曹 文，夏光華，譚訓(xùn)彥，劉賢本，張曉林

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

兩種紫砂陶土的測試與表征

曹 文，夏光華，譚訓(xùn)彥，劉賢本，張曉林

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

采用X射線熒光光譜儀（XRF）、X射線衍射儀（XRD）、綜合熱分析儀（DTA-TG）、激光粒度儀、掃描電子顯微鏡（SEM）及可塑性儀對焦元塢紫砂陶土和九堡紫砂陶土的化學(xué)組成、晶相組成、熱性能、粒度分布、顯微形貌與可塑性進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:焦元塢紫砂陶土主要由水云母、綠泥石和石英組成，其Fe2O3和TiO2含量較高，顆粒尺寸大，d50為20.25 μm，可塑性指標(biāo)達(dá)14.5 cm·kg（含水率為18%時），電鏡下可見大尺寸云母顆粒和少量粉屑；九堡紫砂陶土主要由水云母、方解石和石英組成，其Fe2O3和TiO2含量較低，顆粒尺寸小，d50為4.309 μm，可塑性指標(biāo)為6.7 cm·kg（含水率為18%時）。

紫砂陶土；測試；表征

0　引 言

紫砂陶土是制備紫砂器皿的主要原料，而紫砂陶土獨以宜興黃龍山出產(chǎn)的紫砂泥質(zhì)量最為上乘。由于所用原料品質(zhì)優(yōu)良，再加上做工精細(xì)，所以宜興紫砂產(chǎn)品能在國內(nèi)外久享盛名。近些年來，隨著人們生活水平不斷提高，市場對宜興紫砂需求量也持續(xù)增加，黃龍山紫砂陶土消耗量越來越大［1］。紫砂陶土是礦物原料經(jīng)過上億年風(fēng)化作用形成的一類粘土礦物，作為一種不可再生資源，2005年宜興市政府頒布“禁采令”法案，以控制黃龍山陶土資源被無序過度開發(fā)［2］?！敖闪睢睂嵤┖?，黃龍山紫砂陶土價格一路走高。雖然2010年后，黃龍山紫砂礦又恢復(fù)開采，但上等紫砂泥仍供不應(yīng)求，致使一些“囤泥戶”之間競相逐價［3，4］。

經(jīng)過一千多年的開采，景德鎮(zhèn)瓷礦資源逐漸枯竭。2009年，景德鎮(zhèn)被國務(wù)院確定為第二批資源枯竭城市，城市發(fā)展轉(zhuǎn)型成為所面臨最緊迫的問題［5-7］。2012年，景德鎮(zhèn)焦元塢發(fā)現(xiàn)一大型紫砂陶土礦，已探明儲量1066萬噸［8］。2014年，贛州九堡也發(fā)現(xiàn)了一紫砂陶土礦，其具體儲量仍在勘探中。兩地區(qū)紫砂陶土礦的開發(fā)將有利于豐富紫砂陶土的原料來源，促進(jìn)兩地區(qū)城市轉(zhuǎn)型和城市發(fā)展。目前，人們對宜興黃龍山紫砂陶土已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究，但對焦元塢紫砂陶土和九堡紫砂陶土的研究還不夠深入［9］。本文選取這兩個地區(qū)的紫砂陶土作為研究對象，對其組成和可塑性等進(jìn)行研究。目的在于向紫砂制陶業(yè)提供可靠的技術(shù)參數(shù)，以便幫助企業(yè)更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

Correspondent author:XIA Guanghua（1962-），male，Professor.

