專利名稱：熱成型多孔陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多孔陶瓷及其生產(chǎn)方法，尤其是一種熱成型多孔陶瓷，及其結(jié)合我國資源的實(shí)際，以膨脹頁巖、膨脹粘土為原料，或為主要原料進(jìn)行熱成型多孔陶瓷生產(chǎn)的方法。
公知的相關(guān)技術(shù)有陶粒多孔陶瓷的一種，是多孔而質(zhì)輕的粒料，一般是在易熔粘土中加入煤粉、炭?；蚰拘嫉绕鹋輨?jīng)混合燒制而成的，用作混凝土填充料以及保溫材料。
申請?zhí)?3103883.6“一種多孔質(zhì)陶粒的無配料生產(chǎn)方法及其陶粒和應(yīng)用”，提出了一種多孔陶瓷的無配料生產(chǎn)方法，擴(kuò)大了陶粒的應(yīng)用范籌。
申請?zhí)?3102556.7“垃圾多孔體材料”，是一項以垃圾和膨脹頁巖為原料進(jìn)行陶粒的生產(chǎn)，同時處理垃圾的技術(shù)。
以上技術(shù)其產(chǎn)品都是一種人造骨料，使其具有設(shè)計尺寸和形態(tài)，還需要大量消耗膠結(jié)劑(水泥等)，以及一系列的加工工序，使工藝繁銷，流程復(fù)雜，能耗增高，制造成本成倍增大，以致難于推廣，且粒間粘結(jié)力弱，成品率低，強(qiáng)度不高。
“一種微孔多孔磚”是以農(nóng)業(yè)廢棄物作造孔材料，模壓成型的。
日本開發(fā)的一種“多孔陶瓷”是使用膨潤土為支撐劑，注漿成型的，但是都需外加劑而限制了大規(guī)模的生產(chǎn)，同時也帶來了工序的復(fù)雜和成本的增高。
參考資料1、國別中國。名稱《發(fā)明專利公報》，標(biāo)題“一種多孔質(zhì)陶粒的無配料生產(chǎn)方法，及其陶粒和應(yīng)用”，申請人蔣里軍，
公開日93·2·24，申請?zhí)?3103883·6，申請日92·5·20分類號CO4B100、CO4B14/02，第9卷，第8號。
2、國別中國，專利申請?zhí)?31025567，申請日93·2·28，標(biāo)題“垃圾多孔體材料”，申請人蔣里軍(未公開)。
3、國別中國，名稱《材料科學(xué)進(jìn)展》，標(biāo)題“復(fù)合材料熱膨脹的一個理論模型”，著者王玉慶，1989年10月，第3卷5號43頁。
4、國別，中國。名稱《建材工業(yè)信息》，日本專利，標(biāo)題“陶瓷混凝土板”，譯者陳東，1994年第2期8頁。
本發(fā)明的目的是結(jié)合我國資源的實(shí)際，發(fā)掘和提供一種熱成型多孔陶瓷及其生產(chǎn)方法，其生產(chǎn)的多孔陶瓷不但是輕質(zhì)高強(qiáng)的，而且是具有設(shè)計尺寸和形態(tài)的陶瓷多孔體，其設(shè)計尺寸和形態(tài)是在燒結(jié)過程中熱成型的，在進(jìn)行熱成型多孔陶瓷的生產(chǎn)過程中，可以無需配料，可以不加入任何外加劑(發(fā)泡劑、造孔劑、支撐劑……)而以膨脹頁巖、膨脹沾土為單一原料，進(jìn)行熱成型多孔陶瓷的生產(chǎn)，也無需一般人造骨料加工制成具有設(shè)計盡寸和形態(tài)時所需要的大量膠結(jié)劑(水泥)，以及一系列的加工序，從而使制造成本大幅度降低。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的結(jié)合我國擁有十分豐富、異常優(yōu)異的陶瓷原料資源的實(shí)際，以各種成份含量非常符合多孔陶瓷生產(chǎn)要求的膨脹頁巖，膨脹粘土為原料，或為主要原料，可以無需配料、無需任何外加劑，而進(jìn)行熱成型多孔陶瓷的生產(chǎn)，其采用的膨脹頁巖、膨脹粘土呈灰黑、淺灰、黃灰、紫褐等色，粘土到粉砂結(jié)構(gòu)，性脆而硬度低，其礦物成份主要為水云母、高嶺土、蒙托石，并含有適量的碳和鐵質(zhì)。