CN1314318A - 由碎玻璃制造的玻晶砖装饰建材及其制造方法 - Google Patents

由碎玻璃制造的玻晶砖装饰建材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用废弃的瓶罐或平板碎玻璃制造的结晶玻璃陶瓷绿色建材产品,其重量百分数可达40～70%,它可以呈现仿玉或仿石的两种质感,可调制出多种颜色、仿花岗岩或迷彩效果,莫氏硬度可达6左右,抗折强度高达40～50Mpa,耐酸性>95%,耐碱性>90%,各项性能指标均优于陶瓷砖,与烧结法微晶玻璃相当。该材料具有下列组成范围:SiO260－70%、Al2O36－12%、CaO5－10%、MgO1－4%、Fe2O30.1－3%、R2O8－12%、TiO20.1－0.4%、Cr2O30－0.1%、BaO0－0.8%等;烧结温度为950～1100℃之间。生产工艺可采用集积法或模压法。生产线投资及成本均低于陶瓷砖或烧结法微晶玻璃。

Description

由碎玻璃制造的玻晶砖装饰建材及其制造方法
以城市垃圾或固体废弃物中的碎玻璃为主要原料生产的墙地面装饰板材以及道路和广场用砖，是一种环保型绿色建材，称之为玻晶砖(glasscrystal tile)。它可具有仿玉或仿石两种质感。这种新材料完全符合清洁生产的3R原则：减量化原则(Reduce)、再使用原则(Reuse)和再循环原则(Recycle)的要求。这是因为：第一，生产中使用的粘土等为地球上不断枯竭的资源，玻晶砖的用量比其它相似产品要少得多；并且与陶瓷相比，由于不用喷雾干燥、烧成温度较低且生产周期短，可节约能源，二氧化碳等废气排放量可减少25％以上，生产成本低于其它相类似产品，因此符合减量化原则。第二，产品性能优于粉煤灰水泥砌块、水磨石、陶瓷砖，与烧结法微晶玻璃(国内叫微晶石或玉晶石)相当。它的莫氏硬度可达6左右，远高于水磨石，因而它的使用寿命比水磨石或石塑板要长得多；它的抗折强度约为40-50Mpa，远大于陶瓷砖；由于它的孔隙率比花岗岩少得多，因而更易清洁，而且色差小，无放射性，较好地解决了困扰花岗岩乃至陶瓷砖作外墙或地面装饰时的“吸脏”难题；由于废物利用、能耗低、工艺流程短和投资小，所以生产成本较低，并由于这种新型建材使用范围很广，可长期反复使用于不同场合，因此符合再使用原则。第三，废品站已不愿收购日益增多的碎玻璃，特别是最近国家限制啤酒瓶的重复使用后，废旧啤酒瓶量剧增，国家又要求关闭原来大量消耗碎玻璃的小玻璃厂，使之成为城市固体垃圾处理中的严峻问题之一，玻晶砖的开发为碎玻璃再循环恰好开辟了一条高附加值再利用的新途径；其次，废旧的玻晶砖本身也可以回收再循环利用，而陶瓷砖等其它建材则没有这种可能性，所以也符合再循环原则。
这种材料既非玻璃，也非陶瓷，但具有比这两种材料更高的抗折强度、耐磨性和硬度，更卓越的耐酸碱和耐大气腐蚀的性能，更优良的隔热性和抗冻性，更易清洁维护，并具有较低的生产成本和投资。
本发明的目的旨在生产仿石或仿玉两种质感的价廉物美的环保型玻晶砖建材，以部分替代传统上常用的易吸脏的高档陶瓷砖(玻化砖)、色差大的天然石材、强度差和寿命短的粉煤灰水泥砌块或水磨石，乃至价格高的微晶石或玉晶石等。
作为利用碎玻璃制造仿花岗岩建材过去有过各种报导。其中中国专利CN 87104465 A公布了利用玻璃粉加河砂，以糊精为粘结剂，经加压成型后烧结成建材，但其表面质量较差。中国专利CN 92108134.0 A(公布日1992.11.4)公布了利用小于7mm的玻璃粉为原料，以碱金属硅酸盐水溶液为粘结剂，经加压成型后在700-900℃下烧结成建材，虽克服了前一专利的缺陷，但其理化性能不如目前常用的陶瓷砖，而且生产时还要用砒霜等剧毒添加剂。日本特开平6-247764 A(公布日1994.9.6)公布了一种以碎玻璃为主料，加膨润土，用水作粘结剂，加压成型后在950-1000℃下烧结成建材，但成本较高，缺少花色。欧洲专利EP 0629589 A2(公布日1994.03.24)或美国专利US 5536345 A(公布日1996.7.16)公布了一种以碎玻璃为主料，加石英砂和色料，分层集积加压成型后在920℃下烧结成仿花岗岩建材，解决了多种花色问题，但该材料的抗折强度仅10-20Mpa，低于陶瓷砖的国家标准25Mpa。
