陶土原料的特性分析與應(yīng)用研究

張留生，許小靜，馮亞騰

（1.江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興 214221;2.宜興陶譽(yù)科技創(chuàng)業(yè)服務(wù)有限公司，宜興 214221)

1 陶土原料的基本特性

1.1 外觀特征

首先，對(duì)陶土原礦料的外觀特征進(jìn)行識(shí)別，研判陶土原礦料所屬礦石類型；其次，對(duì)陶土原礦料取樣進(jìn)行燒成測(cè)試，分析原礦料的燒成特征：燒后色澤及燒結(jié)特性。選取的陶土原礦料外觀與燒后特征見表1。

表1 陶土原礦料外觀特征

陶土原料的巖石類型一般為粉砂質(zhì)-砂質(zhì)泥巖，成礦類型是沉積型，視沉積成礦環(huán)境條件、時(shí)間長(zhǎng)短等因素，原礦呈硬質(zhì)-半硬質(zhì)-軟質(zhì)（泥質(zhì)）塊體，其莫氏硬度最高可達(dá)3.0、低至1.0 以下。如用于宜興紫砂陶器制作的陶土原礦料—底槽青（紫砂泥中的一種），硬度大多在2.5-3.0，經(jīng)水化后也少見泥質(zhì)狀；而采自新疆戈壁灘的三件陶土原料，在海洋環(huán)境下沉積成礦，其硬度僅在0.5 左右，經(jīng)水化即呈泥漿狀。

陶土原料中，視Fe2O3、TiO2等著色化學(xué)元素成分的含量高低及有機(jī)質(zhì)的可能存在，原礦料外觀一般呈現(xiàn)灰白-淺黃-土灰-土黃-紅色-紫色-褐色-黑色等有色系列色調(diào)，原礦燒后也相應(yīng)呈現(xiàn)由灰白等淺色調(diào)系列色直至紫色、褐紫等深色調(diào)系列色。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變及沉積成礦過程中，陶土原料顯示出成礦的非均質(zhì)特性。在同一陶土礦體中，往往儲(chǔ)藏著多種從外觀特征到組成不盡相同的陶土原料。如上述的底槽青紫砂陶土原礦料,深藏在宜興黃龍山陶土礦體的甲泥礦料層中，礦體中可用于宜興紫砂陶器制作的紫砂原礦料儲(chǔ)藏量，不足礦體中陶土總儲(chǔ)藏量的5%，突現(xiàn)出宜興本地將紫砂泥原礦料俗稱為“巖中巖”、“泥中泥”的成礦地質(zhì)特征與儲(chǔ)藏規(guī)律。

1.2 化學(xué)成分

對(duì)12 個(gè)編號(hào)的陶土原礦料均質(zhì)取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分見表2。

表2 陶土原料的化學(xué)成分（%）

陶土原料的化學(xué)成分與一般粘土相似，與高嶺土相比，Al2O3含量較低，SiO2、Fe2O3和TiO2等含量較高。由于陶土原料成礦環(huán)境與條件的復(fù)雜性，不同礦體陶土原料的化學(xué)成分波動(dòng)范圍較大，SiO2/Al2O3的比值在2～5、Fe2O3含量在3%～15%、堿性成分總含量在2%～10%之間波動(dòng)都是正常值，甚至超出該范圍的也不在少數(shù)。

1.3 礦物組成

陶土原料成礦的復(fù)雜性、化學(xué)成分的波動(dòng)性，突現(xiàn)出其礦物相組成的多樣性。陶土原礦料的粘土礦物相主要有高嶺石、埃洛石（多水、管狀高嶺石）、伊利石（水白云母）、絹云母及葉臘石（低塑性粘土）等；非粘土礦物相主要有石英、赤鐵礦（褐鐵礦、黃鐵礦）及各類長(zhǎng)石等；其燒結(jié)物的礦物相基本一致，主要為石英、莫來石、赤鐵礦。部分陶土原料的XRD 圖譜見圖1-4。

