2005年,廣東蒙娜麗莎新型材料集團有限公司(原廣東蒙娜麗莎陶瓷有限公司)與廣東科達機電股份有限公司合作研發(fā)陶瓷薄板,到2007年正式推出中國第一片陶瓷薄板,陶瓷薄板在我國的發(fā)展,只有近8年的時間,但有關(guān)技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先國際。當(dāng)前涉及陶瓷薄板生產(chǎn)的企業(yè)也并不多,大多數(shù)陶瓷行業(yè)人士對陶瓷薄板生產(chǎn)的工藝技術(shù)及裝備了解有限。
為此,本期《陶城大講堂》“薄板專場”,將從陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝、技術(shù)難點、裝備配套、技術(shù)參數(shù)等方面來闡述陶瓷薄板的生產(chǎn)過程,以期讓更多行業(yè)人士對陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝技術(shù)有更為深入的了解與認(rèn)識。
歐洲技術(shù)封鎖,中國自力更生
由于歐洲國家對中國實行陶瓷薄板技術(shù)封鎖,為此,國家啟動陶瓷薄板研發(fā)項目,由蒙娜麗莎與科達機電合作,自主創(chuàng)新,最終研發(fā)出陶瓷薄板的生產(chǎn)技術(shù),實現(xiàn)中國陶瓷薄板零的突破。
歷經(jīng)坎坷,實現(xiàn)零的突破
2007年,蒙娜麗莎正式推出中國第一片陶瓷薄板,實現(xiàn)了中國陶瓷薄板從無到有的突破。陶瓷薄板的誕生讓人欣喜,但是,回首中國第一塊陶瓷薄板的誕生過程,因其工藝技術(shù)完全依靠中國人自主研發(fā),期間經(jīng)歷了諸多坎坷。
在“十五”期間,佛山市提出資源節(jié)約、技術(shù)創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型提升等相關(guān)政策,鼓勵陶企向資源節(jié)約型和環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變,而陶瓷薄型化正是國家及佛山市政府大力推動的項目。蒙娜麗莎通過華南理工大學(xué)教授陳帆了解到陶瓷薄板的相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)之后,于2005年10月組建了以蒙娜麗莎集團生產(chǎn)技術(shù)副總裁劉一軍、總工程師潘利敏、生產(chǎn)技術(shù)副總經(jīng)理張松竹等為主要人員的研發(fā)團隊,整個團隊共30余人,并由陳帆進行指導(dǎo),正式啟動大規(guī)格建筑陶瓷薄板項目。
值得一提的是,由于歐洲陶瓷強國對華封鎖了陶瓷薄板的生產(chǎn)技術(shù),因此陶瓷薄板的研發(fā),沒有任何可借鑒的工藝技術(shù),其工藝技術(shù)完全依靠蒙娜麗莎的人員自主研究。
由于科達機電當(dāng)時已經(jīng)有陶瓷薄板生產(chǎn)研發(fā)的相關(guān)設(shè)備,所以,蒙娜麗莎將自主研發(fā)的陶瓷薄板原料配方送至科達機電進行試驗。試驗的結(jié)果顯示效果很好,然后,蒙娜麗莎再重新調(diào)整配方,繼續(xù)優(yōu)化。
也正是由于試驗的效果良好,讓蒙娜麗莎與科達機電之后的合作順理成章。在確立合作關(guān)系以后,蒙娜麗莎的相關(guān)技術(shù)人員與生產(chǎn)人員進駐科達機電,并由科達機電提供食宿,蒙娜麗莎接管了科達機電從壓機到窯爐的整個生產(chǎn)線,為陶瓷薄板的研發(fā)打下了良好的基礎(chǔ),并最終生產(chǎn)出第一片陶瓷薄板,實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
解決“凸起的小包”頗費周折
雖然歐洲陶瓷強國對中國實行陶瓷薄板技術(shù)裝備的封鎖,但是,經(jīng)過蒙娜麗莎與科達機電的聯(lián)合研發(fā),依靠自我研究工藝技術(shù)和現(xiàn)有裝備力量,從試驗到投入生產(chǎn),僅僅用了一年多時間。其中,陳帆從各種渠道搜集陶瓷薄板相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)到第一次在科達機電進行試驗,總共耗時兩個月;從第一次試驗到第二次改進,總共耗時三個月;從確定配方到投入生產(chǎn),總共耗時八個月。并且,由蒙娜麗莎自主研發(fā)的干法生產(chǎn)工藝與歐洲的干法工藝有著極大的差別,相比不但壓制效率更高,而且產(chǎn)生的邊角余料更少,產(chǎn)品性能更好。
