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稀土尾礦在透明釉制備中的應(yīng)用及其對釉面特性的影響

2024-08-10 00:00熊露袁寅潔李丹
佛山陶瓷 2024年7期

摘 要:本文通過單因素變量法研究了稀土尾礦在透明釉制備中的應(yīng)用,并探索其對釉面特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在球磨10min、燒成溫度為1300℃、保溫20min、釉層厚度為0.1~0.2mm的工藝參數(shù)下,隨著稀土尾礦含量的增加,釉面粗糙度增加,光澤度降低。為提高透明釉表面特性,本文采用單因素實(shí)驗(yàn)方法確定最佳添加劑含量和替換量,進(jìn)一步調(diào)節(jié)稀土尾礦含量和工藝參數(shù),發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)奶砑觿┖亢吞鎿Q量下,稀土尾礦能有效提高透明釉的光澤度,并降低能耗。然而隨著稀土尾礦含量增加,可能會(huì)導(dǎo)致氣泡和釉面波紋問題。因此,在使用稀土尾礦制備透明釉時(shí)需要平衡光澤度和表面形態(tài),并對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。本文的研究結(jié)果具有重要的理論和實(shí)踐意義,可減少環(huán)境污染、有效利用稀土尾礦資源,為陶瓷行業(yè)提供可持續(xù)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞:稀土尾礦;透明釉;工藝參數(shù);光澤度

1前言

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致礦產(chǎn)資源快速消耗,廢棄尾礦問題日益嚴(yán)重。為響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,稀土尾礦回收利用成為環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)。富含硅酸鹽的稀土尾礦具有多種二次使用價(jià)值,可減少資源浪費(fèi)并帶來更高經(jīng)濟(jì)效益。

早有前人[1-4]將其用于水泥和陶瓷生產(chǎn),取得良好效果。本文主要研究贛南稀土尾礦在透明釉中的應(yīng)用。通過調(diào)整配方組成、工藝參數(shù)、燒成制度等,探討引入稀土尾礦對透明釉釉面光澤度、平整度的影響,并且研究了其在透明釉中的應(yīng)用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在適當(dāng)工藝條件下,引入稀土尾礦可以提高透明釉釉面的光澤度和平整度,并且其應(yīng)用率較高。這一研究成果對促進(jìn)稀土資源的回收利用和推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)旨在研究稀土尾礦在釉用原料中的作用,并優(yōu)化原料配比以提高釉面質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)采用贛南稀土尾礦、石英、鉀長石、高嶺土、滑石、白云石、方解石和石灰石作為主要原料,引入氧化鋅和碳酸鋇作為化工原料。稀土尾礦是提取稀土后的廢渣,其化學(xué)組成含量見圖1。通過參考相關(guān)論文及數(shù)據(jù)[5],并結(jié)合表1中的化學(xué)組成含量,優(yōu)化配比以提高釉面質(zhì)量。

2.2實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)所用的儀器如表2所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為保障本次實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性,將工藝參數(shù)進(jìn)行限定,實(shí)驗(yàn)釉料球∶水∶料=2∶1∶1,釉料球磨時(shí)間為10min,施釉方法為浸釉,上釉厚度大約在0.1~0.2mm,釉燒溫度為1300℃,保溫時(shí)間為20min。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 稀土尾礦在長石質(zhì)透明釉中的應(yīng)用研究

為了研究稀土尾礦在長石質(zhì)透明釉中的最佳用量,本試驗(yàn)參考了表3中長石質(zhì)透明釉的基礎(chǔ)配方。通過外加方法,在基礎(chǔ)配方中逐步增加稀土尾礦,并制備出一系列樣品。我們針對每個(gè)樣品進(jìn)行了綜合性評估,此外,采用替換方法,在基礎(chǔ)配方中部分替代掉原有成分,并以此探究稀土尾礦在長石質(zhì)透明釉中的效果。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和比較,最終找到了稀土尾礦在長石質(zhì)透明釉中的最佳用量,保證釉面的透明度和光澤度,并實(shí)現(xiàn)理想的色彩效果和穩(wěn)定性。

