一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法及其制得的产品

1.本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法及其制得的产品。


背景技术：

2.中国是世界最大的建筑陶瓷生产国和出口国，产量居世界第一，具有强大的市场规模和产业基础。如此高的产量意味着要消耗大量的原材料资源及能源，对环境、矿产资源造成较大压力。建筑陶瓷的薄化型、轻量化生产不仅能显著减少原材料的使用、降低能源消耗、减少废弃物排放、降低运输成本，而且能减轻建筑物承重、提高产品性价比，是建筑陶瓷最重要的发展方向之一。但陶瓷在减薄后，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，提高陶瓷的机械强度是目前生产薄型化建筑陶瓷亟需解决的问题之一。
3.提高陶瓷强度的方法包括消除缺陷、细化晶粒、提高瓷坯烧结致密度、引入增强相和预应力强化。其中，预应力强化是用物理或化学的方法在制品表面形成压缩预应力。外部施加的张应力会部分或全部被压缩预应力抵消，从而提高了强度。因此，相比其它强化方法，预应力增强技术成本低、操作简单且提升效果显著。积极寻求和拓展预应力强化技术，以实现建筑陶瓷强度的大幅度提高，将有助于薄型化轻量化建筑陶瓷的应用与发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，通过配方设计，采用表层预应力匹配法在建筑陶瓷坯体表面制备热膨胀系低于坯体热膨胀系数的涂层，为建筑陶瓷坯体形成第一重预压应力，再通过工艺优化，采用离子交换技术在建筑陶瓷坯体上形成第二重预压应力，从而显著提升建筑陶瓷的强度。本发明的另一目的在于提供利用上述制备方法制得的产品。
5.本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
6.本发明提供的一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，所述建筑陶瓷制品由建筑陶瓷坯体和涂覆于坯体表面的涂层构成，所述涂层的热膨胀系数小于坯体的热膨胀系数；所述建筑陶瓷坯体的原料组成为苏州土5～20wt％、石英20～40wt％、长石25～50wt％、大同土5～15wt％；所述涂层的原料组成为方解石10～20wt％、石灰石10～20wt％、石英25～55wt％、氧化铝粉5～25wt％、透锂长石5～10wt％、锂辉石1～10wt％；
7.制备方法包括以下步骤：
8.(1)建筑陶瓷素坯的制备
9.按照所述建筑陶瓷坯体的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛除铁、干燥、研磨造粒后压制成型，在600～800℃下素烧得到建筑陶瓷素坯；
10.(2)涂层浆料的制备
11.按照所述涂层的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛后，加入浓度为0.5～3wt％的粘结剂水溶液混合，得到浓度为30～55wt％的涂层浆料；
12.(3)采用喷涂法、浸渍法或涂刷法将所述涂层浆料涂覆在建筑陶瓷素坯的表面，得到待烧成的陶瓷坯体；
13.(4)所述待烧成的陶瓷坯体以5～10℃/min的速率升温至1170～1250℃，保温0.5～1h，自然冷却后，得到坯体表面具有涂层的第一重预应力强化建筑陶瓷制品；
14.(5)将所述第一重预应力强化建筑陶瓷制品置于碱金属熔盐中，在350～650℃温度下保温处理0.5～6h，所述碱金属熔盐为nano3、kno3、rbno3、csno3、cs2co3、koh中的二种或二种以上组合，保温处理结束后，自然冷却取出，即得到离子交换强化后的双重预应力强化建筑陶瓷制品。
15.上述方案中，本发明所述建筑陶瓷坯体的化学组成为sio255～72wt％、al2o310～25wt％、fe2o31～5wt％、cao 1～5wt％、mgo 0～3wt％、k2o 2～6wt％、na2o1～3wt％。所述氧化铝粉的粒度为600～2000目。
16.进一步地，本发明所述步骤(2)中粘结剂水溶液为cmc与pva的混合水溶液，按照质量比cmc∶pva＝1∶1～5。所述步骤(4)得到的第一重预应力强化建筑陶瓷制品其抗折强度的提升率为40～65％，坯体热膨胀系数为(6.3～7.9)
×
10-6
/℃，涂层热膨胀系数为(3.5～4.9)
×
10-6
/℃，涂层厚度为60～120μm。
17.本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
18.利用上述双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法制得的产品，其抗折强度的提升率≥86％。
19.本发明具有以下有益效果：
20.(1)本发明通过表层预应力匹配法在建筑陶瓷坯体表面制备热膨胀系低于坯体热膨胀系数的涂层，在建筑陶瓷高温烧结从高温冷却后在建筑陶瓷坯体表面形成第一重预压应力，显著提升了建筑陶瓷制品的强度。同时在所述涂层中引入离子半径较小的碱金属li
