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长石-石英类矿物原料对日用陶瓷物理性能的影响

2024-01-08李赫张金钊张健孙宁毛晓东陈伟

山东陶瓷 2023年1期
关键词:日用陶瓷物理性能长石

李赫 张金钊 张健 孙宁 毛晓东 陈伟

摘 要:探究了一种长石-石英类矿物原料在日用陶瓷中产生的影响和规律。通过其在日用陶瓷中的应用实验和系统分析,发现该原料的加入可以减小日用陶瓷的收缩率和吸水率。当添加质量分数在20%以上时,日用陶瓷的机械强度逐渐减小。该原料的加入量与材料的膨胀系数呈线性关系,可实现与釉料进行膨胀系数的匹配。

关键词:日用陶瓷;长石-石英类矿物原料;物理性能

日用陶瓷作为传统产业,生产加工工艺已经相当成熟,但是原料的标准化、稳定性一直是日用陶瓷的短板,例如,界牌土、坊子土等优质产地原料都已经消耗殆尽,这就要求科研人员不断寻求可替代的优质原料。长石、石英是常用的日用陶瓷瘠性原料,在日用陶瓷配方体系中起着助溶和骨架作用。本研究所选的原料为产自内蒙古的长石-石英类矿物。据资料显示,此原料对日用陶瓷的强度性能有重要作用,此外其黑体效应对材料的收缩、吸水率等指标有明显影响,因此,本研究结合该原料所具有的特性,对日用陶瓷吸水率、变形度、抗折强度、收缩、膨胀系数等物理性能的影响进行了应用探究实验。

1 实验

1.1 实验原料

长石-石英类矿物的理化分析见表1。

1.2 测试方法

1.2.1 收缩

采用的收缩试片如图1所示。将泥浆倒入收缩试片模型中,注浆完毕后,取出收缩试片进行干燥、烧成,烧成后进行收缩计算,计算公式如下:

S=L(最初)-L(烧成后)L(最初)100%,

式中:

S为收缩;

L(最初)为最初坯体试片线长度(mm);

L(烧成后)为烧成后坯体试片线长度(mm)。

1.2.2 变形度

变形度是坯体成熟度的重要指标。使用变形试条模型,采用注浆成型,得到变形试条。把变形试条放到耐火材料基座圆孔内,并用耐火材料氧化铝进行固定,把变形试条和耐火基座一起放到窑炉内进行烧制,烧成后取出变形试条,变形试条弯曲的度数就是变形度。本测试方法主要使用的变形试条和耐火基座的组合,如图2所示。

1.2.3 吸水率

日用陶瓷的吸水率是指陶瓷经过3 h以上沸水浸泡后,陶瓷吸附水的重量与陶瓷本身重量的比值,表现为对水的吸附能力。日用陶瓷的吸水率与配方以及烧成温度有较大关系,所以陶瓷吸水率是测定日用陶瓷材料密度以及分类的重要指标,可以更好的认识和利用陶瓷,吸水率计算公式[1]如下:

W= KG1-G0G0×100%,

式中:

W为陶瓷的吸水率;

G0为陶瓷干质量;

G1为陶瓷吸水饱和后的质量;

K为相关系数。

1.3 测试仪器

实验过程中主要用到的仪器见表2,其中抗折强度主要使用电子万能试验机进行测试,膨胀系数主要使用热膨胀仪进行测试。

1.4 实验方法

由于对此种矿物原料没有相关经验,因此在日用陶瓷中的实验分两部分进行。首先少量加入此原料,微调坯体配方,部分替代石英、长石,初步探讨此种原料在陶瓷中的各项性能和所起的作用;然后批量加入,改變坯体配方,大批量代替石英、长石,进而探讨批量加入此种原料在陶瓷中的各项性能。

本实验以高硅质日用细瓷配方为基础[2-3]。为保证实验对比性,选好配方后,用相同的实验条件(含水量、球磨时间、快速磨、注浆人员、模型等)[4-5]制作陶瓷样品。待样品干燥完毕后,将吸水样品、收缩试片、抗折试条、变形试条、膨胀试条、素烧样品一同进实验室电窑进行烧成,烧成时间为7.5 h,烧结温度为1 270 ℃。烧成后降温10 h,将样品取出,进行吸水率、收缩、抗折强度、变形度、膨胀系数等测试,测试方法和仪器前文已阐述。

2 结果与讨论

用长石-石英类矿物原料少量替代石英和长石,此部分实验共四组,分别为0号(0%长石-石英类矿物)、1号(2%长石-石英类矿物)、2号(4%长石-石英类矿物)、3号(6%长石-石英类矿物)配方,四种配方见表3。