3.1.1 稀土尾礦外加實(shí)驗(yàn)

根據(jù)表4和圖2結(jié)果可見,稀土尾礦在長石質(zhì)透明釉中的最佳外加量為10wt%。隨著稀土尾礦含量的增加,釉面粗糙度增加。具體來說,當(dāng)稀土尾礦的含量從10wt%增加到20wt%時(shí),釉面光澤度從83.2%降低到35.1%。大量氣泡在釉面形成,并且出現(xiàn)針孔現(xiàn)象。此外,釉面波紋也出現(xiàn)了,其原因是由于釉漿密度過大導(dǎo)致的釉層不均勻且呈波浪形。

根據(jù)XRF檢測結(jié)果顯示,本次使用的稀土尾礦中CaO含量高達(dá)近50%,MgO含量為8.043%,SiO2含量為6.715%。隨著稀土尾礦的連續(xù)添加,釉料中CaO、MgO、SiO2等成分的含量不斷升高。特別是SiO2含量升高,釉層在高溫下的黏度增加,流動(dòng)性變差。這導(dǎo)致釉層中的氣體無法完全排出,形成了坑洞,無法及時(shí)填補(bǔ),進(jìn)而產(chǎn)生表面的針孔等缺陷,因此粗糙度增加,光澤度下降[6]。此外,在使用稀土尾礦時(shí),MgO含量增加會(huì)減低釉料的耐火性,引發(fā)大量針孔、橘釉、析晶、釉泡、波浪紋等缺陷在釉面出現(xiàn)。當(dāng)與CaO一起使用時(shí),這種耐火性降低效果更為顯著。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析表明,在長石質(zhì)透明釉中探究稀土尾礦最佳用量時(shí)需要考慮和控制各種參數(shù)和成分變化對釉面質(zhì)量的影響,以獲得最佳的透明度、光澤度和表面平整度。

3.1.2 稀土尾礦替換實(shí)驗(yàn)

通過對表5和圖3的分析結(jié)果,本試驗(yàn)確定稀土尾礦在長石質(zhì)透明釉中的最佳替換量為4wt%。隨著稀土尾礦含量的增加,釉面光澤度隨之下降。具體來說,當(dāng)稀土尾礦含量從4wt%增加到15wt%時(shí),釉面光澤度從73%降低到8.7%。值得注意的是,當(dāng)稀土尾礦替換量為5wt%時(shí),釉面粗糙度開始增加,并且在釉下出現(xiàn)了裂紋。這些裂紋是由于在燒制過程中釉面和坯體的膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的,當(dāng)釉比坯體的收縮大時(shí),就有可能發(fā)生釉裂現(xiàn)象。隨著稀土尾礦含量進(jìn)一步增加,釉下裂紋變得更加細(xì)碎,并且粗糙度也逐漸增加。當(dāng)稀土尾礦替換到15wt%時(shí),我們觀察到釉面產(chǎn)生了大量凹陷氣泡。這是由于在燒成過程中坯體的氧化不充分所引起的釉泡現(xiàn)象。隨著稀土尾礦的持續(xù)添加,釉料中的CaO、MgO、SiO2含量逐漸升高。特別是SiO2含量的增加導(dǎo)致高溫下釉面的黏度增大,流動(dòng)性變差。結(jié)果就是釉層中的氣體無法完全排除,并且排出氣體形成的凹坑也無法及時(shí)愈合,冷卻過程中形成了針孔、凹坑等缺陷[7]。

