CN109336556B - 一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料及其制备方法以及建筑陶瓷制品 - Google Patents

一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料及其制备方法以及建筑陶瓷制品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料，由骨料和粘结剂按照重量比骨料∶粘结剂＝1∶4～8组成；所述骨料为Si、Al、Mg、Ca、Zn的氧化物、氢氧化物、含氧盐中的组合，其化学成分为SiO2 50～75％、Al2O3 10～30％、MgO 0～20％、CaO 0～25％、ZnO 0～10％；所述粘结剂为CMC、PVA、PVB、水玻璃中的一种或其组合。此外，还公开了上述建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料的制备方法以及建筑陶瓷制品。本发明采用涂层浆料对建筑陶瓷坯体的表面进行全包覆，通过施加预压应力以增加陶瓷坯体从受力到破坏的应变量，从而极大地提高了建筑陶瓷制品的强度及性能。本发明的制备及应用生产简单易控、成本低，有助于推广应用，具有很高的实用价值和应用前景。

Description

一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料及其制备方法以及建筑 陶瓷制品
技术领域
本发明涉及建筑陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种用于增强建筑陶瓷材料强度的涂层浆料及其制备方法以及建筑陶瓷制品。
背景技术
我国建筑陶瓷年产量达到117亿平方米，年销售产值超过5000亿元，但建筑陶瓷产业属于高污染、高耗能、高资源消耗的“三高产业”。其中，陶瓷材料的薄型化是降低能耗的有效手段，但坯体减薄后，生坯强度和成瓷强度均会显著下降，从而导致产品开裂或变形。因此，提高建筑陶瓷制品的机械强度是目前亟需解决的问题之一。
由于陶瓷具有脆性大和可靠性差的致命弱点，因此，研究改善陶瓷的脆性、提高其使用的可靠性一直是陶瓷材料的研究热点，如提高陶瓷致密性、减小晶粒尺寸、应用相变机理改善其韧性、或者在陶瓷基体中加入晶须等增强体。然而，受工艺条件、作用尺度、添加量和可控程度等因素的影响，增韧效果不佳，例如，陶瓷基汽车发动机就因为其韧性较差、易开裂、可靠性差，迄今为止仍未发展起来。
预应力增强技术是一种全新的增强思路。为防止基体过早开裂，预先让基体受到压缩应力，当基体受到拉伸破坏之前首先要克服预加的压缩应力，从而增加了基体受张力而开裂的应变量，达到提高构件整体的韧性、可靠性及耐久性的目的。目前，现有技术增强材料的预应力主要采用以下方法：
1、热韧化处理，即通过一定加热、冷却制度在表面人为地引入残余压应力。这种技术已被广泛应用于预应力玻璃（钢化玻璃）行业。
2、化学强化，如离子置换法，在基体升温时，将材料中小离子替换成大离子，当材料冷却后，则大离子受到挤压，给材料提供预压力。
3、陶瓷/金属复合材料，采用金属热喷涂沉积法、金属熔覆法等，将金属包裹陶瓷，利用金属层与陶瓷基体材料的热膨胀系数的差异及其金属自身的抗拉性和韧性，给陶瓷提供预压应力。
然而，上述方法均难以控制陶瓷材料受力的需求，尤其是针对量大面广的建筑陶瓷材料，现有的预应力增强方法无法满足建筑陶瓷材料的技术要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料，用以包覆在建筑陶瓷坯体表面形成具有较高弹性模量和较低热膨胀系数的涂层，以此增强坯体的抗折强度，从而有利于形成强度高、薄型化、可靠性好的预应力建筑陶瓷材料。本发明的另一目的在于提供上述建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料的制备方法以及建筑陶瓷制品。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料，由骨料和粘结剂按照重量比骨料∶粘结剂＝1∶4～8组成；所述骨料为Si、Al、Mg、Ca、Zn的氧化物、氢氧化物、含氧盐中的组合，其化学成分为SiO2 50～75%、Al2O3 10～30%、MgO 0～20%、CaO 0～25%、ZnO 0～10%；所述粘结剂为CMC、PVA、PVB、水玻璃中的一种或其组合。
进一步地，本发明所述骨料为SiO2化学纯、石英、硅石、Al2O3化学纯、水铝石、MgO化学纯、滑石、白云石、水镁石、CaCO3化学纯、方解石、煅烧氧化锌中的组合；具体地，按照重量份数所述骨料的组成为SiO2化学纯和/或石英10～60、Al2O3化学纯10～15、白云石0～45、CaCO3化学纯0～35、方解石0～35、煅烧氧化锌1～5。优选地，所述骨料化学成分为SiO2 55～70%、Al2O3 15～25%、MgO 0～15%、CaO 10～25%、ZnO 0～7%。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的上述建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料的制备方法为，按照所述骨料的组成配料，加水作为球磨介质进行球磨混合，所得混合料烘干后得到骨料粉体干料；将所述骨料粉体干料研磨粉碎、过筛后，加入所述粘结剂混合，即制得涂层浆料。
进一步地，本发明涂层浆料制备方法所述球磨时间为30～40 min，所述烘干温度为90～120℃，所述烘干时间为10～12h。
本发明提供的一种预应力增强建筑陶瓷制品，由建筑陶瓷坯体、以及全包覆于其表面的涂层构成；所述涂层由上述涂层浆料形成。