E-mail:xiagh6565@163.com

1　實驗部分

1.1原料與試樣制備

本試驗使用的紫砂陶土來自（江西景德鎮(zhèn)）焦元塢地區(qū)和（江西贛州）九堡地區(qū)。其中，焦元塢紫砂陶土呈紫紅色塊狀，九堡紫砂陶土呈暗紅色塊狀。將紫砂陶土碾碎后過100目篩，測定其顆粒的粒徑分布；將紫砂陶土碾碎后過250篩，測定或觀察其化學(xué)組成、晶相組成、熱性能和顯微形貌；向細(xì)度為-250目的紫砂陶土中加入適量的水，制成含水率為18%的泥團(tuán)，陳腐24 h后測定其可塑性。

1.2檢測方法

利用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Axios Advanced波長散射型X熒光光譜儀（XRF）對紫砂陶土的化學(xué)成分進(jìn)行分析；利用德國布魯克公司生產(chǎn)的D8 Advance型X射線衍射儀（XRD）對紫砂陶土的晶相組成進(jìn)行表征；利用德國耐馳公司生產(chǎn)的STA449C型綜合熱分析儀（DTA-TG）對紫砂陶土的熱性能進(jìn)行分析；利用丹東市百特儀器有限公司生產(chǎn)的BT-2000型激光粒度儀對紫砂陶土的粒徑分布進(jìn)行表征；利用日本日立公司生產(chǎn)的SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對紫砂陶土的顆粒形貌進(jìn)行觀測；利用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的KS-B型數(shù)顯可塑性儀對紫砂陶土泥團(tuán)的可塑性進(jìn)行測定。

2　結(jié)果與討論

2.1紫砂陶土的化學(xué)組成

紫砂陶土的化學(xué)組成如表1所示。焦元塢紫砂陶土的著色離子氧化物Fe2O3、TiO2含量較高，分別為8.06%和1.00%，而九堡紫砂陶土的Fe2O3、TiO2含量較低，僅有6.38%和0.66%。由于焦元塢紫砂陶土的著色離子氧化物含量要比九堡紫砂陶土的高，因而焦元塢紫砂陶土從外觀上來看顏色更偏紫紅。此外，九堡紫砂陶土中的CaO含量較高，其晶相組成中可能含有定量的方解石或白云石。

從表1中還可以看出，焦元塢紫砂陶土的Al2O3含量較高，堿金屬和堿土金屬氧化物的含量較低，而九堡紫砂陶土的這一特征恰好相反。這表明與以九堡紫砂陶土為主要原料的陶瓷坯體相比，以焦元塢紫砂陶土為主要原料的陶瓷坯體需要相對更高的燒成溫度。

2.2紫砂陶土的晶相組成

紫砂陶土的XRD圖譜如圖1所示。從XRD圖譜來看，焦元塢紫砂陶土主要由白云母、綠泥石及石英組成；九堡紫砂陶土主要由白云母、方解石及石英構(gòu)成。雖然兩種紫砂陶土均檢測出白云母的XRD特征峰，但結(jié)合表1來看，紫砂陶土中的K2O含量過低，與白云母的K2O理論含量11.8%相比，相隔甚遠(yuǎn)。事實上，白云母在風(fēng)化、搬運過程中，其單元層間K+常部分淋濕，由H3O+代替，形成水白云母（又稱水云母）［10］。因此，焦元塢紫砂陶土和九堡紫砂陶土中的白云母實質(zhì)上應(yīng)當(dāng)是水云母。

2.3紫砂陶土的熱分析

焦元塢紫砂陶土的DTA-TG曲線如圖2a所示。第一階段，樣品在79 ℃附近有一個微弱的吸熱峰，該過程為自由水的去除。第二階段，樣品在400-700 ℃溫度范圍內(nèi)有一個明顯的吸熱峰，該過程為結(jié)構(gòu)水的去除。兩階段共產(chǎn)生2.45%的質(zhì)量損失。

圖1　紫砂陶土的XRD圖譜（a）焦元塢紫砂陶土，（b）九堡紫砂陶土Fig.1 XRD patterns of purple sand syderolites (a) Jiaoyuanwu, (b) Jiubao

表1　紫砂陶土的化學(xué)組成Tab.1 The chemical compositions of purple sand syderolites (wt.%)