+
一方面可以调控建筑陶瓷坯体涂层的热膨胀系数，另一方面使得离子半径更大的k
+
、na
+
、rb
+
、cs
+
等有机会与li
+
进行离子交换。
21.(2)本发明通过低温离子交换方式实现在建筑陶瓷制品表面形成第二重预压应力，本发明所述涂层中引入的li
+
拓宽了离子交换碱金属熔盐的选择性和适用性。利用熔盐中半径较大的碱金属离子替换建筑陶瓷坯体涂层中半径较小的li
+
，置换后大半径离子对表层形成的挤压效应，以此在基体表面形成压应力，即利用涂层与离子交换协同作用制得双重预应力强化建筑陶瓷制品，实现了建筑陶瓷制品强度的大幅提升。
22.(3)本发明制备方法，能够大幅提升建筑陶瓷制品强度，有助于建筑陶瓷制品的薄型化生产，从而减少原材料的使用、降低能源消耗、减少废弃物排放，降低生产成本，易于工业化应用和推广。
附图说明
23.下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
24.图1是本发明实施例双重预应力强化建筑陶瓷制品的横截面sem图。
具体实施方式
25.实施例一：
26.本实施例一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，建筑陶瓷制品由建筑陶瓷坯体和涂覆于坯体表面的涂层构成，其中，涂层的热膨胀系数小于坯体的热膨胀系数；
27.建筑陶瓷坯体的原料组成为苏州土15wt％、石英35wt％、长石40wt％、大同土10wt％，化学组成为sio267.3wt％、al2o317.6wt％、fe2o34.5wt％、cao 3.5wt％、mgo 2.1wt％、k2o 2.7wt％、na2o 2.3wt％；
28.涂层的原料组成为方解石17wt％、石灰石20wt％、石英40wt％、氧化铝粉15.5wt％、透锂长石5wt％、锂辉石2.5wt％；其中，氧化铝粉的粒度为1000目；
29.制备方法包括以下步骤：
30.(1)建筑陶瓷素坯的制备
31.按照上述建筑陶瓷坯体的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛除铁、干燥、研磨造粒后压制成型，在700℃下素烧得到建筑陶瓷素坯；
32.(2)涂层浆料的制备
33.按照上述涂层的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛后，加入浓度为1.5wt％的粘结剂水溶液混合，得到浓度为40wt％的涂层浆料；其中，粘结剂水溶液为cmc与pva的混合水溶液，按照质量比cmc∶pva＝1∶2；
34.(3)采用喷涂法、浸渍法或涂刷法将所述涂层浆料涂覆在建筑陶瓷素坯的表面，得到待烧成的陶瓷坯体；
35.(4)上述待烧成的陶瓷坯体以5℃/min的速率升温至1190℃，保温1h，自然冷却后，得到坯体表面具有涂层的第一重预应力强化建筑陶瓷制品，其抗折强度的提升率为55.7％；其中，坯体热膨胀系数为6.8
×
10-6
/℃，涂层的热膨胀系数为4.0
×
10-6
/℃、厚度为100μm；
36.(5)将上述第一重预应力强化建筑陶瓷制品置于nano3与kno3(按照摩尔比nano3∶kno3＝1∶1)的混合碱金属熔盐中，在450℃温度下保温处理3h，以实现熔盐离子与陶瓷制品表面离子的适量交换，保温处理结束后，自然冷却取出，即得到离子交换强化后的双重预应力强化建筑陶瓷制品，其抗折强度的提升率为87.5％。
37.如图1所示，所制得的双重预应力强化建筑陶瓷制品，涂层和坯体结合良好。
38.实施例二：
39.本实施例一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，与实施例一不同之处在于：
40.涂层的原料组成为方解石17wt％、石灰石20wt％、石英40wt％、氧化铝粉15wt％、透锂长石7wt％、锂辉石1wt％。
41.第一重预应力强化建筑陶瓷制品的抗折强度的提升率为60.5％，涂层的热膨胀系数为3.8
×
10-6
/℃。
42.离子交换强化后的双重预应力强化建筑陶瓷制品的抗折强度的提升率为93.6％。
43.实施例三：
44.本实施例一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，与实施例一不同之处在于：
45.第一重预应力强化建筑陶瓷制品的抗折强度的提升率为51.3％，涂层的厚度为120μm。
46.离子交换强化后的双重预应力强化建筑陶瓷制品的抗折强度的提升率为86％。
47.实施例四：
48.本实施例一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，与实施例一不同之处在于：
49.将第一重预应力强化建筑陶瓷制品置于nano3、kno3与koh(按照摩尔比为nano3∶kno3∶koh＝1∶1.5∶0.3)的混合碱金属熔盐中。
50.离子交换强化后的双重预应力强化建筑陶瓷制品的抗折强度的提升率为99.7％。

