周健兒 汪永清 粱健 劉昆 胡海泉

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn)333001；2.江西省陶瓷研究所，江西景德鎮(zhèn)333403）

粘土類原料對(duì)超低溫?；u燒結(jié)性能的影響

周健兒1汪永清1粱健1劉昆1胡海泉2

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn)333001；2.江西省陶瓷研究所，江西景德鎮(zhèn)333403）

粘土按可塑性分為硬質(zhì)粘土和軟質(zhì)粘土。本實(shí)驗(yàn)主要考察在1100℃以下燒成的超低溫坯體中粘土的選擇和配比。實(shí)驗(yàn)表明，在1100℃以下燒成的超低溫?；u中，軟質(zhì)粘土選用1#粘土和水洗純泥復(fù)合，復(fù)合用量為15%，硬質(zhì)粘土選用鋰瓷石，用量為35%，總粘土用量為50%，可以使產(chǎn)品在1070℃下燒結(jié)，吸水率小于0.5%，產(chǎn)品干坯強(qiáng)度達(dá)到1.19Mpa，滿足生產(chǎn)要求。

瓷質(zhì)磚，低溫?zé)Y(jié)，粘土，鋰瓷石

1 前言

建筑陶瓷是我國能源消耗大戶，耗費(fèi)了大量的原料和燃料；并排放了大量的CO2廢氣，加劇了地球溫室效應(yīng)，是國內(nèi)外CO2廢氣排放重災(zāi)行業(yè)。?；u是建筑陶瓷主要產(chǎn)品之一，其燒成溫度一般在1150～1200℃之間，品種少、能源利用率低是玻化磚在國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)的一個(gè)重要瓶頸。目前我國陶瓷工業(yè)的能源利用率與國外相比，差距較大：發(fā)達(dá)國家的能源利用率一般高達(dá)50%以上，美國達(dá)57%。而我國僅達(dá)到28%～30%，兼之我國是一個(gè)能源和資源相對(duì)貧乏的國家，所以建筑陶瓷行業(yè)降低能耗、提高能源的利用率勢(shì)在必行。陶瓷行業(yè)的能耗主要集中在燒成部分，約為總能耗的61%，而建陶的低溫快燒工藝能顯著降低生產(chǎn)過程的能耗，從而明顯降低其生產(chǎn)成本，推動(dòng)了陶瓷生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，所以降低燒成溫度就成了陶瓷工作者一致追求的目標(biāo)。

現(xiàn)有的建筑陶瓷降低燒成溫度的主要方法是采用大量的溶劑類原料取代粘土類原料，大量的熔劑類瘠性料的加入使得干坯強(qiáng)度明顯下降，Na2O、K2O等堿性氧化物比例過高又造成產(chǎn)品燒成溫度范圍變窄、產(chǎn)品高溫粘度過低容易變形，不利于生產(chǎn)，如果粘土的用量過多又會(huì)提高產(chǎn)品的燒成溫度，達(dá)不到低溫?zé)Y(jié)的目的，因此粘土原料的選擇對(duì)超低溫?zé)Y(jié)?；u尤為重要。本文通過對(duì)軟質(zhì)粘土原料和硬質(zhì)粘土原料進(jìn)行合理選擇和配比，使產(chǎn)品能在1100℃以下燒結(jié)，并具有滿足生產(chǎn)的干坯強(qiáng)度，防止產(chǎn)品高溫變形，保證產(chǎn)品性能。

表3水洗純泥以不同量取代低溫砂時(shí)的產(chǎn)品性能Tab.3 Firing performance of the sample prepared with lowtemperature sand replaced by different amount of washed mud

表2廣東球土以不同量取代低溫砂時(shí)的產(chǎn)品性能Tab.2 Firing performance of the sample prepared with low-temperature sand replaced by different amount of Guangdong ball clay