當(dāng)這類膨脹(易熔)巖土在1050-1300℃溫度下焙燒的時候，鐵與碳互相作用，發(fā)生氧化鐵的還原反應(yīng)，還原后的鐵和硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)而形成易熔的低熔體，當(dāng)受熱到熔點(diǎn)時，由于揮發(fā)份而產(chǎn)生氣相物質(zhì)，并同時膨脹，經(jīng)冷卻形成具有輕質(zhì)高強(qiáng)的陶瓷多孔體，從而達(dá)到無配料或單一原料進(jìn)行多孔陶瓷生產(chǎn)的目的。本發(fā)明采取的膨脹頁巖、膨脹粘土，除具有上述的巖礦理化性質(zhì)和熱膨脹特征之外，尚具有單向熱膨脹(線性熱膨脹)和多向熱膨脹的熱塑性性能。
其多向熱膨脹熱塑性特征是在一定的溫度下受熱軟化，同時產(chǎn)生多向熱膨脹，并在膨脹的過程中，具有可塑性和自支撐的性質(zhì)而不產(chǎn)生流動或坍踏。利用這一性能，可以在常溫下預(yù)制成初坯(模壓、塑造、澆注)，然后入窯焙燒，使其受熱軟化膨脹達(dá)到預(yù)期設(shè)計尺寸和形態(tài)。與此相應(yīng)的熱成型多孔陶瓷工藝稱為多向熱膨脹熱塑性工藝。雖然有預(yù)制，但最終尺寸和形態(tài)是在高溫條件下，通過熱膨脹熱塑成型的。
用這種多向熱膨脹熱塑性工藝模式，進(jìn)行熱成型多孔陶瓷的生產(chǎn)，各向都是可以進(jìn)行熱膨脹而不受限和不受壓的，或不受應(yīng)力狀態(tài)束縛的，因此，其多向熱膨脹能充分進(jìn)行，可生產(chǎn)出輕質(zhì)，超輕質(zhì)的多孔陶瓷，其產(chǎn)品完全能浮于水上，而且有很輕的質(zhì)量。
材料的熱膨脹行為及其大小與材料的種類及其所受的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。如前所述，本發(fā)明所采用的材料種類是單一的，其組份是趨近一致的，或假定是完全一致的，其膨脹形為主要與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。如果當(dāng)熱力影響除外，則主要是受模具器壁阻力的影響。以正方形模具為例，當(dāng)六面體五壁封閉，一壁敝開時，其模內(nèi)的物料熱膨脹狀態(tài)符合單向線性熱膨脹形為，但物料與模壁間的剪切應(yīng)力可以忽略不計，因物料受熱軟化已大為超過彈性模量極限。在測定其熱膨脹系數(shù)時，可采用以下公式計算A＝△L/L·△T式中△T是測量溫度泛圍內(nèi)起始溫度和終了溫度的溫差;A是△T溫差范圍內(nèi)的平均線熱膨脹系數(shù)，△L是試樣在△T溫度范圍內(nèi)的線膨脹量。這樣則很容易預(yù)先計算出熱成型多孔陶瓷的設(shè)計尺寸和形狀，并可預(yù)測其性能。
根據(jù)上述原理，則可采用將膨脹巖土物料直接裝入開口模具內(nèi)，帶模入窯進(jìn)行焙燒，經(jīng)軟化和單向熱膨脹而獲得具有設(shè)計尺寸和形態(tài)的熱成型多孔陶瓷。與這種熱成型相應(yīng)的熱成型多孔陶瓷生產(chǎn)工藝，稱為單向熱膨脹熱塑性工藝。
