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陶瓷薄板最初由日本研发并生产,主要生产 1200mm×2400mm×(3~6)mm规格的陶瓷板材,用来做推门板。而国内生产陶瓷薄板也是这两年才兴起,目前已有三家企业生产过陶瓷薄板,加上佛山樵东陶瓷,总共四家企业。
这种规格的产品主要销往日本,如果内销的话可根据客户对尺寸不同的要求进行切割,也可适当做小一点、做厚一点,可做成仿古、渗花抛光地砖。这类产品由于薄,受热快,可大幅减少热用量,对企业的可持续发展起重要作用。
2生产工艺流程
陶瓷薄板采用真空挤压成形,然后对辊压制成厚度为6mm左右,并切割成略大于1200mm×2400mm尺寸的湿坯体,依次经干燥、素烧、施釉、印花、釉烧等工序制得产品。具体工艺流程如下:
坯体配方原料制备真空粗练真空挤压成形对辊压制切割微波干燥低温素烧(可免)直线淋釉(底、面釉)大规格印花机印花釉烧切割分级包装
3坯体配方
3.1 坯体配方类型
最初由于陶瓷薄板的特殊用途,只能做成陶质的。由于瓷质薄板容易变形,且重量太大做门板不太适宜。随着陶瓷薄板用途不断广泛,最近一年出现了瓷质陶瓷薄板。
3.1.1陶质坯体
目前陶瓷行业的陶质薄板吸水率控制在6~10%,而陶瓷薄板普遍采用挤压成形工艺,其坯体化学组成与普通陶坯不同,化学成份(wt%)为:SiO2:66、Al2O3:19、CaO和MgO:4~10、K2O和Na2O:2、Fe2O3:1.5、TiO2:1、I.L:6~10。其配方为:砂料:30~40%、泥料:35~45%、石灰石:5~10%、硅灰石:0~10%、膨润土:0~5%、长石:0~5%。其含铝量高,可加入少量的长石助熔,降低吸水率。
3.1.2 瓷质坯体
瓷质陶瓷薄板是最近半年才出现的,据传最初由马来西亚一家陶瓷薄板生产厂家首先生产出来,其吸水率为0.5%。超薄瓷板的化学组成与普通瓷质砖比较,其含铝量更高、含硅量更低,另外含钾、钠量也要高一些。化学组成(wt%)为:SiO2:66、Al2O3:19、CaO和MgO:2、K2O和Na2O:4~7、Fe2O3:1.5、TiO2:1、I.L:8。其配方为:石粉:45~55%、泥料:40~50%、滑石泥:0~3%,另外,配方中要加入滑石泥和黑泥,此时泥料塑性好,不用再加膨润土。
3.2 坯用原料
挤压成形与干压成形不同,其对坯料有特殊的要求,而且主要是坯体干燥强度、可塑性、吸水率等方面的要求。除此之外,原料还需选择储量丰富、质量稳定的品种,特别是泥料的性能必须满足。
3.2.1泥料的选择
干坯强度、可塑性以及收缩等工艺参数主要取决于粘土(泥料);因此要注意选择粘土,最好选二次粘土,烧失量太大的泥料在普通瓷砖的生产中无法使用,但可在超薄陶瓷板中使用。因为砖薄,所以不用担心排气问题。
如果无法找到高粘度的粘土时,可用甲基来代替。挤压成形时要把泥浆榨泥练泥后才可使用,因此在某种程度上讲,超薄陶瓷板对坯料的要求并不高。
3.2.2砂料的选择
砂料要求白度好即可,无其它要求。
3.2.3石粉的选择
石粉在陶质薄板中用量很少,可以不用。它主要用在瓷质薄板中作助熔剂,要求其白度高,烧成熔融温度低。
3.2.4其它原料的选择
一般陶质薄板中会加入一部份石灰石和硅灰石。一般一次半烧、二次烧成可以多加一些石灰石,而一次烧成应尽可能少加。瓷质薄板中还会加入1~3%的滑石泥,用来助熔、增白。
3.3 陶瓷薄板对坯料的工艺要求
由于超薄陶瓷板采用挤压成形的工艺,因此坯料必须满足挤压成形的要求。
3.3.1可塑性
可塑性是塑性坯料的主要性能,也是成形的基础。为了保证泥料在成形操作条件下能够顺利延展成坯体,要求泥料应具备良好的可塑性。通常以“塑性指标”的数值来表征泥料可塑性的强弱,一般控制坯体的可塑性指标为2.5~3.6。
3.3.2 含水率
可塑性坯料的含水率取决于原料的性质及所采用的成形方法。一般挤压、滚压成形的坯料含水率为19~22%。
3.3.3干坯强度
对于超薄陶瓷板来说,干坯强度极为重要,直接影响到淋釉印花的成功与否,因此必须满足强度要求。一般一次烧成的干坯强度要求>1.5MPa,而陶瓷薄板对强度要求更高,最好大于>2.0MPa。在配方配制过程中最好使用二次粘土,如广东黑泥等,或加入少量的膨润土。
