陶瓷材料耐酸碱性能研究*

邱伟志 何湘华

(韩山师范学院 广东 潮州 521041)

酸、碱化学物质对陶瓷的腐蚀作用比较复杂，影响因素较多，主要取决于其的化学成分，矿物组成及显微结构等。由于日用陶瓷使用的范围日益扩大和使用条件日益苛刻，探讨酸、碱化学物质对日用陶瓷材料腐蚀作用的主要因素和特点。对提高陶瓷产品质量，扩大产品使用范围有积极的意义。

表1 样品化学成分(%)

1 实验样品

本实验选用日用陶瓷应用最为普遍的白云陶、长石质瓷、镁质瓷、骨质瓷四种制品：分别测定其有关性能如下：

1.1 外观特征

①白云陶器：白中泛黄，未瓷化，结构疏松，断面粗糙。②长石质瓷：白色，瓷化，结构致密，断面光滑。③镁质瓷：白色，瓷化，半透明，结构致密，断面呈贝壳状。④骨质瓷：白色，瓷化，半透明，断面细腻。

1.2 化学成分

1.3 吸水率

样品吸水率如表2所示。

表2 样品吸水率(%)

1.4 试样制备

分别从两件同种制品上各部份取下总重约100～200 g的若干碎片，放入研钵中敲砸，并不断地过筛，筛取粒径12～20目颗粒，然后用蒸馏水清洗几次，置于105～110 ℃干燥箱内烘干至恒重，取出装袋存放于干燥器内备用。

2 实验方法

依据GB/T 4738-2015《日用陶瓷材料耐酸、耐碱性能测定方法》。称取1 g试样，在酸或碱腐蚀介质中微沸1 h，将残存试样洗涤、烘干、称重。未被腐蚀的试样重量与原有的试样重量之比，即分别为日用陶瓷材料的耐酸度和耐碱度。

3 实验结果

3.1 耐酸、耐碱性能测定结果

按上述实验方法，测定四种材质样品耐酸度和耐碱度，结果如表3所示。

表3 不同材质林产品耐酸、耐碱性能测定结果

测定结果表明：长石质瓷耐酸度98.30%，耐碱度96.06%，耐酸耐碱性能好；骨质瓷耐酸度只有66.41%，耐碱度92.24%，耐碱不耐酸；镁质瓷耐酸度99.76%、耐碱度97.96%，耐酸耐碱性能良好；白云陶耐酸度79.34%、耐碱度81.15%，既不耐酸也不耐碱。四种材质的耐酸度的排序为：镁质瓷>长石质瓷>白云陶>骨灰瓷。耐碱度排序为：镁质瓷>长石质瓷>骨质瓷>白云陶。

取烧结程度不同的长石质瓷样品，分别测定其吸水率和耐酸、耐碱性能，结果如表4所示。

表4 不同吸水率长石质瓷耐酸、耐碱性能测定结果

结果表明，随着吸水率增加，长石质瓷耐酸、耐碱性能均出现不同程度的下降。

3.2 电镜分析结果

10%硫酸腐蚀后形貌(×8 000)电镜分析结果如图1所示。

长石瓷 骨质瓷

10%氢氧化钠腐蚀后形貌(×8 000)电镜分析结果如图2所示。

长石瓷 骨质瓷

4 讨论

4.1 矿物组成对耐酸耐碱性能的影响

陶瓷中的化学成分经高温反应后，大部分以晶相和和玻璃形式存在，材料中晶相矿物及玻璃的耐酸碱性能，决定了材料整体的耐酸碱性能。

石英(SiO2)：无色透明晶体，密度为2.22 ～2.65 g/cm3，熔融温度1 750～1 770 ℃。室温下不与HCl、HNO3、H2SO4反应，是一种良好的耐酸材料。但会被碱溶液慢慢侵蚀。温度升高，石英容易被NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SiO3、Na2B4O7侵蚀，如水中溶解了有机物，可形成复杂的硅～有机物分子，使氧化硅的溶解度增大。

莫来石(3AL2O3·2SiO2)：无色柱状或针状晶体，密度为3.03 g/cm3，熔融温度约1 870 ℃，具有相当好的化学稳定性，在酸性和碱性溶液中都表现出较强的抗侵蚀能力。

磷酸三钙(3CaO·P2O5)：白色六方柱状晶体。密度为3.14 g/cm3，熔融温度1 670 ℃。溶于酸，不溶于水和乙醇。磷酸三钙在酸性条件下会发生氧化还原反应，导致晶体结构破坏，因此，耐酸性能差。在碱性条件不会发生氧化还原反应，耐碱性能较好。

钙长石(CaO·AL2O3·2SiO2)：白色板状或短柱状晶体，密度为2.75 g/cm3，熔融温度1 550 ℃。对酸有较强的化学稳定性，但耐碱性能较差。

原顽火辉石(MgO·SiO2)：白色粒状或板状晶体，密度为3.10 g/cm3，熔融温度1 575 ℃。晶体结构紧密，是一种耐腐蚀很强的矿物，具有良好的耐酸耐碱能力。

