一種新的瓷種誕生—烏蘭茶晶瓷

陳小平 王玉臣

（內(nèi)蒙古華宸再生資源科技有限公司，內(nèi)蒙古烏蘭察布 013350）

0.引言

自20世紀90年代開始，國內(nèi)外在功能性陶瓷產(chǎn)品方面開展了廣泛深入的研究，推動了我國在陶瓷產(chǎn)品由實用化向?qū)嵱眉庸δ芑较虻陌l(fā)展。但所有這些功能是基于同一個技術(shù)模式，存在著一定的缺陷，導致功能性陶瓷產(chǎn)品在企業(yè)很難大面積推廣應用。（1）成本較高，限制了使用推廣；（2）加入量的限制，在允許的加入量范圍內(nèi)有些功能方面的表現(xiàn)不盡如人意；（3）某些添加劑對人體有害，存在環(huán)保和安全問題。如何破解這一難題，既能使陶瓷產(chǎn)品實用加功能化，又能綠色、環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟，還易于推廣應用的復合型原材料。

1.烏蘭茶晶石

烏蘭茶晶石是偉晶花崗巖家族中新發(fā)現(xiàn)的一個礦種，其蘊含多達56種豐富礦物元素的獨立非金屬礦種，烏蘭茶晶石礦分布16.8km2，經(jīng)過地質(zhì)部門在深度150m內(nèi)分段鉆探取樣，按礦床平均厚度150m計算，此礦儲量為67億噸的一個獨立品質(zhì)穩(wěn)定的超大型礦床。烏蘭茶晶石用于日用瓷、衛(wèi)生瓷、建筑瓷中，它不但具備了陶瓷所提供的硅、鋁、鉀等元素，同時，烏蘭茶晶石原料中還蘊含豐富的稀土元素、稀有輕金屬元素等，如銣、以及稱之為抗癌王的硒，而其衍生系列產(chǎn)品，具有抗菌、抑菌、易潔、強度、韌性、透光性、白度、亮度、潤度的質(zhì)量水平大幅度提升。

為了更進一步說明烏蘭茶晶石在陶瓷中的功能表現(xiàn)，特做以下說明：

1.1 強度提升的分析結(jié)果

在本項目實施過程中發(fā)現(xiàn)烏蘭茶晶石能夠極大地提升日用陶瓷材料的強度與耐沖擊力度[1-2]。根據(jù)測試結(jié)果可知，在對烏蘭茶晶瓷使用25%的沖擊強度時，其耐沖擊力度比普通陶瓷提高了一倍甚至兩倍以上，強度提高了1/10以上，而烏蘭茶晶石之所以能夠顯著提升陶瓷的強度，是因為其中蘊含豐富的稀土微量元素，特別是表面活性物質(zhì)非常優(yōu)良的Y2O3、La2O3以及Sm2O3，它們不僅可以優(yōu)化陶瓷中多組分的潤濕結(jié)構(gòu)，降低燒結(jié)點，還能夠降低Al2O3與SiO2之間的熔點，形成低熔點的液相，再作用于內(nèi)部材料顆粒之間的毛細管，極大地降低材料的孔隙率，從而增大陶瓷的密度，提升強度。其次，烏蘭茶晶石中蘊含的各類微量稀土氧化物元素的離子半徑都較大，且絕大部分都主要存在于玻璃與晶相、晶相與晶相之間，不僅解決了晶體結(jié)構(gòu)不均勻的問題，還限制了非晶態(tài)物質(zhì)的結(jié)晶。除此之外，烏蘭茶晶石中還有一小部分稀土微量氧化物能夠融入玻璃相內(nèi)部，使得玻璃的材質(zhì)強度大幅度提升，進而從整體上提高了陶瓷材料的力學性能。我們針對所研制的陶瓷材料進行了微觀結(jié)構(gòu)分析和地質(zhì)資料的查證。

（1）烏蘭茶晶石礦體礦物的形成：由于此區(qū)域礦物形成地質(zhì)年代在距今2.5～2.9億年前的晚三疊紀與早二疊紀母巖的互相耦合和侵入時期，在高溫高壓的環(huán)境下，形成了蘊含豐富的礦熱液的獨立巖基。

（2）在以絹云母為主要載體將各類微量元素侵入不同方向斷裂、平移的偉晶巖構(gòu)造中，在低溫的狀態(tài)下形成了豐富的礦物結(jié)晶，比如使偉晶巖中的花崗巖石與微量的金屬氧化物以及堿性氧化物中的K、Na、Ca、Al等元素互相富集過渡形成茶色的石英共同體，在此區(qū)域內(nèi)形成了構(gòu)造成礦的重點礦區(qū)，在重點礦區(qū)外的結(jié)構(gòu)再次遭受破壞與侵入，形成新生代的第四紀礦物。