本发明产品采用瓶罐或平板等碎玻璃粉体为基质，重量百分数可达40～70％，加入生产陶瓷用的某些廉价的粘土和高岭土等粉末状原料，掺入微量色料，成型后在950-1100℃下烧结成建材，其性能价格比均优于上述各专利所提及材料。
以氧化物原料的重量百分数表示，本发明建材的主要化学组成范围为：
SiO2 60-70    Al2O3 6-12    CaO  5-10
MgO   1-4      Fe2O3 0.1-3   R2O 8-12
TiO2 0.1-0.4  Cr2O3 0-0.1   BaO  0-0.8
生产工艺过程包括：原料清洗--粉碎--筛分--配料--混合--成型--干燥--烧结--整理--检验--包装。
碎玻璃原料经清洗后，用颚式破碎机、锤式破碎机或反击式破碎机进行粗碎和中碎，然后进球磨机进行细碎。根据产品的品种需要，对各种原料粒度的要求各异，一般在60～150目范围内。
粉碎好的碎玻璃及各种辅料，按配方要求精确称量后，加入混合机中与少量水混合均匀，均匀度应达到98％以上。
成型有两种方法，因而形成不同的后续工艺路线：
(一)集积法。
配合料按生产规格要求，均匀地定量布料在耐火材料模具内，模具底部事先涂上一薄层刚玉或石英粉，便于脱模。按花色要求采用不同颜色的配合料混匀，实现整体着色；或采用不同颜色、不同粒度的原料进行混合后再行布料，实现仿花岗岩装饰效果；也可多次布料得到迷彩的装饰效果。要严格控制模具内各点料层的密实度均匀一致，表面平整。
将布好料的模具平移到窑车上。根据产量不同，可采用隧道窑或抽屉窑。根据窑内高和模具高度不同，窑车台面上可装3～5层模具，模具之间用合成堇青石一莫来石支架支撑。装满模具的窑车进入窑内进行干燥和烧结。升温速度应控制在5～15℃/分之内，以确保配合料中水分和反应气体能顺利排出。达到要求的烧成温度950～1100℃后，保温30-60分，使整个料层充分进行反应，控制结晶的速度和程度，符合不同产品对结晶的不同要求。结晶越充分，结晶相所占比例增多，玻璃相比例减少，则呈现石材的质感。相反，如果玻璃相比例较大，则呈现玉石的质感效果。此外，炉料表层借助玻璃液表面张力的作用，消除表面气孔，达到自动抛光效果。
根据X-衍射分析，本发明的结晶玻璃陶瓷体中的所谓结晶相组成十分复杂，主要是选自下列这些矿物质：钠长石(Na2O·Al2O3·6SiO2)、高岭石(Al2O3·2SiO2·2H2O)、失透石(Na2O·3CaO·6SiO2)、莫莱石(3Al2O3·2SiO2)、α-石英(α-SiO2)等等。
保温结束后，以10～30℃/分的急冷方式，使产品迅速降温到650～700℃，以防晶粒过分粗大，影响产品的强度。随后则应以5～8℃/分的慢冷方式对产品进行退火，消除产品的内应力。出窑温度应＜60℃，以便能在回车线中进行产品的人工装卸。卸下的产品按要求进行裁切倒角，必要时可进行产生镜面效果的机械研磨抛光，经检验合格后进行包装，送往仓库存放。
(二)模压法。
水分和粘土含量比集积法高一些的配合料被输送到压机上方的喂料斗内，分料器将经喂料斗和软管的粉料沿料槽左右运动，均匀地洒落在料斗粉料槽内。滑行车架的栅格刮载着粉料对模腔布料。压机按工作循环曲线要求，对模腔内的粉料进行加压、排气、卸压、动梁上升、顶出、推砖等操作。压力以20-40Mpa为宜，使涩坯强度在1.5Mpa以上。砖坯被推到耐火材料垫板上，然后移送至辊道窑的辊道上。干燥、升温、保温、急冷、慢冷的烧成制度与集积法相似，为了尽量减少辊道窑长度，总的烧成时间可比隧道窑短，但辊道窑的热容比隧道窑小得多，因而能耗比集积法低。
从辊道窑出口卸下的产品经整理、检验、包装后入库存放。
从上述两种生产工艺的介绍可见，与陶瓷砖相比，少了喷雾干燥等工序，与烧结法微晶玻璃相比，少了玻璃熔化等工序，因而不但玻晶砖的生产投资较少，而且能耗少和成本低。
无论采用上述两种方法中哪一种，烧成制度必须严格控制，窑内温度制度曲线的控制精度应保证在10℃范围内，以便减少产品的气孔或变形等缺陷。
碎玻璃可以是绿色或白色等玻璃瓶罐，也可以是平板玻璃等。由于它们所含的组分不同，工艺制度将有所差别，但均可在前述组成参数范围之内调整。
