王傳勝 王美蘭 李建彬

(江蘇脒諾甫納米材料有限公司 江蘇 宜興 214221)

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甘肅某地區(qū)陶瓷原料的成分分析與評(píng)價(jià)

王傳勝 王美蘭 李建彬

(江蘇脒諾甫納米材料有限公司 江蘇 宜興 214221)

陶瓷原料質(zhì)量的優(yōu)劣在整個(gè)陶瓷生產(chǎn)工藝流程中起著至關(guān)重要的作用。原料質(zhì)量的穩(wěn)定既是整個(gè)生產(chǎn)工藝參數(shù)穩(wěn)定的前提條件，也是產(chǎn)品的質(zhì)量乃至整個(gè)生產(chǎn)線平衡且穩(wěn)定的重要因素，因此，對(duì)陶瓷原料的化學(xué)成分、礦物組成以及工藝性能都需要進(jìn)行全面分析，并對(duì)其綜合評(píng)價(jià)是非常必要的。本實(shí)驗(yàn)對(duì)甘肅某地區(qū)的陶瓷原料，主要是高嶺石礦物，進(jìn)行全方面的化學(xué)組成成分分析，主要包括儀器分析方法，以及通過對(duì)其工藝性能的探究進(jìn)行綜合評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該地區(qū)原料礦石品質(zhì)較好，適合大多數(shù)陶瓷生產(chǎn)使用。

陶瓷原料高嶺石 化學(xué)成分分析 工藝性能 綜合評(píng)估

前言

盡管自然界的陶瓷原料非常豐富, 但由于成礦分布分散且復(fù)雜, 有些礦點(diǎn)至今尚未被發(fā)現(xiàn)或開發(fā)。有的因現(xiàn)有技術(shù)原因而無法開采,已有的在開礦點(diǎn)也因經(jīng)過多年開采部分資源已枯竭。國(guó)內(nèi)一些著名的陶瓷原料產(chǎn)地，如景德鎮(zhèn)、宜興、醴陵都已出現(xiàn)了這種情況。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對(duì)陶瓷的需求量也與日俱增,優(yōu)質(zhì)陶瓷原料供應(yīng)日趨緊張。一些廠家已開始利用低質(zhì)原料或代用品進(jìn)行陶瓷生產(chǎn)，但因此就存在一個(gè)突出的問題，就是原有配方調(diào)整頻繁。如何能快速準(zhǔn)確判斷新進(jìn)原料的性狀和化學(xué)成分范圍, 科學(xué)地鑒別和比較陶瓷原料尤其重要, 這也就要求技術(shù)人員更要熟悉運(yùn)用原料鑒別的基本方法, 在生產(chǎn)實(shí)踐中正確使用, 多研究, 才可得到最佳的效果。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)甘肅某地區(qū)的陶瓷原料進(jìn)行了成分分析和評(píng)價(jià)，儀器組分分析。實(shí)驗(yàn)表明，該地區(qū)高嶺石陶瓷原料品質(zhì)較好，接近高嶺石的理論組成且雜質(zhì)含量少，有害物質(zhì)Fe2O3含量也較低。工藝性能實(shí)驗(yàn)表明該高嶺陶瓷原料礦物的可塑性較好，干燥收縮大，干燥強(qiáng)度一般，這是因?yàn)槠渲芯辛焦軤畹亩嗨邘X石，可滿足陶瓷生產(chǎn)的要求；該高嶺土礦物中Al2O3的含量較高，因此耐火度很高；另外，由于其K2O和Na2O含量較低，是制作低膨脹耐熱陶瓷的優(yōu)質(zhì)原料。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在1 300 ℃燒成溫度下，試樣的體積密度為2.52 g/cm3，吸水率為7.56%，收縮率達(dá)到22.32%，氣孔率為5.02%；在1 280 ℃燒成溫度下，白度可達(dá)到81.23%。

綜合以上實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以得出，該地區(qū)的陶瓷原料成分組成較好，原料中的鐵、鈦等有害成分較低，工藝性能好。因此，除了可生產(chǎn)普通的建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品，還用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高檔的日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、耐熱陶瓷以及蜂窩陶瓷等產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)過程及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用陶瓷原料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)用陶瓷原料(見圖1)