3.3.4 收缩率
坯体的收缩包括干燥、烧成收缩。对于大规格超薄陶质板来说,坯体的收缩大小对于尺寸稳定性有着重要的作用,特别是出口日本的陶瓷推板门。因为需要经过切割才能使用,所以对于做贴在墙上的釉面砖和贴在地上的低吸水率仿古砖可对尺寸适当放宽。与普通瓷砖比较,其坯体加入泥料多,因此收缩要大一些。
3.3.5坯料细度
坯料细度大小直接影响坯料工艺性能和成品的工艺性能。细颗粒能在一定程度上提高坯料可塑性、干燥强度,并加快固相反应。与普通瓷砖相比,超薄陶瓷板坯体厚度薄、烧成速度慢,不必担心排气问题,因此可把坯料磨细一些以适应生产,一般控制细度在:0.5~1.5%(相当于1.0~2.5g/100ml)以下。一般普通釉面砖细度为2.5~3.5g/100ml,仿古砖稍小一点,在2.5~3.0g/100ml左右(注:是指比重在1.84±0.02时的细度)。
由于挤压成形的坯料含泥量较大,球磨时间能大幅减小,可缩短球磨时间20~40%,降低能耗。
4釉料配方及制备
4.1 釉面砖釉料
釉面砖的底釉一般用成釉,自己调配亦可。与普通釉面砖不同,最好加入0~5%球土;因为超薄陶瓷板是采用直线淋釉器淋釉,要求釉料有良好的流速。
面釉最好使用地砖所用的高温熔块,或加入部份以提高始熔温度和烧成温度。底、面淋釉参数如下表所示:
4.2 仿古砖釉料
目前仿古砖都采用喷釉且是单层施釉,而做胶辊印花才施两次釉(底釉和面釉)。但就目前国内生产超薄陶瓷板的厂家来说,都是使用直线淋釉器进行生产。如果用喷釉器生产1200mm×2400mm规格的产品有一定的难度,那么生产800mm×1800mm规格仿古砖则可以采用喷釉,生产时可适当提高厚度。
5坯料制备
塑性坯料的制备工艺,主要指浆料球磨后进行压滤存放和真空粗练。
5.1 压滤存放
泥浆一般含水量在40~60%,而成形要求坯体含水量为18~20%,因此必须把泥浆中多余的水份排除才能使用。
脱水一般采用榨泥机压滤,其原理是采用具有很多毛细孔的滤布在压力作用下,使水和浆料颗粒分离,制成水份22%左右的泥饼。影响压滤效率的因素如下:
5.1.1泥浆性质
泥浆颗粒越细、粘性越大的坯料越难压滤。泥浆的浓度越大,压滤时间越短;泥浆的温度越高越利于压滤,但不宜过高,一般控制在40~60℃即可。
5.1.2压力大小和加压方式
一般来说,送浆压力与压滤速率成正比。但随着泥层增厚,毛细管道更曲折,阻力越大。因此开始压滤时,压力不能太大,否则会堵住滤布孔。一般压滤前30min左右的工作压力为0.3~0.5MPa。
5.1.3其它原因的影响
压滤时间还取决于滤布种类,以前常用帆布,现在大多使用尼龙布。滤布在使用时要定时清洗,一般使用80~90次必须清洗一次。另外滤布新旧也会产生极大影响。
一般压滤之后需粗练陈腐,而在实际生产中不陈腐,只是存放1~2天,但也能起到一定的陈腐均化作用。
5.2 真空粗练
真空粗练机由传动系统、进料系统、真空系统、挤压系统等四个系统组成。由于泥饼内含有一定气体,经过真空练泥,不但能使泥料水份均化,而且能抽出其内部所含的气体,提高泥料的可塑性,利于挤压成形。练泥机如图1所示。
6成形
6.1 真空挤压成形
真空挤压成形机的出口安装有一成形模口。生产1200mm×2400mm×(3~6)mm规格产品时,必须先挤成1200mm×600mm×45mm规格的毛坯。真空挤压成形机如图2所示。
6.2 对滚挤压成型
真空挤压后,还需对滚挤压,挤成需要的厚度,并切割成所需要的长度和宽度。对滚挤压如图3~6所示。
7微波干燥
微波干燥效率高,节省能源。此外,用微波干燥器干燥的坯体水份均匀,成品率高。微波干燥与窑炉干燥的比较如表2所示。
8低温素烧(可以不用)
素烧是为了提高坯体强度,以便于釉线走砖、淋釉和印花。大规格的陶瓷薄板素烧窑很短,且温度低。
如果坯体强度够高,可以不素烧。但目前陶瓷薄板都是陶质的,大多经过两次淋釉,因此不素烧就无法达到生产要求。
9直线淋釉
由于超薄陶瓷板厚度尺寸太大,无法用钟罩,只能使用直线淋釉器。但它在生产时容易出现釉路,特别是大规格产品就更容易出现问题,因此其对釉浆性能要求很高,要求粘度好、好、流速好。直线淋釉器如图7所示。
10超大规格印花
