日用細瓷湯鍋熱穩(wěn)定性的研究進展

林偉河 許名傳 張銀鳳 王文君

(廣東順祥陶瓷有限公司 廣東 潮州 521031)

隨著人們生活水平的日益提高，現(xiàn)代化廚具如空氣炸鍋、微波爐、電磁爐等電器不斷涌入普通家庭，陶瓷鍋具作為一種傳統(tǒng)的烹調(diào)食品工具，在家居廚房用品中仍然占據(jù)著重要地位。近年來，隨著人們的健康意識日益增強，對食物烹調(diào)、健康養(yǎng)生日益重視，陶瓷湯鍋作為一種健康養(yǎng)生廚具受到廣泛歡迎。國內(nèi)外日用陶瓷的種類很多，但傳統(tǒng)陶器或一般瓷器在耐磨性、抗熱震性等方面的性能不高，難以滿足消費者對高性能陶瓷炊具日益增長的需求[1]，高抗熱震性日用細瓷湯鍋成為業(yè)內(nèi)的研究熱點。

1 日用耐熱陶瓷的分類

熱穩(wěn)定性是陶瓷材料使用的一個重要性能指標(biāo)。傳統(tǒng)日用陶瓷結(jié)構(gòu)中，由于主晶相及玻璃相的熱膨脹系數(shù)相差較大，從而導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性較差，其工作溫度一般在180℃～220℃。日用耐熱陶瓷，又稱低膨脹陶瓷，可以承受300℃～600℃冷熱沖擊不破裂。日用細瓷湯鍋一般選用鋰質(zhì)瓷、堇青石質(zhì)瓷、鋯石質(zhì)瓷等耐熱瓷。

1.1 鋯石質(zhì)耐熱陶瓷

鋯石又稱鋯英石，化學(xué)組成為ZrSiO4，是ZrO2—SiO2二元系統(tǒng)中唯一穩(wěn)定的化合物。鋯石極耐高溫，其熔點高達2750℃。鋯石具有較低的熱膨脹性、較高的導(dǎo)熱性，而且較其他普通耐熱材料有較強的化學(xué)穩(wěn)定性。由于鋯石具備如此優(yōu)良的耐熱性能，因此在耐熱陶瓷領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[2]。

1.2 堇青石質(zhì)耐熱陶瓷

堇青石化學(xué)成分為Mg2Al4Si5O18，同時具有膨脹系數(shù)低和介電常數(shù)低兩種性能，大受耐熱瓷行業(yè)青睞。其高溫穩(wěn)定性遠低于二元化合物鎂鋁尖晶石、莫來石和鎂橄欖石。作為三元化合物，原料混合的均化過程較二元化合物困難，合成過程伴隨著莫來石、鎂鋁尖晶石等物相，從而大大降低了堇青石陶瓷的使用性能[3]。

1.3 鋰質(zhì)耐熱陶瓷

鋰質(zhì)耐熱陶瓷是采用鋰輝石、透鋰長石和鋰云母等含鋰礦物為主要原料生產(chǎn)的耐熱陶瓷。鋰輝石是主要含鋰礦物之一，鋰輝石的化學(xué)組成是LiAl[Si2O6]，鋰輝石具有熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好、強度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于耐熱陶瓷領(lǐng)域并迅速發(fā)展。Li2O—Al2O3—SiO2三元體系制備低膨脹耐熱瓷坯體被廣泛采用，而Li2O的引入主要依靠使用鋰輝石[4]。

2 日用耐熱陶瓷的研究進展

2.1 鋯石質(zhì)耐熱陶瓷

楊少朋[5]對鋯英石質(zhì)耐熱陶瓷進行了研究，研究結(jié)果表明，鋯英石耐熱瓷在低于1360℃溫度時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無相變，燒結(jié)溫度范圍寬，適合于制作新型日用耐熱陶瓷炊餐具。目前，由于鋯英石礦物原料來源相對較少。同時，鋯石質(zhì)耐熱瓷在高溫下靠固相擴散作用燒結(jié)，燒結(jié)溫度高、燒成周期長，能耗高，制備成本較其他日用耐熱瓷成本高，國內(nèi)外學(xué)者對日用耐熱鋯質(zhì)瓷的研究較少，主要集中于鋯質(zhì)瓷高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域。

2.2 堇青石質(zhì)耐熱陶瓷

由于堇青石陶瓷用途廣泛，需求量巨大，堇青石的合成與制備技術(shù)一直以來是研究的重點。堇青石的合成方式可分為3種，即固態(tài)反應(yīng)法、溶膠—凝膠法和玻璃—陶瓷合成法。近年來，關(guān)于固態(tài)合成堇青石的報道主要集中在原料的選用上，尤其是選用工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢料合成堇青石的較多。Sembiring等研究了氧化鋁添加量對由非晶態(tài)稻殼二氧化硅制備的耐火堇青石陶瓷的相變和結(jié)晶性能的影響，氧化鋁添加量為15%～30%時，試樣的熱膨脹系數(shù)達到相對恒定的9.5×10-6/℃。此外，石雯怡系統(tǒng)研究了摻雜硅藻土、La2O3、TiO2等對SiC/堇青石復(fù)合多孔陶瓷抗彎強度、氣孔率、介電性能等的影響，當(dāng)摻雜5.17wt%硅藻土,在1250℃燒結(jié)所制得的樣品，其抗彎強度達到49.19MPa,氣孔率達到37.72%。Khattab等以不同的燒結(jié)溫度制備了堇青石陶瓷，并對其物理、熱學(xué)等性能進行了研究，結(jié)果表明在1350℃燒結(jié)制備的堇青石陶瓷強度高、熱膨脹系數(shù)低，綜合性能優(yōu)異。Kuscer等的研究表明，添加粒徑5μm大小的氧化鋁在1300℃燒結(jié)制備的復(fù)相陶瓷，由堇青石、玻璃、石英、莫來石和氧化鋁組成，具有最高的密度、抗彎強度和熱膨脹系數(shù)。目前，由于堇青石存在晶格間隙大、力學(xué)強度低等缺陷尚待解決，使得堇青石質(zhì)陶瓷材料在高檔日用細瓷領(lǐng)域的應(yīng)用受到了一定的限制。