事實上,盡管蒙娜麗莎研發(fā)團隊在這么短的時間自主研發(fā)出陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝技術(shù),但是這個過程卻歷經(jīng)了諸多艱辛。據(jù)劉一軍介紹,當(dāng)時在生產(chǎn)過程中碰到最多的問題就是產(chǎn)品表面出現(xiàn)“凸起的小包”。
之所以出現(xiàn)這樣的問題,那是因為磚坯很薄,如果棍棒表面存在顆粒雜質(zhì),在生產(chǎn)過程中會存在污染,燒制過程中產(chǎn)品表面會出現(xiàn)部分凸起。為此,蒙娜麗莎研發(fā)團隊通過優(yōu)化原料配方,并精選原料,以此來提高生坯壓制的強度,提高燒結(jié)后的整體強度,從而克服這一問題。
在成形方面,由于產(chǎn)品超大、超薄,在脫模方面存在很大困難。為此,蒙娜麗莎與科達機電的研發(fā)人員一起尋找解決的方案,通過配電遷移的模式、配電循環(huán)的方式和余料回收系統(tǒng)等,來解決壓制、脫模、電子循環(huán)、余料回收等系列問題。特別是在配電方面,選擇了很多材料,最終找出適合薄板壓制的電阻,實現(xiàn)了批量化穩(wěn)定生產(chǎn)。
全球首創(chuàng)拋光陶瓷薄板
除了解決生產(chǎn)頑疾,還要解決裝飾印花和相關(guān)工藝等問題。最初的陶瓷薄板表面為純色,屬于通體純色板,沒有任何裝飾花紋,只是粉料達到強度和團結(jié)性能的坯料,經(jīng)過燒制出來的產(chǎn)品而已。
劉一軍介紹,當(dāng)時認(rèn)為要對這么印花或者拋光,覺得簡直是天方夜譚,難以實現(xiàn)。后來蒙娜麗莎研發(fā)團隊進行了無數(shù)次研發(fā),耗時近一年時間,終于解決了裝飾印花的難題,產(chǎn)品表面從純色發(fā)展到五顏六色,這大大提升了陶瓷薄板的裝飾性能。
同時,為了迎合中國消費者對于亮光產(chǎn)品的喜好,蒙娜麗莎研發(fā)團隊又花了三年時間,終于攻克了拋光工藝難題,先于歐洲企業(yè)生產(chǎn)出拋光面的陶瓷薄板,并成功將施釉、半拋光、微粉布料等傳統(tǒng)陶瓷的工藝都用在陶瓷薄板上面,讓陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝技術(shù)更加豐富。
在去年的意大利博洛尼亞陶瓷衛(wèi)浴展中,有意大利企業(yè)推出了拋光面的陶瓷薄板,產(chǎn)品與蒙娜麗莎的拋光陶瓷薄板極其相似。
隨著技術(shù)的不斷成熟,蒙娜麗莎研發(fā)團隊進一步在工藝技術(shù)的細(xì)節(jié)上進行改進和提升,薄板產(chǎn)品系列也逐漸豐富,現(xiàn)在已經(jīng)成功開發(fā)出仿石材、木紋、墻紙、拋光、亞光、金屬釉、結(jié)晶釉、玉石等產(chǎn)品,陶瓷薄板的發(fā)展開始進入了一個新的發(fā)展階段。
技術(shù)難點多,原料配方尤為關(guān)鍵
影響陶瓷薄板性能的因素繁多,包括材料本身、坯體強度、燒成工藝、冷加工等方方面面,而原料選擇和配方設(shè)計是最為關(guān)鍵的因素。不過,在蒙娜麗莎與科達機電研發(fā)人員的努力之下,這些問題都一一得到了解決。
五因素制約產(chǎn)品性能
陶瓷薄板要做大做薄,主要有五個方面的影響因素:
首先是陶瓷材料本身的影響,如單純將坯體規(guī)格變大,坯體厚度減小,將造成產(chǎn)品強度不夠,磚坯破損比例高,甚至成品強度達不到國家標(biāo)準(zhǔn)。因此,需要從機理上改善陶瓷材料的性能,提高陶瓷磚產(chǎn)品使用的抗沖擊性能及破壞強度。
其次為燒成工藝的影響,要研究與陶瓷材料配方相匹配的燒成工藝技術(shù),特別是當(dāng)陶瓷制品薄型化后,傳熱傳質(zhì)速度加快,如采用與未減薄前同樣的燒成溫度,將導(dǎo)致材料在高溫下發(fā)生蠕變軟化等問題,因此宜采用低溫快速燒成。
