CN109704721B

CN109704721B - 一种离子交换增强预应力玻化砖的制备方法及其陶瓷制品

Info

Publication number: CN109704721B
Application number: CN201910108796.5A
Authority: CN
Inventors: 李月明; 包亦望; 孙熠; 沈宗洋
Original assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Current assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Priority date: 2019-02-03
Filing date: 2019-02-03
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2039-02-03
Also published as: CN109704721A

Abstract

本发明公开了一种离子交换增强预应力玻化砖的制备方法，将烧结完成处于随后冷却过程的玻化砖置于碱金属熔盐中进行保温处理，以实现材料表面的离子交换；保温处理结束后，取出玻化砖自然冷却至室温，水洗后即制得离子交换增强预应力玻化砖制品。此外还公开了利用上述离子交换增强预应力玻化砖的制备方法制得的陶瓷制品。本发明利用熔盐中半径较大的碱金属离子替换玻化砖表层半径较小的钠金属离子，由高温冷却到常温的过程中，在表面形成较强的压应力，从而形成强度高、可靠性好的预应力玻化砖陶瓷材料。本发明制备方法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

一种离子交换增强预应力玻化砖的制备方法及其陶瓷制品

技术领域

本发明涉及建筑陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种增强预应力玻化砖的制备方法及其陶瓷制品。

背景技术

玻化砖具有表面光洁、易清洁保养、耐磨耐腐蚀、吸水率低、装饰效果好、用途广、用量大等特点，而被称之为“地砖之王”。随着陶瓷技术的日益发展，大规格的玻化砖已发展成为居室装饰的主流。但是，陶瓷制品的规格增大后会影响建筑陶瓷坯体的强度，从而给后续的生产(施釉、烧成等)带来一定的困难。因此，提高玻化砖的机械强度对于提升陶瓷材料的安全可靠性及耐久性具有重要意义。

对于传统陶瓷材料而言，目前主要是通过提高瓷坯的烧结致密度、细化晶粒，或者，引入增强相，即直接引入高强度第二相颗粒或晶须，来实现陶瓷强度的提高。但这些方法均受到施工设备、生产成本等因素的限制，很难在量大面广的建筑陶瓷领域进行大规模的推广应用。此外，现有的预应力增强方法难以满足玻化砖陶瓷材料的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种离子交换增强预应力玻化砖的制备方法，用熔盐中半径较大的碱金属离子替换玻化砖表层半径较小的钠金属离子，以此增强玻化砖的抗折强度，从而有利于形成强度高、可靠性好的预应力玻化砖陶瓷材料。本发明的另一目的在于提供利用上述离子交换增强预应力玻化砖的制备方法制得的陶瓷制品。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种离子交换增强预应力玻化砖的制备方法，包括以下步骤：

(1)将玻化砖坯体进行烧结处理；

(2)将所述烧结完成处于随后冷却过程的玻化砖置于碱金属熔盐中进行保温处理，以实现材料表面的离子交换；

(3)所述保温处理结束后，取出玻化砖自然冷却至室温，水洗后即制得离子交换增强预应力玻化砖制品。

进一步地，本发明所述步骤(2)烧结完成处于随后冷却过程的玻化砖，冷却至350～500℃时置于同样温度的碱金属熔盐中保温1～10h。

上述方案中，本发明所述碱金属熔盐为KNO₃、RbNO₃、CsNO₃中的一种或其组合。

上述方案中，本发明所述玻化砖坯体按重量份数其原料组成为粘土10～40、瘠性原料0～30、助熔性原料20～55。具体地，所述粘土类原料采用高岭土、章村土、紫木节，瘠性原料采用石英、石英砂，助熔性原料采用钠长石；并可添加兼具瘠性原料和可塑性原料的大同砂石。所述玻化砖坯体其原料的化学组成为：SiO₂64～73wt％、Al₂O₃16～24wt％、Fe₂O₃0.5～1.5wt％、(MgO+CaO)0～3wt％、Na₂O 3～6wt％、K₂O 1～3wt％、I.L 2.5～7wt％。

进一步地，本发明所述步骤(1)中玻化砖坯体在1180～1220℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为0.5～1.5h。

