不同区域陶瓷原料快速全分析方法的研究

孙晓红　李环亭

摘要 本文从不同区域的陶瓷原料入手,利用大型精密仪器分析了山东省和江西省的几种典型的坯用陶瓷原料,包括粘土类、石英类、长石类。通过对不同区域陶瓷原料的微观形貌、颗粒均匀程度、矿物组成、化学成分、热性能等进行分析,摸索出一套适合不同区域陶瓷原料分析的多种仪器设备的实验参数,建立起合理快速的全分析方法,以达到快速、精确度高的目的,为陶瓷原料标准化生产奠定基础。

关键词 陶瓷原料,不同区域,全分析方法

1引言

各种陶瓷原料成因不同、地质条件不同,会导致其化学成分、矿物组成、热性能、微观形貌等性能出现较大的波动,这种波动直接影响着产品的质量和工艺性能,因此对陶瓷原料的全面分析尤为重要。目前生产中对陶瓷原料主要采用化学方法进行成分分析,而对其它性能指标的分析测试,以及这些指标对生产工艺和产品质量影响的研究还不够深入。

随着科学仪器的快速发展及分析领域人员的实验研究,越来越多的仪器开始应用到陶瓷原料的分析工作中。尽管化学方法精确度较高,一些研究人员也不断在努力提高其分析速度[1-4],但与仪器分析相比,操作繁琐、周期偏长。M.A.Marina等[5]通过X射线荧光光谱和电感耦合等离子体原子发射光谱两种不同的方法测定陶瓷原料中的磷元素,结果表明X射线荧光光谱法制样简单,且对测试条件有较高的灵敏度。本文从不同区域的陶瓷原料入手,利用大型精密仪器分析了包括粘土类、石英类、长石类几种典型的坯用陶瓷原料。通过对不同区域陶瓷原料的微观形貌、颗粒均匀程度、矿物组成、化学成分、热性能等进行分析,摸索出一套适合不同类陶瓷原料分析的多种仪器设备的工艺参数,建立起合理快速的全分析方法,以达到快速、精确度高的目的,为陶瓷原料多性能指标快速、准确测试奠定了基础。

2试验材料与检测方法

2.1 试验原料

所分析的陶瓷原料主要为山东、江西的粘土质原料、硅质原料和熔剂性原料,另外还有广东黑泥、广西白泥、山西大同土和河北唐山小白矸。本文在说明参数选择的条件以及性能分析方法的过程中,以不同区域的粘土等陶瓷原料类部分数据进行举例说明,另两种硅质原料和熔剂性原料因同属于无机硅酸盐材料,所以实验参数同样也适用。待测样品需要在(110±5)℃的烘箱中烘干至恒重,取出放入干燥器中备用。

2.2 成分分析

采用日本岛津的XRF-1800型X射线荧光光谱仪进行陶瓷原料化学分析。影响实验结果的参数主要包括待测样品的粒度、样品的制备方法、仪器最佳测量条件等。首先需要将粉末样品研磨至粒度小于74μm,采用压片法和熔融法制样,最后将两种不同的制备方法与化学分析法进行比较。

2.2 微观形貌分析

对陶瓷原料的微观形貌进行分析可以更清楚地观察到颗粒的大小、形态及均匀程度等,对陶瓷性能分析起指导作用。采用美国FEI的Sirion 200型场发射扫描电子显微镜,通过调节加速电压、工作距离、束斑等,来确定适合最佳实验结果的实验参数。

2.3 矿物组成分析

了解陶瓷原料的矿物组成,可以根据矿物组成来判断原料的纯度,确定杂质的种类,从而调整配方,制定加工工艺,得到优质的成品[6]。采用德国Bruke的D8 ADVANCE型X射线衍射仪,通过摸索扫描范围和扫描速度这两个实验参数的变化与实验结果之间的关系,确定最佳的实验参数。

2.4 热性能分析

对陶瓷原料的热性能进行分析,可以确定原料的纯度,模拟烧成过程,为设计工艺配方、拟定烧成制度提供参考[7]。采用德国NETZSCH 的STA449C 综合热分析仪,在仪器处于最佳工作状态下,影响实验结果的主要因素包括升温速率[8]、吹扫气体、试样量、试样粒度、试样装填情况等操作条件。本实验设计了在试样粒度和试样装填情况基本一致的条件下,通过改变其它三个实验参数来寻求最佳的实验结果,以确定所对应的实验参数。

