日用細瓷湯鍋熱穩定性的研究進展

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的烹調食品工具，在家居廚房用品中仍然占據著重要地位。近年來，隨著人們的健康意識日益增強，對食物烹調、健康養生日益重視，陶瓷湯鍋作為一種健康養生廚具受到廣泛歡迎。國內外日用陶瓷的種類很多，但傳統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內的研究熱點。

1 日用耐熱陶瓷的分類

熱穩定性是陶瓷材料使用的一個重要性能指標。傳統日用陶瓷結構中，由于主晶相及玻璃相的熱膨脹系數相差較大，從而導致其熱穩定性較差，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瓷、堇青石質瓷、鋯石質瓷等耐熱瓷。

1.1 鋯石質耐熱陶瓷

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

1.2 堇青石質耐熱陶瓷

堇青石化學成分為Mg2Al4Si5O18，同時具有膨脹系數低和介電常數低兩種性能，大受耐熱瓷行業青睞。其高溫穩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 鋰質耐熱陶瓷

鋰質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的耐熱陶瓷。鋰輝石是主要含鋰礦物之一，鋰輝石的化學組成是LiAl[Si2O6]，鋰輝石具有熱膨脹系數低、熱穩定性好、強度高等優點，廣泛應用于耐熱陶瓷領域并迅速發展。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 鋯石質耐熱陶瓷

楊少朋[5]對鋯英石質耐熱陶瓷進行了研究，研究結果表明，鋯英石耐熱瓷在低于1360℃溫度時，結構穩定，無相變，燒結溫度范圍寬，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，鋯石質耐熱瓷在高溫下靠固相擴散作用燒結，燒結溫度高、燒成周期長，能耗高，制備成本較其他日用耐熱瓷成本高，國內外學者對日用耐熱鋯質瓷的研究較少，主要集中于鋯質瓷高溫結構材料領域。

2.2 堇青石質耐熱陶瓷

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，即固態反應法、溶膠—凝膠法和玻璃—陶瓷合成法。近年來，關于固態合成堇青石的報道主要集中在原料的選用上，尤其是選用工業和農業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稻殼二氧化硅制備的耐火堇青石陶瓷的相變和結晶性能的影響，氧化鋁添加量為15%～30%時，試樣的熱膨脹系數達到相對恒定的9.5×10-6/℃。此外，石雯怡系統研究了摻雜硅藻土、La2O3、TiO2等對SiC/堇青石復合多孔陶瓷抗彎強度、氣孔率、介電性能等的影響，當摻雜5.17wt%硅藻土,在1250℃燒結所制得的樣品，其抗彎強度達到49.19MPa,氣孔率達到37.72%。Khattab等以不同的燒結溫度制備了堇青石陶瓷，并對其物理、熱學等性能進行了研究，結果表明在1350℃燒結制備的堇青石陶瓷強度高、熱膨脹系數低，綜合性能優異。Kuscer等的研究表明，添加粒徑5μm大小的氧化鋁在1300℃燒結制備的復相陶瓷，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。目前，由于堇青石存在晶格間隙大、力學強度低等缺陷尚待解決，使得堇青石質陶瓷材料在高檔日用細瓷領域的應用受到了一定的限制。

2.3 鋰質耐熱陶瓷

鋰輝石(Li2O·Al2O3·4SiO2)陶瓷兼具具備熱膨脹系數低、熱力學性能優良等特性，因此在日用抗熱震性陶瓷領域廣受青睞。 Li2O—Al2O3—SiO2三元物相體系作為鋰質耐熱瓷的常用體系，其Li2O對鋰質耐熱陶瓷性能的影響亦受到學者們的關注。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，其熱膨脹系數小于 2×10-6/℃。譚訓彥等人[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良，經過1300℃燒結制備的樣品致密度高，吸水率低，其線熱膨脹系數為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用

3.1 鋰輝石日用細瓷湯鍋生產工藝

鋰輝石是主要含鋰礦物之一，在陶瓷制備中具有以下優點：(1)鋰輝石具有較低的熱膨脹系數，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，從而實現節能減排。近年來，在日用細瓷湯鍋制備領域，鋰輝石獲得了廣泛應用。

3.2 鋰輝石日用細瓷湯鍋的制備及性能

早期，國內市場日用細瓷湯鍋以中低端產品為主，產品強度、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，市場上出現了一系列高質量高檔日用細瓷湯鍋產品。其中，鋰輝石日用細瓷湯鍋以其較低的燒結溫度，優良的抗熱震性能，以及價格親民等優勢，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，而且產品質量接近高檔骨質瓷產品。余炳鋒[11]等采用國產鋰輝石制備日用耐熱瓷，研究結果表明，當加入40%～50%宜春鋰輝石，制備的耐熱陶瓷樣品熱膨脹系數低于2×10-6/℃，抗熱震性能優良。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異的坯釉，該研究為國產鋰輝石生產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，目前先進陶瓷領域的抗熱震制備技術也值得日用陶瓷行業進一步借鑒。很多學者研究表明，通過增加陶瓷材料的韌性和導熱系數，降低陶瓷材料的熱膨脹系數和彈性模量，能夠有效改善陶瓷材料抗熱震性能。同時，通過設計顆粒組成級配、設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工藝和設備生產出的耐熱瓷器，具有膨脹系數低、抗熱震性好、燒成溫度低等優點，是日用陶瓷湯鍋來重點發展的方向。