技术特征：
1.一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述建筑陶瓷制品由建筑陶瓷坯体和涂覆于坯体表面的涂层构成，所述涂层的热膨胀系数小于坯体的热膨胀系数；所述建筑陶瓷坯体的原料组成为苏州土5～20wt％、石英20～40wt％、长石25～50wt％、大同土5～15wt％；所述涂层的原料组成为方解石10～20wt％、石灰石10～20wt％、石英25～55wt％、氧化铝粉5～25wt％、透锂长石5～10wt％、锂辉石1～10wt％；制备方法包括以下步骤：(1)建筑陶瓷素坯的制备按照所述建筑陶瓷坯体的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛除铁、干燥、研磨造粒后压制成型，在600～800℃下素烧得到建筑陶瓷素坯；(2)涂层浆料的制备按照所述涂层的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛后，加入浓度为0.5～3wt％的粘结剂水溶液混合，得到浓度为30～55wt％的涂层浆料；(3)采用喷涂法、浸渍法或涂刷法将所述涂层浆料涂覆在建筑陶瓷素坯的表面，得到待烧成的陶瓷坯体；(4)所述待烧成的陶瓷坯体以5～10℃/min的速率升温至1170～1250℃，保温0.5～1h，自然冷却后，得到坯体表面具有涂层的第一重预应力强化建筑陶瓷制品；(5)将所述第一重预应力强化建筑陶瓷制品置于碱金属熔盐中，在350～650℃温度下保温处理0.5～6h，所述碱金属熔盐为nano3、kno3、rbno3、csno3、cs2co3、koh中的二种或二种以上组合，保温处理结束后，自然冷却取出，即得到离子交换强化后的双重预应力强化建筑陶瓷制品。2.根据权利要求1所述的双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述建筑陶瓷坯体的化学组成为sio255～72wt％、al2o310～25wt％、fe2o31～5wt％、cao1～5wt％、mgo0～3wt％、k2o2～6wt％、na2o1～3wt％。3.根据权利要求1所述的双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述氧化铝粉的粒度为600～2000目。4.根据权利要求1所述的双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中粘结剂水溶液为cmc与pva的混合水溶液，按照质量比cmc∶pva＝1∶1～5。5.根据权利要求1所述的双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)得到的第一重预应力强化建筑陶瓷制品其抗折强度的提升率为40～65％，坯体热膨胀系数为(6.3～7.9)
×
10-6
/℃，涂层热膨胀系数为(3.5～4.9)
×
10-6
/℃，涂层厚度为60～120μm。6.利用权利要求1-5之一所述双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法制得的产品。7.根据权利要求6所述的产品。其特征在于：所述双重预应力强化建筑陶瓷制品其抗折强度的提升率≥86％。

技术总结
本发明公开了一种双重预应力强化建筑陶瓷制品的制备方法及其制得的产品，通过配方设计，采用表层预应力匹配法在建筑陶瓷坯体表面制备热膨胀系低于坯体热膨胀系数的涂层，为建筑陶瓷坯体形成第一重预压应力；再通过低温离子交换方式，在建筑陶瓷坯体上形成第二重预压应力，从而获得双重预应力强化建筑陶瓷制品。本发明能够大幅提升建筑陶瓷制品的强度，有助于建筑陶瓷制品的薄型化生产，从而减少原材料的使用、降低能源消耗、减少废弃物排放，降低生产成本，易于工业化应用和推广。易于工业化应用和推广。易于工业化应用和推广。


技术研发人员：李恺 万德田 李月明 沈宗洋 孙熠 王志崇 刘锦轩
受保护的技术使用者：景德镇陶瓷大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25