此礦床屬于早期的燕山偉晶巖花崗巖石礦床，在其成礦的過程中，在巖漿的作用下使得礦石內(nèi)部擁有強大的內(nèi)應力系統(tǒng)，然后在復雜的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下，逐漸形成擁有粗大結(jié)晶體的石英晶體、長石礦體等。其次，在礦產(chǎn)巖漿期產(chǎn)生了眾多豐富的微量稀土元素、稀土金屬氧化物等過渡產(chǎn)物，由于這些微量過渡物滲透進巖石當中，因其化學性質(zhì)不同，與熔巖液產(chǎn)生分餾現(xiàn)象，改變了溶液的成分，此時的非晶體礦物等從封閉的狀態(tài)變?yōu)殚_放的狀態(tài)，并與之前的礦物晶體發(fā)生交替，那些過渡產(chǎn)物會趁機進入到處于開放狀態(tài)的非晶體礦物、絹云母等內(nèi)部。截至目前，在我國境內(nèi)除了燕山還未在其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)此類天然的成礦區(qū)域與生成條件。

ESM圖像顯示主要由石英、斜長石、微斜長石（鉀長石）、云母、非晶態(tài)、以及少量硬水鋁石和變質(zhì)高嶺土等物相組成。由此可以得出以烏蘭茶晶石為主要原料的陶瓷材料之所以能在強度方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，同時非晶態(tài)玻璃相比例占比很高的情況下還能保持相對較高的抗高溫蠕變性，是因為高硅玻璃與晶相特殊的微觀結(jié)構(gòu)所致，可簡單概括為晶界增強、玻璃增強增韌協(xié)同效應的結(jié)果。如圖1所示。

圖1 烏蘭茶晶瓷 SEM晶相與非晶態(tài)區(qū)域

根據(jù)表1和表2中化學元素分析結(jié)果可知，烏蘭茶晶瓷中含有可以達到80ppm以上含量的各類稀土氧化物，另外，還含有活潑性極高的輕金屬銣，但作為陶瓷原料而言，這么豐富元素的存在是前所未有的，在制作陶瓷類產(chǎn)品過程中，這些微量元素能極大地改變產(chǎn)品燒制過程中各類晶相組織結(jié)構(gòu)，同時由于微量元素種類繁多，它們在軌道雜化、耦合以及對其他成分相互之間的激發(fā)協(xié)同作用下，微觀結(jié)晶導致了宏觀性能的表現(xiàn)發(fā)生了一些特殊現(xiàn)象。

表1 烏蘭茶晶瓷的常規(guī)化學成分（單位：%）

表2 烏蘭茶晶瓷微量元素化學分析組成（單位：mg/kg）

1.2 關(guān)于抗菌性、遠紅外、負離子機理探討

無機抗菌劑在目前主要分為兩種類型，一種是由金屬離子Cu2+、Ag+等構(gòu)成的無機抗菌劑，另一種是由氧化物催化反應生成的金屬氧化物二氧化鈦、氧化鎂等。金屬離子類的無機抗菌劑都需要有一個能夠使金屬離子附著在上面的活性載體，比如活性炭、沸石等，其反應分為兩類：（1）接觸式反應。金屬離子利用電荷之間強大的作用力牢牢附著于細胞膜表面，然后擊穿細胞壁，破壞微生物的呼吸系統(tǒng)，使得細胞喪失分裂繁殖能力，并凝固其蛋白質(zhì)，導致細胞死亡。（2）光催化反應。金屬離子能夠在光作用的刺激下，產(chǎn)生電子遷移，并附著在氧氣產(chǎn)生的負氧離子與羥基上面，在短時間內(nèi)破壞細胞的分裂繁殖能力，從而達到抑制或殺菌的效果。氧化物的光催化反應是在光作用刺激下使得金屬離子發(fā)生氧化還原反應，比如二氧化鈦能夠在光的作用下，產(chǎn)生大量的負氧離子與羥基等自由基，此時Ti3+與Ti4+之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，而負氧離子與羥基作為化學活性極強的自由基在接觸到微生物時，能夠與其發(fā)生化學反應生成二氧化碳與水，在一定的短時間內(nèi)產(chǎn)生殺菌的效果。而以上兩類無機抗菌劑的形成，除了金屬離子的接觸反應，其他均需要有光照作用，特別是氧化物的光催化反應，必須要保持強力的高能管照射，才能獲得較好的殺菌效果，因此，其需要的嚴苛條件也限制了此方法的大面積推廣使用。

