長石-石英類礦物原料對日用陶瓷物理性能的影響

李赫 張金釗 張健 孫寧 毛曉東 陳偉

摘 要：探究了一種長石-石英類礦物原料在日用陶瓷中產(chǎn)生的影響和規(guī)律。通過其在日用陶瓷中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)該原料的加入可以減小日用陶瓷的收縮率和吸水率。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上時，日用陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度逐漸減小。該原料的加入量與材料的膨脹系數(shù)呈線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)與釉料進(jìn)行膨脹系數(shù)的匹配。

關(guān)鍵詞：日用陶瓷；長石-石英類礦物原料；物理性能

日用陶瓷作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)加工工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是原料的標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定性一直是日用陶瓷的短板，例如，界牌土、坊子土等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)地原料都已經(jīng)消耗殆盡，這就要求科研人員不斷尋求可替代的優(yōu)質(zhì)原料。長石、石英是常用的日用陶瓷瘠性原料，在日用陶瓷配方體系中起著助溶和骨架作用。本研究所選的原料為產(chǎn)自內(nèi)蒙古的長石-石英類礦物。據(jù)資料顯示，此原料對日用陶瓷的強(qiáng)度性能有重要作用，此外其黑體效應(yīng)對材料的收縮、吸水率等指標(biāo)有明顯影響，因此，本研究結(jié)合該原料所具有的特性，對日用陶瓷吸水率、變形度、抗折強(qiáng)度、收縮、膨脹系數(shù)等物理性能的影響進(jìn)行了應(yīng)用探究實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

長石-石英類礦物的理化分析見表1。

1.2 測試方法

1.2.1 收縮

采用的收縮試片如圖1所示。將泥漿倒入收縮試片模型中，注漿完畢后，取出收縮試片進(jìn)行干燥、燒成，燒成后進(jìn)行收縮計算，計算公式如下：

S=L（最初）-L（燒成后）L（最初）100％，

式中：

S為收縮；

L（最初）為最初坯體試片線長度（mm）；

L（燒成后）為燒成后坯體試片線長度（mm）。

1.2.2 變形度

變形度是坯體成熟度的重要指標(biāo)。使用變形試條模型，采用注漿成型，得到變形試條。把變形試條放到耐火材料基座圓孔內(nèi)，并用耐火材料氧化鋁進(jìn)行固定，把變形試條和耐火基座一起放到窯爐內(nèi)進(jìn)行燒制，燒成后取出變形試條，變形試條彎曲的度數(shù)就是變形度。本測試方法主要使用的變形試條和耐火基座的組合，如圖2所示。

1.2.3 吸水率

日用陶瓷的吸水率是指陶瓷經(jīng)過3 h以上沸水浸泡后，陶瓷吸附水的重量與陶瓷本身重量的比值，表現(xiàn)為對水的吸附能力。日用陶瓷的吸水率與配方以及燒成溫度有較大關(guān)系，所以陶瓷吸水率是測定日用陶瓷材料密度以及分類的重要指標(biāo)，可以更好的認(rèn)識和利用陶瓷，吸水率計算公式［1］如下：

W= KG1-G0G0×100%，

式中：

W為陶瓷的吸水率；

G0為陶瓷干質(zhì)量；

G1為陶瓷吸水飽和后的質(zhì)量；

K為相關(guān)系數(shù)。

1.3 測試儀器

實(shí)驗(yàn)過程中主要用到的儀器見表2，其中抗折強(qiáng)度主要使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，膨脹系數(shù)主要使用熱膨脹儀進(jìn)行測試。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

由于對此種礦物原料沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，因此在日用陶瓷中的實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行。首先少量加入此原料，微調(diào)坯體配方，部分替代石英、長石，初步探討此種原料在陶瓷中的各項(xiàng)性能和所起的作用；然后批量加入，改變坯體配方，大批量代替石英、長石，進(jìn)而探討批量加入此種原料在陶瓷中的各項(xiàng)性能。

本實(shí)驗(yàn)以高硅質(zhì)日用細(xì)瓷配方為基礎(chǔ)［2-3］。為保證實(shí)驗(yàn)對比性，選好配方后，用相同的實(shí)驗(yàn)條件（含水量、球磨時間、快速磨、注漿人員、模型等）［4-5］制作陶瓷樣品。待樣品干燥完畢后，將吸水樣品、收縮試片、抗折試條、變形試條、膨脹試條、素?zé)龢悠芬煌M(jìn)實(shí)驗(yàn)室電窯進(jìn)行燒成，燒成時間為7.5 h，燒結(jié)溫度為1 270 ℃。燒成后降溫10 h，將樣品取出，進(jìn)行吸水率、收縮、抗折強(qiáng)度、變形度、膨脹系數(shù)等測試，測試方法和儀器前文已闡述。

2 結(jié)果與討論

用長石-石英類礦物原料少量替代石英和長石，此部分實(shí)驗(yàn)共四組，分別為0號（0%長石-石英類礦物）、1號（2%長石-石英類礦物）、2號（4%長石-石英類礦物）、3號（6%長石-石英類礦物）配方，四種配方見表3。

