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        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
        關(guān)鍵詞:日用陶瓷物理性能長石

        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(chǎn)生的影響和規(guī)律。通過其在日用陶瓷中的應(yīng)用實驗和系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)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(zhì)量分數(shù)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(shù)呈線性關(guān)系,可實現(xiàn)與釉料進行膨脹系數(shù)的匹配。

        關(guān)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(tǒng)產(chǎn)業(yè),生產(chǎn)加工工藝已經(jīng)相當成熟,但是原料的標準化、穩(wěn)定性一直是日用陶瓷的短板,例如,界牌土、坊子土等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)地原料都已經(jīng)消耗殆盡,這就要求科研人員不斷尋求可替代的優(yōu)質(zhì)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(chǎn)自內(nèi)蒙古的長石-石英類礦物。據(jù)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(yīng)對材料的收縮、吸水率等指標有明顯影響,因此,本研究結(jié)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(shù)等物理性能的影響進行了應(yīng)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(nèi),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(nèi)進行燒制,燒成后取出變形試條,變形試條彎曲的度數(shù)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(jīng)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(xiàn)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(guān)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(zhì)量;

        G1為陶瓷吸水飽和后的質(zhì)量;

        K為相關(guān)系數(shù)。

        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(shù)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(guān)經(jīng)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(diào)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(zhì)日用細瓷配方為基礎(chǔ)[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?zé)龢悠芬煌M實驗室電窯進行燒成,燒成時間為7.5 h,燒結(jié)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(shù)等測試,測試方法和儀器前文已闡述。

        2 結(jié)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(yīng)的化學(xué)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(guān)實驗結(jié)果見表5、圖3。

        從以上實驗結(jié)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(chǎn)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(chǎn)品致密度,從而提升產(chǎn)品的細膩品質(zhì),這與素?zé)庥^結(jié)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(chǎn)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(chǎn)品的抗折強度逐漸增強,說明此種原料的增加可以增強產(chǎn)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(cè)面反映此種原料能增強產(chǎn)品的機械強度。

        從膨脹系數(shù)結(jié)果分析:600 ℃之后四組產(chǎn)品的膨脹系數(shù)逐漸減小,說明600 ℃之后陶瓷產(chǎn)品的剛性應(yīng)力逐漸減小,產(chǎn)品逐漸軟化;2號、3號配方膨脹系數(shù)不規(guī)律,有異常,說明此種礦物原料添加質(zhì)量分數(shù)為4%~6%時,對產(chǎn)品熱力學(xué)影響較大。從整體膨脹系數(shù)進行分析,增加此種原料有提升產(chǎn)品膨脹系數(shù)的趨勢,根據(jù)釉層膨脹系數(shù)應(yīng)略小于坯體膨脹系數(shù)的理論[6-8],加入此種原料能使坯體的膨脹系數(shù)增加,可能導(dǎo)致產(chǎn)品熱穩(wěn)定性不穩(wěn)定。

        上一部分實驗已經(jīng)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(nèi),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(xué)分析見表6和表7。

        為了保證其它變量穩(wěn)定,能橫向?qū)Ρ?,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(jié)果見表8和圖4。

        分析以上結(jié)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(jié)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(zhì)量分數(shù)在20%以上時,坯體的燒成溫度逐漸降低,出現(xiàn)過燒情況,產(chǎn)生過多的玻璃相,導(dǎo)致強度降低。

        從膨脹系數(shù)角度分析,隨著長石-石英類礦物含量的增加,產(chǎn)品的膨脹系數(shù)逐漸減小。根據(jù)坯釉結(jié)合理論,釉料的膨脹系數(shù)也需相應(yīng)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(shù)變化明確,容易控制產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。

        3 結(jié)論

        1)通過化學(xué)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(jié)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(chǎn)品致密度更高,瓷質(zhì)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(chǎn)的日用陶瓷產(chǎn)品尺寸偏大。

        4)加入質(zhì)量分數(shù)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?。划敿尤胭|(zhì)量分數(shù)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(shù)且變化穩(wěn)定,容易匹配釉料,日用陶瓷熱穩(wěn)定性容易控制。相反,少量加入時膨脹系數(shù)不穩(wěn)定,不利于日用陶瓷產(chǎn)品的熱穩(wěn)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(zhì)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(yè)科技進步與成果[M].青島:青島海洋大學(xué)出版社,1993:56-65.

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

        [5]任允鵬.骨質(zhì)瓷生產(chǎn)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:93-103.

        [6]李玉書.提高陶瓷熱穩(wěn)定性的途徑[J].陶瓷,1988,21(2):40-44.

        [7]任允鵬,殷書建,王磊,等.無鉛熔塊釉[J].中國陶瓷工業(yè),2007,14(2):33-36.

        [8]陳化東,李赫,孫寧,等.淺談日用陶瓷熱穩(wěn)定性工藝控制[J].山東陶瓷,2018,41(3):25-27.

        (責(zé)任編輯:姚佳良)

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