圖1 宜興軍山塢紫泥

圖2 新疆8#料

圖3 江西2#料

圖4 宜興黃龍山紫泥燒結(jié)物

對(duì)照陶土原料的化學(xué)成分分析結(jié)果，在對(duì)同一陶土原料進(jìn)行X-射線衍射鑒定分析時(shí)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)其含鐵礦物相（赤鐵礦、褐鐵礦等）的組分有偏低現(xiàn)象，與其化學(xué)成分的數(shù)值不相對(duì)應(yīng)。如采自新疆三件陶土原料的XRD 圖譜中，均明顯不見含鐵礦物相的衍射峰值。筆者曾對(duì)一件Fe2O3含量為27.48%的陶土原礦料進(jìn)行X-射線衍射鑒定分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其礦物組成中含鐵礦物相（赤鐵礦）組分僅為7.4%；其燒結(jié)物中Fe2O3含量為30.41%，而礦物組成中赤鐵礦相組分為41.8%。研究表明，因成礦條件與環(huán)境不同，在含鐵陶土原料中，有一定量的Fe2O3組分是以非含鐵化合物的單獨(dú)礦物相形式存在于陶土原礦料中。

1.4 物理工藝性能

在陶土原料應(yīng)用于陶瓷產(chǎn)品的研究中，除對(duì)陶土原料的外觀特征、化學(xué)成分、礦物相組成進(jìn)行常規(guī)的檢測(cè)外，還需對(duì)陶土原料的可塑性、結(jié)合性、干燥性、燒結(jié)性等進(jìn)行必要的檢測(cè)。對(duì)于有的陶瓷產(chǎn)品，還需檢測(cè)陶土原料的顆粒組成、有機(jī)物含量等。

如前所述，由于成礦環(huán)境與條件的復(fù)雜性,不同礦源陶土原料的物理工藝特性也會(huì)表現(xiàn)出極大的差異性。如可塑性、結(jié)合性可表現(xiàn)為低、中、高的特性，塑性指數(shù)在1～20、最高燒成溫度點(diǎn)在1100～1250℃之間波動(dòng)都是某一陶土原料表現(xiàn)出的正常特性，如表3 所示。

表3 陶土原料的部分物理工藝性能測(cè)試數(shù)據(jù)

2 陶土原料的特性研判與應(yīng)用

不同的陶瓷產(chǎn)品，對(duì)選用的陶土原料的特性有不同要求，分類研判與應(yīng)用研究如下。

2.1 紫砂陶器

紫砂陶器是一種無釉陶器產(chǎn)品，其外觀其實(shí)是一種有色胎體，產(chǎn)品胎體的外觀呈色需均勻一致，無其它雜色。傳統(tǒng)中的紫砂成了“宜興紫砂”的代名詞?！耙伺d紫砂”這一專用名詞在字眼上的特征，一是宜興紫砂陶器的外觀呈色以“紫”系列色為多；二是在宜興紫砂陶器的胎體結(jié)構(gòu)中有“砂”質(zhì)材料的存在。在加工制備宜興紫砂泥料時(shí)，需保留陶土原礦粉料中尺寸在0.5mm 以下的硬質(zhì)顆?！追Q“砂”，其砂的尺寸、數(shù)量和類型的調(diào)配是制備紫砂泥料的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，砂的處理工藝有調(diào)砂、鋪砂和抽砂等。

用于紫砂陶器的陶土原料及制備的成品泥料，應(yīng)有如下基本特性與工藝要求：1）原礦料及燒后物基本純凈、無明顯其它雜質(zhì)。陶土原料屬沉積型粘土，在其漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變過程中，難免夾雜著其它類型的雜色或硬質(zhì)礦物，需通過人工揀選的方式剔除這類雜質(zhì)礦物；2）泥料的物化工藝性能適宜。可塑性適中即可，但結(jié)合性要好；較低的收縮率，如收縮率過大需考慮紫砂制品的器型與制作方式；燒成溫度在1150～1250℃之間為佳；3）原礦料的粉碎方式極為關(guān)鍵，需采用雷蒙、石碾、顎式等干法破碎，若原礦料中“硬質(zhì)”顆粒不足，在制備成品泥料時(shí)則還需經(jīng)過“調(diào)砂”等工藝處理。