在本項目中研發(fā)的所有產(chǎn)品都不需要增添任何的抗菌劑，在坯、釉的成分中利用常規(guī)化學分析法以及X熒光光譜分析檢測也不存在金屬Ag離子，由此可見，本項目并不屬于接觸式反應的金屬離子類的無機抗菌機理。但由于烏蘭茶晶石本身就富含多種類型的稀土元素，在這些稀土元素的刺激下，陶瓷坯釉中部分原子量較大的氧化物TiO2、ZnO、MgO等的表面能級就會提高，產(chǎn)生與光催化反應類似的電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象與作用機制。除此之外，前文中有提到大量的稀土氧化物元素限制了非晶體物質(zhì)的結(jié)晶，使得材料的整體力學性能提高，因此，將烏蘭茶晶石用于陶瓷制作中能使材料處于高能態(tài)狀態(tài)，形成一種“能量瓷”，而其內(nèi)部的金屬離子自身就能利用離子間的振動、旋轉(zhuǎn)等產(chǎn)生一定的能量波[3]。由于所含稀土元素種類繁多，再加上這些元素自身具有的特殊電子層結(jié)構(gòu)，進入硅鋁酸鹽結(jié)構(gòu)中，軌道間的雜化、離子之間的電性轉(zhuǎn)移、互相激活反應等的協(xié)同作用下，使材料在光、電方面呈現(xiàn)出特殊性，并且這種復雜的特殊性會在細胞表面反映出來，比如負離子的生成、表面自由基的增多等。

1.3 變色功能的表現(xiàn)機理

其變色功能主要是稀土元素中自身具有的特殊電子層結(jié)構(gòu)所致，烏蘭茶晶石中含有化學元素周期表中釔和鑭系中除钷元素之外的全部元素，而由于這些稀土元素處于同一周期（釔除外），所以他們的離子半徑不僅相近，其組成結(jié)構(gòu)也類似，最大的共同點便是電子最外層結(jié)構(gòu)都是S2 結(jié)構(gòu)，因此，這些稀土元素都是較為活潑的金屬。在制作陶瓷材料燒結(jié)過程中，這些稀土元素均會與硅鋁酸鹽發(fā)生不同程度的化學反應，其電子層外圍的電子軌道產(chǎn)生相當復雜的變化，形成不同的能級，使得它們不僅可以融入非晶體物質(zhì)中，還能存在于晶相、晶界中，當外界的光照射在陶瓷材料上時，稀土元素中的電子可以從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，吸收不同能量的光子，因此，使用不同的外界可見光照射陶瓷，其表面會呈現(xiàn)出不同的顏色，出現(xiàn)“變色瓷”的現(xiàn)象[4]。

1.4 易潔效果突出

利用烏蘭茶晶石制作而成的陶瓷，只要其坯體中擁有足夠的比例，無論釉中是否含有烏蘭茶晶石的成分，它都會呈現(xiàn)較高的易潔效果。發(fā)生此現(xiàn)象的原因主要是因為烏蘭茶晶瓷的坯體在燒結(jié)后處于高能態(tài)的狀態(tài)，強力的紅外線照射功能以及自由基能有效地降低分子的聚集度，使得大分子轉(zhuǎn)化為小分子，從而使水的張力減少，增強材料表面的潤濕度，進而使得烏蘭茶晶瓷具有易潔的效果。除此之外，由于烏蘭茶晶石中的稀土元素在表面形成氧負離子與羥基，也能為陶瓷表面水與結(jié)合面的潤濕度助力，強化易潔性。而就目前來說，烏蘭茶晶瓷的易潔效果并沒有相關(guān)標準的規(guī)定與檢測方法，只能由使用者通過檢測水與烏蘭茶晶瓷接觸后的潤濕度得知，如何使這一概念具象化，還需要相關(guān)專家學者進一步研究。

2.總結(jié)

由于烏蘭茶晶石功能性陶瓷原料的出現(xiàn)，是在我國陶瓷史上的質(zhì)量水平提升的一次重大變化，隨著人們的生活質(zhì)量水平不斷提升，追求綠色、環(huán)保、健康的功能瓷是人們所需要的，烏蘭茶晶瓷這一新的功能性瓷種，不僅會為我國陶瓷工業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供強有力的幫助，還能增強我國陶瓷產(chǎn)品的國際影響力。