，現(xiàn)有的陶瓷薄板組成與普通陶瓷磚有較大的差異。對于相同SiO2-Al2O3-Na2O/K2O體系的普通陶瓷磚和陶瓷薄板，陶瓷薄板組成中Al2O3含量相對較高。主要是在配料時，選擇了一些高鋁類粘土或者直接添加工業(yè)氧化鋁，從而增加制品中莫來石的含量，以達到提高產(chǎn)品的彈性和斷裂模數(shù)的目的。但是坯體中Al2O3含量的增加，不但提高了燒成溫度，而且也提高了瓷坯的熱膨脹系數(shù)。因此，常采用熱膨脹系數(shù)很低的含Li2O類原料代替部分含K2O和Na2O的長石類原料。同時，為了拓寬陶瓷薄板的應用范圍，建筑陶瓷行業(yè)將日用瓷中的鎂質瓷[6]、高石英質瓷[14]、骨質瓷[15]等配方進行優(yōu)化，使其適應于建筑陶瓷薄板生產(chǎn)工藝，制備出一系列兼具其他功能的高性能陶瓷薄板。

2.2 生產(chǎn)工藝技術與設備

目前，陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝主要有干法和濕法兩種，主要的差異體現(xiàn)在陶瓷薄板的成形工藝（見表5）。對于干法工藝，現(xiàn)有皮帶干壓成形和模具干壓成形兩種，其基本流程如圖3所示，即傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)方式。其優(yōu)點是生產(chǎn)效率高、人工少、廢品率低、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品密度大、強度高，適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)。但該法受壓機噸位、模腔和壓制工作臺尺寸等限制而不被廣泛使用。傳統(tǒng)的模具干壓法，最大尺寸只能做到1200mm，且壓制過程，粉塵較大。另一種是濕法工藝，即傳統(tǒng)的擠壓/滾壓成形，具體工藝流程如圖4所示。濕法成形，從成形到產(chǎn)品燒成完成，整個過程沒有粉塵污染，可達到清潔生產(chǎn)的效果。目前，大部分的歐洲陶瓷薄板采用的是擠壓成形，而國內如BOBO陶瓷薄板、蒙娜麗莎的PP板均采用干壓成形。

此外，流延法（又稱帶式澆注法或刮刀法）是一種制備大面積、薄平陶瓷材料的重要成形方法[17]。其成形工藝包括漿料制備、成形、干燥、剝離基帶等過程（見圖5）。由于流延法一般用于制造超薄型陶瓷制品，因此，坯料的細度、粒形要求比較高。粒度越細，粒形越圓滑，流動性越好，薄坯的質量越高。根據(jù)流延法的工藝特點，可做小于1mm厚度的陶瓷薄板，像墻紙一樣，可作室內裝修，即“陶瓷墻紙”。因此，該技術對傳統(tǒng)建筑陶瓷行業(yè)是一個新的革新技術，其發(fā)展前景較好。

配套裝備的成熟是陶瓷薄板大規(guī)模生產(chǎn)的前提。目前，干法工藝在國內薄板與薄磚的生產(chǎn)中已非常成熟，其中，廣東科達機電股份有限公司（KEDA）能提供大規(guī)格干粉成形陶瓷薄板整線裝備與技術，包括日產(chǎn)分別為3000m2和6000m2的生產(chǎn)線，產(chǎn)品規(guī)格為900mm×1800mm、厚度為3.5～5.5mm、成品率可達95%。目前，廣東摩德娜科技股份有限公司（MODENA）對外宣稱已成功研制出擠出法一次燒大規(guī)格陶瓷薄板的全套工藝技術和成套裝備，填補了國內濕法制備大規(guī)格陶瓷薄板的空缺。該套設備所制備的陶瓷薄板厚度僅為3～5mm，規(guī)格尺寸可達到1200mm×1800mm，生產(chǎn)過程粉塵少，且比同樣厚度的干壓陶瓷板密度高。表6為國產(chǎn)干法和濕法生產(chǎn)陶瓷薄板的關鍵設備。

2.3 產(chǎn)品技術性能指標

目前，國內對陶瓷薄板性能測試標準主要按照國標GB/T3810-2006陶瓷磚試驗方法進行，如表7所示。表8和表9分別為兩個不同品牌陶瓷薄板性能指數(shù)。

2.4 節(jié)能減排的效果

建筑陶瓷生產(chǎn)需要消耗大量的礦物原料和燃料，為了促進建陶行業(yè)的節(jié)能，我國于2008年6月1日開始執(zhí)行的《建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品單位能源消耗限額》強制性標準（見表10）。該標準提高了行業(yè)的技術門檻，也對陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求。2008年9月，中國陶瓷工業(yè)節(jié)能減排高層論壇在西安召開，最終達成共識：陶瓷薄型化、減量化生產(chǎn)，是未來陶瓷的發(fā)展方向。

咸陽陶瓷研究設計院對建筑陶瓷（減薄前后）單位產(chǎn)品能耗分析如表11所示[18]。從表11中可以看出，生產(chǎn)優(yōu)質拋光磚產(chǎn)品耗能最大，如果陶瓷磚厚度在原有的基礎上減少3mm，則每年可節(jié)約大量的資源和能源。其中，燃料消耗量平均減少1.49kgce/m2，同比減少29%；耗電量平均減少1.52kW·h/m2，同比減少28%。

同時，根據(jù)行業(yè)專家徐平《薄磚節(jié)能減排計算書》計算。以厚度為11.3mm的瓷磚為例，減薄到5.5mm的瓷磚，燃料消耗能節(jié)省5.6779kgce/m2。廣東蒙娜麗莎陶瓷薄板線為行業(yè)節(jié)能減排樹立了標桿，對其薄板產(chǎn)品的評估為：與傳統(tǒng)瓷質拋光磚相比，節(jié)約原材料75%、節(jié)水63.2%、綜合能耗降低58.82%、SO2減排59.5%、CO2減排58.8%[1]。廣東摩德娜科技股份有限公司成功研制的濕法擠出成形薄板工藝，產(chǎn)品厚度小于5.5mm，單位質量僅為6～10kg/m2。與傳統(tǒng)厚度為7mm以上、單位質量超過14kg/m2的內墻磚相比，可節(jié)約原料29%～57%；與傳統(tǒng)厚度為10～15mm、單位質量為22～32kg/m2的拋光磚相比，可節(jié)約原料60%～73%。此外，濕法擠出成形避免了干法成形的粉塵污染。由此可見，陶瓷磚行業(yè)的節(jié)能潛力很大，陶瓷磚薄型化是陶瓷行業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢。 （未完待續(xù)）