在長石質(zhì)透明釉中探究稀土尾礦的最佳替換量時(shí),需要考慮和控制各種參數(shù)和成分變化對釉面質(zhì)量的影響。合理選擇替換量可以平衡凹坑和裂紋問題,并獲得較好的光澤度和表面平整度。同時(shí),CaO、MgO、SiO2等成分在釉料中的含量變化也會(huì)影響到流動(dòng)性和黏度等物理特性。因此,在應(yīng)用稀土尾礦時(shí)需要綜合考慮各個(gè)因素來優(yōu)化制備長石質(zhì)透明釉表面的質(zhì)量。

3.2 稀土尾礦在滑石質(zhì)透明釉中的應(yīng)用研究

滑石質(zhì)瓷是一種在國內(nèi)外市場上非常熱銷的高檔日用瓷。它具有抗沖擊強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。然而,由于滑石質(zhì)瓷的燒成溫度范圍較窄,在實(shí)際生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)變形、釉面缺陷等問題。為了解決這些問題,本實(shí)驗(yàn)結(jié)合了表6中的滑石質(zhì)透明釉基礎(chǔ)配方,并以外加與替換的方式,觀察和測試滑石質(zhì)透明釉在不同參數(shù)下的性能變化,探究了稀土尾礦在滑石質(zhì)透明釉中的最佳用量。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),稀土尾礦在滑石質(zhì)透明釉中具有調(diào)節(jié)溫度范圍、改善釉面缺陷等方面的作用。

3.2.1稀土尾礦外加實(shí)驗(yàn)

由表7和圖4可知,滑石質(zhì)透明釉中稀土尾礦的最佳外加量為15wt%。當(dāng)稀土尾礦含量從5wt%增加到15wt%時(shí),釉面粗糙度增加,氣泡數(shù)量減少,光澤度從73.9%上升到78.1%。然而,當(dāng)稀土尾礦含量從15wt%增加到20wt%時(shí),滑石質(zhì)透明釉的粗糙度增加,氣泡數(shù)量增加,并導(dǎo)致釉面光澤度從78.1%降低到68.5%。進(jìn)一步增加稀土尾礦含量至25wt%,滑石質(zhì)透明釉的粗糙度和氣泡數(shù)量又有所上升,但釉面光澤度則從68.5%上升到75.1%。隨著將稀土尾礦含量進(jìn)一步增加至30wt%時(shí),滑石質(zhì)透明釉的粗糙度和氣泡數(shù)量均繼續(xù)上升,并使得釉面光澤度從75.1%降低到59.4%。

在滑石質(zhì)透明釉中,滑石含有大量的MgO和SiO2,并且稀土尾礦中含有極高的CaO含量。增加MgO含量會(huì)降低釉的始熔溫度,導(dǎo)致釉層未能充分成熟,從而出現(xiàn)針孔、橘釉、析晶、釉泡和波浪紋等缺陷。而SiO2會(huì)增加釉的高溫黏度,使得氣泡難以排出。因此,隨著稀土尾礦含量增加,滑石質(zhì)透明釉中出現(xiàn)的氣泡數(shù)量也逐漸增多,從而導(dǎo)致釉面光澤度逐漸下降[8]。在滑石質(zhì)透明釉中使用10wt%的稀土尾礦外加量是最佳的選擇。這個(gè)優(yōu)化組合可以在保持較好光澤度的同時(shí)減少氣泡數(shù)量和粗糙度,提高產(chǎn)品質(zhì)量和外觀表現(xiàn)。

3.2.2稀土尾礦替換實(shí)驗(yàn)

稀土尾礦的替換量需要謹(jǐn)慎選擇,過高比例的替換會(huì)導(dǎo)致釉面質(zhì)量下降,產(chǎn)生各種缺陷。在生產(chǎn)滑石質(zhì)透明釉時(shí),應(yīng)控制稀土尾礦含量不超過3wt%,以確保較好的釉面質(zhì)量和光澤度。此外,在替換實(shí)驗(yàn)中還應(yīng)注意減少稀土尾礦中可能存在的不利成分對滑石質(zhì)透明釉性能的影響。