表4 1#粘土以不同量取代低溫砂時(shí)的產(chǎn)品性能Tab.4 Firing performance of the sample prepared with lowtemperature sand replaced by different amount of clay#1

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)選擇品質(zhì)穩(wěn)定，儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉的多種建筑陶瓷通用礦物原料作為基礎(chǔ)配方用料，各種礦物原料的成分見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

坯料→球磨過篩→干燥造?！惛敫蓧撼尚汀稍铩鸁伞阅軠y(cè)試（吸水率、干坯強(qiáng)度、燒成變形）

2.3 性能測(cè)試和表征

2.3.1燒成變形測(cè)試

選取規(guī)格為130×15×7mm試條在爐子中進(jìn)行試燒，對(duì)不同配方樣品在同一溫度點(diǎn)各樣品的變形度進(jìn)行比較，計(jì)算出各配方的平均變形度。

2.3.2燒成樣品的微觀形貌分析

樣品斷面的SEM形貌分析，在型號(hào)為JSM-6700場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行，加速電壓為0.5～30KV。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 各粘土引入對(duì)產(chǎn)品燒成性能的影響

粘土按可塑性分為軟質(zhì)粘土和硬質(zhì)粘土，軟質(zhì)粘土因其顆粒細(xì)，分散度大，可塑性較好，而硬質(zhì)粘土雖然可塑性略差但是燒成溫度相對(duì)較低。因此本實(shí)驗(yàn)選擇軟質(zhì)粘土和硬質(zhì)粘土合理搭配來保證產(chǎn)品能在較低溫度燒結(jié)并具有較好的干坯強(qiáng)度，防止產(chǎn)品高溫變形，保證產(chǎn)品性能。

本實(shí)驗(yàn)所用的軟質(zhì)粘土為1#粘土、廣東球土、水洗純泥，硬質(zhì)粘土選擇江西宜豐儲(chǔ)量豐富的鋰瓷石。實(shí)驗(yàn)先選擇1#粘土、廣東球土、水洗純泥三種軟質(zhì)粘土，分別以不同用量加入坯體中，考察其分別對(duì)產(chǎn)品燒成性能和干坯強(qiáng)度的影響。試樣燒成溫度設(shè)定為1100℃，總燒成時(shí)間約60min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2、表3、表4。

表5 1#粘土和水洗純泥復(fù)合加入時(shí)的產(chǎn)品性能Tab.5 Properties of the sample prepared with the mixture of clay#1 and washed mud

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步考察1#粘土和水洗純泥復(fù)合加入對(duì)產(chǎn)品燒成性能、干坯強(qiáng)度和燒成變形的影響（1#粘土和水洗純泥以2∶1的比例復(fù)合加入），試樣燒成溫度設(shè)定為1100℃，總燒成時(shí)間約60min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品的燒結(jié)溫度，又不影響燒結(jié)性能，硬質(zhì)粘土選用鋰瓷石，考察不同用量的鋰瓷石對(duì)試樣燒成性能的影響，鋰瓷石引入量為20～40%，試樣燒成溫度設(shè)定為1070℃，總燒成時(shí)間約60min，性能測(cè)試結(jié)果見表6。

從圖2可以看出，隨著粘土替代低溫砂的量增加，配方的燒成溫度也隨之增加，當(dāng)1#粘土和水洗純泥的引入量分別為10%和15%時(shí)都可以保證產(chǎn)品在1100℃燒結(jié)，產(chǎn)品吸水率低于0.5%，廣東球土雖然可塑性很好，但是影響產(chǎn)品燒結(jié)溫度，當(dāng)引入量大于10%時(shí)，產(chǎn)品吸水率高于0.5%，不利于超低溫玻化磚的低溫?zé)?；從原料的化學(xué)組成也可以看出廣東球土的Al2O3含量最高，1#粘土的Al2O3含量最低，因此1#粘土燒成溫度相對(duì)也比較低。