2.3 鋰質(zhì)耐熱陶瓷

鋰輝石(Li2O·Al2O3·4SiO2)陶瓷兼具具備熱膨脹系數(shù)低、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特性，因此在日用抗熱震性陶瓷領(lǐng)域廣受青睞。 Li2O—Al2O3—SiO2三元物相體系作為鋰質(zhì)耐熱瓷的常用體系，其Li2O對鋰質(zhì)耐熱陶瓷性能的影響亦受到學(xué)者們的關(guān)注。吳明亮[6]等人采用40%～50%鋰輝石、中夏土、烏土、紅黏土等制備出抗熱震性能良好、機械強度高的耐熱陶瓷砂鍋，其熱膨脹系數(shù)小于2×10-6/℃，800℃～20℃水中熱震一次不裂。徐曉虹等人[7]以鋰輝石、高嶺土和石英為主要原料，制備出了可以多次在 1000℃下熱震的鋰輝石低膨脹陶瓷，其熱膨脹系數(shù)小于 2×10-6/℃。譚訓(xùn)彥等人[8]采用鋰輝石為主要原料，向樣品中添加15%的膨潤土、球磨120 min，制備的鋰輝石基陶瓷泥漿注漿性能優(yōu)良，經(jīng)過1300℃燒結(jié)制備的樣品致密度高，吸水率低，其線熱膨脹系數(shù)為2.744×10-6/℃，抗折強度為56.6 MPa，坯體白度為69.8，耐急冷急熱性能10次不裂，綜合性能優(yōu)良，非常適用于日用耐熱瓷炊具。

3 鋰輝石在日用細瓷湯鍋中的應(yīng)用

3.1 鋰輝石日用細瓷湯鍋生產(chǎn)工藝

鋰輝石是主要含鋰礦物之一，在陶瓷制備中具有以下優(yōu)點：(1)鋰輝石具有較低的熱膨脹系數(shù)，在陶瓷坯體中加入鋰輝石，可以提高材料抗熱震性[9]；(2)鋰輝石可以作為助熔劑，促進陶瓷材料燒結(jié)致密化，提高陶瓷材料強度性能；(3)在陶瓷材料中添加鋰輝石，在不降低燒成溫度前提下，可縮短峰值溫度保溫時間，縮短燒成周期，從而實現(xiàn)節(jié)能減排。近年來，在日用細瓷湯鍋制備領(lǐng)域，鋰輝石獲得了廣泛應(yīng)用。

3.2 鋰輝石日用細瓷湯鍋的制備及性能

早期，國內(nèi)市場日用細瓷湯鍋以中低端產(chǎn)品為主，產(chǎn)品強度、耐磨性、抗熱震性等性能普遍不高。近年來，日用細瓷湯鍋的性能得到了較大提升，市場上出現(xiàn)了一系列高質(zhì)量高檔日用細瓷湯鍋產(chǎn)品。其中，鋰輝石日用細瓷湯鍋以其較低的燒結(jié)溫度，優(yōu)良的抗熱震性能，以及價格親民等優(yōu)勢，獲得了消費者的廣泛歡迎。

武傳菊[10]等采用鋰輝石可以降低燒成溫度到1300℃以下，同時燒成周期由16h下降到13h，而且產(chǎn)品質(zhì)量接近高檔骨質(zhì)瓷產(chǎn)品。余炳鋒[11]等采用國產(chǎn)鋰輝石制備日用耐熱瓷，研究結(jié)果表明，當(dāng)加入40%～50%宜春鋰輝石，制備的耐熱陶瓷樣品熱膨脹系數(shù)低于2×10-6/℃，抗熱震性能優(yōu)良。同時在釉料中加入鋰輝石，制備出光澤度好、硬度高、高溫流動性好性能優(yōu)異的坯釉，該研究為國產(chǎn)鋰輝石生產(chǎn)日用細瓷湯鍋提供了借鑒。

近年來，人們對陶瓷湯鍋的抗熱震性能要求也越來越高。改善日用陶瓷的抗熱震性能，除了從原材料、配方、制備工藝等方面采取措施，目前先進陶瓷領(lǐng)域的抗熱震制備技術(shù)也值得日用陶瓷行業(yè)進一步借鑒。很多學(xué)者研究表明，通過增加陶瓷材料的韌性和導(dǎo)熱系數(shù)，降低陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，能夠有效改善陶瓷材料抗熱震性能。同時，通過設(shè)計顆粒組成級配、設(shè)計多相組成都可以顯著提高陶瓷制品的抗熱震性[12]。利用含鋰礦物采用普通耐熱日用瓷生產(chǎn)工藝和設(shè)備生產(chǎn)出的耐熱瓷器，具有膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、燒成溫度低等優(yōu)點，是日用陶瓷湯鍋來重點發(fā)展的方向。