九堡紫砂陶土的DTA-TG曲線如圖2b所示。第一階段，樣品在117 ℃附近有一個明顯的吸熱峰，并伴隨1.79%的質(zhì)量損失，該過程為自由水的去除。第二階段，樣品在400-650 ℃溫度范圍內(nèi)有一個微弱的吸熱峰，并伴隨3.06%的質(zhì)量損失，該過程為結(jié)構(gòu)水的去除。其中，峰值562 ℃對應(yīng)β-石英向α-石英晶型轉(zhuǎn)變溫度點。第三階段，樣品在650～800 ℃溫度范圍內(nèi)有一個尖銳的吸熱峰，并伴隨4.58%的質(zhì)量損失，該過程為方解石的分解。其中，峰值869 ℃對應(yīng)α-石英向α-磷石英晶型轉(zhuǎn)變溫度點。若選取九堡紫砂陶土為原料，在燒制產(chǎn)品時應(yīng)注意碳酸鹽加熱釋放氣體所帶來的影響。

2.4紫砂陶土的粒徑分布

紫砂陶土的粒徑分布曲線如圖3所示。從粒度分析的結(jié)果來看，九堡紫砂陶土的物料顆粒很細(xì)，中位徑d50只有4.309 μm（其它參數(shù)，d10=0.898 μm，d90=22.69 μm）；而焦元塢紫砂陶土的物料顆粒則整體較粗，中位徑d50達(dá)20.25 μm（其它參數(shù)，d10=1.283 μm，d90=91.17 μm），使用前應(yīng)適當(dāng)粉碎。

2.5紫砂陶土的顯微形貌

圖2　紫砂陶土的DTA-TG曲線：（a）焦元塢紫砂陶土，（b）九堡紫砂陶土Fig.2 Curves of DTA-TG of purple sand syderolites: （a） Jiaoyuanwu，（b） Jiubao

圖3　紫砂陶土的粒徑分布：（a）焦元塢紫砂陶土，（b）九堡紫砂陶土Fig.3 Particle size distributions of purple sand syderolites: （a） Jiaoyuanwu，（b） Jiubao

圖4　焦元塢紫砂陶土的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM micrographs of Jiaoyuanwu purple sand syderolite

圖5 九堡紫砂陶土的SEM照Fig.5 SEM micrographs of Jiubao purple sand syderolit

圖4和圖5分別為焦元塢和九堡紫砂陶土的SEM照片。從圖4a中可以看出，焦元塢紫砂陶土沒有太多粉屑，云母顆粒尺寸較為粗大。在進(jìn)一步放大后的圖4b中可以觀察到焦元塢紫砂陶土的云母顆粒，其晶粒形態(tài)仍保持層狀結(jié)構(gòu)，晶粒表面和邊緣受到破壞，產(chǎn)生許多碎小顆粒。

從圖5a中可以看出，九堡紫砂陶土含有大量粉屑，云母顆粒尺寸較小。結(jié)合放大后的圖5b可以觀察到九堡紫砂陶土的云母有具有層狀結(jié)構(gòu)的小顆粒，也有如被一層層剝離開的小薄片。

2.6紫砂陶土的可塑性

實驗在泥團(tuán)含水率為18%的條件下，測得焦元塢紫砂陶土的可塑性指標(biāo)為14.5·cmkg，九堡紫砂陶土的可塑性指標(biāo)為6.7 cm·kg。從上述的檢測分析可知，焦元塢紫砂陶土顆粒粒徑整體比九堡紫砂陶土顆粒粒徑大，理論上九堡紫砂陶土的可塑性應(yīng)該大于焦元塢紫砂陶土，而所得到的可塑性測試結(jié)果卻恰好相反，造成這一現(xiàn)象的原因可能是:（1）焦元塢紫砂陶土白云母風(fēng)化程度比九堡紫砂陶土好；（2）焦元塢紫砂陶土含有一定量的綠泥石；（3）九堡紫砂陶土中方解石類的瘠性料過多。