超大规格印花机与小规格印花机不同,其印花方向和釉线走砖方向相同。其它的都与普通规格瓷砖相差不多,对花釉要求都一样。对于宽度小于600mm的产品,也可采用胶辊印花。超大规格印花机如图8所示。
11釉 烧
和普通瓷砖一样,釉烧窑的烧成温度和烧成曲线都差不多,比窑炉辊棒较细且密一些。釉烧窑如图9所示。
12切 割
对于出口日本的产品无需切割,但是销售国内的产品并不需要这么大,可根据使用要求切割成各种不同的规格,如:30cm×45cm、30cm×60cm、30cm×90cm、30cm×30cm、60cm×60cm等,还可切成各种不同的形状,并且可做腰线、做内墙砖,也可做地砖。不但省掉了模具,还节省了许多其它机械设备。图10与11分别是直线切割机与弧线切割水刀的示意图。
13总 结
超薄砖工艺,特别是一次烧成瓷质超薄砖的生产工艺,可大幅减少原料用量,其厚度为3~6mm,只有现行墙地砖厚度的1/4,原料用量可减少60%以上,能源节约至少40%以上。除此之处,还可减少生产设备和人工,也利于工厂管理;设备简单,利于操作;节省时间,提高生产率和成品率。由于砖本身薄,废品返球磨也很容易,球磨时间极短。
一次烧成超薄瓷板、一次半烧超薄陶板产品属于绿色产品,是陶瓷行业发展的一种趋势。
(注:本文有部份图片和参数由陈灿基先生提供,在此表示由衷的感谢。)
参考文献
1 汪啸穆.陶瓷工艺学
2 曾奎可,邓伟强.广东省陶瓷行业的能耗现状及节能措施[J].佛山陶瓷,2006(2)
据介绍,所谓绿色医院,是指在医院的寿命周期内(包括规划、设计、建造、运行、维护和拆解等)对周围环境和和人没有危害影响;对资源的需求相对较少,比如节地、节水、节能、节材等;同时能够为医院内部使用人员(包括病人、医务人员以及访客)营造舒适温馨的空间环境。这里面,涵盖了医院从规划设计到选材建造,再到运营维护整个过程都必须遵循绿色节能的理念。此外在节能的同时,还必须兼顾医院建筑空g的装饰性及舒适性。这些要求决定了医院建设对所有材料和设备的要求要比普通建筑高得多。
蒙娜丽莎陶瓷薄板作为新型绿色建材的领军品牌,再一次确定了蒙娜丽莎陶瓷薄板在医院建设工程项目负责人心目中的VIP地位。蒙娜丽莎陶瓷薄板除了受到众多医院建设工程项目负责人的青睐外,还受到了众多媒体的关注,安徽生活网、腾讯房产、合肥房地产交易网等多个媒体专程前往蒙娜丽莎陶瓷薄板展位采访报道,对蒙娜丽莎陶瓷薄板的产品特性及应用优势都做了详尽的报道。
由于医院日常的人流量相对较大,对卫生洁净度要求较高,医院的空间装饰不仅要确保环境的安全,而且要使防尘、防火、耐污、耐腐蚀、抗菌、抗辐射等技术指标能符合日常的使用要求。陶瓷薄板经1200℃烧结,表面光滑明亮不吸污不渗污,具有较强的自洁功能,可减少细菌的留存与生长,降低医院环境出现交叉感染的可能,是医院各科室及公共空间等场所地面、墙面的极佳装饰材料。同时蒙娜丽莎陶瓷薄板的放射性核数限量属A类产品,无任何有害辐射,有助于打造健康医院空间。
除此以外,蒙娜丽莎陶瓷薄板还是国家“十一五”科技支撑重大项目,是国家倡导建陶行业薄型化的践行先锋。与同类产品相比,蒙娜丽莎陶瓷薄板单位面积建筑陶瓷材料用量降低一倍以上,节约60%以上的原料资源,降低50%以上综合能耗,减少84%废气排放,降低91.6%废渣排放,从原材料使用量到生产过程中都体现“节材、节能”的低碳目标,很好地体现了绿色医院的建设理念。
至目前为止,蒙娜丽莎陶瓷薄板已经被200多个医院项目工程所选用,总应用面积超过2100000平方米。作为新型绿色建材,蒙娜丽莎陶瓷薄板已经成为了绿色医院建设的首选材料,为绿色医院的建设发展做出了不可磨灭的贡献。
关键词 佛山建筑陶瓷,技术创新,预测
1引 言
2008年,受国际金融风暴的影响,国内不少行业都出现了“行业冬天”的现象,陶瓷行业也不例外。新的一年已经到来,许多人都在期待“冬天”尽快过去,也有一些人坚信只有主动应对,才是积极的方法,技术创新无疑是一种有效的手段。
产品、装备、工艺都是技术创新的主要载体,而新产品更加容易引起人们的重视。2009年,佛山陶瓷行业的新产品有哪些动向,自然是行业人士最关心的话题之一。
2佛山陶瓷技术创新的大环境
技术创新、产品设计离不开大环境因素的影响。在2009年,预计有四个方面的主要因素会影响佛山陶瓷产品创新的发展方向。