在陶土原料中，以用于制作紫砂陶器的陶土原料特性及泥料制備工藝要求為高。在我國(guó)各地看似都儲(chǔ)藏著可制作紫砂陶器的礦物陶土原料，但真正優(yōu)質(zhì)品位的并不多，即便在“陶都”——宜興，用于制作紫砂陶器的優(yōu)質(zhì)紫砂陶土原礦料，也僅占陶土原料總儲(chǔ)量的3%～5%，大部分礦物陶土原料用于其它陶器具、園藝及建陶等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。傳統(tǒng)紫砂成品泥料的制備工藝為：紫砂原礦料—風(fēng)化—揀選—破碎—篩分—配料—除鐵—混合—粗練—陳腐—精練—成品泥料。

經(jīng)工藝技術(shù)實(shí)驗(yàn)與研究，宜興黃龍山紫泥、宜興軍山塢紫泥、新疆8#料、江西1#料和臨汾紫泥等5 件陶土原料的基本特性，可滿足紫砂陶器產(chǎn)品的制作與生產(chǎn)。

2.2 細(xì)陶器（炻器）

細(xì)陶器產(chǎn)品的生產(chǎn)，通常采用滾（塑）壓和注漿二種成型工藝，其坯料所選用的陶土原礦料均通過混合球磨細(xì)粉碎的加工方式完成，由于坯料制備的混合均一性較高，對(duì)原礦料的純凈度要求低，原礦料特性滿足坯料制備與產(chǎn)品品質(zhì)的工藝技術(shù)要求即可。

適用于滾壓成型的坯料要有中等的塑性指數(shù)，對(duì)坯料配方進(jìn)行合理設(shè)計(jì)后，一般陶土原礦料基本能滿足其坯料制備的要求。注漿成型的泥漿制備，對(duì)坯料的塑性與解膠性都有較高的要求，以保證半成品的注漿性能與生坯強(qiáng)度等，在坯料配方設(shè)計(jì)時(shí)需全面分析陶土原礦料的特性，并進(jìn)行必要的原礦料顆粒組成、可溶性陽離子及有機(jī)物含量等測(cè)試，同時(shí)研判其粘土礦物相的類型，如是多水高嶺類的原礦料，應(yīng)選擇性使用解膠劑。

經(jīng)工藝技術(shù)實(shí)驗(yàn)與研究，新疆3#料、新疆8#料、江西1#料、江西2#料、四川2#料、臨汾紫泥和臨汾白泥等7 件陶土原料，均可用于細(xì)陶器產(chǎn)品的生產(chǎn)。宜興黃龍山紫泥、宜興軍山塢紫泥等2 件陶土原料，因原礦料的品位高及儲(chǔ)量少，除用于紫砂陶器產(chǎn)品的制作外，不宜用于其它陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.3 采用球磨—噴霧干燥制粉工藝生產(chǎn)建陶產(chǎn)品

生產(chǎn)建陶類產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)最大化利用礦物陶土資源。用于生產(chǎn)建陶類產(chǎn)品的礦物陶瓷原料具有普遍的低廉性：1)建陶類產(chǎn)品的器型基本為板片、扁平狀，主要采用半干壓法成型工藝，對(duì)坯料的可塑性要求低；2）建陶類產(chǎn)品通常對(duì)胎體的色澤、透明度等無特殊要求，有釉產(chǎn)品也使用高遮蓋力的乳濁釉進(jìn)行裝飾，在不影響產(chǎn)品其它性能的情況下，對(duì)原礦料的鐵、鈦含量及純凈度可不作特別要求；3）建陶類產(chǎn)品的體量大，單件產(chǎn)品使用的原料量較日用器具類產(chǎn)品相對(duì)更多，為降低生產(chǎn)成本必須考慮使用低劣、廉價(jià)的礦物陶瓷原料。