0號為基準(zhǔn)配方，1號、2號、3號為實(shí)驗(yàn)配方，相應(yīng)的化學(xué)分析見表4。

少量加入長石-石英類礦物原料的四組配方相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5、圖3。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著長石-石英類礦物原料添加量的增加，日用陶瓷產(chǎn)品的吸水率逐漸減小，說明此原料可以增加陶瓷的瓷化程度，增加產(chǎn)品致密度，從而提升產(chǎn)品的細(xì)膩品質(zhì)，這與素?zé)庥^結(jié)果一致。從收縮維度分析，四種配方的差異不大，有長石-石英類礦物的樣品收縮偏小，所以此原料為瘠性料，加入此原料后，日用陶瓷產(chǎn)品尺寸偏大。從抗折強(qiáng)度分析，隨著長石-石英類礦物原料添加量的增加，日用陶瓷產(chǎn)品的抗折強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，說明此種原料的增加可以增強(qiáng)產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度。從變形度分析，少量加入此種原料，變形度明顯減少，說明日用陶瓷燒成溫度明顯提高，也可以從側(cè)面反映此種原料能增強(qiáng)產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度。

從膨脹系數(shù)結(jié)果分析：600 ℃之后四組產(chǎn)品的膨脹系數(shù)逐漸減小，說明600 ℃之后陶瓷產(chǎn)品的剛性應(yīng)力逐漸減小，產(chǎn)品逐漸軟化；2號、3號配方膨脹系數(shù)不規(guī)律，有異常，說明此種礦物原料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～6%時，對產(chǎn)品熱力學(xué)影響較大。從整體膨脹系數(shù)進(jìn)行分析，增加此種原料有提升產(chǎn)品膨脹系數(shù)的趨勢，根據(jù)釉層膨脹系數(shù)應(yīng)略小于坯體膨脹系數(shù)的理論［6-8］，加入此種原料能使坯體的膨脹系數(shù)增加，可能導(dǎo)致產(chǎn)品熱穩(wěn)定性不穩(wěn)定。

上一部分實(shí)驗(yàn)已經(jīng)初步研究了將少量此種礦物原料加入日用陶瓷后的各項(xiàng)性能，并且日用陶瓷的球磨、注漿、燒成等操作無異常，各項(xiàng)性能均在日用陶瓷合理范圍內(nèi)，因此本部分實(shí)驗(yàn)將批量加入此種原料。改變原料配方，用長石-石英類礦物原料批量代替石英和長石，此系列實(shí)驗(yàn)共三組，分別為4號（10%長石-石英類礦物）、5號（20%長石-石英類礦物）、6號（30%長石-石英類礦物），與對比0號的配方及化學(xué)分析見表6和表7。

為了保證其它變量穩(wěn)定，能橫向?qū)Ρ?，此部分樣品的制作（球磨、注漿、干燥、燒成等）以及測試方法與上一部分一致，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8和圖4。

分析以上結(jié)果可得，吸水率隨著長石-石英類礦物含量的增加而變小，進(jìn)一步說明此種礦物原料的增加可使日用陶瓷變得更加致密，增加日用陶瓷的瓷化程度，從而使日用陶瓷產(chǎn)品更加細(xì)膩。收縮隨著長石-石英類礦物含量的增加而逐漸減小，這與上一部分的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析一致。

從抗折強(qiáng)度和變形度層面分析，隨著長石-石英類礦物含量的增加，抗折強(qiáng)度明顯減小，變形度明顯增加，說明產(chǎn)品的機(jī)械性能隨著此種礦物含量的增加而降低。對標(biāo)上一部分實(shí)驗(yàn)，此兩種測試結(jié)果的趨勢是相反的，說明少量加入和批量加入此種原料對日用陶瓷的影響機(jī)理不一致，中間有個分界值。批量加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上時，坯體的燒成溫度逐漸降低，出現(xiàn)過燒情況，產(chǎn)生過多的玻璃相，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

從膨脹系數(shù)角度分析，隨著長石-石英類礦物含量的增加，產(chǎn)品的膨脹系數(shù)逐漸減小。根據(jù)坯釉結(jié)合理論，釉料的膨脹系數(shù)也需相應(yīng)減小。對標(biāo)上一部分實(shí)驗(yàn)，批量加入此類礦物時，日用陶瓷的膨脹系數(shù)變化明確，容易控制產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）通過化學(xué)分析可得，此原料是介于長石和石英中間的一種礦物，是石英和長石相伴生的結(jié)合體。

2）此礦物原料的加入，可以降低日用陶瓷的吸水率，使產(chǎn)品致密度更高，瓷質(zhì)細(xì)膩。

3）此礦物原料的加入，可以降低日用陶瓷的收縮率，說明此原料為瘠性料，加入此原料時，生產(chǎn)的日用陶瓷產(chǎn)品尺寸偏大。

4）加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上此種礦物原料時，燒成溫度逐漸降低，日用陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度逐漸減?。划?dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，下降8%左右。相反，少量加入此種原料時，日用陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度可以增強(qiáng)25%左右。從變形度角度也可反映強(qiáng)度的大小。

5）批量加入此種礦物原料可以減小坯體的膨脹系數(shù)且變化穩(wěn)定，容易匹配釉料，日用陶瓷熱穩(wěn)定性容易控制。相反，少量加入時膨脹系數(shù)不穩(wěn)定，不利于日用陶瓷產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。

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（責(zé)任編輯：姚佳良）