圖1 陶瓷原料

Fig.1 Ceramic raw materials

1.1.2 實(shí)驗(yàn)原料的處理

先將所有原料進(jìn)行手工粗碎處理，再進(jìn)行24 h球磨處理，并將球磨、烘干后的各原料送樣進(jìn)行測(cè)試。

1.1.3 試樣的制備

試樣制備的方法如下：

1)將球磨后的粉料預(yù)燒800 ℃，去除含有的有機(jī)物；

2)把預(yù)燒好的原料準(zhǔn)確稱料；

3)加入適量解凝劑(Na2CO3)充分磨勻；

4)然后用壓機(jī)壓制成片(壓力在10 MPa左右)，做好標(biāo)記，放入烘干箱烘干(溫度為80～110 ℃)。

1.1.4 試樣的燒成

將烘干的試樣放置在電爐的中央位置，分別在所需溫度下燒成，并快速升溫至最高溫度，達(dá)到最高溫度時(shí)保溫60 min，自然冷卻至室溫。

1.2 實(shí)驗(yàn)用分析設(shè)備及儀器

本研究采用精密分析天平(準(zhǔn)確至0.000 1 g)、干燥箱(101-2型)、X射線熒光光譜儀(Axios型)進(jìn)行成分分析；采用德國(guó)BRUKER/AXS公司生產(chǎn)的D8 Advance型X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相分析；采用德國(guó) Netzsch公司的STA449C型綜合熱分析儀進(jìn)行分析；采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-2010高分辨率透射電子顯微鏡和日本電子公司生產(chǎn)的JSM-35CF型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察；采用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的KS-B微電腦可塑性測(cè)定儀對(duì)高嶺土礦進(jìn)行可塑性分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 陶瓷原料的描述和外觀特征

外觀呈軟質(zhì)-半硬質(zhì)致密塊狀結(jié)合體,主體呈白色、微黃色，中間夾雜有灰，黃，褐等顏色，無光澤，手感細(xì)膩，有滑膩感。

2.2 陶瓷原料的化學(xué)組成分析

經(jīng)過熒光分析測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原料及其組成

Tab.1 Raw materials in the experiment and their chemical composition

元素化合物符號(hào)濃度(wt%)分子式濃度(wt%)Na0．33Na2O0．44Al20．54Al2O338．80Si19．54SiO241．80P0．13P2O50．29S0．68SO31．70K0．07K2O0．09Ca0．08CaO0．11Fe0．24Fe2O30．34Cl0．18Cl0．18燒失16．03

從表1可知，該原料樣品的SiO2和Al2O3含量接近高嶺石的理論組成，有害組分中Fe2O3含量較低，可直接用于陶瓷生產(chǎn)，另一種有害組分TiO2的含量未檢測(cè)到，但是含有微量的P2O5。樣品中的K2O含量很低，Na2O的含量較高，可作為低膨脹陶瓷原料使用。因SO3的含量也較高，故原料呈微黃色。該原料的燒失量高于純高嶺石的理論含量，這表明此高嶺土礦含有多水高嶺石。

2.3 陶瓷原料的物相分析

先通過Jade5.0對(duì)XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再利用Origin7.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖2所示。

圖2 陶瓷原料的XRD圖譜

Fig.2 XRD spectrum of ceramic raw materials

通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片發(fā)現(xiàn)，在2θ分別在12.86°、25.08°、38.55°和56.51°處的衍射峰，對(duì)應(yīng)為多水高嶺石；在2θ分別在13.15°、22.97°、25.05°、38.83°、56.61°和63.62°處的衍射峰，對(duì)應(yīng)為高嶺石；在2θ分別在120.05°、35.98°、55.11°和62.81°處的衍射峰，對(duì)應(yīng)為珍珠高嶺石。上述分析表明，該礦物由高嶺石、多水高嶺石和珍珠陶土組成。

2.4 陶瓷原料的差熱、熱重分析(見圖3)

由圖3中差熱和熱重分析曲線可以看出：

1)在98.8 ℃處，有一個(gè)明顯的吸熱峰，同時(shí)伴有0.64%左右的失重，這是由粘土礦物中的高嶺石失去吸附水和層間水所導(dǎo)致。

圖3 陶瓷原料的差熱和熱重分析

Fig.3 Differential thermal analysis and thermogravimetric analysis of Kaolin ore

2)在561 ℃處，有一個(gè)明顯的吸熱峰，同時(shí)伴有19.14 %左右的失重，這是由于加熱過程中高嶺石和多水高嶺石快速失去結(jié)構(gòu)水，使晶格被破壞，高嶺石變成偏高嶺石，在600 ℃后，直至800 ℃，殘余結(jié)構(gòu)水繼續(xù)排除；

3)開始先加熱到1 000 ℃，繼續(xù)加熱到955.6 ℃，偏高嶺石轉(zhuǎn)化為2Al2O3·3SiO2尖晶石而產(chǎn)生的一個(gè)放熱峰。

2.5 陶瓷原料的形貌特征

由陶瓷原料的SEM照片可觀察到大量的片狀或云狀高嶺石晶體，其長(zhǎng)度在2～5μm不等。因?yàn)樵O(shè)備條件有限，不能進(jìn)行TEM的測(cè)試，故未能進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

圖4 陶瓷原料的SEM照片

Fig.4 SEM photos of ceramic raw materials

2.6 陶瓷原料的工藝性能

2.6.1 可塑性能

表2 1#～3#高嶺土礦的可塑度和可塑性指標(biāo)