然后要將產(chǎn)品規(guī)格變大,坯體厚度減小的同時,要保證陶瓷薄板有足夠的干坯強度和成品強度。工藝過程研究是重點,其中包括粉料匹配的影響、成形過程的影響、干燥的配套工藝技術(shù)等。如是生產(chǎn)釉面制品,還應(yīng)充分考慮在壓制成形后的施釉、印花等工序,除了要調(diào)整成形壓力和配方體系外, 還應(yīng)考慮如何通過改變施釉、印花等方式,減少釉線上磚坯的破損。
最后產(chǎn)品冷加工過程也是優(yōu)等率保障的重要方面,特別是對拋光類的陶瓷薄板進行刮平。拋光等后期冷加工時,更要研究導(dǎo)致產(chǎn)品破損的因素。
多途徑改善原料配方
值得注意的是,由于陶瓷薄板規(guī)格大、厚度薄,在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)生坯和成品強度低、韌性差等問題。因此,陶瓷薄板的生產(chǎn)首先必須在原料選擇和配方設(shè)計時考慮陶瓷磚增強、增韌技術(shù)。
對于生坯強度的提高,主要采用以下幾種措施:第一,選用可塑性好,干燥強度高,品質(zhì)穩(wěn)定的粘土;第二,利用非全瘠性原料(如瓷石)代替瘠性長石原料,增加坯料的可塑性,提高生坯強度;第三,高性能坯體增強劑的應(yīng)用。
現(xiàn)有的陶瓷薄板組成與普通陶瓷磚有較大差異。對于相同SiO2-Al2O3-Na2O/K2O 體系的普通陶瓷磚和陶瓷薄板,陶瓷薄板組成中Al2O3含量相對較高。主要是在配料時,選擇了一些高鋁類粘土或者直接添加工業(yè)氧化鋁,從而增加制品中莫來石的含量,以達到提高產(chǎn)品的彈性和斷裂模數(shù)的目的。但是坯體中Al2O3含量的增加,不但提高了燒成溫度,而且也提高了瓷坯的熱膨脹系數(shù),因此,通常采用熱膨脹系數(shù)很低的含Li2O類原料代替部分含K2O和Na2O的長石類原料。
同時,為了拓寬陶瓷薄板的應(yīng)用范圍,建筑陶瓷行業(yè)將日用瓷中的鎂質(zhì)瓷、高石英質(zhì)瓷、骨質(zhì)瓷等配方進行優(yōu)化,使其適應(yīng)于建筑陶瓷薄板生產(chǎn)工藝,制備出一系列兼具其他功能的高性能陶瓷薄板。
國內(nèi)生產(chǎn),干法工藝穩(wěn)占主流
當(dāng)前,干法工藝在我國陶瓷薄板的生產(chǎn)中已非常成熟。蒙娜麗莎與科達機電研發(fā)的具自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)格干法成形陶瓷薄板整線裝備與技術(shù),打破了國際上的壟斷和封鎖,推動了陶機行業(yè)的發(fā)展和進步,而該技術(shù)也成為國內(nèi)陶瓷薄板生產(chǎn)的主流技術(shù)。據(jù)蒙娜麗莎板材事業(yè)部總經(jīng)理蒙政強介紹,由于干法工藝相比濕法工藝,產(chǎn)品的吸水率更低,因此蒙娜麗莎與科達機電從研發(fā)之初就選擇了研發(fā)干法工藝。
全方位調(diào)整裝備結(jié)構(gòu)
陶瓷薄板的生產(chǎn)主要有干法和濕法兩種工藝,主要的差異體現(xiàn)在陶瓷薄板的成形工藝。當(dāng)前干法工藝在國內(nèi)陶瓷薄板的生產(chǎn)中已非常成熟。
對于干法工藝,現(xiàn)有皮帶干壓成形和模具干壓成形兩種,其基本流程相似,即傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)方式。其優(yōu)點是生產(chǎn)效率高,人工少、廢品率低,生產(chǎn)周期短,生產(chǎn)的產(chǎn)品密度大、強度高,適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)。但該法受壓機噸位、模腔和壓制工作臺尺寸等限制,且壓制過程粉塵較大。
采用干壓法壓制成形時,對成形、裝飾機械、坯體輸送裝置、窯爐的設(shè)計制造提出了更高的要求。如壓制成形用的大噸位全自動液壓壓磚機,在成形壓力、工作臺面的尺寸和布置、布料裝置的結(jié)構(gòu)、模具的形成和結(jié)構(gòu)、大規(guī)模超薄磚的裝飾、坯體的輸送、窯爐內(nèi)溫度的分布、窯爐氣氛的控制等方面都需要重新進行研究和設(shè)計。
配套設(shè)備成熟先進