用這種單向熱膨脹熱塑性工藝模式，進(jìn)行熱成型多孔陶瓷的生產(chǎn)，其物料在模內(nèi)的熱膨脹形為是除頂面開口之外，其它各向都是不能自由進(jìn)行膨脹，而是受限和受壓的，或受應(yīng)力狀態(tài)所束縛的。其熱膨脹行為只是一種單向線熱膨脹，雖能得到滿意的膨脹系數(shù)和孔隙率，但只能生產(chǎn)出較輕質(zhì)的熱成型多孔陶瓷，一般都不能浮于水面，正因為是單向熱膨脹和多向處于壓應(yīng)力狀態(tài)，則促使微細(xì)孔隙的產(chǎn)生，并且有較大的體積密度。而體積密度直接影響到制品強(qiáng)度的增減，二者呈正比關(guān)系，因此采用單向熱膨脹熱塑性模式生產(chǎn)熱成型多孔陶瓷，不但具有輕的重量，而且有異常高的強(qiáng)度，具有異常的優(yōu)異性能。
由于采用了具有上述巖礦理化特征、熱力化學(xué)特征的膨脹巖土為原料，以及多向熱膨脹熱塑性和單向熱膨脹熱塑性的熱膨脹理論及工藝模式的生產(chǎn)方案，可以生產(chǎn)出熱成型多孔陶瓷，并可以達(dá)到本發(fā)明的目的。
本發(fā)明以資源極其豐富的，在全國廣泛分布，尤其在長江流域、珠江流域有大規(guī)模產(chǎn)出的膨脹巖土為原料或為主要原料，以熱膨脹熱塑性的理論和工藝模式，進(jìn)行熱成型多孔陶瓷的生產(chǎn)，不但能生產(chǎn)出高強(qiáng)輕質(zhì)的具有設(shè)計尺寸和形態(tài)的多孔陶瓷而且能進(jìn)行熱成型多孔陶瓷系列產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括熱成型多孔陶瓷砌塊、板塊、大板、日用品、建筑材料制品、裝飾材料制品、保溫材料制品……熱成型多孔陶瓷砌塊、板塊和大板與一般建筑墻體材料比較，其優(yōu)點(diǎn)是塊大質(zhì)輕，隔熱、隔音、阻燃、防火，施工方便，價格卻異乎尋常的低廉，廣泛用于墻體材料。其多孔陶瓷砌塊可以是實(shí)心的，也可以是空心的，大孔的，盲孔的。
熱成型多孔陶瓷砌塊，由于無需水泥粘結(jié)，則無熱橋而具有優(yōu)異的隔音、保溫、防火、隔熱性能，特別是價格異乎尋常之低，比天津的陶粒砌塊制造成本降低一半以上，比紅磚更便益，廣泛用作墻體材料，保溫隔熱材料，冷藏材料。
其產(chǎn)品熱成型多孔陶瓷板塊和大板與多孔陶瓷砌塊相同，一般為規(guī)格較大的板塊和大板，其中一種是具有雙層構(gòu)造的，即底面為多孔陶瓷，面層為一般瓷面的熱成型瓷面多孔陶瓷板塊和大板，其瓷面層是光潔的，可以是多種顏色的，或具有圖案的，有較高的欣賞和裝飾性能，其板塊(薄板)一般用作裝飾材料，粘面材料，其大板一般用于外墻板和隔墻板。
生產(chǎn)這種瓷面多孔陶瓷板塊和大板時，是采用單向熱膨脹熱塑性工藝完成的。具體是將瓷面材料置于單向敞開的模具底層(需采用低溫快燒料)，之后再裝入膨脹巖土物料(膨脹頁巖、膨脹粘土等)于模內(nèi)(模具應(yīng)是耐高溫的，并應(yīng)使用脫模劑)，然后入窯焙燒，燒成溫度1050-1250℃，燒成時間為15-20分鐘。
除此之外，還可以生產(chǎn)單層構(gòu)造熱成型多孔陶瓷板塊和大板，即僅用一種膨脹頁巖或膨脹粘土為原料的多孔陶瓷板塊和大板，以及雙層構(gòu)造瓷面磨光熱成型多孔陶瓷板塊及大板(燒成后再經(jīng)磨光而成);以及有釉瓷面熱成型多孔陶瓷板塊及大板等。
當(dāng)生產(chǎn)大板時，可以加筋，使之成為具有鋼筋結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷大板，其加筋方法可以在燒結(jié)之前加入，也可以在燒制成大板之后，將筋加在兩大板之間，以水泥為粘結(jié)劑，使兩大板合并為一。用于框架結(jié)構(gòu)隔墻板時，應(yīng)預(yù)埋連接件。