玻璃：是由二氧化硅和其他化学物质熔融在一起，形成的一种无规则结构的非晶态固体，无固定熔点。一般的酸(除氢氟酸外)并不会直接和玻璃起反应，而是通过水的作用浸蚀玻璃。因此，浓酸对玻璃的浸蚀作用低于稀酸。在强酸溶液中，钠钙硅酸盐玻璃在开始时的溶解速率比弱酸性溶液快，但溶出玻璃总量还是低的，而且不管硫酸或盐酸，结果都是一样的，说明这种作用和负离子的关系不大。是由于玻璃表面形成一层硅凝胶薄膜，阻挡了酸的进一步腐蚀的缘故。

从图1、图2可以看出，除了玻璃相量少的白云陶外，其它三种产品酸腐蚀后晶相轮廓都比较模糊，推测是有一层薄膜覆盖在上面。在碱溶液中，碱金属离子破坏玻璃的硅氧骨架，使硅酸逐渐溶解在碱溶液中。又不会形成硅凝胶薄膜。因此，玻璃的耐碱能力比耐酸能力差。

4.2 显微结构对耐酸耐碱性能的影响

在多相体系中，反应总是在介面进行，反应程度与接触面积有关，在溶液中，主要取决于固体的比表面积。吸水率大的陶瓷所含有的气孔数量较多，孔隙度较大，酸碱可以沿着孔隙浸入到内部反应，反应不止在表面进行，与酸碱接触的比表面积较大。空隙的存在会降低材料的耐腐蚀性能。因此，随着吸水率增加，长石质瓷耐酸、耐碱性能均出现不同程度的下降。

4.3 日用陶瓷材料腐蚀特点

不同材质陶瓷因其化学成分、矿物组成不同，在不同的温度反应后形成不同的多相体系结构，其矿物相、玻璃相的类型和比例都有所不同。其耐酸耐碱性能也呈现不同的特点。

长石质瓷的相组成主要为玻璃相(40%～60%)，莫来石(10%～30%)，残余石英(10%～25%)和少量气孔。长石类原料在高温下产生大量的玻璃相，长石玻璃能溶解粘土及石英原料，并析出二次莫来石，此外高岭土在高温下分解产生稳定的一次莫来石晶相。莫来石晶体为纤维状或针状，交织成网络结构，石英颗粒夹杂在莫来石网缝间，并有玻璃相填充，胶结成牢固致密的整体。使长石质瓷具有良好的耐腐蚀性能。莫来石晶体数量越多，生成的晶体完整，颗粒细而致密，越耐腐蚀。玻璃相和残余石英颗粒不易与酸反应，但易被碱侵蚀，因此，长石质瓷的耐碱度比耐酸度稍低。

镁质瓷的相组成主要为原顽火辉石(50%～75%)、玻璃相(25%～45%)、方石英和少量气孔。其主晶相原顽火辉石(MgO·SiO2)晶体结构紧密、具有良好的化学稳定性。大量的含镁玻璃相，填充瓷坯晶相间隙，抑制晶体生长及相变的发生，使晶相呈微细均匀分布状，提高瓷坯的致密度，进而提高制品的耐腐蚀性能。因此镁质瓷的耐酸碱能力都很好。

白云陶制品的相组成主要为石英、方石英、钙长石、莫来石等，它烧成温度低(1 000 ℃左右)，残留的石英、方石英含量较多，同时玻璃相的含量比瓷器的少得多，一般为25%～30%。钙长石、莫来石晶体的发育较差，结构不致密，气孔占总体积的20%左右,吸水率达25.82%，容易酸碱接触反应，因此耐酸耐碱性能都比较差。

4.4 提高日用陶瓷耐酸碱性能的措施

(1)陶瓷的烧结程度越好，气相所占比例越少，耐腐蚀的晶相越高，陶瓷的耐腐蚀性能越好。在实际生产中，可通过调节坯体原料的比例，适当增加熔剂性原料的量，适当提高烧成的温度，延长保温时间，增大陶瓷的致密度；引入矿化剂促进晶相生成，提高耐腐蚀晶相的相对含量等措施来提高陶瓷材料的耐酸碱性能。

(2)白云陶和骨质瓷耐酸性能比较差，在使用过程中容易受酸性物质侵蚀，出现无釉部位粗糙、吸附颜色的问题，影响美观。应采取满釉包裹，避免胎体接触酸性物质引起污损。

5 结论

(1)影响陶瓷材料耐酸、耐碱性能的主要因素是瓷胎矿物组成和显微结构。含越多耐腐蚀的晶相，陶瓷的耐腐蚀性能越好；烧结程度越好，结构越致密，气相所占比例越少，孔隙度越小，与酸碱接触的比表面积越小，其耐酸碱性能越好。

(2)不同材料的陶瓷由于其组成成分、烧结程度不同，其晶相、玻璃相、气相的类型和所占的比例不同，其化学稳定性呈现不同的特点。长石质瓷和镁质瓷有良好的耐酸、耐碱性能。骨质瓷耐碱不耐酸，白云陶既不耐酸也不耐碱。