(1) 政府对节能减排与清洁生产的力度不断加大。如果说在2008年中,政府对佛山陶瓷企业的去留问题有点“一刀切”,那么在新的一年里,相信政府的态度会变得更加理性。所谓理性是指采用更科学、更合理、更有序的方法促进企业节能减排和清洁生产的实施,而不是放松、放弃原有对陶瓷企业的环保要求,相反,这种力度将会随着未来的发展而越来越大。
在以往开展的节能减排和清洁生产实施工作中,主要着重于在技术和装备方面采取措施,而在产品创新和基础管理方面体现节能减排与清洁生产的理念比较少。今后的产品创新会更多地在资源利用、能源消耗、废弃物产生等方面进行综合考虑。
(2) 金融风暴对建筑陶瓷市场的影响仍在延续。尽管从中央政府到各级地方政府,已经推出了一系列拉动内需的政策,在一定程度上会缓和国内建筑卫生陶瓷市场需求下滑的情况。但目前房地产业仍然处于一个低潮时期, 因此,预计2009年国内建筑卫生陶瓷需求总量不会有明显增长,甚至比2008年有所下降。
在国际市场方面,金融汇率在一定程度上会影响到产品的出口,但由于国际市场的潜力仍然很大,因此,对于高档次产品的出口应该有所递增。
在市场不利的背景下,对佛山陶瓷也带来了有利的一面。由于国内市场总量下滑,对北方、四川等产区的中低档次产品制约更为明显,可以缓和低成本产品对佛山陶瓷的冲击。另外,开发国际市场,挖掘国外市场的潜力,正是佛山陶瓷的强项。因此,2009年产品上档次将是佛山陶瓷一个重要的主题。
(3) 国际产品潮流对佛山陶瓷产品有着重要的影响。尽管中国陶瓷与意大利陶瓷的文化、审美背景不完全相同,但每年一度的意大利博洛尼亚陶瓷产品展览仍然是国内企业学习、模仿的重要渠道,国际产品的潮流对佛山陶瓷产品的创新有明显的影响。
在2008年意大利陶瓷产品展览中,主要体现了以下几个特点:①仿古砖仍是最大的主流产品,抛光砖比例越来越少;②挤压类的陶质和炻质砖(板材)明显增多;③随着喷墨印花技术和装备的成熟,个性化产品越发突出;④哥德式美学在西方根源深厚,马赛克始终保持稳定不衰。
(4) 建筑卫生陶瓷的生产成本仍在不断上升。生产成本上升,似乎已经是不可逆转的趋势,主要体现在以下几个方面:①环保成本不断加大,特别是在佛山地区留守的企业,情况更为明显;②随着陶瓷资源的日益减少,原材料的价格持续上升,特别是对于抛光砖生产企业,影响更为突出;③尽管国际油价短期回落,但能源成本总体上升是不可避免的,特别是国内的燃煤涨价的压力很大;④除此之外,陶瓷企业的人力资源成本、市场销售成本、管理成本等方面都有上升的压力。
因此,在生产成本不断上升的大环境下,中国建筑卫生陶瓷原来以拼产量为主的经营方式必然会向着以质量和档次为主的经营方式转变,深化产品文化内涵和品牌建设将是未来陶瓷产品发展的趋势。
2.1 挤压类产品成为行业趋势
挤压类陶瓷产品主要包括劈开砖、马路砖、大型薄板、琉璃瓦等,目前国内的生产企业很少,总产量也不大,预计未来几年内,挤压类陶瓷产品将成为国内陶瓷行业的新趋势,特别是大型陶质薄板,2009年将是这类产品兴起的前奏。
(1) 挤压类产品发展的理由:①挤压类产品的原料以红页岩、紫页岩为主,一般依靠原矿发色,用量在60%以上,资源丰富、价格便宜,对生态破坏少,符合清洁生产理念;②多数品种采用湿式混合方式,坯料细度粗,不需经过球磨和喷雾干燥工艺,烧成温度低,能耗成本和环保成本低,属于节能提倡产品;③在2008年意大利陶瓷产品展览中,该类产品比例大幅增长,容易与国际产品的潮流接轨,国际市场潜力大;④市场新,企业竞争少,利润空间大。
(2) 企业对挤压类产品的态度将会是“一边看、一边探”。所谓“一边看、一边探”是指看准机会,试探市场。由于目前佛山陶瓷企业的生产线多数按干压类陶瓷砖生产配置,不能适应挤压类陶瓷产品的生产,如果要对生产线进行改造,几乎等于重新投入新生产线的建设,需要较大的资金投入,而且普遍认为2009年并不是扩产投资的最佳季节。另外,由于大多数的佛山陶瓷企业对挤压类产品的市场网络较为陌生,特别是目前国内市场流行热度比较低,加上对该类产品的生产技术较为陌生,技术人才及操作技术工人比较欠缺。因此,尽管挤压类产品有着良好的发展前景,但多数企业不敢冒然改产,估计只有少数具备投资实力的企业会尝试生产。
2.2 超薄板产品成为行业亮点