3　結(jié) 論

通過測試分析可知，焦元塢紫砂陶土為水云母、綠泥石及石英組成的粘土礦物。該礦物具有鐵鈦含量高、顆粒粗大的特點，可塑性較九堡紫砂的好；九堡紫砂陶土為水云母、方解石及石英組成的粘土礦物。該礦物具有鐵鈦含量較高、顆粒細(xì)小的特點，可塑性較焦元塢紫砂的差。各陶瓷生產(chǎn)企業(yè)可根據(jù)自身的生產(chǎn)實際，結(jié)合地理優(yōu)勢，擇優(yōu)取料。

［1］江夏，吳雋，張茂林，等.宜興紫砂泥料性能研究［J］.江蘇陶瓷，2011，44（3）∶20-25.JIANG X，WU J，ZHANG M L，et al.Jiangsu Ceramics，2011，44（3）∶20-25.

［2］余文佳.江蘇最大陶土資源大市實現(xiàn)零開采［N］.宜興日報，2007-5-10（A01）.

［3］趙輝.我市將恢復(fù)紫砂礦開采［N］.宜興日報，2010-6-3（1）.

［4］趙輝.黃龍山紫砂礦恢復(fù)開采［N］.宜興日報，2010-7-5（1）.

［5］江國成，王小飛.第二批資源枯竭城市確定［N］.人民日報海外版，2009-3-6（4）.

［6］李放.努力實現(xiàn)瓷都新的振興［N］.經(jīng)濟(jì)日報，2009-11-30（7）.

［7］斯蘭.資源枯竭城市的轉(zhuǎn)型之路［N］.中國改革報，2011-1-10（7）.

［8］廖傳銘.填補江西紫砂陶土資源空白，焦元塢紫砂陶土前景看好［J］.景德鎮(zhèn)陶瓷，2015，（1）∶32.LIAO C M.Jingdezhen Ceramics，2015 （1）∶32.

［9］范澤鋒，閔仲明，楊伯軍.宜興“五色土”基本特性探討［J］.中國陶瓷，2010，46（6）∶55-58.FAN Z F，MIN Z M，YANG B J.China Ceramics，2010，46（6）∶55-58.

［10］李勝榮.結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)［M］.北京∶地質(zhì)出版社，2008∶240-242.

Testing and Characterization of Two Kinds of Purple Sand Syderolite

CAO Wen, XIA Guanghua, TAN Xunyan, LIU Xianben, ZHANG Xiaolin
（School of Materials Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333403，Jiangxi，China）

The chemical composition, phase composition, thermal property, particle size distribution, micromorphology and plasticity of Jiaoyuanwu and Jiubao purple sand syderolite were characterized by XRF, XRD, thermal analyzer, laser particle size analyzer, SEM and plasticity instrument respectively.The results indicate that Jiaoyuanwu purple sand syderolite is mainly composed of hydromica, chlorite and quartz.Jiaoyuanwu purple sand syderolite shows high content of Fe2O3and TiO2and large particle size (d50=20.25 μm）.And its plasticity index can reach 14.5 cm·kg when the rate of water content is 18%.The mica particles with large size and a small amount of debris can be observed from electron microscope.Jiubao purple sand syderolite is mainly composed of hydromica，calcite and quartz.Jiubao purple sand syderolite shows low content of Fe2O3and TiO2and small particle size (d50=4.309 μm）.And its plasticity index is 6.7 cm·kg when the rate of water content is 18%.

purple sand syderolite； testing； characterization

date: 2015-11-17. R evised date: 2015-12-27.

TQ174.4

A

1000-2278（2016）03-0303-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.03.017

2015-11-17。

2015-12-27。

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（115020-02009）。

通信聯(lián)系人：夏光華（1962-），男，教授。