采用本發(fā)明生產(chǎn)方案，生產(chǎn)瓷面多孔陶瓷板，與日本國立住房有限工業(yè)公司研制的“陶瓷混凝土板”技術(shù)方案相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)從重量上本發(fā)明的產(chǎn)品要更輕質(zhì);日本制品主要為混凝土，而本發(fā)明純屬陶瓷;從耐熱、耐化學(xué)物侵蝕和耐老化都將比日本研制的“陶瓷混凝土板”為優(yōu)。另外從制造成本上，本發(fā)明原料為頁巖，日本為混凝土，且前者可一步燒成，后者需多次加工，因此，無論從能耗、制造價，產(chǎn)品價格等都將比日本的方案好。(見參考資料4)。
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明本實(shí)施例對單向熱膨脹熱塑性工藝方案，及多向熱膨脹熱塑性工方案進(jìn)行了實(shí)驗。
單向熱膨脹熱塑性工藝方案實(shí)驗實(shí)驗方法采用單向熱膨脹熱塑性工藝方案。
加工設(shè)備碎礦、磨礦、攪拌、成球等實(shí)驗設(shè)備。
模具單向開口空心陶瓷園柱。
焙燒設(shè)備隧道窯(以高鋁泥漿為脫模劑)。
實(shí)驗物料膨脹頁巖(采自涪陵市)。
實(shí)驗?zāi)康臒岢尚投嗫滋沾伞?br> 實(shí)驗過程以膨脹頁巖為單一原料進(jìn)行碎礦、磨礦(磨礦粒度小于80目)，半塑成球(成球粒徑3-5毫米)，裝模(將球料裝入模具1/3的高度，即預(yù)留2/3的膨脹空間)，然后入窯在400℃溫度下預(yù)熱，在1200℃溫度下燒成，燒成時間20分鐘。
實(shí)驗結(jié)果
獲得具有設(shè)計形態(tài)(由模具內(nèi)形結(jié)出)，設(shè)計尺寸(可根據(jù)單向熱膨脹公式計算得出)的多孔陶瓷圓柱體?？紫堵蚀笥?0%，容重1120kg/m3，抗壓強(qiáng)度23MPQ/cm2。
結(jié)論采用膨脹頁巖為單一原料，以單向熱膨脹熱塑性工藝方案，燒成的熱成型多孔陶瓷，是具有設(shè)計尺寸和形態(tài)的，高強(qiáng)輕質(zhì)的多孔陶瓷，尤其是具有異常的強(qiáng)度。
由本實(shí)施例可以看出其設(shè)計尺寸和形態(tài)隨模具的內(nèi)形而改變，可以是任意的，或多種多樣的。因此本發(fā)明可以進(jìn)行各種規(guī)格尺寸及形態(tài)的熱成型多孔陶瓷產(chǎn)品的制造。
由本實(shí)驗可知物料是受熱軟化之后產(chǎn)生膨脹的，因此，對模具(器壁)的膨脹壓力也只是一種視壓力，模具對物料的壓應(yīng)力也只是一種視壓應(yīng)力，實(shí)際并不存在。因此模具不會因物料的膨脹而遭到破壞，以至型砂也可作模具。
從本實(shí)施例觀察到其多孔陶瓷的孔隙是微細(xì)的，均質(zhì)的，十分密集的，這對制品強(qiáng)度和保溫性能的提高有利;其各粒間以微孔嵌接，已融合成整體，其結(jié)構(gòu)異乎尋常的牢固，是水泥膠結(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。
本實(shí)施例，入窯前的物料是成球的，之所以成球，其目的之一是實(shí)驗球體物料顆粒及其相互之間的軟化膨脹形為。實(shí)驗結(jié)果，幾乎全部所有的單個顆粒都是變形了的，互相嵌結(jié)和融合的，顆粒間介面模糊，是一種熱融結(jié)膨脹多孔結(jié)構(gòu)。只有具有自由面的、敞開的一面，或單向熱膨脹方向的，能自由膨脹的表面的物料單個顆粒，除尺寸外，其形態(tài)是完全沒有變形的球形顆粒，粒間呈熱粘結(jié)結(jié)構(gòu)，但與其下的基質(zhì)層仍為熱融結(jié)，形成的這種熱成型多孔陶瓷的表面既堅實(shí)又牢固，尤其是具有外觀美和藝術(shù)感，而可作妝飾材料，用于柱、壁、板、墻的工藝妝飾，譬如藝術(shù)墻。
