峽里砂質(zhì)高嶺土原礦的理化性能分析及在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用研究

查 越，高群力，任立琴，劉敏芳，余 婷

（中國輕工業(yè)陶瓷研究所，景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

我國擁有儲量超過30億噸的高嶺土資源[1]，軟質(zhì)與硬質(zhì)高嶺土資源由于多年的開發(fā)利用，主要產(chǎn)瓷區(qū)周邊的高嶺土資源越來越少，然而在華南地區(qū)，砂質(zhì)高嶺土儲量大約有10億噸[2]，在陶瓷工業(yè)中具備非常廣闊的應(yīng)用前景。

在綠色環(huán)保政策的影響下，尋找優(yōu)質(zhì)高嶺土的替代產(chǎn)品愈來愈受到陶瓷產(chǎn)業(yè)從業(yè)者的關(guān)注，目前對江西地區(qū)的砂質(zhì)高嶺土在陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用僅有少量報(bào)道，對砂質(zhì)高嶺土的合理開發(fā)與應(yīng)用研究尤為必要。本文對峽里縣砂質(zhì)高嶺土原礦的化學(xué)組成、礦物組成、粒度分布與物理性能的進(jìn)行了研究，對峽里縣砂質(zhì)高嶺土在日用陶瓷領(lǐng)域應(yīng)用可行性進(jìn)行了初步探討，為將來砂質(zhì)高嶺土在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了理論支撐。

1 .砂質(zhì)高嶺土原礦的理化分析

1.1 粒度分布

取樣：本文實(shí)驗(yàn)的樣品取自礦區(qū)中多個礦點(diǎn)的地表樣品，采用堆錐——四份法均化樣品。樣品外觀呈灰白色沙粒狀。采用Malvern MS 2000型激光粒徑分析儀對原礦樣品進(jìn)行粒度分布檢測，檢測結(jié)果見表1.

表1 砂質(zhì)高嶺土原礦的顆粒級配

由表1中的數(shù)據(jù)可以獲知，砂質(zhì)高嶺土的體積平均粒徑為84.627μm，其中粒徑在100μm以上的顆粒體積占比達(dá)到42.33 %，顆粒分布主要在30 ～ 200μm之間，說明該礦石風(fēng)化程度較差。

1.2 原礦礦相組成測試與分析

采用D8 Advance X衍射儀（XRD），依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JY/T 009 - 1996 《轉(zhuǎn)靶多晶體X射線衍射方法通則》，對砂質(zhì)高嶺土原礦進(jìn)行礦物組成分析，結(jié)果見圖1。

圖1 峽里砂質(zhì)高嶺土的X射線衍射圖譜

根據(jù)礦物的礦相組成可以得知，砂質(zhì)高嶺土中的主要礦物組成為白云母、微斜長石、石英與高嶺石。

1.3 物理性能與化學(xué)組成分析

對峽里砂質(zhì)高嶺土進(jìn)行處理，在經(jīng)過球磨、過篩、烘干等方式處理后，取出一部分干料制作出直徑為50 mm的圓形試片，在1290 ℃的弱還原氣氛下燒成，對試樣進(jìn)行燒成白度與耐火度的測試。同時(shí)另一部分干料進(jìn)行化漿-除鐵-過篩-壓濾-真空練泥處理，對所獲得的泥料進(jìn)行可塑水、可塑指數(shù)等物理性能檢測，檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3 砂質(zhì)高嶺土的物理性能測試結(jié)果

同時(shí)采用AXIOS X熒光光譜儀，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14506.28 - 2010 《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法第28部分：16個主次成分量測定》，對砂質(zhì)高嶺土的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 砂質(zhì)高嶺土主要化學(xué)成分