利用礦物陶土原料可生產(chǎn)的建陶類品種主要有建筑琉璃瓦、拋光磚及發(fā)泡陶瓷等，采用球磨—噴霧干燥的制粉工藝，其坯料制備工藝為：

原料—配料—球磨—篩分—貯漿—噴霧干燥—粉料貯存

2.3.1 建筑琉璃瓦

普通的礦物陶土原料，較適于平板型建筑琉璃瓦的生產(chǎn)，現(xiàn)國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)工藝技術(shù)與裝備都相當(dāng)成熟，產(chǎn)品的技術(shù)門檻較低，只要符合當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)政策與環(huán)保要求即可。

產(chǎn)品采用自動(dòng)液壓機(jī)半干壓法成型、連續(xù)式輥道窯一次燒成，生產(chǎn)自動(dòng)化程度較高，勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低。一條日產(chǎn)15 萬片建筑琉璃瓦生產(chǎn)線，每天約消耗300 噸陶土原料。

2.3.2 拋光磚

使用含F(xiàn)e2O3、TiO2成分較高的礦物陶土原料適于生產(chǎn)的拋光磚品種，是具有雙層胎體結(jié)構(gòu)的拋光磚。即拋光磚的底層坯料采用普通礦物陶土原料組成，需進(jìn)行拋光工藝處理的面層坯料采用優(yōu)選的礦物陶瓷原料組成，形成“陶質(zhì)+瓷質(zhì)”的雙層、雙色胎體結(jié)構(gòu)，利用陶土原料的低廉性，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。坯料配方設(shè)計(jì)時(shí)，需全面分析、研究所用原料的特性，保證“陶質(zhì)+瓷質(zhì)”二種坯料工藝性能的匹配性。

經(jīng)工藝技術(shù)實(shí)驗(yàn)與研究，新疆3#料、新疆8#料、江西1#料、江西2#料、四川2#料、臨汾紫泥和臨汾白泥等7 件陶土原料，同樣可用于建筑琉璃瓦及拋光磚產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.3.3 發(fā)泡陶瓷

近年來我國(guó)發(fā)泡陶瓷產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模，建成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)示范基地，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)二十余家、四十多條生產(chǎn)線，年產(chǎn)量約200 萬立方米。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著我國(guó)大力發(fā)展裝配式建筑，發(fā)泡陶瓷產(chǎn)業(yè)未來十年將會(huì)迎來更快速的增長(zhǎng)期，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模保守估計(jì)在2000 億元左右，將新增發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)線近千條。

板塊狀發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品，采用粉料顆粒堆積法在耐火模框內(nèi)燒成。坯料可選用更低廉的陶土原料、陶瓷廢料及礦物廢料等，外加少量發(fā)泡生成劑與促進(jìn)劑調(diào)配而成，無需使用原料成本相對(duì)較高的瓷石類及熔劑類等陶瓷原料。產(chǎn)品采用坯料粉體自動(dòng)布料作業(yè)、連續(xù)式多層隧道窯燒成的工藝路線，大件發(fā)泡陶瓷燒成體被自動(dòng)切割成平板型、磚塊型等發(fā)泡陶瓷系列產(chǎn)品。現(xiàn)有發(fā)泡陶瓷的生產(chǎn)工藝技術(shù)比較成熟，生產(chǎn)線基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，可形成充分利用本地陶土原料低成本生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的產(chǎn)業(yè)新亮點(diǎn)。

由于發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品，可選用更低廉的陶土原料及相關(guān)廢料，使得其坯用原材料的選擇范圍更寬，一些被細(xì)陶器、建陶類等產(chǎn)品棄用的劣質(zhì)陶土原料，也可用于發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)。經(jīng)工藝技術(shù)實(shí)驗(yàn)與研究，新疆14#料、四川3#料、臨汾甲泥等3 件陶土原料，更適宜于發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)。

陶土原料還可廣泛應(yīng)用于其它陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)，如藝術(shù)類、建筑幕墻材料—陶板、廣場(chǎng)磚、無釉及有釉墻面磚等產(chǎn)品，在此不作研究與論述。

3 結(jié)語

對(duì)陶土原料進(jìn)行必要的物化工藝性能檢測(cè)與分析，綜合研判陶土原料的全面特性，針對(duì)不同陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)與研究，保障產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線、技術(shù)參數(shù)的合理與準(zhǔn)確，最終確保產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定與可靠。