玻晶玉或玻晶石的着色是采用＜1％重量比的色釉料。粒度为80～150目。底色的色调或颜色深浅的不同，可通过调节色料浓度和绿、白玻璃比例来实现。如果混合均匀，产品呈现均色；如果采用不同颜色和粒度配合料，则呈现仿花岗岩效果；如果局部多次布料，则呈现迷彩效果。必要时可根据用户要求通过机械研磨抛光达到光泽度在75以上的镜面效果。
更换模具，可以成型为板材、厚砖、角形砖和盲道等多种预定外形和多种尺寸的产品。
对多块样品的测试表明，其密度为2.50～2.55g/cm3，抗折强度为40～50MPa，莫氏硬度为6左右，耐酸性＞95％，耐碱性＞90％。玻晶石的强度与硬度高于玻晶玉产品，但玻晶玉的光泽度优于玻晶石。
为了进一步说明本发明的内容，以下给出作为本发明内容的实施例，但这些实施例并不对本发明主体的范围构成限制。
[实施例1]
表1给出了采用集积法的本发明玻晶砖的各项结果。试样1全部采用废绿玻璃瓶为主料，加入当地的粘土和高岭土，使成分如表1所示；粉碎到通过60目筛后，加入3％的水混匀；将此配合料均匀布料在内壁涂有刚玉粉的耐火材料模具内，然后放入电炉加热；升温到烧结温度后，保温一段时间，使配合料中各组份充分反应，表层料充分流动摊平；随后冷却到室温，取出样品对其外观和理化性能进行评估。试样2全部采用废白玻璃瓶为主料，其它操作步骤同前。试样3采用废绿、白玻璃瓶各半为主料，其它操作步骤同前。试样4全部采用废窗玻璃为主料，表层再随机撒上色料，其它操作步骤同前。
由表1所列数据可见，各玻晶砖试样的各项指标均优于目前市场上公认质量较好的仿花岗岩陶瓷地砖，与昂贵的烧结法微晶玻璃相当。
    试样     1     2     3     4
试样组成{重量％{     SiO2     63.5     69.4     66.5     69.9
    Al2O3     10     7.8     9.1     9.1
    CaO     9.1     9     8.5     6.9
    MgO     3     1.8     2.9     2.4
    Fe2O3     2.4     0.1     1.05     1
    R2O     11.5     11     11.2     10.3
TiO2 0.1 0.1 0.1 0.2
    Cr2O3     0.1     0     0.05     0
    BaO     0.3     0.8     0.6     0.2
    升温时间(分)     125     135     125     135
    烧结温度(℃)     1030     1060     1050     1080
    保温时间(分)     60     45     50     40
    冷却时间(分)     240     240     240     240
外观 表面光洁性     良     良     良     良
    色调     绿     米白     浅绿     米白
    花纹     隐花斑     隐花斑   仿花岗岩     迷彩
    莫式硬度     5.9     6.0     5.9     6.2
    抗折强度(Mpa)     45     48     46     49
    吸水率(％)     0.03     0.03     0.04     0.05
    耐酸度(％)     97     97     96     95
    耐碱度(％)     92     93     92     91
                      表1
[实施例2]
    试样     1     2     3     4
试样组成{重量％}     SiO2     62.5     69     66     69.5
    Al2O3     11     8.2     9.6     9.5
    CaO     9     9     8.5     6.8
    MgO     3     1.9     2.9     2.5