礦物的耐火度由其化學(xué)組成決定，通過表2中的主要化學(xué)成分可以看出，砂質(zhì)粘土中的R2O/RO主要由微斜長石引入，其中CaO + MgO含量共0.19 %，Na2O + K2O含量為5.28，其耐火度遠(yuǎn)低于高嶺土的理論值；砂質(zhì)高嶺土的SiO2含量為71.19 %，Al2O3含量為18.25%，氧化鈦含量為0.6%，結(jié)合1.2中的礦相種類，峽里砂質(zhì)高嶺土中的高嶺石含量較少，因此峽里砂質(zhì)高嶺土所表現(xiàn)出的可塑指數(shù)較低、干燥強(qiáng)度較低；砂質(zhì)高嶺土中的Fe2O3含量達(dá)到0.67 %，同時(shí)含有少量的TiO2（0.06 %）、MnO（0.03 %），因此砂質(zhì)高嶺土的白度不高，僅在62-65之間。

綜上分析，峽里高嶺土Al2O3、Fe2O3+ TiO2與TiO2的含量基本符合江西省地方標(biāo)準(zhǔn)《瓷土、瓷石礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》（DB36/T1157 - 2019）中對原礦化學(xué)成分質(zhì)量的要求；物理性能符合中國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QB/T 2264 - 2016陶瓷用瓷石》中對合格品的要求，結(jié)合礦相組成和化學(xué)成分分析可以初步認(rèn)定，該礦石塑性較低，干燥收縮較小，理論上可以應(yīng)用于陶瓷工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。

1.4 熱失重-差熱分析

利用綜合熱分析儀（DTA/TG，德國 Netzsch 有限公司，型號 STA409TC）對峽里砂質(zhì)高嶺土進(jìn)行差熱及失重分析，結(jié)果見圖2。

圖2 砂質(zhì)高嶺土DTA-TG曲線

由差熱曲線圖可以看出，試樣在120 ℃左右產(chǎn)生一個較小的吸熱峰，這是由于層間水脫失引起的，這是多水高嶺石的特征，說明峽里砂質(zhì)高嶺土混合礦中含有少量的多水高嶺石；試樣在491.3 ℃時(shí)產(chǎn)生較小的吸熱，并且失重曲線顯示總質(zhì)量減少4.75 %，結(jié)合化學(xué)組成中的灼減數(shù)據(jù)，這是由于砂質(zhì)高嶺土中高嶺石脫去結(jié)構(gòu)水所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，而在571.9 ℃出現(xiàn)的吸熱峰，根據(jù)礦相組成推斷，應(yīng)為α石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣率⒌囊粋€相變過程；最后在996 ℃產(chǎn)生的尖銳放熱峰，應(yīng)是脫羥后的高嶺石進(jìn)一步形成鋁硅尖晶石的過程[3]。

2 .峽里砂質(zhì)高嶺土在傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用

以峽里砂質(zhì)高嶺土為主要原料，選取修水長石、上祝瓷石和膨潤土常用傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)原料制備日用陶瓷，根據(jù)“K2O - Al2O3- SiO2”三元系統(tǒng)相圖與陶瓷生產(chǎn)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)配方體系，經(jīng)過混料-球磨-過篩-注漿-干燥-施釉和燒成等工藝制成陶瓷樣品，對試樣樣品的可塑性、成品率、高溫抗變形性（試樣的彎折角度）干燥強(qiáng)度與坯釉適應(yīng)性等進(jìn)行評分，獲得較優(yōu)配方組成，并在此基礎(chǔ)上調(diào)整工藝參數(shù)，最終確定適合在1310 ℃還原焰一次燒成的日用瓷坯體配方。

2.1 試驗(yàn)原料

坯用原料的化學(xué)組成見表4。

表4 原料的化學(xué)組成

2.2 試驗(yàn)工藝

將砂質(zhì)高嶺土與其他原料按照表5中的配方要求準(zhǔn)確稱量，使用濕法球磨的方式制備泥漿，其中料球水比例為1:2:0.8，球磨時(shí)間為28 h，泥漿細(xì)度控制在250目篩余≤0.5 %，再經(jīng)過過篩除鐵、榨泥、練泥、陳腐后備用。所使用的的釉料以龍巖、石英、鉀長石、方解石等為主要原料，配備透明釉，釉漿細(xì)度控制在250目篩余≤0.5%，采用浸釉的方式在素坯（800 ℃素?zé)┍砻媸┯?，釉層厚度?.3 - 0.5 mm。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

