紫砂泥料粒徑分布對紫砂制品性能的影響與評價

摘 要：本文研究陽泉平定紫砂泥料的粒徑分布對其性能的影響。采用激光粒度儀、X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）對紫砂泥料樣品的粒度分布、物相組成、顯微形貌進行分析表征，同時測試其收縮率、體積密度、顯氣孔率及吸水率等使用性能。結果表明：陽泉紫砂主要由云母、石英及高嶺土組成，其中Fe2O3和Al2O3的含量較高。不同粒徑分布對紫砂收縮率影響較大，且顯微形貌表現(xiàn)各有不同。實驗配方中粒徑分布為40～60目占比30%、60～80目占比20%、80目以下占比50%時，其各項性能最佳。

關鍵詞： 平定紫砂泥料；粒徑分布；紫砂性能

1前言

紫砂制品作為一種工藝美術品，既具有藝術性又具備實用性，深受廣大人民群眾的喜愛。目前，紫砂研究的主要方向集中在礦物原料種類和分類、泥料的功能與特點以及造型美學等方面[1-3]。陽泉平定地區(qū)紫砂礦石資源豐富，且具有良好的可塑性和燒結性能[4-6]。近年來，隨著對泥料礦物的充分認識，分析手段的發(fā)展，工藝技術不斷改進，越來越多的學者開始關注泥料粒度大小對紫砂成型和裝飾效果的影響。然而，對于泥料之間的成分特征，特別是研究泥料的粒度分布對成型工藝和表面裝飾效果的具體影響，目前的研究還相對較少。

本文研究紫砂泥料粒徑分布對紫砂性能的影響。對紫砂泥料進行篩分，然后將不同粒徑的紫砂泥料混合后制備紫砂泥料試片。用激光粒度分析儀測試紫砂泥料的粒徑分布、用X射線衍射儀進行物相分析、用掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌與微觀結構；并分析不同粒徑分布下評定紫砂泥料體積密度、吸水率、顯氣孔率、收縮率等性能。通過研究不同粒徑分布的紫砂泥料的一系列性能，探究粒徑分布對紫砂泥料的性能影響因素，從而為紫砂制品提供良好的原料依據(jù)，以便于更好地控制工藝細節(jié)和產(chǎn)品的表面形貌，為有更高標準和要求的陶藝家提供技術支撐。

2 實驗部分

2.1 原料制備

陽泉平定紫砂紫泥料，來自平定紫砂研究所。對紫砂泥料進行破碎、球磨等一系列操作，做出部分原料以備用。

2.2性能分析測試

采用濟南潤之科技Rise-2018激光粒度儀測試不同組配紫砂粉料粒徑分布。采用英國Malvern Panalytical公司Aeris型 X 射線衍射儀（ XRD，Cu K α射線，步長 0.02°，40 kV，30 mA） 對樣品進行物相分析；采用日本JEOL公司的JSM-IT200 掃描電子顯微鏡觀察樣品支撐劑的表面微觀結構。按照國家行業(yè)標準QB/T 1642-2012《陶瓷坯體顯氣孔率和體積密度測試方法》測試樣品體積密度以及樣品燒結前后直徑變化分析泥料收縮率。

3結果與討論

3.1原料粒徑分布

采用Rise-2018激光粒度儀測試不同級配組紫砂原料粉體粒徑分布，并進行分析。

從上表分析可知， 1號與3號配比d10、d50、d90較為接近，粒子分布窄，集中度高。不同粒度的顆粒在一起時，由于接觸面積和結合方式的變化會影響其最終產(chǎn)品的性能。粒子分布窄，在燒結過程中的收縮變形性相對影響小，能夠保證燒結后的紫砂制品的尺寸穩(wěn)定性。

3.2顯微結構分析

圖2所示是不同粒徑配比的掃描電鏡圖。通過觀察分析可知，1號和4號配比樣品斷面處有明顯的長裂紋，其綜合性能相對較差；6號配比樣品斷面處氣孔小而密，且分布在整個斷面上，經(jīng)分析其形成原因是由于樣品配比中粗顆粒粒徑占比較多導致燒后樣品粉體顆粒間粘連性不強而致；2號配比大顆粒粒徑占比較少，小顆粒粒徑占比較多導致微觀表面氣孔最少，致密性最好，反而降低了其實際使用性能；3號和5號配比樣品其氣孔分布較為均勻，氣孔數(shù)量也較適中。氣孔少，紫砂制品不易產(chǎn)生裂紋，強度也較高。