干压式陶瓷超薄板早于2000年就在意大利问世,应用前景非常广阔。经过国内陶瓷行业的多年摸索,终于在技术和装备上获得了突破,因此,干压式超薄板将成为2009年行业的亮点。
(1) 超薄板产品获得发展并成为亮点的理由如下:①单位面积产品质量轻、资源利用率高,可以大大降低原料成本,符合清洁生产理念;②技术、装备、市场已经成熟,第一条生产线在蒙娜丽莎陶瓷获得成功,产品有望在佛山地铁等市政工程中应用,成为行业中的范例;③可以对原有生产线进行改造以实现装备能力,原有生产线多数设备得到合理的利用;④企业原有销售网络可以得到充分发挥和利用,市场开拓难度不大;⑤市场新,企业竞争少,利润空间大。
(2)企业对超薄板产品的态度是“让大企业先走一步”。在环保和生产成本的压力下,超薄板不失为产品及技术更新的新途径,然而生产线改造投资费用仍然比较大、技术门槛高,而且目前该产品的市场应用环境还比较窄,市场应用的完善仍需要作一定的投入,对于多数中小型企业来讲,风险太大,敢于“饮头啖汤”的大企业自然先走一步了。
2.3 抛光类产品的比例有所下降
从国内第一片抛光砖诞生到现在,抛光砖已经有近20年的生产历史,是中国建筑陶瓷的强项产品,也是佛山陶瓷最大的主导产品,然而在环保和成本压力不断上升的背景下,预计从2009年开始,抛光砖生产比例将会逐渐下降。
(1) 抛光砖产品比例下降的理由如下:①抛光砖生产使用的几乎都是高品位原料,目前资源日益匮乏,特别是黑泥和高白度瓷砂(长石),不但原料价格昂贵,而且对生态破坏严重,不符合清洁生产理念;②坯料球磨时间长、电耗大、煅烧温度高、燃耗高,而且工艺技术复杂,转产管理困难,冷加工产生的废弃物多,不符合节能减排的要求;③由于没有釉面装饰,产品种类系列少,开发空间窄,产品更新换代的代价高;④国内市场竞争激烈,利润空间下滑明显。
(2) 企业对抛光砖的态度是“难舍难弃,慢慢弃”。所谓“难舍难弃,慢慢弃”是市场需求与环境要求还没有完全吻合,需要有一段的时期和过程进行消化。由于目前抛光砖市场销售网络完善,消费者认知度高,国内需求比例仍然很大。对于多数企业来讲,抛光砖生产工艺技术成熟,多数企业的生产线均以抛光砖设备进行配置,行业大规模转产需要时间。另外,尽管抛光砖并不符合节能减排与清洁生产理念,但目前政府尚未有明确的政策出台,或对抛光砖进行限制,或鼓励引导其他产品。
2.4 仿古砖的市场比例上升
自从2000年国内开始出现仿古砖到现在,仿古砖的比例每年都在大幅度地递增,预计2009年仿古砖比例将会进一步上升,取代原有的部分抛光砖市场。
(1) 仿古砖市场比例上升的理由如下:①仿古砖不仅是目前国际市场的流行产品,而且在国内已经得到消费者的广泛认知,国内外市场更加成熟;②仿古砖产品研发、设计空间大,题材广泛,容易个性化,符合国际产品发展的潮流;③生产材料来源途径多,可以充分利用工业废渣和低品位原料,原料生产成本低,符合清洁生产理念;④对于炻质仿古砖,球磨时间比较短,烧成温度比较低,产品转产管理容易,冷加工切削量少,符合节能减排理念。
(2) 行业对仿古砖产品的态度是“个性化发展、炻质砖再受宠”。目前仿古砖有仿木材、仿石材、仿皮革、仿绢丝、仿金属、仿贝壳等,创作题材广泛,工艺手法多,因此容易实现产品个性化。随着佛山陶瓷品牌建设,仿古砖的个性化将得到更充分的张扬。另外,由于炻质仿古砖不但更加符合清洁生产的理念,更加环保,同时也有利于企业降低生产成本,可以实现企业经济效益与社会环境效益的双赢,炻质釉面仿古砖将会再次受宠。
2.5 马赛克类产品成为主角
在上世纪八十年代中期,马赛克与内墙砖、彩釉砖曾经被行业人士称为“三砖”,是佛山陶瓷的主导产品之一,之后被国内企业逐渐淘汰,到了2003年,马赛克又在佛山重新兴起,但一直处于配角地位。
(1) 马赛克类产品成为主角地位的理由:①马赛克类产品不但资源消耗少,还可以充分消纳陶瓷行业的边角废砖,符合节能减排、清洁生产的理念;②产品价格高、利润空间大,出口市场需求量大,符合国际产品潮流;③生产设备投入少,土地资源、能耗资源的产值量高、污染物排放量低、投资风险低,符合政府产业政策。
(2) 行业对马赛克产品的态度是“仍以小企业模式发展为主导”。由于目前马赛克的产品种类多,每批产量少,转产频繁,大生产线调配比较困难;实现全自动化、全机械化作业的技术和装备仍不成熟,手工操作比例大,生产管理比较麻烦,难以形成大规模生产。另外国内市场占有率仍然比较低,消费者对马赛克的接受程度低,需要市场开拓,今后仍将以国外市场为主,以小企业的模式发展更适合佛山陶瓷的实际情况。