成瓷樣品的性能評價(jià)指標(biāo)見表5。

表5 樣品的性能評價(jià)指標(biāo)

通過表中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)瘠性料長石含量為20 %wt時(shí)，隨著砂質(zhì)高嶺土用量的提升，泥料的可塑性、干燥強(qiáng)度與彎折角度均呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因?yàn)樯百|(zhì)高嶺土中含有大量的白云母與石英等礦相，導(dǎo)致泥料的塑性下降，同時(shí)由于Na2O + K2O含量較高，提升砂質(zhì)高嶺土的用量會使坯體在高溫條件下出現(xiàn)大量的液相[5]，導(dǎo)致坯體彎折角度評分降低。

根據(jù)砂質(zhì)高嶺土的礦相組成與物理性能的特點(diǎn)，引入少量的上祝瓷石改善坯體的工藝性能，并在配方體系中使用砂質(zhì)高嶺土替代宜春鉀長石，優(yōu)化配方的Si/Al比例，利用砂質(zhì)高嶺土中的石英礦相降低坯體的干燥收縮，使其在高溫下可部分熔解于液相中，增加熔體黏度，而未熔解的石英則構(gòu)成坯體的骨架，防止變形[6]；同時(shí)砂質(zhì)高嶺土中的白云母與微斜長石則起到熔劑的作用，降低瓷坯組分的熔化溫度，形成液相并促進(jìn)莫來石的生長[7]。最終優(yōu)選出9#配方，可制備出高成品率，低變形，可塑性較優(yōu)的日用瓷坯體，9#配方的成瓷樣品性能檢測參見表6。

表6 9#成瓷樣品性能檢測結(jié)果

從上述檢測結(jié)果看，當(dāng)峽里砂質(zhì)高嶺土礦用量達(dá)45 %wt時(shí)，采用還原焰1290 ℃燒成制度的成瓷配方獲得的成瓷樣品白度、光澤度、吸水率和抗熱震性均達(dá)到或優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3532 - 2009《日用瓷器》日用細(xì)瓷合格品的標(biāo)準(zhǔn)（合格品要求：白度≥55.0、光澤度≥80.0、吸水率不大于0.5 %，小中型產(chǎn)品180 ℃至20 ℃熱交換一次不裂）要求。

3 結(jié)論

1、峽里砂質(zhì)高嶺土的體積平均粒徑為84.627μm，顆粒分布主要在30～200μm之間，礦石風(fēng)化程度較差。

2、峽里砂質(zhì)高嶺土的主要礦物組成為白云石、微斜長石、石英和高嶺石，其中Al2O3為18.25 %；Fe2O3為0.67 %，TiO2為0.06 %，K2O + Na2O為2.94 %，符合江西省地方標(biāo)準(zhǔn)《瓷土、瓷石礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》（DB36/T 1157 - 2019）中對原礦化學(xué)成分質(zhì)量的要求；

3、峽里砂質(zhì)高嶺土的可塑指數(shù)為0.24，干燥強(qiáng)度為0.67 MPa，燒后白度在62 - 65之間，工藝性能符合中國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QB/T 2264 - 2016陶瓷用瓷石》中對合格品的要求。

4、以峽里砂質(zhì)高嶺土為主要原料，搭配長石、高嶺土、上祝瓷石和膨潤土等輔料，可通過注漿成型的方法制備日用陶瓷坯體。當(dāng)峽里砂質(zhì)高嶺土含量為45 %wt時(shí)，可在1290 ℃還原氣氛下得到符合GB/T 3532 - 2009《日用瓷器》日用細(xì)瓷合格品的標(biāo)準(zhǔn)的日用瓷產(chǎn)品。