高強(qiáng)度鎂質(zhì)日用瓷的性能研究

余 輝，羅凌虹，石紀(jì)軍，程 亮

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

高強(qiáng)度鎂質(zhì)日用瓷的性能研究

余 輝，羅凌虹，石紀(jì)軍，程 亮

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

以MgO-A12O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖為理論依據(jù)確定鎂質(zhì)瓷配方范圍。通過(guò)考察滑石用量、長(zhǎng)石用量、高嶺土用量、燒成溫度對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響，對(duì)鎂質(zhì)瓷配方進(jìn)行優(yōu)化，得到抗折強(qiáng)度較高(160．5MPa)、白度高的鎂質(zhì)日用瓷配方。

鎂質(zhì)瓷；日用瓷；抗折強(qiáng)度

0 引 言

鎂質(zhì)瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、瓷質(zhì)細(xì)膩潔白、透光性好等優(yōu)點(diǎn)，該材質(zhì)的日用瓷餐具、茶具與傳統(tǒng)瓷相比別有一番風(fēng)味，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上倍受青睞[1]。由于鎂質(zhì)瓷機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好，最早作為一種電瓷材料。七十年代鎂質(zhì)日用瓷才被成功研制，并用于生產(chǎn)各種藝術(shù)瓷、餐具、茶具等[2]。隨著人們生活質(zhì)量的提高，細(xì)膩白透、機(jī)械強(qiáng)度高的鎂質(zhì)日用瓷在陶瓷行業(yè)中有較好的發(fā)展前景。

試驗(yàn)根據(jù)MgO-A12O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖系統(tǒng)分析鎂質(zhì)瓷較為合理的配方范圍，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了滑石用量、長(zhǎng)石用量、高嶺土用量、燒成溫度對(duì)鎂質(zhì)瓷強(qiáng)度的影響，得到抗折強(qiáng)度較高的鎂質(zhì)日用瓷配方和最佳燒成溫度，并制得抗折強(qiáng)度較高，瓷質(zhì)細(xì)膩，透白柔和的鎂質(zhì)瓷。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

1.1 鎂質(zhì)瓷坯體配方的初定

組成鎂質(zhì)瓷坯體配方主要礦物原料有滑石、長(zhǎng)石、高嶺土和少量堿土金屬礦物，成瓷后的鎂質(zhì)瓷主晶相為原頑火輝石；其次為玻璃物質(zhì)、斜頑火輝石、少量氣孔和堇青石[3]。從圖1鎂硅鋁三元系統(tǒng)相圖[4]中可以看出，頑火輝石初晶區(qū)等溫線較密集，說(shuō)明在此配料范圍內(nèi)燒結(jié)過(guò)程中液相量的變化比較緩慢。為此在此組成溫度范圍內(nèi)的鎂質(zhì)瓷坯體會(huì)有較寬的燒成范圍，而偏高嶺土與偏滑石的連線上等溫線稀疏，該段配合點(diǎn)的燒成溫度高且燒成范圍窄[5]。

鉀長(zhǎng)石的引入可以在瓷體燒成過(guò)程中產(chǎn)生高粘度的液相。隨著溫度的升高，液相量的變化也較緩慢。因此，鎂質(zhì)瓷的燒成范圍變寬且燒成溫度降低，燒成的瓷體變形度小，其主晶相原頑火輝石的晶型轉(zhuǎn)變受到抑制。鉀長(zhǎng)石用量與滑石用量比一般在1∶7．2～1∶2．7之間。高嶺土過(guò)量地引入會(huì)使組成偏向堇青石區(qū)域，燒成范圍變窄，一般高嶺土用量不超過(guò)15wt．%為好?；挠昧吭龆?，瓷體的膨脹系數(shù)增加，熱穩(wěn)定性會(huì)變差。一般滑石用量大于高嶺土用量的四倍時(shí)，該配方有較寬的燒成溫度范圍[6]。

圖1 MgO—A12O3—SiO2三元系統(tǒng)相圖Fig.1 MgO - A12O3- SiO2ternary phase diagram

堿土金屬的引入有利于玻璃相的生成促進(jìn)瓷體燒成，形成高粘度的玻璃相拓寬燒成范圍。其中適量方解石(2wt．%左右)的引入還可以提高瓷體的透明度和耐磨性；適量氧化鋅(3wt．%左右)的引入可以提高瓷體的光澤度；適量碳酸鋇(3wt．%左右)的引入可生成硅鋇質(zhì)玻璃。原頑火輝石在常溫下會(huì)緩慢發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，生成斜頑火輝石，導(dǎo)致瓷體強(qiáng)度降低甚至粉化。硅鋇質(zhì)玻璃包裹在原頑火輝石晶體表面能有效地抑制晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生[3]。由以上理論得配方范圍為：滑石65wt．%～75wt．%、高嶺土 10wt．%～15wt．%、鉀長(zhǎng)石 6wt．%～10wt．%、碳酸鋇2wt．%～5wt．%、其他堿土金屬礦物：4wt．%～6wt．%。