多向熱膨脹熱塑性工藝方案實(shí)驗實(shí)驗方法采用多向熱膨脹熱塑性工藝方案。
焙燒設(shè)備馬胡爐。
實(shí)驗物料膨脹粘土(采自涪陵市)。
初坯成型方法手工塑造(一只和平鴿)實(shí)驗?zāi)康臒岢尚投嗫滋沾蓪?shí)驗過程以膨脹粘土為單一原料，手工塑造一只和平鴿以石棉網(wǎng)為墊座，以同類原料為墊餅，燒成溫度1250℃，焙燒時間15分鐘。其燒成后的和平鴿形狀如初，只是各向膨脹了3倍左右，容重為670kg/m3，完全浮于水面。
結(jié)論采用膨脹粘土為單一原料，以多向熱膨脹熱塑性工藝方案，燒制而成的熱成型多孔陶瓷是具有設(shè)計尺寸和形態(tài)的，輕質(zhì)、超輕質(zhì)的多孔陶瓷。其設(shè)計尺寸可以用多向熱膨脹理論公式預(yù)先算出，其形態(tài)與初坯相近似，并可以通過模壓、澆注，塑造等方法預(yù)制成初坯，而可生產(chǎn)出各種規(guī)格、尺寸及形態(tài)的熱成型多孔陶瓷制品。
實(shí)驗證明熱成形多孔陶瓷的燒成溫度和燒成時間又直接影響到制品的體積和密度的增減，二者成正比關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，當(dāng)需要生產(chǎn)出更輕的、體積更大，密度更小的(容重可小于500Kg/m3)的超輕陶瓷時，可采用1250-1350℃的燒成溫度制造，而燒成時間只需幾分鐘(高溫快燒法)，當(dāng)需要制造強(qiáng)度更高、密度較大的多孔陶瓷制品時，則宜采用燒成溫度較低(可低達(dá)1050℃以下)，而燒成時間相反卻要長(20分鐘以上)的低溫慢燒法。
采用上述的“高溫快燒法”對隔熱、隔音材料及其制品的生產(chǎn)具有重要意義，當(dāng)生產(chǎn)熱成型多孔陶瓷保溫制品時，可以在有墊餅的，一向封閉(墊餅方向)、多向自由的條件下進(jìn)行，并使墊餅與物料接觸的表面尺寸和形態(tài)與制品的設(shè)計尺寸和形態(tài)相一致，這樣可以生產(chǎn)出各種形態(tài)、尺寸的定型保溫材料制品，同樣也與多向熱膨脹熱塑性理論和工藝方案相符合。采用本方法生產(chǎn)保溫材料制品的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要價格昂貴的粘膠劑，而比使用粘膠劑制造的保溫制品具有更好的優(yōu)良性能，比如抗化學(xué)物(酸、堿)侵蝕和抗老化等，而價格卻十分低廉。
新材料產(chǎn)業(yè)是支撐21世紀(jì)的尖端產(chǎn)業(yè)，由于社會現(xiàn)代化趨勢，則越來越需要更多的、重量更輕、強(qiáng)度更高的、性能更優(yōu)異的，用于建筑，以及用于其它領(lǐng)域的陶瓷材料及制品，同時還需要制造成本越小越好，價格越低越好的具有競爭力和大的市場兼容潛力的產(chǎn)品。
本發(fā)明的生產(chǎn)流程及設(shè)備隨制品品種及類別不同而易，但總的與一般陶瓷生產(chǎn)相同，或者大為簡單。當(dāng)生產(chǎn)建筑用熱成型多孔陶瓷時，比如熱成型多孔陶瓷砌塊，可以無需磨礦、攪拌、成球、烘干、預(yù)熱等工序，而直接將膨脹頁巖巖?；驇r塊(最好小于3-5毫米)，裝模入窯焙燒。這樣不僅可大量節(jié)能，而且可使制造成本降到異常的低，從而使產(chǎn)品具有很大的市場競爭及兼容能力，并能結(jié)合我國實(shí)際，以致能推廣到廣大農(nóng)村。