根據(jù)表8和圖5的結(jié)果表明,稀土尾礦在滑石質(zhì)透明釉中的最佳替換量為3wt%。當(dāng)稀土尾礦的含量超過這個(gè)最佳替換量,例如增加到15wt%時(shí),會(huì)產(chǎn)生一系列不利影響。首先,稀土尾礦含量增加會(huì)導(dǎo)致釉面粗糙度的增加,這可能是由于稀土尾礦中的化學(xué)成分與滑石質(zhì)基礎(chǔ)釉組成發(fā)生不良相互作用導(dǎo)致的,這種粗糙度提高會(huì)減弱釉面表面的光滑度和一致性。其次,稀土尾礦在燒制過程中產(chǎn)生大量氣體并釋放出來,會(huì)引發(fā)大量氣泡出現(xiàn)在釉面中,同時(shí)滑石質(zhì)透明釉在高溫熔融狀態(tài)下無法完全排除這些氣體,未排除的氣體會(huì)形成凹坑和坑洞,并且無法及時(shí)潤平。當(dāng)冷卻后,這些缺陷就會(huì)顯現(xiàn)在釉面上,形成針孔、凹坑等缺陷。此外,滑石和稀土尾礦中都富含大量SiO2。隨著SiO2含量升高,釉面在高溫下的黏度也會(huì)增加,這會(huì)增加釉面固化過程中氣體的留存,使其更難排除。因此,更高比例的稀土尾礦替換會(huì)導(dǎo)致更多的氣體滯留在釉面中,進(jìn)一步加劇了缺陷的產(chǎn)生[9]。

3.3 稀土尾礦在白云石質(zhì)透明釉中的應(yīng)用研究

白云石質(zhì)透明釉是一種常用的陶瓷釉料,它含有一定量的鉀和鈉,并且高含量的助熔劑會(huì)降低釉料的熔融溫度和膨脹系數(shù)。然而,這樣的組分和性質(zhì)也容易導(dǎo)致一些問題,比如釉面粗糙、坯釉不匹配而開裂等缺陷。為了解決這些問題,可以通過探究稀土尾礦在白云石質(zhì)透明釉中的最佳用量來進(jìn)行改良。參考表9中白云石質(zhì)透明釉基礎(chǔ)配方,通過外加和替換稀土尾礦的方式,在白云石質(zhì)透明釉中調(diào)整稀土尾礦的用量,可以改善其性能表現(xiàn),并解決由于高含量助熔劑引起的坯釉不匹配而開裂等缺陷問題。通過探究最佳用量,可以得到更好的效果。

3.3.1稀土尾礦外加實(shí)驗(yàn)

根據(jù)表10和圖6的結(jié)果分析,可以確定在白云石質(zhì)透明釉中,稀土尾礦的最佳外加量為10wt%。在這個(gè)范圍內(nèi),釉料的性能得到了良好的改善。然而,在稀土尾礦添加量超過最佳外加量時(shí),釉料會(huì)出現(xiàn)一系列問題。當(dāng)稀土尾礦的含量從5wt%增加到10wt%時(shí),雖然光澤度有所提高,但同時(shí)也出現(xiàn)了氣泡增多的情況。這可能是因?yàn)橄⊥廖驳V中含有較高的CaO和MgO等成分,導(dǎo)致釉料未能充分成熟而產(chǎn)生氣泡等缺陷。特別是當(dāng)稀土尾礦含量達(dá)到20wt%時(shí),由于CaO含量顯著增加,在白云石質(zhì)透明釉中引起大量氣泡產(chǎn)生,并導(dǎo)致明顯的縮釉現(xiàn)象。進(jìn)一步增加稀土尾礦的含量至30wt%,會(huì)導(dǎo)致釉料內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡,并使光澤度下降至86.4%。這是由于CaO含量較高,增加了釉料的膨脹系數(shù)和彈性模量,使得釉表面易于出現(xiàn)開裂和縮釉。

