还原焰烧成日用锂质低膨胀陶瓷性能的研究

2019-09-05谭训彦李秋妍张利剑黄良平

中国陶瓷工业 2019年3期

谭训彦，胡浪，李秋妍，何杰，张利剑，黄良平

(景德镇陶瓷大学，江西景德镇 333403)

0 引言

自从1980年景德镇陶瓷大学开始研究低膨胀陶瓷材料以来[1-6]，特别是将日用锂质瓷技术转让和产业化以后，经过30多年的发展，国内日用锂质瓷的产品品质已经非常稳定，获得了市场的欢迎和好评，位于江西省黎川县的世界上最大的日用锂质瓷生产企业年产值已经达到3亿多元人民币。

随着人们生活水平的提高，喜欢喝茶、喝咖啡的人越来越多。但是，泡茶、泡咖啡需要的热水大都是用不锈钢水壶煮开的，而不锈钢中含有重金属铬，人们担心长期使用后将有铬溶出进入开水中，对人体健康不利。而锂质瓷的化学性质很稳定，它们耐热、热酸碱、硬度高、不含重金属，而且抗热震性非常好，可以直接在热源上加热而不易破裂，因此，用全陶瓷水壶煮开水成为人们追求健康的新时尚。

然而，目前的锂质瓷基本上是在1250 ℃左右的氧化气氛下烧制而成的，不适合景德镇等陶瓷产地的还原焰烧成条件，无法满足很多陶瓷茶具制造企业的要求。他们希望能够与正常的茶具产品在同一窑里烧成锂质瓷，减少生产中的很多麻烦。但是，据文献[7-8]所述，锂质瓷适合在氧化气氛下烧成, 在还原气氛中制品易发红、发灰, 釉面晶体发育不佳；采用氧化气氛烧成，达到最高温度后要急冷，防止晶粒过于长大。

因此，本文旨在研究高温还原焰条件下烧成日用锂质陶瓷的性能，希望解决还原气氛中烧成时的问题。

1 实验

1.1 原料

实验采用的原料主要有澳洲锂辉石、高岭土、膨润土，为了降低配方成本，引入了滑石或合成堇青石。为了提高可塑性和生坯结合强度，考虑加入少量有机增塑剂羧甲基纤维素(CMC)或聚丙烯酸钠(PAA)。坯料配方如表1所示。

原料的化学组成如表2所示。

堇青石按理论化学成分进行计算。

1.2 试验工艺流程

试验工艺流程如图1所示。

工艺参数：

(1)球磨：料 : 球 : 水 = 1 : 2 : 0.6，行星磨转速为400 rpm，球磨时间为30-120 min。

(2)泥浆性能：流速控制在20-30 s，触变性为1.5-2.5左右。

(3)烧成：还原气氛，1290-1310 ℃，烧成曲线如图2所示。

1.3 测试

采用涂-4杯测试泥浆的流动性和触变性。

采用阿基米德法测量烧成试样的吸水率和体积密度。

采用PCY型高温卧式膨胀仪测试烧成试样的线膨胀系数。

采用三点弯曲法测试烧成试样的抗折强度。

采用北京康光仪器有限公司生产的WSD-3A型全自动白度仪测试烧成试样的白度。

图2 烧成曲线Fig.2 The firing curve

表1 坯料配方Tab.1 The formula for the porcelain body

表2 原料的化学组成 (wt.%)Tab.2 The chemical composition of the raw materials (wt.%)

图1 试验工艺流程图Fig.1 The flowchart of the process

采用XRD测试瓷体的晶相组成，并用Jade软件进行分析。采用SEM观察瓷体的显微结构。

采用在燃气炉上直接加热水壶的方法测试耐急冷急热性能：在烧成好的水壶中加入半壶常温水，放在燃气炉上用最大火煮沸，然后迅速倒掉沸水，立即加入常温水，反复10次不裂，即认为合格。

2 结果分析与讨论

2.1 增塑剂对泥浆的流动性和触变性的影响

由于锂质瓷中使用的锂辉石用量一般在35%以上，使得泥料的可塑性较低，生坯的干燥强度也低，因此需要使用增塑剂。试验使用的有机增塑剂为CMC和PAA，无机增塑剂为膨润土。