陶瓷薄板的研究開發(fā),從某種程度上,也促進了國內(nèi)陶瓷機械成形設(shè)備的制造和提升,從而完全打破了國際上對于陶瓷薄板生產(chǎn)的壟斷和封鎖。
配套裝備的成熟是陶瓷薄板大規(guī)模生產(chǎn)的前提。其中廣東科達機電股份有限公司能提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)格干法成形陶瓷薄板整線裝備與技術(shù)———雙活塞大噸位壓磚機和“魔術(shù)師”布料系統(tǒng),打破了國際上少數(shù)國家的壟斷和封鎖,現(xiàn)已應(yīng)用于生產(chǎn)線并生產(chǎn)出了合格的產(chǎn)品。其生產(chǎn)線日產(chǎn)量分別為3000m2和6000m2,產(chǎn)品規(guī)格為900×1800(mm),厚度為3.5-5.5mm,成品率可達95%。
歐洲企業(yè),濕法工藝為主
實際上,中國陶瓷薄板企業(yè)的產(chǎn)能已經(jīng)超過了意大利和西班牙等國家。而我國研制的擠出法一次燒大規(guī)格陶瓷薄板的全套工藝和成套裝備,也讓濕法工藝在國內(nèi)得到解決。
實際產(chǎn)能低于中國企業(yè)
上世紀(jì)80年代初,日本最早提出了陶瓷薄板的概念。2000年,意大利的西斯特姆(System)開啟陶瓷薄板的內(nèi)部研發(fā)項目,并于2002年首創(chuàng)LAMINA(薄板)技術(shù),開始實現(xiàn)陶瓷薄板的工業(yè)化生產(chǎn)。2006年,西班牙成功開發(fā)陶瓷薄板相關(guān)技術(shù)。隨后,歐美其他國家如墨西哥等地區(qū)相繼推出陶瓷薄板。截至2007年,歐洲70%以上的陶瓷品牌都有陶瓷薄板產(chǎn)品問世。目前陶瓷薄板在歐洲占據(jù)了重要的市場份額,可以看到,陶瓷薄板與噴墨技術(shù)共同成為國際陶瓷展上的兩大熱點。
作為第一個發(fā)明陶瓷薄板的國家,意大利在原材料處理、成形技術(shù)等方面更加成熟。最初,西斯特姆建立了一個內(nèi)部實驗工廠,配備了1.5萬噸的壓機和可生產(chǎn)1000×3000×3(mm)陶瓷薄板的電窯。自2012年起,西斯特姆正式推出薄板生產(chǎn)技術(shù),可將面積達1.6×5(m)的薄板厚度控制在3-20mm。在2012年的意大利里米尼陶瓷技術(shù)展上,西斯特姆推出了尺寸為1×3(m),厚度為3mm的陶瓷薄板。
據(jù)悉,目前意大利至少有4個集團公司擁有10條陶瓷薄板生產(chǎn)線并推出了相應(yīng)的產(chǎn)品,其次是西班牙和土耳其等國家。西斯特姆預(yù)測,截至2014年年底,全球?qū)鲁闪?家陶瓷薄板生產(chǎn)商(意大利、俄羅斯、土耳其、印度尼西亞、泰國)。不過,國內(nèi)陶瓷薄板企業(yè)的實際產(chǎn)能已經(jīng)超過了意大利和西班牙等國家,僅蒙娜麗莎一家企業(yè)的年產(chǎn)量就達到300萬平方米。
濕法工藝在國內(nèi)得到解決
與我國陶瓷薄板所采用的生產(chǎn)工藝不同,大部分歐洲陶瓷薄板采用的是濕法工藝,即擠壓(滾壓)成形技術(shù)。
濕法生產(chǎn)陶瓷薄板的制造工藝一般分泥料制備、成形、干燥素?zé)氤善芳庸、裝飾釉燒、包裝入庫6個工序。具體流程為:配料-干混-練泥-陳腐-擠出成形-干燥-半成品加工-裝飾-釉燒-分級包裝入庫。其主要設(shè)備為真空擠泥機、雙輥擠壓機和輸送機。
值得注意的是,廣東摩德娜科技股份有限公司已成功研制出擠出法一次燒大規(guī)格陶瓷薄板的全套工藝技術(shù)和成套裝備,填補了國內(nèi)濕法制備大規(guī)格陶瓷薄板的空缺。該套設(shè)備所制備的陶瓷薄板厚度僅3-5mm,規(guī)格尺寸可達到1.2×1.8(m),生產(chǎn)過程粉塵少,且比同樣厚度的干壓陶瓷板密度高。
在陶瓷薄板的生產(chǎn)工藝中,流延法(又稱帶式澆注法或刮刀法)是被看好的革新技術(shù)。其成形工藝包括漿料制備、成形、干燥、剝離基帶等過程,由于一般用于制造超薄型陶瓷制品,因此坯料的細(xì)度、粒形要求比較高,粒度越細(xì),粒形越圓滑,流動性越好,薄坯的質(zhì)量越高。根據(jù)流延法的工藝特點,可做小于1mm厚度的陶瓷薄板,像墻紙一樣,可作室內(nèi)裝修,即“陶瓷墻紙”。