进一步地，本发明所述建筑陶瓷坯体按重量份数其原料组成主要为可塑性粘土10～30、硬质粘土10～40、瘠性原料0～30、助熔性原料15～50；具体地，所述可塑性粘土、硬质粘土、瘠性原料、助熔性原料分别采用章村土、紫木节、石英、长石，并可添加兼具瘠性原料和可塑原料的大同砂石。
本发明提供的上述预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，包括以下步骤：(1)将所述涂层浆料对建筑陶瓷坯体的表面进行全包覆，然后在室温下阴干，得到包覆有涂层的坯体；
(2)采用排列设置有顶针的承烧板，将所述包覆有涂层的坯体放置在顶针上进行烧结处理，自然冷却至室温，即制得预应力增强建筑陶瓷制品。
进一步地，本发明建筑陶瓷制品制备方法所述步骤(1)中包覆有涂层的坯体，其涂层的厚度为0.2～0.5 mm。所述步骤(2)中在1170～1220℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为0.5～2h。
本发明具有以下有益效果：
(1) 本发明利用表面涂层浆料与坯体间膨胀系数和弹性模量的差异，在建筑陶瓷烧结后由高温冷却到常温的过程中，在表面形成较强的压应力。与现有技术预应力增韧增强方法不同，本发明是通过形成具有较高弹性模量和较低热膨胀系数（涂层热膨胀系数αc＜坯体热膨胀系数αs，涂层弹性模量Ec＞坯体弹性模量Es）的涂层，实现坯体抗折强度的显著提高。
(2) 本发明通过涂层给陶瓷坯体施加预压应力，增加了陶瓷坯体从受力到破坏的应变量，大大推迟了陶瓷坯体裂缝的出现，能够有效防止坯体过早开裂破坏，从而极大地提高了建筑陶瓷制品的强度（抗折强度为80MPa以上，提高率为60%以上）、整体性及可靠性。
(3) 本发明通过涂层预应力的方式，有助于建筑陶瓷材料的薄型化(厚度为3～6mm)，不仅能够减少生产坯体原料的使用量、节约优质陶瓷原料资源，降低生产成本，而且有利于节能减排，从而为建筑陶瓷行业的可持续发展，以及加快生态文明建设、实现绿色发展发挥重要作用。
(4) 本发明的制备及应用生产简单易控、成本低，沿用现有的工艺成熟的陶瓷生产过程即可，有助于推广应用，具有很高的实用价值和应用前景。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是本发明实施例建筑陶瓷制品制备烧结示意图；
图2是本发明实施例建筑陶瓷制品表面涂层的XRD测试结果；
图3是本发明实施例建筑陶瓷制品横截面的SEM图。
具体实施方式
本发明实施例一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料，由骨料和粘结剂按照重量比骨料∶粘结剂＝1∶4～8组成。其中，骨料为Si、Al、Mg、Ca、Zn的氧化物、氢氧化物、含氧盐中的组合，具体地，按照重量份数骨料的组成为SiO2化学纯和/或石英10～60、Al2O3化学纯10～15、白云石0～45、CaCO3化学纯0～35、方解石0～35、煅烧氧化锌1～5；粘结剂为CMC、PVA、PVB、水玻璃中的一种或其组合。各实施例涂层浆料的组成如表1所示。
表1 本发明各实施例涂层浆料的原料组成（重量份数）
注：SiO2、Al2O3、CaCO3、煅烧氧化锌均为化学纯
本发明各实施例建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料的制备方法为，按照表1所示骨料的组成配料，加水作为球磨介质，按照料∶球∶水＝1∶2∶0.5球磨混合30～40 min，所得混合料在90～120℃温度下烘干10～12h，得到骨料粉体干料；将上述骨料粉体干料研磨粉碎、过250目筛后，加入表1所示粘结剂混合，即制得混合均匀、悬浮性好、稳定性好的涂层浆料。各实施例涂层浆料的制备方法其工艺参数如表2所示。
表2 本发明各实施例涂层浆料的制备方法工艺参数
本发明实施例一种预应力增强建筑陶瓷制品，由建筑陶瓷坯体、以及全包覆于其表面的涂层构成，该涂层由上述涂层浆料形成。
本发明实施例所用的建筑陶瓷坯体，采用建筑陶瓷瓷质坯体配方，按重量份数其原料组成为：石英25份、长石35份、紫木节10份、大同砂石10份、章村土20份。其制备方法为：按照该坯体组成将原料混合，经碎样、湿法球磨、过筛除铁、在90℃温度下干燥后，加入6%的水造粒，并过60目筛而得到粉料；然后将粉料采用金属膜压坯，成型压力为10Mpa，保压30s，通过单面加压，制得长100mm×宽20mm×厚6mm的建筑陶瓷坯体。
本发明实施例一种预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其步骤如下：(1) 将上述涂层浆料按照施釉的方式涂覆在上述建筑陶瓷坯体的六个表面而进行全包覆，然后在室温下阴干，得到包覆有涂层的坯体，其涂层的厚度为0.2～0.5 mm；
(2) 采用如图1所示的排列设置有耐高温顶针的承烧板，将上述包覆有涂层的坯体放置在顶针上，在1170～1220℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为0.5～2h，自然冷却至室温，即制得预应力增强建筑陶瓷制品（烧成后产生收缩制品厚度为5.4mm）。
如图2所示，涂层烧成后主晶相为钙长石、石英；且涂层与坯体结合紧密（见图3）。
本发明各实施例建筑陶瓷制品的制备方法其工艺参数如表3所示。
表3 本发明各实施例建筑陶瓷制品的制备方法工艺参数
本发明各实施例所制得预应力增强建筑陶瓷制品的吸水率小于1%。以未涂覆本发明实施例涂层浆料的建筑陶瓷坯体作为对比例。本发明实施例所制得的预应力增强建筑陶瓷制品、以及相应各对比例所得制品的抗折强度如表4所示。
表4 本发明各实施例以及对比例所制得建筑陶瓷制品的抗折强度

