高抗熱震性骨質(zhì)瓷的研制

黃岳喜　吳鐵軍　黃振豪

摘要：本文以骨炭、鋰瓷石、高嶺土、石英、石灰石、滑石粉為主要原料，通過(guò)對(duì)骨質(zhì)瓷的配方、坯料制備工藝及燒成工藝的研究探索，改善坯釉適應(yīng)性，研制出抗熱震性優(yōu)良的日用骨質(zhì)瓷產(chǎn)品。其抗熱震性較國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《骨質(zhì)瓷器》提高40℃，同時(shí)還分析討論了骨質(zhì)瓷抗震性能的影響因素。

關(guān)鍵詞：骨質(zhì)瓷；抗熱震性；工藝；燒成

1 前言

骨質(zhì)瓷起源于英國(guó)，長(zhǎng)期以來(lái)是英國(guó)皇家專(zhuān)用瓷。中國(guó)唐山是國(guó)內(nèi)最早生產(chǎn)骨質(zhì)瓷的瓷區(qū)，近年來(lái)潮州瓷區(qū)開(kāi)始吸收國(guó)內(nèi)外骨質(zhì)瓷的生產(chǎn)技術(shù)，也有了骨質(zhì)瓷的生產(chǎn)。

骨質(zhì)瓷是高級(jí)日用細(xì)瓷之一，其瓷質(zhì)細(xì)膩，具有色澤柔和、高潔白、高透光度、釉面光亮平整等性能，是其他日用瓷器無(wú)法比擬的。但骨質(zhì)瓷美中不足就在于其抗熱震性差，在抗熱震性方面遠(yuǎn)比不上普通日用瓷器。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13522—2008《骨質(zhì)瓷器》抗熱震性規(guī)定為140℃～20℃熱交換一次不裂，比普通日用瓷器的抗熱震性低了40℃。本文通過(guò)在骨質(zhì)瓷坯料中引入鋰瓷石，以骨炭、鋰瓷石、高嶺土、石英、石灰石、滑石等為原料，配以無(wú)鉛熔塊釉制備骨質(zhì)瓷。通過(guò)合理調(diào)整坯釉料的配方減小其熱膨脹系數(shù)差值，以改善坯釉的適應(yīng)性，并調(diào)整燒成工藝，研制出抗熱震性優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的骨質(zhì)瓷器。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1坯用原料及化學(xué)組成

制備骨質(zhì)瓷的主要原料有骨炭、鋰瓷石、高嶺土、石英、滑石、石灰石等，其化學(xué)組成如表1所示。

2.2坯釉料配方及其化學(xué)組成

在骨質(zhì)瓷坯體原料中，引入含鋰原料的鋰瓷石代替長(zhǎng)石作熔劑。適量增加石英含量，降低坯體熱膨脹系數(shù)，提高其抗熱震性。骨質(zhì)瓷釉采用無(wú)鉛熔塊釉，其化學(xué)組成如表2所示。

骨質(zhì)瓷坯式：

骨質(zhì)瓷釉式：

2.3坯料制備工藝

原料的加工處理：

骨炭：經(jīng)球磨細(xì)度達(dá)到要求（過(guò)200目篩）后，進(jìn)行酸洗除堿后備用。

高嶺土，鋰瓷石：采用機(jī)錘加工10～14h后洗泥過(guò)250目篩備用。

石英，石灰石：經(jīng)粗碎、細(xì)碎后過(guò)20目篩備用。

滑石：經(jīng)1300℃溫度煅燒后粉碎備用。

坯料制備的工藝流程圖如圖1所示：

球磨時(shí)，料：球：水配比為1：1.8：0.8，球磨時(shí)間約20h，細(xì)度達(dá)到萬(wàn)孔篩篩余<0.01%。泥漿必須經(jīng)除鐵3遍，并過(guò)250目篩，方可壓濾。泥餅練泥時(shí)，練泥機(jī)真空度應(yīng)≥0.98MPa以上。泥條陳腐時(shí)間在7天以上方可使用?？伤艹尚文嗔纤挚刂圃?2%～23%，注漿成形泥漿水分控制比重為1.6～1.75。