1.2 鎂質(zhì)瓷配方的優(yōu)化試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要考慮到滑石用量、長(zhǎng)石用量、高嶺土用量及燒成溫度四者對(duì)鎂質(zhì)日用瓷抗折強(qiáng)度的影響。根據(jù)1．1得出的鎂質(zhì)瓷配方范圍設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)，因素和水平見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)中固定堿土金屬礦物的添加量，根據(jù)正交試驗(yàn)對(duì)各配方進(jìn)行稱料球磨，球磨料∶球磨子∶水=1∶1∶0．8。球磨后的漿料90 ℃烘干、造粒，將粉料在769YP-24B粉末壓片機(jī)下10 MPa壓制20 s。制得7 mm×7 mm×50 mm的長(zhǎng)方形試條。試條烘干后，在箱式電爐按燒成曲線(見(jiàn)圖2)進(jìn)行燒制。制得的鎂質(zhì)瓷試條在WOW-10電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗折強(qiáng)度。

正交試驗(yàn)以鎂質(zhì)瓷試條的抗折強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行極差分析。以下討論各因素對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響及原因。

1．2．1 滑石用量對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響

在長(zhǎng)石質(zhì)瓷中，滑石的用量小于5wt．%，只起到簡(jiǎn)單的助溶作用。而在鎂質(zhì)瓷中，滑石的用量可達(dá)65wt．%以上，大量的滑石引入能在瓷體中生成均勻分布的原頑火輝石和少量的堇青石晶粒，對(duì)整個(gè)瓷體起到彌散增強(qiáng)作用。由圖3可知：滑石用量在65wt．%～75 wt．%范圍內(nèi)時(shí)，隨著滑石的用量增多，鎂質(zhì)瓷的抗折強(qiáng)度逐漸增大?；昧吭黾觿t生成鎂質(zhì)玻璃和原頑火輝石的反應(yīng)物增多，對(duì)鎂質(zhì)瓷瓷體起到更好的助熔和增強(qiáng)作用。

1．2．2 高嶺土用量對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響

由圖4可知：高嶺土用量在8wt．%～16wt．%范圍內(nèi)，隨高嶺土用量增加，鎂質(zhì)瓷強(qiáng)度先降后升。少量的高嶺土能參與玻璃相的生成，起到助熔作用，促進(jìn)坯體燒結(jié)致密；當(dāng)高嶺土用量為12wt．%左右時(shí)，高嶺土的分解消耗了大量能量，抑制了玻璃相的生成，導(dǎo)致坯體難以燒結(jié)完全致密；當(dāng)高嶺土用量大于15wt．%時(shí)，高嶺土能在高溫下生成莫來(lái)石纖維，對(duì)瓷體起到纖維增強(qiáng)作用，但高嶺土用量過(guò)多，鎂質(zhì)瓷的燒成溫度會(huì)增高。

1．2．3 鉀長(zhǎng)石用量對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響

由圖5可知：鉀長(zhǎng)石用量在6wt．%～14wt．%范圍內(nèi)，隨著鉀長(zhǎng)石用量增加，鎂質(zhì)瓷的抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。鉀長(zhǎng)石的引入能拓展燒成范圍，但在65wt．%以上都是滑石的鎂質(zhì)瓷中，其助熔能力得到更好的體現(xiàn)，過(guò)多玻璃相的生成導(dǎo)致坯體容易發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象，鎂質(zhì)瓷強(qiáng)度反而降低。

表1 因素水平表Tab.1 Factors and levels

圖2 鎂質(zhì)瓷燒成制度曲線Fig.2 Magnesia porcelain firing curve

圖3 滑石用量對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of talc content on the flexural strength of magnesia porcelain

圖4 高嶺土用量對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of kaolinite content on the flexural strength of magnesia porcelain

圖5 鉀長(zhǎng)石用量對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of potassium feldspar content on the flexural strength of magnesia porcelain

1．2．4 燒成溫度對(duì)鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度的影響

由圖6可知：燒成溫度越高，鎂質(zhì)瓷的強(qiáng)度越高，但曲線斜率減小，且抗折強(qiáng)度差值最大只有10 MPa。此正交試驗(yàn)配方在1270 ℃以上易出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象(如粘板、變形)，因此鎂質(zhì)瓷在最高溫度1250 ℃～1270 ℃下燒制時(shí)具有較好的燒結(jié)性能。

根據(jù)以上分析各因素對(duì)鎂質(zhì)日用瓷抗折強(qiáng)度的影響，得出在選定的四個(gè)因素中對(duì)鎂質(zhì)日用瓷抗折強(qiáng)度影響的主次秩序?yàn)椋夯昧?、高嶺土用量、鉀長(zhǎng)石用量、燒成溫度，并確定了各因素最合理組合A3B1C1D3，其坯體式為：

經(jīng)測(cè)試因素最佳組合的鎂質(zhì)瓷抗折強(qiáng)度為160．5 MPa、白度為82%。

2 討論幾種常見(jiàn)日用瓷的強(qiáng)度

高強(qiáng)度的日用瓷，無(wú)論是正常家庭使用，還是批量的機(jī)械洗滌，都對(duì)其強(qiáng)度有較高的要求。幾種常見(jiàn)的日用瓷強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表2。