權(quán)利要求
1.陶粒，多孔陶瓷的一種，是高強(qiáng)輕質(zhì)的多孔粒料，本發(fā)明的特征是熱成型多孔陶瓷，是高強(qiáng)輕質(zhì)多孔的，是具有設(shè)計尺寸和形態(tài)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱成型多孔陶瓷其特征是設(shè)計尺寸的大小是各種規(guī)格的，設(shè)計形態(tài)和產(chǎn)品類別是多種多樣的，可以是熱成型多孔陶瓷砌塊、板塊、大板、日用品、裝飾材料制品、保溫材料制品和建筑材料制品。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述熱成型多孔陶瓷產(chǎn)品及制品，其特征是結(jié)構(gòu)是一種熱融結(jié)膨脹多孔結(jié)構(gòu)，構(gòu)造是單層的和具有瓷面的雙層構(gòu)造，組成成份全屬陶瓷。
4.一種無需配料，無需任何外加劑，以一種“筆石相頁巖”為唯一原料進(jìn)行陶粒燒制的方法，本發(fā)明的特征是以膨脹頁巖、膨脹粘土為原料或主要原料進(jìn)行熱成型多孔陶瓷生產(chǎn)的方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膨脹頁巖、膨脹粘土，其特征是在1050-1300℃溫度下受熱軟化，同時膨脹。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱成型多孔陶瓷生產(chǎn)方法，其特征是以單向熱膨脹熱塑性和多向熱膨脹熱塑性工藝方案，進(jìn)行熱成型多孔陶瓷的生產(chǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單向熱膨脹熱塑性工藝方案，其特征是當(dāng)生產(chǎn)熱成型多孔陶瓷砌塊時，可以無需磨礦、攪拌、成球、烘干、預(yù)熱工序，而直接將粒徑小于3-5毫米的膨脹頁巖巖粒、巖塊裝模入窯，焙燒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的熱成型多孔陶瓷及其生產(chǎn)方法，其特征是當(dāng)產(chǎn)品為熱成型多孔陶瓷大板時，可以是有筋的，其加筋方法可以在燒結(jié)之前加入，也可以在燒制成大板之后，將筋加在兩板之間，以水泥粘結(jié)，使兩大板合并為一，而成為具有鋼筋結(jié)構(gòu)的熱成型多孔陶瓷大板。
全文摘要
熱成型多孔陶瓷，是以單向熱膨脹熱塑性工藝和多向熱膨脹熱塑性工藝的熱成型生產(chǎn)方法和結(jié)合我國陶瓷資源的實(shí)際，生產(chǎn)的一種具有設(shè)計尺寸和形態(tài)的高強(qiáng)、輕質(zhì)、多孔陶瓷，其尺寸大小是各種規(guī)格的，形態(tài)和產(chǎn)品類型是多種多樣的，有釉面的和無釉面的砌塊、板塊、大板、日用品、建筑裝飾制品、保溫節(jié)能制品和建筑材料制品，特別是熱成型多孔陶瓷板塊和大板，對現(xiàn)代建筑具有重要意義。
文檔編號C04B38/00GK1101334SQ9410190
公開日1995年4月12日 申請日期1994年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月3日
發(fā)明者蔣里軍 申請人:蔣里軍