工藝條件對低膨脹耐熱紫砂陶瓷性能的影響*

董偉霞 徐晨浪 包啟富 黃武清 胡天霜

(1 景德鎮陶瓷大學 江西 景德鎮 333001)

(2 景德鎮市景火瓷業有限公司 江西 景德鎮 333001)

紫砂器不掛釉是充分利用泥的本色,燒成后色澤溫潤、古雅可愛,紫砂器面還具有亞反光效果,既能減弱光的反射,又能清晰地表現器物形態。紫砂器不含任何有害物質,還富含有益于人體健康的多種礦物質,而且紫砂器在加熱過程中能發出遠紅外線,能夠活化水分子,礦化成p H 值為7.1左右的弱堿性,這有助于人體弱堿性健康體質的形成。同時,遠紅外線還有活化脂肪酶的作用,紫砂所含的部分微量元素也能夠活躍分解脂肪的酶素,所以紫砂制作的炊具煮出的食物味道鮮美而不油膩[1]。

近年來隨著生活水平的提高,人們對紫砂陶需求量的增加,紫砂泥的應用也越來越多。但是紫砂膨脹系數比較高,其安全性和使用范圍受到了限制。低膨脹紫砂泥的研制,將使這一問題得到改善。景德鎮紫砂產于江西省東南部,含量豐富。景德鎮紫砂泥外觀呈紫紅色,質地柔軟、結構致密,由水云母、高嶺土、石英碎屑、赤鐵礦等主要礦物組成,具有良好的可塑性。因此,在此次試驗中選用景德鎮紫砂作為實驗對象,通過加入鋰輝石、滑石,形成鋰輝石/堇青石復相陶瓷使紫砂泥具有更低的膨脹系數。

1 實驗過程

該配方組成(質量%):紫砂1 號30～36,紫砂2號24～28,鋰輝石30～35,滑石10～12,紫木節3～4,按球磨、成形、燒成等傳統工藝配制低膨脹紫砂泥料?？疾旃に嚄l件對低膨脹紫砂陶瓷性能影響,可參考申請專利[2]的工藝過程及其原料組成。采用RPZ-01型熱膨脹測試儀測試熱膨脹系數,采用數顯抗折儀測試樣品的抗折強度。利用德國布魯克AXS有限公司生產的D8 Advance型X 射線衍射儀對樣品進行物相分析。

2 實驗結果與分析

2.1 顆粒細度對紫砂泥性能的影響

由圖1(a)可以看出,隨著球磨時間的增加,紫砂陶的熱膨脹系數減小,紫砂陶的熱穩定性則提高。球磨時間的增加,使得顆粒變得更細,分子表面能增加,更容易發生反應,促進了堇青石相的形成,所以紫砂泥的熱膨脹系數會降低。

圖1 球磨時間對熱膨脹系數、抗折強度和吸水率的影響

從圖1(b)可以看出,紫砂泥的抗折強度隨著球磨時間的增加先增大,然后趨于穩定。在15～25 min時,球磨時間增加,顆粒變細,分子堆積致密,紫砂泥的強度變大,抗折強度增加。在25～30 min時紫砂陶的抗折強度變化不大,可以看出之后的變化是趨于一個穩定的數值。其原因在于球磨達到一定時間后,同樣的球磨子不能改變顆粒細度,顆粒細度不變,所以坯體強度不變,所以抗折強度不再增加。但是球磨時間過長,會使粒度分布變窄,顆粒保水性增高,影響紫砂陶的工藝性能。

從圖1(c)可以看出,隨著球磨時間的增加,紫砂泥的吸水率降低,然后趨于不變。球磨時間的增加降低了紫砂泥中各成分的顆粒細度,顆粒越細,其分子堆積致密,坯體致密度高,紫砂泥中的開口氣孔減少,所以在15～25 min時,紫砂泥的吸水率降低。在25～30 min時,顆粒細度改變不大,故紫砂陶的吸水率幾乎不變。綜合選取球磨時間為20～25 min為宜。

2.2 最高燒成溫度對紫砂泥性能的影響

本實驗選取1 210℃所做樣品,由于吸水率較大,呈現生燒狀態,因此不將其在性能圖中體現。

從圖2(a)可以看出,紫砂陶的熱膨脹系數隨著燒成溫度的升高而降低。

圖2 燒成溫度對熱膨脹系數、抗折強度和吸水率的影響

從圖2(b)的燒成溫度和抗折強度的關系中可以看出,隨著溫度的升高,其抗折強度降低。在1 220℃時,紫砂陶已經燒結。在1 220～1 240℃時,溫度升高,坯體過燒,氣孔和微裂紋增多,紫砂陶的抗折強度降低。在1 240℃時坯體過燒明顯,抗折強度最低。

從圖2(c)可以看出,吸水率和燒成溫度的關系為:隨著溫度的升高,吸水率則升高。在1 220℃時,坯體已經燒結,溫度升高,坯體過燒,坯體內部氣孔和微裂紋增加,從而吸水率增加。這是由于隨著溫度升高,產生大量的液相量,從而促進了堇青石相的產生。溫度升高,堇青石相與鋰輝石和石英的固溶體相數量增加,紫砂陶的熱膨脹系數降低,同時氣孔增多,產生微裂紋,從而也降低了紫砂陶的熱膨脹系數。由于坯體過燒,太多液相產生導致氣孔增加,相應地樣品抗折強度減少和吸水率增加。

2.3 保溫時間對紫砂泥性能的影響

從圖3(a)可以看出,隨著保溫時間的增加,熱膨脹系數降低。保溫時間越長,堇青石相量越多,從而紫砂陶的熱膨脹系數降低。在保溫時間為10 min時,堇青石相可能很少或者沒有形成,紫砂陶的熱膨脹系數很高。

圖3 保溫時間對熱膨脹系數、抗折強度和吸水率的影響

從圖3(b)可以看出,隨著保溫時間的增加,紫砂陶的抗折強度逐漸變大。保溫時間增加,坯體就越致密,從而抗折強度增加。

從圖3(c)可以看出,隨著保溫時間的增加,紫砂陶的吸水率逐漸降低。因為保溫時間增加,坯體更加致密,氣孔減少,所以導致紫砂陶的吸水率降低。所以保溫時間在20～30 min 較佳。

圖4是最優樣品的XRD 衍射圖。

從圖4可以看出,衍射峰值強,主要存在鋰輝石與石英的固熔體(Li2O·Al2O3·7.5SiO2)和堇青石(2Mg O·2Al2O3·5SiO2)相組成,所以樣品呈現出了低膨脹性能。

圖4 最優樣品的XRD 衍射圖

3 結語

隨著球磨時間的延長,顆粒越細,坯體越致密,紫砂陶的強度越高,吸水率越低,在球磨時間20 min時較合適。隨著保溫時間和燒成溫度的增加,使得晶相中的堇青石和β-鋰輝石固溶體增多,從而使紫砂陶的熱穩定性提高,當保溫時間為20 min和燒成溫度1 220℃時,樣品性能較優,但燒成溫度超過1 220℃,反而會使樣品過燒,從而使抗折強度和吸水率性能變差。