2.4燒成

本文骨質(zhì)瓷采用高溫素?zé)?，燒成溫度?270～1280℃；低溫釉燒，燒成溫度為1150～1160℃。

燒成曲線是根據(jù)骨質(zhì)瓷燒成的特點(diǎn)制訂的，其燒成溫度范圍窄，難度大。主要表現(xiàn)在：從1200℃坯體開(kāi)始形成熔體，達(dá)到共熔溫度時(shí)，液相量急劇增加，坯體發(fā)生極大的收縮。這時(shí)如果燒成控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致產(chǎn)品的變形和熔塌。針對(duì)這一特點(diǎn)，采取控制升溫速度的措施，使熔融階段緩慢進(jìn)行，制訂出合理的坯體燒成曲線。達(dá)到燒成溫度下限時(shí)，保溫40min后?；?，然后打開(kāi)窯門(mén)急冷至1000℃，再重新關(guān)上窯門(mén)，采用自然冷卻。

素?zé)黧w的燒成曲線見(jiàn)圖2，釉燒產(chǎn)品的燒成曲線見(jiàn)圖3。

2.5拋光

經(jīng)燒成后的素坯，采用振動(dòng)拋光機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行打磨拋光，使坯體表面干凈、光滑。拋光后用清水沖洗干凈后，送干燥房烘干備用。

2.6施釉

素坯施釉，采用噴釉法，根據(jù)產(chǎn)品的器型、大小噴施不同濃度的釉。一般濃度控制在65～75波美度之間，釉層厚度控制在0.1～0.3mm。

3 產(chǎn)品性能測(cè)定

3.132頭展慧牌骨質(zhì)瓷餐具各項(xiàng)指標(biāo)性能測(cè)試

本文對(duì)所制備的32頭展慧牌骨質(zhì)瓷餐具各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果如表3所示。

3.2代表件口徑110mm骨質(zhì)瓷碗抗熱震性能檢測(cè)

本文對(duì)所制備的代表件口徑110mm骨質(zhì)瓷碗的抗熱震性能進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果如表4所示。

4 產(chǎn)品主要性能指標(biāo)比較

（1） 骨質(zhì)瓷中磷酸三鈣含量為41%，高于國(guó)標(biāo)要求≥36%。

（2） 產(chǎn)品吸水率0.1%，小于國(guó)標(biāo)要求≤0.5%。

（3） 產(chǎn)品抗熱震性：代表件測(cè)試200℃～20℃熱交換一次不裂，產(chǎn)品平均抗熱震性180℃～20℃熱交換一次不裂，高于國(guó)標(biāo)要求140℃～20℃熱交換一次不裂。

（4） 產(chǎn)品外觀口徑誤差，符合國(guó)標(biāo)要求。

（5） 產(chǎn)品白度87～88%，高于國(guó)標(biāo)80%。

（6） 產(chǎn)品鉛鎘溶出量：鉛<0.1，鎘<0.01，符合美國(guó)FDA、美國(guó)加州65準(zhǔn)則要求，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

5 討論與分析

5.1鋰瓷石對(duì)產(chǎn)品抗熱震性的影響

鋰瓷石是含鋰的礦物原料，所含的Li2O可代替長(zhǎng)石起熔劑的作用，降低坯體的燒成溫度。引入鋰長(zhǎng)石可減少骨質(zhì)瓷坯體中K2O、Na2O的含量，與K2O、Na2O相比，Li2O具有較低的熱膨脹系數(shù)，因此采用鋰瓷石為原料有利于提高產(chǎn)品的抗熱震性。同時(shí)Li2O還具有很強(qiáng)熔解石英的能力，可以提高坯體高溫粘度，增強(qiáng)抵抗高溫變形的性能，增大坯體的密度與強(qiáng)度。但過(guò)量的引入會(huì)增加坯體的液相量，使燒成溫度范圍變得更窄，燒成難度更大。研究證明，原料中Li2O的含量為0.32%時(shí)，產(chǎn)品抗熱震性最好。

5.2石英的含量對(duì)產(chǎn)品抗熱震性的影響

在骨質(zhì)瓷坯體中，石英的含量對(duì)坯體中石英晶型的存在形式有著密切關(guān)系。隨著石英含量的改變，石英的性質(zhì)也隨之改變，坯體中石英的含量適中可以提高產(chǎn)品的抗熱震性。