另外，水洗純泥和廣東球土都有較好的可塑性，而1#粘土可塑性相對(duì)較差，因此為了保證產(chǎn)品的干坯強(qiáng)度，我們選擇1#粘土和水洗純泥復(fù)合加入。由圖3可知，當(dāng)1#粘土和水洗純泥以2∶1的比例引入，引入總量為10%和15%時(shí)都可以保證產(chǎn)品在1100℃燒結(jié)，產(chǎn)品吸水率低于0.5%。

表6鋰瓷石不同量引入時(shí)的產(chǎn)品性能Tab.6 Firing performance of the sample prepared with different amount of lithium porcelain stone

3.2 各粘土引入對(duì)產(chǎn)品干坯強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出，隨著坯體中軟性粘土含量的增加，其干坯強(qiáng)度逐步增大，近似于線性關(guān)系，塑性料的增加使得坯體強(qiáng)度提高，有利于坯體的干燥、修坯、上釉等工序能夠順利進(jìn)行，但是可塑粘土量的增加提高了坯體的燒成溫度。

從圖5可知，當(dāng)復(fù)合加入量為10%時(shí),坯體干坯強(qiáng)度為0.26Mpa。當(dāng)復(fù)合加入量為15%時(shí)，坯體干坯強(qiáng)度達(dá)到0.89Mpa。1#粘土和水洗純泥以2∶1的比例復(fù)合引入，引入量為10%和15%時(shí)都能保證產(chǎn)品在1100℃燒結(jié)，產(chǎn)品吸水率低于0.5%；選擇1#粘土和水洗純泥以2∶1的比例復(fù)合引入，復(fù)合引入量為15%時(shí)，既能更好的保證坯體的強(qiáng)度，又能保證產(chǎn)品在1100℃下燒結(jié)。

3.3 水洗純泥和1#粘土復(fù)合用量對(duì)燒成變形的影響

選取規(guī)格為130×15×7mm試條在爐子中進(jìn)行試燒，對(duì)比不同配方在同一溫度時(shí)各配方的變形度。圖6為試片在電爐中燒成變形測(cè)試的橫切面示意圖。從圖中我們可以看出，隨著1#粘土和水洗純泥復(fù)合量的增加，產(chǎn)品變形度降低，因?yàn)殡S著粘土用量的增加，坯體在高溫時(shí)產(chǎn)生的液相粘度變大，產(chǎn)品不至于產(chǎn)生粘度過低的液相，造成變形。

當(dāng)1#粘土和水洗純泥復(fù)合用量大于等于15%時(shí)，產(chǎn)品的變形率小于5%。因此為了保證產(chǎn)品在1100℃超低溫度下燒成，我們選擇1#粘土和水洗純泥復(fù)合,復(fù)合用量為15%，能滿足生產(chǎn)中產(chǎn)品對(duì)變形度的要求。

3.4 鋰瓷石引入對(duì)燒成性能影響

從圖7可知，隨著鋰瓷石含量的增加，配方的吸水率明顯下降，燒成溫度降低。從圖7曲線斜率可以看出：開始時(shí)鋰瓷石的引入對(duì)降低溫度有很好的作用，但當(dāng)鋰瓷石引入量達(dá)到一定程度（引入量為35%）時(shí)，再增加鋰瓷石的量對(duì)降低配方燒成溫度的效果不明顯，且引入過多的鋰瓷石會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品變形加大。

鋰瓷石的助熔效果強(qiáng)烈，在高溫階段熔融，生成液相起著填充坯體中氣孔，連接整個(gè)坯體的作用。鋰瓷石的引入量越多，則在高溫階段填充到坯體氣孔中的液相量也越多，使得坯體越致密，故提高了試樣的抗折強(qiáng)度，但當(dāng)鋰瓷石的引入量過大時(shí)不僅會(huì)增加制品的燒成收縮，而且會(huì)引起產(chǎn)品變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋰瓷石的引入量為35%時(shí)，不僅可以保證產(chǎn)品燒成溫度低至1070℃，而且不至于引起制品燒成變形。