2.6 利用废渣的产品形成商业化生产
建筑陶瓷的生产过程中,产生的工业废渣十分惊人。不但造成资源的浪费,而且造成了对环境的严重污染,在环保政策和生产成本的双重压力下,陶瓷工业废渣将会在行业得到充分循环利用,并形成商业化生产。
关键词:传统陶瓷;升级换代;发展
1我国传统陶瓷的发展概况
我国是建筑卫生陶瓷的生产大国,产量连续十几年位居世界第一。2008年我国陶瓷墙地砖的产量约57亿m2,占世界总产量的60%左右,其中广东省的产量约19亿m2;卫生陶瓷产量约1.5亿件,占世界产量的33%左右,其中广东生产约5700万件;日用陶瓷和美术陶瓷约150亿件,占世界产量的70%左右。日用陶瓷和美术陶瓷产量连续30多年位列世界第一。
目前,我国陶瓷行业的发展主要面临以下问题:
(1) 资源和能源消耗比较大(见表1);
(2) 优质原材料日益枯竭,供应半径大;
(3) 对环境的影响限制了行业的发展;
(4) 产品同质化严重,附加值不高;
(5) 创新性的科技成果少,实现了产业化的更少;
(6) 日用陶瓷设备相对落后;
(7) 基础理论研究过少。
中国政府在哥本哈根气候峰会前宣布,到2020年,中国单位GDP二氧化碳的排放要比2005年下降40%~45%。传统陶瓷属于高能耗、低附加值产业,其发展将面临严峻挑战,在低碳经济的条件下,传统陶瓷急需依靠技术创新进行升级换代、节能降耗、增加附加值,才能实现陶瓷产业的可持续发展,为低碳经济和环保作出贡献。
2传统陶瓷节能减排与升级换代的发展方向
2.1开发低品质原材料
地球表面铁元素的含量约为4.75%,含铁原料储量丰富,特别是广东地区,红泥(砂)等含铁高的原料储量较高。但铁属于着色性元素,它的存在影响产品外观,特别是对于追求白度的抛光砖产品,含铁原料的应用更是受到严格的限制。目前传统陶瓷使用的原料主要是含铁少以及部分含钾、钠、钙等熔剂成分较高的原料。然而,由于白度高、工艺性能优良的优质原料越来越紧缺,对中、低品质陶瓷原料的充分利用与优化处理显得越来越重要,成为解决这一矛盾的唯一出路。
对于含铁量高的原料,一方面,可以通过各种物理化学方法,对原料进行除铁增白处理,但处理成本较高。如果能够通过配方改进,就地取材,充分利用这些“低品质”原料,对于节约生产成本、实现陶瓷工业的可持续发展具有非常重要的意义。
实际上,铁元素对于陶瓷生产并非是“有百害而无一益”,如果能够充分利用铁元素的特点,则可以变废为宝。如铁在氧化气氛下形成红色的三价铁离子,可用于生产红坯陶瓷砖;铁还有较强的助熔能力,在釉面砖坯体中适量引入,能降低产品的烧成温度。此外,研究表明,坯体中含有1%~3%的三氧化二铁时,有利于产品抗弯强度的提高,并且产品的吸水率并无明显增大。
2.2 陶瓷产品的轻量化
曾几何时,为了迎合与石材的竞争,陶瓷砖的厚度发挥到了极致,甚至“以厚为荣”,不仅造成了资源和能源的浪费,还增大了环境的负担。“产品轻量化”是低碳经济对传统陶瓷产业提出的要求,也是减轻地球负担、节能减排的迫切需要。陶瓷薄板的尺寸一般为1000mm×2000mm×(3~6)mm,这种大规格的超薄板材不仅解决了在建筑装饰中减轻载荷的一大难题,同时节约了大量的原料、燃料和产品的运输成本:
(1) 节约原料:其比传统陶瓷砖每平方米节约原料50%;
(2) 节约水资源:其比传统陶瓷砖每平方米节约清洁水63%;
(3) 节约电力:其比传统陶瓷砖每平方米节约电能约26%;
(4) 减少废弃物排放:其比传统陶瓷砖每平方米减排10kg废水,减少废渣4kg;
(5) 节约运输成本:每辆车的运输量增加,车辆使用率提高了75%。
陶瓷薄板在我国已研发成功且有小批量生产,相关的国家标准也已出台,但离市场普及还有一定的距离,需要进一步规范市场,并形成一定的舆论导向,使消费者走出“减薄就是偷工减料”的误区。此外,我们还需要研究超薄的陶瓷板材,比如厚度小于1mm的“陶瓷纸”,以满足建筑物的内外墙装饰的需要,进一步拓展传统陶瓷的用途。
2.3陶瓷产品的多功能化