3结果与讨论

3.1 化学成分分析

陶瓷原料的化学成分分析是全分析方法中最重要的一项指标,本试验主要考察了固体粉末样品制备方法中的压片法和熔融法对实验结果的影响。表1为压片法、熔融法和化学法的分析结果比较。本试验以广东黑泥为例进行测试分析,表中的分析结果为5次实验的平均值。

表1中的结果表明,熔融法较压片法准确度高。其原因是因为通过将待测物熔融,粒度效应和矿物效应基本被消除,但相对压片法来讲,存在制样复杂、费时、成本偏高的缺点[9]。所以,采用X射线荧光光谱仪对陶瓷原料进行定量分析时,熔融法的结果要相对准确些。如果在分析精度和准确度要求不高时,也可以采用简单、快速的压片法。无论采用熔融法还是压片法,都比化学法速度快,并且可以获取全部元素的半定量分析结果。

3.2 微观形貌分析

扫描电镜分析采用以下实验参数:加速电压:5kV、10kV、15kV、20kV、30kV;工作距离:5mm、10mm、15mm;束斑:3、4。以江西省的新庄镁土进行说明,微观形貌照片如图1所示。从图中可以看出,新庄镁土的形貌为片层状,而且片层较薄,个别片层有卷曲现象,颗粒大小不均匀。图1是在不同加速电压下的微观形貌图,(a)、(b)、(c)、(d)、(e)五张图片比较来看,加速电压为5～15kV的时候,图片较清晰,效果较好。这是因为陶瓷原料为非导电性材料,尽管制样过程中已经做了喷镀处理,但是如果加速电压过高的话,也会引起放电效应和明显的边缘效应。从图片(d)、(e)中可以明显看出,右下角大颗粒已经很白,导致颗粒上的细节分辨不清楚。

图2是在不同的工作距离下的微观形貌图,由图可以看出,当工作距离为5mm的时候,图片的分辨率较高,但是放电现象较严重。而当工作距离增至15mm的时候,基本没有放电现象,但分辨率也有所降低。因此,选取10mm左右的工作距离,可以清楚地得到细节信息。本实验也通过调节束斑观察了其微观形貌,发现对于此类材料,采用束斑3和4,图像差别都不太明显。

综上所述,采用扫描电镜观察陶瓷原料微观形貌时,由于原料本身的不导电性和颗粒的均匀程度的缘故,需要选取合适的加速电压、束斑和工作距离。经实验可得,适合本仪器合适的实验参数为:加速电压 5～15kV、束斑 3或4、工作距离 10mm左右。

3.3 矿物组成分析

采用X射线衍射仪进行矿物组成分析,其实验参数为:Cu靶;扫描速度 6°/min与9°/min;扫描范围 5°～60°与5°～90°。以江西原料新庄镁土为例进行说明,实验结果如图3所示。

图3中(a)、(b)为扫描范围相同,扫描速度分别为6°/min、9°/min时所对应的谱图。从这两图来看,图中的三强峰出现的位置基本一致,也就是说两条谱线分析的矿物组成基本一致,所以扫描速度对分析结果影响不大;从(b)、(c)分别为5°～90°、5°～60°两个不同的扫描范围来看,三强峰出现的位置基本一致,但当2θ值大于60°时,仍有衍射峰出现,即还有其他少量的物相存在。所以,对属于无机材料的陶瓷原料来说,对其矿物组成进行定性分析时,在不影响实验结果的情况下,扫描速度可以相对调节大些,这样可以节约时间、提高效率。本实验中扫描速度为9°/min时较合适;关于扫描范围应取稍宽些,因为陶瓷原料矿物组成复杂,所以衍射峰相对要多些,此实验的扫描范围以5°～90°为佳。