從圖8可以看出：在配方中引入鋰瓷石，可以提高坯體的干坯強(qiáng)度，當(dāng)配方中引入35%的鋰瓷石，可將產(chǎn)品的干坯強(qiáng)度提高約0.3MPa，因?yàn)殇嚧墒旧碛兄己玫目伤苄?，引入超低溫坯體時(shí)，不僅明顯可以降低配方的燒結(jié)溫度，而且還可以避免大量的熔劑類瘠性料的加入，保證坯體有足夠的可塑性，滿足生產(chǎn)需求。

3.5 試樣SEM照片

樣品選用E-4號(hào)配方，從玻化磚的斷面SEM照片可以看出：當(dāng)水洗純泥和1#粘土復(fù)合用量為15%，鋰瓷石的引入量為35%時(shí)，能保證產(chǎn)品在1070℃下燒結(jié)，坯體很致密，坯體中只含有少量的氣孔，殘余的晶相分布在瓷坯里，起到了顆粒增強(qiáng)的作用，根據(jù)體積密度的測(cè)試，產(chǎn)品體積密度達(dá)到2.14g/cm3，也可以看出坯體很致密，與SEM照片相吻合。

4 結(jié)論

（1）軟質(zhì)粘土選用1#粘土和水洗純泥復(fù)合，復(fù)合用量為15%，硬質(zhì)粘土選用鋰瓷石，用量為35%，總粘土用量為50%，可以使產(chǎn)品在1070℃下燒成，吸水率小于0.5%。

（2）本實(shí)驗(yàn)在超低溫?；u坯體中引入鋰瓷石，既可以避免大量的熔劑類瘠性料的加入，又能將產(chǎn)品的干坯強(qiáng)度提高0.3MPa，保證坯體在超低溫度燒成的同時(shí)使產(chǎn)品干坯強(qiáng)度達(dá)到1.19Mpa，可滿足生產(chǎn)要求。

1周健兒,馬玉琦等.提高大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚瓷坯性能的研究.陶瓷學(xué)報(bào),2006,9

2李家駒.陶瓷工藝學(xué).北京:中國輕工業(yè)出版社,2005

3素木洋一.せぅミ...ケ製造づロせス[M].技報(bào)堂出版株式會(huì)社,昭和53年

4葉祥等·鋰石粉在高白滲花磚中的應(yīng)用·佛山陶瓷,2003,2

5吳從若,徐建偉等.鋰瓷石在調(diào)溫快燒白瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用.山東陶瓷,第24卷

6 Vaunat J,Merchán V,Romero E,et al.Residual Strength of Clays at High Suctions.Glass and Ceramics,2000,5

Abstract

Clay can be divided into soft clay and hard clay by plasticity.The effects of different clays and their quantities on the ultra-low temperature tile were studied.The results showed that when clay#1 and washed mud were used as soft clay,and lithium porcelain stone was used as hard clay,the green piece prepared with 15wt%soft clay and 35wt%hard clay can be sintered at 1070℃,its water absorption is less than 0.5%,and its dry body strength is 1.19 MPa.This compound clay can meet the production requirements.

Keywords tile,ultra-low temperature sintering,clay,lithium porcelain stone

INFLUENCE OF CLAY MATERIALS ON SINTERING PROPERTIES OF ULTRA-LOW TEMPERATURE TILE

Zhou Jian'er1Wang Yongqing1Liang Jian1Liu Kun1Hu Haiquan2
(1.Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province，Jingdezhen Ceramic Institute,Jiingdezhen Jiangxi 333403, China;2.Jiangxi Ceramic Research Institute,Jiingdezhen Jiangxi 333001,China)

TQ174.76

A

1000-2278（2011）01-0026-06

2010-10-14

周健兒