用高新技术改造传统陶瓷产业,增加陶瓷产品的科技含量和附加值,拓展其应用范围,对于陶瓷行业的发展将有很大的促进作用,并有可能成为新的经济增长点,为经济和社会发展作出重要贡献。
陶瓷具有防火、耐磨、耐腐蚀、耐老化、不起尘、强度高和美观等优点,如果能够通过适当处理,使其增加诸如抗菌、自洁、净化空气、全吸收、全反射或仅对红外光波反射、保温、吸音、隔音、防静电等功能中的一种或数种,则应用范围将会得到极大的拓展。
2.3.1 抗菌自洁陶瓷
抗菌、自洁陶瓷是上世纪90年代初兴起的一种新的陶瓷品类,是材料科学和微生物学相结合的产物。它具有抗菌、除臭、保健、自洁等功能,从而可广泛应用于卫生医疗、家庭居室、旅游宾馆、民用或工业建筑等。早在90年代初,工业发达国家在医院、餐厅、高级住宅率先使用了抗菌陶瓷制品,近年来,国外陶瓷品牌如TOTO、INAX等已有很多制品增加了抗菌功能。
加入二氧化钛的陶瓷在光催化下有自洁、促使有机物降解、杀菌、净化空气等效果,但一般认为纳米尺寸的锐钛矿型的二氧化钛在这方面的功能才比较显著,如果能够成功制备锐钛矿型和金红石型混晶的纳米级二氧化钛则效果最好。但是,锐钛矿型的二氧化钛是低温稳定的,而陶瓷墙地砖一般都在1000℃以上烧成,瓷质的陶瓷墙地砖更是要求在1200℃左右烧成,在这样的温度下,二氧化钛已经转变成了金红石型,并且晶粒也很容易长大。现在通用的做法是将纳米级的锐钛矿型的二氧化钛复合到聚合物中,然后在低温下涂覆到陶瓷表面来实现这些功能,但其耐久性不好,与陶瓷本身的使用寿命不匹配。因此,研究如何使锐钛矿型的二氧化钛在高温稳定并限制晶粒的过分长大是今后研究的关键。
2.3.2 防静电陶瓷墙地砖
传统的防静电材料主要有防静电橡胶板材及聚氯乙烯(PVC)防静电塑料板材,以及目前大量使用的防静电三聚氰胺面层的地板等,由于这些材料均为有机材料,存在耐老化性能差、不耐磨、抗污能力差及防火性能欠佳等缺陷。防静电水磨石虽然较好地解决了防火问题,但其发尘量指标仍然偏高,限制了其在洁净厂房和机房工程中的应用。
防静电陶瓷墙地砖不仅能防静电,并且具有美观耐用、防火、耐腐、耐老化、抗压等其它防静电材料难以兼有的优点,具有广阔的应用前景,被应用于航天航空、石油化工、纺织、医疗等领域,已进入国家921重点工程(神舟七号载人航天飞船控制装配中心)、中国航天科技总公司空间技术研究院等对防静电干扰要求高的部门。但由于目前该产品颜色过于单调,安装系统复杂,需要进一步优化,对于走入平常百姓家还需要一定的时间。
2.3.3保温隔热陶瓷砖
随着经济的发展,建筑的能耗问题备受关注,我国的建筑耗能是发达国家的三倍,各种建筑的总面积已经达到400亿m2以上,并且每年又竣工新建房屋面积16~20亿m2,建筑能耗从1978年占能源总消耗量的10%上升到现今的27.5%左右。新型高效保温墙体材料的研发,受到世界各国的普遍重视。
目前,国家重点推广的建筑外墙保温材料一般为EPS(发泡聚苯乙烯)和XPS(挤塑聚苯乙烯),其中EPS几乎占节能建筑的90%以上,但大量的工程实践证明,该材料存在重大火灾隐患和工程保温质量缺陷,其整体性、耐久性、防火、防雨水渗透性以及物理化学稳定性等都存在不足。
保温隔热陶瓷有丰富的气孔,具有良好的隔热保温性能(其显微结构见图1),且施工简便,产品强度高、化学稳定性好、耐水抗冻、防火阻燃,是理想的建筑节能材料,隔热保温陶瓷外墙砖与EPS性能比较如表2所示。
2.3.4 导电陶瓷、红外陶瓷
导电陶瓷具有导电性好、化学性能稳定、抗腐蚀、耐高温等特点,在某些方面是金属导电材料无法比拟的,因此导电陶瓷的研究日益得到重视,应用也越来越广泛。如能将电能转化为热能的电热地板、电热墙等,可在需要加热、除霜的地方使用。
具有远红外辐射性能的陶瓷材料称为远红外陶瓷。生物体对红外辐射的吸收比对其它光波明显,一定量的特征红外辐射会对生物体的正常活动起促进作用,甚至可以起到治疗或辅助治疗的作用,能增强新陈代谢、提高肌体的免疫功能,同时具有消炎、抑菌能力。
2.3.5智能陶瓷
(1) 自动调温陶瓷
自动调温陶瓷通过相变来吸收和放出热量,达到调温的目的,可用于咖啡壶保温、室温调节等。
(2) 自动调湿陶瓷
通过物理或者化学反应来吸收空气中的水分,或者将水分释放到空气中,从而自动调整空气的湿度。