長(zhǎng)石質(zhì)瓷的由莫來(lái)石、方石英、玻璃相和少量氣孔組成。莫來(lái)石晶體為纖維狀或針狀，交織成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，石英顆粒夾雜在莫來(lái)石網(wǎng)縫間，并有玻璃相填充，使長(zhǎng)石質(zhì)瓷亦有一定的抗折強(qiáng)度。

表2 常見(jiàn)日用瓷的抗折強(qiáng)度Tab.2 Common bending strength of porcelain

骨質(zhì)瓷由磷酸三鈣、鈣長(zhǎng)石、玻璃相和少量氣孔組成。其中纖維狀的磷酸三鈣與短柱狀的鈣長(zhǎng)石晶粒形成堅(jiān)實(shí)骨架，還有足夠的玻璃相填入網(wǎng)狀的骨架之中，使骨質(zhì)瓷有較高的機(jī)械強(qiáng)度[9]。

鎂質(zhì)瓷的主晶相為原頑火輝石，次晶相是堇青石、方石英、原頑火輝石晶型轉(zhuǎn)變得到的斜頑火輝石，還有玻璃相和少量氣孔。一定數(shù)量的原頑火輝石和堇青石顆粒均勻地分布在瓷體內(nèi)，形成大量的晶界，增加了裂紋的擴(kuò)展路徑和不規(guī)則性，使鎂質(zhì)瓷的機(jī)械強(qiáng)度提高。

試驗(yàn)制得的鎂質(zhì)日用瓷試樣抗折強(qiáng)度高達(dá)160．5 MPa，滿足一般鎂質(zhì)瓷的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，且相對(duì)其他日用瓷有較高的抗折強(qiáng)度，能夠經(jīng)受刀叉刮劃、機(jī)械洗滌等，加上鎂質(zhì)瓷特有的細(xì)膩潔白、純樸透亮質(zhì)感使其在日用陶瓷行業(yè)中有較好的發(fā)展前景。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)系統(tǒng)分析MgO-A12O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖和各堿土金屬礦物在鎂質(zhì)瓷中的作用，得鎂質(zhì)瓷坯體配方范圍為：滑石65wt．%～75wt．%、高嶺土 10wt．%～15wt．%、鉀長(zhǎng)石 6wt．%～10wt．%、碳酸鋇2wt．%～5wt．%，其他堿土金屬礦物：4wt．%～6wt．%。

(2)當(dāng)滑石用量75wt．%、高嶺土用量8wt．%、長(zhǎng)石用量6wt．%、燒成溫度1270 ℃時(shí)，鎂質(zhì)瓷的試條抗折強(qiáng)度高達(dá)160．5 MPa。

(3)鎂質(zhì)日用瓷與其他日用瓷比有較高的抗折強(qiáng)度，有利于抵抗一些物理破壞，有較長(zhǎng)的使用壽命。且鎂質(zhì)瓷質(zhì)感柔和細(xì)膩、白度高、透性好，在日用瓷市場(chǎng)有較大的發(fā)展前景。

[1] 王志義, 李 輝． 高級(jí)日用鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷的研究[J]． 中國(guó)陶瓷, 2005, 41(3): 16-20．

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[3] 耿謙． 滑石質(zhì)日用細(xì)瓷的顯微結(jié)構(gòu)及性質(zhì) [J]． 江蘇陶瓷, 2004, 37(1): 15-17．

[4] 胡志強(qiáng)． 無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)[M]． 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003．

[5] 李 輝． 鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷的研究[D]． 學(xué)位論文, 2005．

[6] 桑建華, 王秀峰． 鎂質(zhì)強(qiáng)化瓷的研制[J]． 山東陶瓷, 1994, 17(1): 3-9．

[7] 譚秀武, 等． 原頑輝石—堇青石瓷的研究[J]． 中國(guó)陶瓷, 1984, (2):1-9．

[8] 鄭 懷,陳占東, 等． 關(guān)于增韌骨灰瓷的研究[J]． 中國(guó)陶瓷, 1995, 12, 31(6): 1-5．

[9] 王濰棟． 強(qiáng)化瓷和高強(qiáng)度日用瓷[J]． 河北陶瓷, 1995, 23(1): 19-21．

Performance of High Strength Magnesia Porcelain

YU Hui, LUO Linghong, SHI Jijun, CHENG Liang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

Using the MgO-Al2O3-SiO2ternary phase diagram as theoretical basis, the formulation range of magnesia porcelain was determined. It was optimized by investigating the effects of talc dosage, kaolin dosage, feldspar dosage and sintering temperature on the flexural strength, and the formula for magnesia porcelain with high bending strength (160.5MPa) and high whiteness was obtained.

magnesia porcelain; daily use porcelain; flexural strength

TQ174.73

A

1006-2874(2014)03-0018-04

2014-04-12。

2014-04-16。

羅凌虹， 女，教授。

Received date: 2014-04-12. Revised date: 2014-04-16.

Correspondent author:LUO Linghong, female, Professor.

E-mail:luolinghong@tsinghua.org.cn