CMC的加入量为坯料质量的0.2%-0.5%。实验结果表明，随着CMC的加入量增加，泥浆的流动性快速降低，以致泥浆不能从涂-4杯中流尽，测不出流动性。同时，发现CMC对提高生坯干燥强度的作用比较小。因此，最终坯料中没有加入CMC。

PAA的加入量为0.25%-3%，其分子量约为20000，有一定的稀释作用。结果表明，当加入量为0.25%时，泥浆流速为22 s，触变性为1.86，但其吸浆速度过快，不能满足注浆要求；当PAA加入量达到0.8%时，泥浆流速为17 s，触变性降至1.47，泥浆吸浆速度较合适，但随着PAA加入量增大，坯体干燥强度反而降低了。因此，最终坯料中没有加入PAA。

膨润土的加入量为3%-15%。随着膨润土加入量的增大，泥浆的流动性快速降低，直至无法流动。为了提高流动性，加入了稀释效果很好的仙水作为稀释剂。在膨润土用量为15%的泥浆中，当稀释剂的加入量为1%时，泥浆的流速为25 s，触变性为2.5，生坯的干燥强度较高，但吸浆时间太短，只有2 min左右，所以还需要进一步调整其吸浆速度。

2.2 球磨时间对吸浆速度的影响

将膨润土用量为15%的坯料分别球磨30 min、45 min、60 min、75 min、90 min和120 min，并用水调整泥浆的流速，控制在26 ± 4 s，得到各泥浆的流动性、触变性及吸浆速度，如表3所示。

由表3可见，随着球磨时间增加，泥浆的吸浆时间也逐步增加，从2.2 min增加到10.7 min，使得编号6的泥浆基本上可以满足正常的注浆成型操作要求。这是由于球磨时间越长，泥浆中的颗粒越小，在石膏模型内壁上形成的泥层中颗粒堆积越紧密，空隙越小；泥层越紧密，继续形成泥层时泥浆中的水分要通过已形成的泥层进入石膏模毛细孔的阻力增大，使得吸浆速度降低，吸浆时间延长。同时，由于泥层越紧密，干燥后的生坯强度也更高，有利于后续的修坯和施釉操作。

2.3 试样的性能

将上述6号泥浆注浆成型得到的生坯干燥后，破碎、造粒、干压成型制成条状和圆片状试样，在还原气氛梭式窑中烧成，测定试样的吸水率、体积密度、热膨胀系数、抗折强度和白度，结果如表4所示。从表4数据可知，这些性能均符合要求。将注浆成型得到的多个茶壶烧成后做耐急冷急热性测试，也都达到了合格要求。没有发现瓷体发红、发灰的现象。

表3 泥浆的触变性和吸浆速度与球磨时间的关系Tab.3 The relation of thixotropy and forming rate of the slurry with milling time

表4 烧成试样的性能Tab.4 The properties of the sintered sample

图3 烧成试样的XRD图谱Fig.3 The XRD pattern of the sintered sample

图4 烧成试样的SEM分析Fig.4 The SEM images of the sintered sample:a) ×100, b) ×500, c) ×3000, d) ×10000

2.4 烧成试样的晶相组成与显微结构分析

图3是烧成试样的XRD图谱。由图3可见，瓷体中的主晶相为绿柱石(Virgilite)，次晶相为堇青石(Cordierite)，还有少量莫来石(Mullite)。但绿柱石其实应该是锂辉石固溶体。因为坯料中有35%以上的锂辉石，而锂辉石容易与SiO2形成锂辉石固溶体，导致晶胞参数变大，可能类似于绿柱石的晶胞参数，因此被Jade软件认为是绿柱石。由于坯料中加入了少量滑石或堇青石，所以次晶相为堇青石。

图4是烧成试样的SEM照片。由图4可见，瓷体中含有10-30 m的气孔，分布均匀，有利于提高耐急冷急热性能。还有大量尺寸细小的针状晶体，长约3-6 m，直径约0.5 m，相互交织，有利于提高坯体的结合强度，从而提高瓷坯的耐急冷急热性能。