除以上所述的几种功能陶瓷外,传统陶瓷还可向更多的功能化方向发展,如光伏发电陶瓷、光催化陶瓷、超亲水陶瓷、双疏陶瓷、长余辉陶瓷、隔音消音陶瓷、陶瓷微滤膜、预警陶瓷(应用于温度、湿度、力学、化学物等方面的监控)等。
【关键词】陶瓷超滤膜;清洗方法;选择;建议
1 前言
冷轧生产过程中为了消除冷轧时产生的变形热,增加轧制,需要使用轧制油配制成乳化液以作为、冷却剂使用。轧制油主要由2~10种矿物油或植物油、乳化剂和水组成,成分复杂。其对应的乳化液的特点是有机物浓度高、含油高、污染强度大。目前国内常用的处理乳化液废水的方法是化学破乳和无机陶瓷超滤膜技术。但是破乳法的效果不稳定,出水含油量高且二次污染严重。而陶瓷膜以其较高的过滤效率、不需添加任何药剂、对环境不产生二次污染、能保证出水水质要求、清洗操作方便等诸多优点引起了广泛注意。莱钢冷轧薄板于2005年建设投入了一整套以陶瓷超滤膜为核心的冷轧含油废水处理系统和工艺。
2 清洗方式的探讨
当前的运行方式在运行初期总体良好,但在今年年初出现了较为严重的运行障碍,主要表现为清洗后通量不能达到设计通量,清洗过程中出现清液滤出量波动等情况。为此,对陶瓷膜清洗方式及条件进行重新选择。
2.1清洗条件选择
2.1.1清洗温度
为验证不同温度下的清洗效果,在冷轧一期工程水处理1#陶瓷膜组件进行温度试验,试验未改变除温度以外的其他条件。同时考虑道陶瓷膜设备及相关管线的耐温能力,设定三个温度区间进行试验,结果图1所示:
图1 清洗温度与洗后通量关系图
从图中可以看到相同条件下,清洗液设定温度55℃更有利于通量恢复。
2.1.2压力、流速
超滤运行过程中,压力和流速对膜通量的影响是相互关联的。浓差极化不明显时,流速一定的条件下,通量随着压力的增大而增大;当浓差极化产生后,压力增大到一定程度会导致凝胶层的形成,此时通量主要随凝胶层阻力的变化而变化。故而清洗过程继续采用常规0.4mpa的清洗压力。
2.1.3清洗用水
通过对生活水和除盐水的水质分析,清洗过程所使用生活水水质较差,可能会带来新的污染,因而清洗过程用水重新选择为除盐水。
2.2 清洗剂的选择、组合
膜污染物的主要成分为油类、脂类、结垢层等。根据污染物的成分可以选用表面活性剂、酸洗和碱洗三种方式。配制酸洗液的pH值约为3(浓度为0.001 mol/L),碱洗液的pH值约为11(浓度为0.001mol/L)。根据表面活性剂的不同清洗特性及污染物的类型选用阴离子表面活性剂。表面活性剂的浓度太低,清洗效果不佳;浓度太高,既增加运行成本也影响超滤效果。实验证明要保证清洗效果,阴离子表面活性剂的浓度范围为2%~2.5%。清洗液温度为48~50 ℃,超滤膜的进出口压力分别调节为4.0×105 Pa、
2.2.1 可提供的清洗选择方式及组合
油脂类污染物质
乳化液中无机杂质主要是来自轧线乳化液铁粉,而铁粉与乳化液中的油脂类包揉成团,形成以铁粉为核心、外包油脂的存在方式,因而为保证酸洗的效果,必须首先进行碱洗去除外在油脂,因而在酸洗与碱洗中应选择先碱洗后酸洗的方式。基于此,可供选择的清洗方式有四种,分别为:DCBA、CDBA、BACD、BADC。
2.2.2最优清洗方式选择
采用表面活性剂、氧化剂、碱洗、酸洗清洗次序,超滤膜清洗效果最佳。因为每种清洗方式去除的污物成分不同,在膜面也分布着不同的污染物类型。因此,清洗无机陶瓷超滤膜时必须先采用表面活性剂去除表面油脂类污染物;再使用氧化剂对基层细菌滋生严重的部分进行杀菌处理,降低其污染物附着力;用碱洗去除细菌滋生部分易产生的多糖、蛋白质等污染物;最后使用酸洗去除膜表面的残存的机械杂质和无机污染物,从而达到理想的清洗效果。
3 结论及建议
(1)陶瓷超滤膜清洗过程中,以表面活性剂清洗、氧化剂清洗剂、碱溶液清洗、酸溶液清洗的方式可以较好的恢复其通透量。
(2)通过对酸洗废液分析,其Fe2+含量达平均达到22.7g/L,超滤母液需要在预处理过程中增加除铁装置,减轻膜内污染。
(3)陶瓷膜运行2-3个周期后,要进行一次彻底的杀菌处理,防止细菌滋生加剧膜内污染。
(4)增加物理洗涤技术。在微滤膜的运行过程中,引入气体注射技术,在陶瓷超滤膜运行及清洗过程中,每运行30分钟通过隔膜泵注射氮气30秒,使均一的油水乳化液液相转变为不均一的气液两相流,提高介质湍流程度,可有效提高膜运行时间和清洗效果。