長石-石英類礦物原料對日用陶瓷物理性能的影響

2024-01-08 23:39:11李赫張金釗張健孫寧毛曉東陳偉

山東陶瓷 2023年1期

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生的影響和規律。通過其在日用陶瓷中的應用實驗和系統分析，發現該原料的加入可以減小日用陶瓷的收縮率和吸水率。當添加質量分數在20%以上時，日用陶瓷的機械強度逐漸減小。該原料的加入量與材料的膨脹系數呈線性關系，可實現與釉料進行膨脹系數的匹配。

關鍵詞：日用陶瓷；長石-石英類礦物原料；物理性能

日用陶瓷作為傳統產業，生產加工工藝已經相當成熟，但是原料的標準化、穩定性一直是日用陶瓷的短板，例如，界牌土、坊子土等優質產地原料都已經消耗殆盡，這就要求科研人員不斷尋求可替代的優質原料。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自內蒙古的長石-石英類礦物。據資料顯示，此原料對日用陶瓷的強度性能有重要作用，此外其黑體效應對材料的收縮、吸水率等指標有明顯影響，因此，本研究結合該原料所具有的特性，對日用陶瓷吸水率、變形度、抗折強度、收縮、膨脹系數等物理性能的影響進行了應用探究實驗。

1 實驗

1.1 實驗原料

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，取出收縮試片進行干燥、燒成，燒成后進行收縮計算，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。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，并用耐火材料氧化鋁進行固定，把變形試條和耐火基座一起放到窯爐內進行燒制，燒成后取出變形試條，變形試條彎曲的度數就是變形度。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，可以更好的認識和利用陶瓷，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為陶瓷干質量；

G1為陶瓷吸水飽和后的質量；

K為相關系數。

1.3 測試儀器

實驗過程中主要用到的儀器見表2，其中抗折強度主要使用電子萬能試驗機進行測試，膨脹系數主要使用熱膨脹儀進行測試。

1.4 實驗方法

由于對此種礦物原料沒有相關經驗，因此在日用陶瓷中的實驗分兩部分進行。首先少量加入此原料，微調坯體配方，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，進而探討批量加入此種原料在陶瓷中的各項性能。

本實驗以高硅質日用細瓷配方為基礎［2-3］。為保證實驗對比性，選好配方后，用相同的實驗條件（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、素燒樣品一同進實驗室電窯進行燒成，燒成時間為7.5 h，燒結溫度為1 270 ℃。燒成后降溫10 h，將樣品取出，進行吸水率、收縮、抗折強度、變形度、膨脹系數等測試，測試方法和儀器前文已闡述。

2 結果與討論

用長石-石英類礦物原料少量替代石英和長石，此部分實驗共四組，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號為基準配方，1號、2號、3號為實驗配方，相應的化學分析見表4。

少量加入長石-石英類礦物原料的四組配方相關實驗結果見表5、圖3。

從以上實驗結果可以看出，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，增加產品致密度，從而提升產品的細膩品質，這與素燒外觀結果一致。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，日用陶瓷產品尺寸偏大。從抗折強度分析，隨著長石-石英類礦物原料添加量的增加，日用陶瓷產品的抗折強度逐漸增強，說明此種原料的增加可以增強產品的機械強度。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，也可以從側面反映此種原料能增強產品的機械強度。

從膨脹系數結果分析：600 ℃之后四組產品的膨脹系數逐漸減小，說明600 ℃之后陶瓷產品的剛性應力逐漸減小，產品逐漸軟化；2號、3號配方膨脹系數不規律，有異常，說明此種礦物原料添加質量分數為4%～6%時，對產品熱力學影響較大。從整體膨脹系數進行分析，增加此種原料有提升產品膨脹系數的趨勢，根據釉層膨脹系數應略小于坯體膨脹系數的理論［6-8］，加入此種原料能使坯體的膨脹系數增加，可能導致產品熱穩定性不穩定。

上一部分實驗已經初步研究了將少量此種礦物原料加入日用陶瓷后的各項性能，并且日用陶瓷的球磨、注漿、燒成等操作無異常，各項性能均在日用陶瓷合理范圍內，因此本部分實驗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，此系列實驗共三組，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號的配方及化學分析見表6和表7。

為了保證其它變量穩定，能橫向對比，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，詳細實驗結果見表8和圖4。

分析以上結果可得，吸水率隨著長石-石英類礦物含量的增加而變小，進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，從而使日用陶瓷產品更加細膩。收縮隨著長石-石英類礦物含量的增加而逐漸減小，這與上一部分的實驗現象與分析一致。

從抗折強度和變形度層面分析，隨著長石-石英類礦物含量的增加，抗折強度明顯減小，變形度明顯增加，說明產品的機械性能隨著此種礦物含量的增加而降低。對標上一部分實驗，此兩種測試結果的趨勢是相反的，說明少量加入和批量加入此種原料對日用陶瓷的影響機理不一致，中間有個分界值。批量加入質量分數在20%以上時，坯體的燒成溫度逐漸降低，出現過燒情況，產生過多的玻璃相，導致強度降低。

從膨脹系數角度分析，隨著長石-石英類礦物含量的增加，產品的膨脹系數逐漸減小。根據坯釉結合理論，釉料的膨脹系數也需相應減小。對標上一部分實驗，批量加入此類礦物時，日用陶瓷的膨脹系數變化明確，容易控制產品的熱穩定性。

3 結論

1）通過化學分析可得，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，使產品致密度更高，瓷質細膩。

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，生產的日用陶瓷產品尺寸偏大。

4）加入質量分數在20%以上此種礦物原料時，燒成溫度逐漸降低，日用陶瓷的機械強度逐漸減小；當加入質量分數為30%時，下降8%左右。相反，少量加入此種原料時，日用陶瓷的機械強度可以增強25%左右。從變形度角度也可反映強度的大小。

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

參考文獻

［1］程國安，張建平，童裕英.日用陶瓷器吸水率測定方法的研究［J］.中國陶瓷，1996，32（1）：29-38.

［2］劉陽，李健.高硅質瓷的制備［J］.中國陶瓷，2016，52（1）：77-80.

［3］張儒嶺，徐景維.山東陶瓷工業科技進步與成果［M］.青島：青島海洋大學出版社，1993：56-65.

［4］李家駒.日用陶瓷工藝學［M］.武漢：武漢理工大學出版社，1992：203-214.