3.3泥料物相組成分析

如圖3所示，對比分析不同粒徑配比的X射線衍射圖譜，可知對于組分確定，燒結溫度一致的紫砂泥料，雖然配比是不相同的，但是其衍射峰位置基本一致，從圖譜中可以看到在26.6°、33.2°處石英的特征峰以及33.1°、35.6°和58.3°處赤鐵礦的特征峰。說明泥料的主要化學組成成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3，其礦物成分主要為石英、赤鐵礦、高嶺土。

3.4泥料性能測試結果分析

由圖4（a）可知， 3號和4號配比的體積密度最為接近，略高于2.00g/cm3，其余配比的體積密度相對均有較大差異。體積密度越高，說明紫砂泥料坯體的密實度越高，從XRD數(shù)據(jù)分析可知紫砂礦物組分中含有石英，在高溫燒結過程中容易與其他礦物組分形成具有高黏度的玻璃相，會填充顆粒配比帶來的空隙。

圖4（b）是試片的收縮率變化曲線，從圖中可以看到收縮率是逐漸降低的，對比6個配比可知，泥料越細，燒成后的收縮率越大。此外，紫砂礦物組分中低熔點的石英也有助于減少坯體在干燥和燒結中的收縮。

不同粒徑分布的紫砂試片，其顯氣孔率有明顯差異。由圖4（c）可知，1號、3號和5號配比的顯氣孔率相差不大，約為10%左右，2號配比的顯氣孔率最低，對比2號配比的組成可知2號配比小顆粒粒徑占比較高，燒結后的試樣致密性高，造成顯氣孔率較低；4號和6號配比的顯氣孔率較高， 是因為其紫砂泥料配比中大顆粒粒徑占比較高，空隙較多，導致燒后的粒子間間隙較大，顯氣孔率相對較高。

由圖4（d）可知吸水率最低的是2號配比，最高的是6號配比，其余4組料較為接近，這與紫砂試片的顯氣孔率相對應。氣孔率低即顯氣孔率低，試片浸入水中時，液體不易浸入試樣內(nèi)部，則吸水率就較低；氣孔率高時則相反。

4 結論

不同粒徑配比制備的平定紫砂泥料其物理性能影響主要體現(xiàn)在收縮率和物相組成方面。XRD衍射圖譜表明不同粒徑分布的紫砂泥料的物相組成的影響不大。通過掃描電子顯微鏡形貌分析可知，不同粒徑分布的紫砂試片其顯微結構有明顯不同，粗顆粒占比高會導致成型時表面不平整，而較細的顆粒則更容易填充到砂器的各空間位置。當粉體粒徑中粗顆粒比例較高時，會導致樣品氣孔增加，從而影響到泥料的使用性能，氣孔率增加，吸水率也增加，此時樣品的體積密度降低，對比各配比方案可知3號配比（即40～60目占比30%，60～80目占比20%，80目以下占比50%）結果最佳，所得的紫砂制品也將較好。適當?shù)念w粒級配有助于合理利用紫砂礦物，提升泥料的利用率。

參考文獻

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Effect and Evaluation of Particle Size Distribution of Purple Sand Mud on the Properties of Purple Sand

DU run-ping1，BAI pin-bo2，3，GUO jin-yan1

（1.Shanxi Institute of Technology， Yangquan，045000；2. Pingding Purple Sand Research Institute，Yangquan，045200；3. Yangquan Changqing Fracturing Petroleum Co.Ltd，Yangquan，045200）

Abstract： This paper investigates the effect of particle size distribution on the properties of Yangquan Pingding zisha clay. Laser particle size meter， X-ray diffractometer （XRD） and scanning electron microscope （SEM） were used to analyze and characterize the particle size distribution， physical phase composition and micro-morphology of the purple sand clay samples， and to test the use properties such as shrinkage， bulk density， apparent porosity and water absorption. The results show that Yangquan alabaster is mainly composed of mica， quartz and kaolin， among which the contents of Fe2O3 and Al2O3 are high. Different particle size distributions have a greater influence on the shrinkage rate of alabaster， and the micro-morphological performance is different. In the experimental formula， the best performance was achieved when the particle size distribution was 30% of 40-60 mesh， 20% of 60-80 mesh， and 50% of below 80 mesh.

Keywords： Pingding purple clay; Particle size distribution; Purple sand performance