    Fe2O3     2.5     0.2     1.05     1.2
    R2O     11.5     11     11.2     10.1
    TiO2     0.1     0.1     0.1     0.2
    Cr2O3     0.1     0     0.05     0
    BaO     0.3     0.8     0.6     0.2
    升温时间(分)     120     115     110     110
    烧结温度(℃)     1020     1010     1000     1020
    保温时间(分)     40     50     60     45
    冷却时间(分)     210     210     200     200
外观 表面光洁性     良     良     良     良
    色调     绿     玫瑰红     蓝     黄
    花纹     匀色     匀色     匀色     匀色
    莫式硬度     5.8     5.9     5.8     6.1
    抗折强度(Mpa)     44     47     45     50
    吸水率(％)     0.03     0.03     0.04     0.05
    耐酸度(％)     97     97     96     95
    耐碱度(％)     92     93     92     91
                           表2
表2给出了采用模压法的本发明玻晶砖的各项结果。试样1-4采用与[实例2]一样的主料，加入当地的粘土和高岭土，使成分如表2所示；粉碎到60目以上后，分别加入0.5％左右的绿、玫瑰红、兰或黄色色料和5％的水混匀；将此配合料加到压机的模腔内，在30Mpa压力下成型；脱模后的坯体放在耐火材料垫板上，送人电炉烧结，其它操作步骤同前例。
由表2所列数据可见，各色玻晶砖试样的各项指标均优于目前市场上公认质量较好的玻化砖，与昂贵的烧结法微晶玻璃相当。

Claims (4)

1、一种由碎玻璃制造的环保型结晶玻璃陶瓷建材，其特征在于以氧化物的重量百分数表示，该建材的化学组成范围为
SiO2 60-70   Al2O3 6-12    CaO  5-10
MgO   1-4     Fe2O3 0.1-3   R2O 8-12
TiO2 0.1-0.4 Cr2O3 0-0.1   BaO  0-0.8
2、一种由碎玻璃制造的环保型结晶玻璃陶瓷建材的方法，其特征在于包含以下主要步骤：
(a)将瓶罐或平板碎玻璃粉碎成为60-150目的细粉末；
(b)将各种原料、色料与3-6％的水混合成均匀的分散体系配合料；
(c)将配合料定量地布料在耐火材料制模具内，成为具有板材、厚砖、角形砖或盲道砖预定外形、预定颜色和花纹的具体形态物；
(d)将所述的具体形态物带模装在隧道窑或抽屉窑的窑车台面上，模具之间用耐火材料支柱隔开，然后将装满的窑车不断推入窑内加热至950-1100℃，经保温、快冷、慢冷，烧结成一个完整外形的玻晶砖。
3．一种由碎玻璃制造的环保型结晶玻璃陶瓷建材的方法，其特征在于包含以下主要步骤：
(a)将瓶罐或平板碎玻璃粉碎成为60-150目的细粉末；
(b)将各种原料、色料与4-8％的水混合成均匀的分散体系配合料；
(c)将配合料定量而均匀地布料在自动压机的模腔内，经压制而成为具有板材、厚砖、角形砖或盲道砖等预定外形、预定颜色和花纹的具体形态物；
(d)将所述的具体形态物经干燥后移送到垫板上，再推入辊道窑内加热、保温、快冷、慢冷，使所述的完整的物体在950-1050℃温度下结晶成玻晶砖。
4．一种由碎玻璃制造环保型结晶玻璃陶瓷建材的着色方法，其特征在于可以采用少于1％的色釉细粉掺入前述配合料中实现整体着色；或者采用不同粒度、不同颜色的配合料混合后布料，使玻晶砖呈现仿花岗岩花纹；也可通过分层布料，使玻晶砖表面得到迷彩的装饰效果。
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