在燒成過(guò)程中，骨質(zhì)瓷坯體中所形成的高溫熔體，具有很強(qiáng)熔解石英顆粒的作用。當(dāng)達(dá)到共熔溫度時(shí)，坯體中的石英顆粒不斷熔入高溫熔體中；石英在高溫熔體中形成了低熱膨脹系數(shù)的石英玻璃，改變了石英的性質(zhì)，從而提高了產(chǎn)品的抗熱震性。但引入過(guò)量的石英，會(huì)使石英在液相中過(guò)飽和而從玻璃相中析出石英晶體。在冷卻過(guò)程中，這些石英晶體會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變、伴隨體積變化和產(chǎn)生熱應(yīng)力，使產(chǎn)品抗熱震性降低。在骨質(zhì)瓷原料配比中，SiO2的含量為35%時(shí)，有助于提高產(chǎn)品的抗熱震性。

5.3坯釉適應(yīng)性對(duì)產(chǎn)品抗熱震性的影響

坯釉適應(yīng)性是指熔融性能良好的釉，冷卻后與坯體緊密結(jié)合在一起，不開(kāi)裂也不剝落的能力。

當(dāng)釉的膨脹系數(shù)小于坯時(shí)，冷卻時(shí)，釉處于壓應(yīng)力。當(dāng)釉的膨脹系數(shù)大于坯時(shí)，冷卻時(shí)，釉處于張應(yīng)力。如果坯釉間產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致釉層的剝落或開(kāi)裂。如果坯釉膨脹系數(shù)相等，冷卻時(shí)，釉既沒(méi)有壓應(yīng)力，也沒(méi)有張應(yīng)力；釉層也不存在永久熱應(yīng)力，坯釉形成一個(gè)整體，但實(shí)際上難于達(dá)成一致。當(dāng)釉處于很小的張應(yīng)力時(shí)，對(duì)釉層的影響卻很大，容易導(dǎo)致釉層開(kāi)裂。而具有壓應(yīng)力的釉，由于其耐壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗張強(qiáng)度，可以抵消部分熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力加于產(chǎn)品上的張應(yīng)力，從而提高產(chǎn)品的抗熱震性。

因此，提高骨質(zhì)瓷產(chǎn)品的抗熱震性，首要條件是使坯釉的膨脹系數(shù)相適應(yīng)。本研究通過(guò)引入含鋰的原料，適當(dāng)?shù)卦黾邮⒑康确椒?，?lái)調(diào)整坯體的膨脹系數(shù)，降低坯釉間膨脹系數(shù)的差值，并使釉的膨脹系數(shù)略小于坯，釉處于較小的壓應(yīng)力，從而提高產(chǎn)品的抗熱震性。經(jīng)檢測(cè)，在0～700℃，坯體的線膨脹系數(shù)為7.665×10—6/℃，而釉的線膨脹系數(shù)為6.202×10—6/℃。據(jù)文獻(xiàn)介紹，坯釉的膨脹系數(shù)差值在（0.8～2）×10—6/℃范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)品的抗熱震性最佳。

此外，適當(dāng)?shù)挠詫雍穸?，可以提高釉的彈性，減少產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋的危害，釉層的厚度一般以控制在0.1～0.3mm之間為宜。適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間有利于坯體的充分熔融和中間層的生成，對(duì)緩解坯釉膨脹系數(shù)差所造成的危害應(yīng)力起促進(jìn)作用。

6 結(jié)論

（1） 經(jīng)多年生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，筆者試制的高抗熱震性展慧牌日用骨質(zhì)瓷最佳坯釉配方如下：

坯式：

釉式：

（2）在骨質(zhì)瓷坯體中引入0.32% Li2O和35% SiO2時(shí)，可以降低坯體的膨脹系數(shù)，改善坯釉的適應(yīng)性，提高產(chǎn)品的抗熱震性。

（3） 生產(chǎn)工藝的嚴(yán)格控制和合理的燒成制度是提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效保證。

參考文獻(xiàn)

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