Claims (9)

1.一种建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料，其特征在于：由骨料和粘结剂溶液按照重量比骨料∶粘结剂溶液＝1∶4～8组成；所述骨料为Si、Al、Mg、Ca、Zn的氧化物、氢氧化物、含氧盐中的组合，其化学成分为SiO2 50～75%、Al2O3 10～30%、MgO 0～20%、CaO 0～25%、ZnO 0～10%；所述粘结剂为CMC、PVA、PVB、水玻璃中的一种或其组合；所述涂层浆料用于全包覆于建筑陶瓷坯体的表面，所述建筑陶瓷坯体按重量份数其原料组成为可塑性粘土10～30、硬质粘土10～40、瘠性原料0～30、助熔性原料15～50。
2.根据权利要求1所述的建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料，其特征在于：所述骨料为SiO2化学纯、石英、硅石、Al2O3化学纯、水铝石、MgO化学纯、滑石、白云石、水镁石、CaCO3化学纯、方解石、煅烧氧化锌中的组合。
3.根据权利要求1或2所述的建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料，其特征在于：所述骨料化学成分为SiO2 55～70%、Al2O3 15～25%、MgO 0～15%、CaO 10～25%、ZnO 0～7%。
4.权利要求1-3之一所述建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料的制备方法，其特征在于：按照所述骨料的组成配料，加水作为球磨介质进行球磨混合，所得混合料烘干后得到骨料粉体干料；将所述骨料粉体干料研磨粉碎、过筛后，加入所述粘结剂溶液混合，即制得涂层浆料。
5.根据权利要求4所述的建筑陶瓷预应力增强用涂层浆料的制备方法，其特征在于：所述球磨时间为30～40 min，所述烘干温度为90～120℃，所述烘干时间为10～12h。
6.一种预应力增强建筑陶瓷制品，其特征在于：由建筑陶瓷坯体、以及全包覆于其表面的涂层构成；所述涂层由权利要求1-3之一所述涂层浆料形成。
7.权利要求6所述预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1) 将所述涂层浆料对建筑陶瓷坯体的表面进行全包覆，然后在室温下阴干，得到包覆有涂层的坯体；
(2) 采用排列设置有顶针的承烧板，将所述包覆有涂层的坯体放置在顶针上进行烧结处理，自然冷却至室温，即制得预应力增强建筑陶瓷制品。
8.根据权利要求7所述的预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中包覆有涂层的坯体，其涂层的厚度为0.2～0.5 mm。
9.根据权利要求7所述的预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中在1170～1220℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为0.5～2h。
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