本发明提供的利用上述离子交换增强预应力玻化砖的制备方法制得的陶瓷制品，其抗折强度＞85MPa，抗折强度的提高率≥50％。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过离子交换改变材料的表面组成。在材料温度高时，利用熔盐中半径较大的碱金属离子替换玻化砖表层半径较小的钠金属离子；随后由高温冷却到常温的过程中，半径较大的碱金属离子受到挤压，从而给材料提供预压力，在表面形成较强的压应力，增加了陶瓷基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85MPa以上，提高率为50％以上)，同时也达到了提高陶瓷构件整体的韧性、可靠性及耐久性的目的。

(2)本发明通过离子交换的方式增强玻化砖，有助于建筑陶瓷材料的薄型化(厚度为3～6mm)，不仅能够减少生产玻化砖原料的使用量、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。

(3)本发明在玻化砖冷却过程中进行熔盐离子交换，极大地节约了能耗和资源。并且制备方法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设备即可，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是本发明实施例离子交换原理示例图(R为钾离子(K)、铷离子(Rb)、铯离子(Cs)中的一种或其组合，Na为钠离子)。

具体实施方式

1、本发明实施例玻化砖坯体，按照重量份数其原料组成为：高岭土30、石英30、钠长石35、大同砂石5。其化学组成为：SiO₂65wt％、Al₂O₃20wt％、Fe₂O₃1wt％、(MgO+CaO)2wt％、Na₂O 6wt％、K₂O 1wt％、I.L 5wt％。

2、本发明实施例玻化砖坯体的制备方法为：

按照上述配方组成将原料混合，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15Mpa，保压30s，通过单面加压，制得长100mm×宽20mm×厚6mm的玻化砖坯体。

3、本发明实施例离子交换增强预应力玻化砖的制备方法，其步骤如下：

(1)将上述玻化砖坯体在1180～1220℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为0.5～1.5h(各实施例烧结制度见表1)；

(2)上述烧结后的玻化砖在冷却至350～500℃时置于同样温度的碱金属熔盐中保温1～10h，以实现材料表面的离子交换(各实施例离子交换工艺参数见表2)；

(3)上述保温处理结束后，取出玻化砖自然冷却至室温，水洗后即制得离子交换增强预应力玻化砖制品。

表1本发明各实施例玻化砖坯体的烧结制度

表2本发明各实施例离子交换保温处理工艺参数

注：KNO₃+RbNO₃中按照摩尔比K∶Rb＝1∶1

本发明通过离子交换改变材料的表面组成，如图1所示，在保温过程中利用碱金属熔盐中半径较大的碱金属离子R替换玻化砖表层半径较小的钠离子Na，冷却后由于半径较大的离子R受到挤压，从而给材料提供预压力，在表面形成较强的压应力，增加了玻化砖基体受张力而开裂的应变量，实现了玻化砖制品抗折强度的显著提高。

本发明各实施例所制得离子交换增强预应力玻化砖制品的吸水率小于0.5％。以本发明实施例烧结后未进行离子交换的玻化砖作为对比例。本发明实施例所制得的离子交换增强预应力玻化砖制品、以及相应各对比例的抗折强度如表3所示。

表3本发明各实施例以及对比例所制得玻化砖制品的抗折强度

Claims

1.一种离子交换增强预应力玻化砖的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1) 所述玻化砖坯体按重量份数其原料组成为粘土10～40、瘠性原料0～30、助熔性原料20～55，外加兼具瘠性原料和可塑性原料的大同砂石；所述粘土类原料为高岭土、章村土、紫木节，所述瘠性原料为石英、石英砂，所述助熔性原料为钠长石；所述玻化砖坯体其原料的化学组成为：SiO₂64～73wt%、Al₂O₃16～24wt%、Fe₂O₃0.5～1.5wt%、(MgO+CaO) 0～3wt%、Na₂O 3～6wt%、K₂O 1～3wt%、I.L 2.5～7 wt%；将所述玻化砖坯体在1180～1220℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为0.5～1.5h；

(2) 将所述烧结完成处于随后冷却过程的玻化砖，冷却至350～500℃时置于同样温度的碱金属熔盐中保温1～10h以实现材料表面的离子交换；所述碱金属熔盐为KNO₃、RbNO₃、CsNO₃中的一种或其组合；

(3) 所述保温处理结束后，取出玻化砖自然冷却至室温，水洗后即制得离子交换增强预应力玻化砖制品，所述玻化砖制品的厚度为3～6mm，其抗折强度＞85MPa，抗折强度的提高率≥50%。

2.利用权利要求1所述离子交换增强预应力玻化砖的制备方法制得的陶瓷制品。