3.4 热性能分析

热性能分析所采用的实验参数为:试样质量:15mg、30mg、45mg;升温速率:10℃/min、20℃/min、25℃/min;吹扫气体:高纯空气、氮气、氩气。以山东省蒙阴粘土为例进行说明,实验结果如图4、图5和图6所示。从图4三条曲线的对比来看,反应历程基本相同,随着试样量的增大,灵敏度增高,吸热峰向高温方向推移。因为试样量越多,升温过程中试样内部的传热慢,温度梯度增大,要完成反应或转变过程所需的时间就越长。所以,应尽可能减少试样的质量,但是从试样质量为15mg的3号曲线发现,两个峰间的曲线不够平滑,1、2号相对来看效果要好得多。因为相对本仪器所用的坩埚来说,15mg的试样量偏少,导致信号较弱,易受其它因素如热气流的干扰。所取样品的量要根据坩埚的大小以及样品的密度来决定,对于密度较大的陶瓷原料来讲,以30mg左右为宜。从图5中可以看出,随着升温速率的增大,吸热峰向高温方向推移,对传热较好的陶瓷原料来讲,升温速率以20℃/min为宜。因为该升温速率既对实验结果影响不大,又节约时间、提高效率。图6为不同吹扫气体的热分析曲线,从实验结果来看,三者放热峰和吸热峰的位置比较接近,但吹扫气体为高纯空气和高纯氩气的曲线要相对平滑些,高纯氩气相对高纯空气的成本要低些,所以,吹扫气体应选高纯氩气为宜。

通过三个不同实验条件的摸索,从热分析曲线分析可知,对于密度较大、传热较好的陶瓷原料来讲,应选取升温速率为20℃/min、吹扫气体为高纯氩气进行分析,试样量应根据坩埚的大小及样品的密度来决定,本试验的最佳质量为30mg左右。

4结 论

本文通过对不同区域陶瓷原料进行化学成分、微观形貌、矿物组成及热性能方面的分析,摸索出一套适合陶瓷原料分析的实验参数:(1)采用X射线荧光光谱仪对陶瓷原料进行定量分析时,一般采用熔融法,准确度和精确度较高,如果在分析精度和准确度要求不高时,也可以采用简单、快速的压片法。无论采用熔融法还是压片法,都比化学法速度要快得多;(2)采用扫描电镜观察陶瓷原料微观形貌时,由于陶瓷原料的不导电性和颗粒的不均匀性,需要选取合适的实验参数,因此,适合本仪器的实验参数为:加速电压 5～15kV、束斑3或4、工作距离10mm左右;(3)采用X射线衍射仪对陶瓷原料矿物组成进行定性分析时,在不影响实验结果时,扫描速度可以调节大些,这样可以节约时间、提高效率。本实验中的扫描速度以9°/min较合适;扫描范围应取稍宽些,实验扫描范围以5°～90°为宜;(4)采用热分析仪对陶瓷原料的热性能进行分析时,对于密度较大、传热较好的陶瓷原料来讲,应选升温速率为20℃/min、吹扫空气为高纯氩气进行分析,所取样品的质量要根据坩埚的大小、样品的密度来决定,对于密度较大的陶瓷原料来讲,以30mg左右为宜。

通过利用大型仪器设备对不同区域的陶瓷原料进行分析,摸索出一套适合不同区域陶瓷原料分析的多种仪器设备的工艺参数,使分析方法更加快速合理,为陶瓷原料标准化生产奠定了基础。

参考文献

[1] 刘俊玲.陶瓷原料快速分析方法[J].佛山陶瓷,2003,13(11):28.

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[9] 钟代果. 铝土矿主元素XRF分析方法[J].岩矿测试,2008,27(1):72.

Study of Rapid and Comprehensive Analysis for Ceramic Raw

Materials in Different Areas

Sun XiaohongLi Huanting

( National Quality Supervision and Inspection Center for Ceramics and RefractoriesZiboShandong255063)

Abstract: The paper describes the analytical methods for the ceramic raw materials, which include clay, quartz and feldspar in different areas by scientific and refined instruments. The chemical constituents,mineral composition, micro-morphology and thermal property are analyzed,then the test parameters of the instruments are searched, the rapid and comprehensive analytical method is established.

Keywords: ceramic raw material, different area, comprehensive analytical method