Tab.2 1#～3#the flexibility and plasticity index of kaolin ore

可塑度可塑性指標(biāo)(mm·kg)濕基含水率(%)1#0．47105．9402#0．51119．0413#0．49108．039

由表2中數(shù)據(jù)可知，該高嶺土礦的可塑度和可塑性指標(biāo)良好，這是由于原料含有的主要礦物是片狀結(jié)構(gòu)的高嶺石，從礦物的外觀看，這些高嶺土致密地結(jié)合在一起，其中含有一定的膠狀物質(zhì)，因而高嶺土的可塑性較好。

2.6.2 干燥性能

表3 1#～3#試樣的干燥收縮率和干燥強(qiáng)度

Tab.3 1#～3#the drying shrinkage and drying intensity of sample

1#2#3#干燥收縮率(%)7．647．748．18干燥強(qiáng)度(MPa)3．74．14．3

采用可塑成形將泥料壓制成圓餅，在120 ℃下恒溫干燥后測(cè)試其收縮率和干燥強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見表3。

從表3可以看出：該高嶺土礦干燥后的強(qiáng)度均高于0.98 MPa，因此，完全可以滿足陶瓷的實(shí)際生產(chǎn)。

2.6.3 燒成性能

圖5 高嶺土原料的體積密度和吸水率隨燒成溫度的變化曲線

Fig.5 Raw material of kaolin volume density and bibulous rate along with the change of sintering temperature curve

由圖5和圖6可以看出，隨著溫度的升高，高嶺土原料試樣的尺寸緩慢收縮，逐漸致密化，吸水率明顯降低；溫度高于1 150 ℃后，高嶺土試樣體積開始劇烈收縮，同時(shí)氣孔率隨著溫度的升高明顯減少；在1 300 ℃的燒成溫度下，試樣的體積密度為2.52 g/cm3，吸水率為7.56%，收縮率達(dá)到22.32%，氣孔率為5.02%；當(dāng)燒成溫度達(dá)到1 300 ℃時(shí)，高嶺土還未完全燒結(jié)。因此可以確定該高嶺土原料的燒結(jié)溫度高于1 300 ℃。

圖6 高嶺土原料的收縮率和氣孔率隨燒成溫度的變化曲線

Fig.6 Materials kaolin of shrinkage and porosity curve along with the change of sintering temperature

圖7 高嶺土原料的白度隨燒成溫度的變化曲線

Fig.7 Raw material of kaolin whiteness curve along with the change of sintering temperature

由圖7可以看出，隨著燒成溫度的升高，高嶺土試樣的白度基本保持穩(wěn)定；當(dāng)燒成溫度升至800 ℃時(shí)，試樣急劇收縮，逐漸致密化，對(duì)光的反射能力增強(qiáng)，坯體的白度顯著增加。在燒成溫度為1 280 ℃時(shí)，白度可達(dá)到81.23%。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)陶瓷原料高嶺礦物的成分分析和工藝性能的檢測(cè)，得到如下結(jié)論：

1)該陶瓷原料品質(zhì)較高，沒有有害物質(zhì)，或Fe2O3和TiO2的含量均較低，雜質(zhì)含量少，最接近高嶺土的理論組成。物相分析表明，構(gòu)成這些高嶺土類原料的主要礦物為高嶺石和多水高嶺石，其差熱-熱重分析結(jié)果與高嶺石礦物組成分析結(jié)果非常吻合。

掃描電鏡分析結(jié)果表明，該高嶺礦物原料含有六方管狀結(jié)構(gòu)的多水高嶺礦物和大量的片狀或云狀高嶺石晶體，其顯微結(jié)構(gòu)分析與主要礦物分析結(jié)果吻合較好。

2)工藝性能分析結(jié)果表明，該高嶺礦物的可塑性較好，干燥收縮大，干燥強(qiáng)度一般，這是因?yàn)槠渲芯辛焦軤畹亩嗨邘X石，但可滿足陶瓷生產(chǎn)的要求；該高嶺土礦物中Al2O3的含量均較高，因此耐火度較高；另外，由于其K2O和Na2O含量較低，是制作低膨脹耐熱陶瓷的優(yōu)質(zhì)原料。

3)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，燒成溫度為1 300 ℃時(shí)，試樣的體積密度為2.52 g/cm3，吸水率為7.56%，收縮率達(dá)到22.32%，氣孔率為5.02%。 燒成溫度為1 280 ℃時(shí)，白度達(dá)到81.23%。

4)綜合以上實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果分析可以得出，由于該地區(qū)的陶瓷原料中含鐵、鈦等有害成分較低，因此可以生產(chǎn)普通的建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品；若要生產(chǎn)高檔的建筑陶瓷如玻化磚、拋光磚，還需要使用部分外地優(yōu)質(zhì)原料。以該地區(qū)陶瓷原料為主，添加少量的外地原料，可以生產(chǎn)日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、耐熱陶瓷等產(chǎn)品。

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王傳勝(1972-)，本科，工程師；主要從事陶瓷色釉料的研究工作。

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1002-2872(2016)11-0032-05