在白云石質(zhì)透明釉中,稀土尾礦的添加量增加會(huì)帶來CaO和MgO等成分的增加。這些成分的增加會(huì)降低釉料的始融溫度,導(dǎo)致釉料未能充分成熟,從而產(chǎn)生氣泡、針孔等缺陷。此外,高含量的CaO還可能引起釉面開裂和縮釉問題,因?yàn)樗鼈儠?huì)增加釉料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量。因此,在使用稀土尾礦作為白云石質(zhì)透明釉的原料時(shí),需要在穩(wěn)定性和美觀性之間進(jìn)行平衡。應(yīng)該控制在最佳用量范圍內(nèi),并加以細(xì)致調(diào)整,以確保滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

3.3.2稀土尾礦替換實(shí)驗(yàn)

稀土尾礦在白云石質(zhì)透明釉中的適宜替換量為5wt%。通過對表11和圖7的結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)稀土尾礦含量從5wt%增加到20wt%時(shí),釉面質(zhì)量出現(xiàn)了明顯的變化。首先,隨著稀土尾礦含量的增加,釉面的粗糙度顯著增加。這表明隨著稀土尾礦含量的增加,釉面質(zhì)地變得不平滑,可能由稀土尾礦分布不均勻引起;其次,在高含量的稀土尾礦下,氣泡數(shù)量明顯增多,并且出現(xiàn)了針孔和大量氣泡。這主要是因?yàn)橄⊥廖驳V中富含SiO2,在白云石質(zhì)透明釉加熱過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等氣體,而黏度增大導(dǎo)致了這些氣體難以順利排除,在釉面形成大量氣泡、針孔等缺陷;此外,隨著稀土尾礦含量增加,釉面的光澤度也顯著下降,從83.6%降低到16.2%。這與氣泡問題相關(guān),氣泡會(huì)導(dǎo)致釉面表面不光滑,并且影響了光線的反射,降低了釉面的光澤度。

在使用白云石質(zhì)透明釉時(shí),超過最佳替換量5wt%的稀土尾礦含量會(huì)對釉面質(zhì)量產(chǎn)生諸多不利影響,其中包括粗糙度增加、氣泡問題和光澤度明顯下降。為了保證釉面質(zhì)量達(dá)到最佳效果,在制備過程中需要嚴(yán)格控制稀土尾礦的添加比例。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了稀土尾礦在透明釉中的應(yīng)用,通過單因素變量法,在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在球磨10min,燒成溫度為1300℃,保溫20min,釉層厚度0.1~0.2mm的工藝參數(shù)下,稀土尾礦可以有效地提高釉面的光澤度,降低燒成溫度,減少能耗。具體而言

1)在長石質(zhì)透明基釉中,稀土尾礦的最佳外加量為10wt%,最佳替換量為4wt%;在滑石質(zhì)透明基釉中,稀土尾礦的最佳外加量為10wt%,最佳替換量為3wt%;在白云石質(zhì)透明基釉中,稀土尾礦的最佳外加量為10wt%,最佳替換量為5wt%;

2)隨著稀土尾礦含量的增加,釉面粗糙度增加,光澤度降低。產(chǎn)生氣泡和釉面波紋的原因是釉漿密度過大、潤濕性和流動(dòng)性差,不易展平。

通過以上改進(jìn)措施和優(yōu)化方案,在保證替代效果時(shí)提高釉面質(zhì)量,并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和資源高效利用,這將為相關(guān)行業(yè)帶來更好的技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介:熊露,男,副教授,碩士生導(dǎo)師,在讀博士,主要從事陶瓷技術(shù)史、古陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷工藝再現(xiàn)及文化遺產(chǎn)保護(hù)研究。

基金項(xiàng)目:江西陶瓷文物遺存保護(hù)暨御窯研究協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(編號(hào)JXYY2105)、江西省2023年度研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號(hào)YC2023-B243)支持。