0号为基准配方,1号、2号、3号为实验配方,相应的化学分析见表4。

少量加入长石-石英类矿物原料的四组配方相关实验结果见表5、图3。

从以上实验结果可以看出,随着长石-石英类矿物原料添加量的增加,日用陶瓷产品的吸水率逐渐减小,说明此原料可以增加陶瓷的瓷化程度,增加产品致密度,从而提升产品的细腻品质,这与素烧外观结果一致。从收缩维度分析,四种配方的差异不大,有长石-石英类矿物的样品收缩偏小,所以此原料为瘠性料,加入此原料后,日用陶瓷产品尺寸偏大。从抗折强度分析,随着长石-石英类矿物原料添加量的增加,日用陶瓷产品的抗折强度逐渐增强,说明此种原料的增加可以增强产品的机械强度。从变形度分析,少量加入此种原料,变形度明显减少,说明日用陶瓷烧成温度明显提高,也可以从侧面反映此种原料能增强产品的机械强度。

从膨胀系数结果分析:600 ℃之后四组产品的膨胀系数逐渐减小,说明600 ℃之后陶瓷产品的刚性应力逐渐减小,产品逐渐软化;2号、3号配方膨胀系数不规律,有异常,说明此种矿物原料添加质量分数为4%~6%时,对产品热力学影响较大。从整体膨胀系数进行分析,增加此种原料有提升产品膨胀系数的趋势,根据釉层膨胀系数应略小于坯体膨胀系数的理论[6-8],加入此种原料能使坯体的膨胀系数增加,可能导致产品热稳定性不稳定。

上一部分实验已经初步研究了将少量此种矿物原料加入日用陶瓷后的各项性能,并且日用陶瓷的球磨、注浆、烧成等操作无异常,各项性能均在日用陶瓷合理范围内,因此本部分实验将批量加入此种原料。改变原料配方,用长石-石英类矿物原料批量代替石英和长石,此系列实验共三组,分别为4号(10%长石-石英类矿物)、5号(20%长石-石英类矿物)、6号(30%长石-石英类矿物),与对比0号的配方及化学分析见表6和表7。

为了保证其它变量稳定,能横向对比,此部分样品的制作(球磨、注浆、干燥、烧成等)以及测试方法与上一部分一致,详细实验结果见表8和图4。

分析以上结果可得,吸水率随着长石-石英类矿物含量的增加而变小,进一步说明此种矿物原料的增加可使日用陶瓷变得更加致密,增加日用陶瓷的瓷化程度,从而使日用陶瓷产品更加细腻。收缩随着长石-石英类矿物含量的增加而逐渐减小,这与上一部分的实验现象与分析一致。

从抗折强度和变形度层面分析,随着长石-石英类矿物含量的增加,抗折强度明显减小,变形度明显增加,说明产品的机械性能随着此种矿物含量的增加而降低。对标上一部分实验,此两种测试结果的趋势是相反的,说明少量加入和批量加入此种原料对日用陶瓷的影响机理不一致,中间有个分界值。批量加入质量分数在20%以上时,坯体的烧成温度逐渐降低,出现过烧情况,产生过多的玻璃相,导致强度降低。

从膨胀系数角度分析,随着长石-石英类矿物含量的增加,产品的膨胀系数逐渐减小。根据坯釉结合理论,釉料的膨胀系数也需相应减小。对标上一部分实验,批量加入此类矿物时,日用陶瓷的膨胀系数变化明确,容易控制产品的热稳定性。

3 结论

1)通过化学分析可得,此原料是介于长石和石英中间的一种矿物,是石英和长石相伴生的结合体。

2)此矿物原料的加入,可以降低日用陶瓷的吸水率,使产品致密度更高,瓷质细腻。

3)此矿物原料的加入,可以降低日用陶瓷的收缩率,说明此原料为瘠性料,加入此原料时,生产的日用陶瓷产品尺寸偏大。

4)加入质量分数在20%以上此种矿物原料时,烧成温度逐渐降低,日用陶瓷的机械强度逐渐减小;当加入质量分数为30%时,下降8%左右。相反,少量加入此种原料时,日用陶瓷的机械强度可以增强25%左右。从变形度角度也可反映强度的大小。

5)批量加入此种矿物原料可以减小坯体的膨胀系数且变化稳定,容易匹配釉料,日用陶瓷热稳定性容易控制。相反,少量加入时膨胀系数不稳定,不利于日用陶瓷产品的热稳定性。

参考文献

[1]程国安,张建平,童裕英.日用陶瓷器吸水率测定方法的研究[J].中国陶瓷,1996,32(1):29-38.

[2]刘阳,李健.高硅质瓷的制备[J].中国陶瓷,2016,52(1):77-80.

[3]张儒岭,徐景维.山东陶瓷工业科技进步与成果[M].青岛:青岛海洋大学出版社,1993:56-65.

[4]李家驹.日用陶瓷工艺学[M].武汉:武汉理工大学出版社,1992:203-214.

[5]任允鹏.骨质瓷生产技术[M].北京:化学工业出版社,2009:93-103.

[6]李玉书.提高陶瓷热稳定性的途径[J].陶瓷,1988,21(2):40-44.

[7]任允鵬,殷书建,王磊,等.无铅熔块釉[J].中国陶瓷工业,2007,14(2):33-36.

[8]陈化东,李赫,孙宁,等.浅谈日用陶瓷热稳定性工艺控制[J].山东陶瓷,2018,41(3):25-27.

(责任编辑:姚佳良)

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