低成本高檔硬質日用細瓷的研制

摘 要：本文針對目前日用細瓷存在的問題，以提高高檔日用細瓷的內外性能為目標，選擇Li2O-Na2O-K2O-MgO-Al2O3-SiO2多元系為坯體的基本組成物系，通過坯料釉料試驗研究，研制出一種高檔日用細瓷。不僅生產制造成本大幅度降低，產品質量也有了很大提高，尤其是產品的白度、硬度、熱穩定性等性能指標顯著提高。

關鍵詞： 日用細瓷；低成本；硬質

1 引 言

近年來，國際市場對高檔日用瓷的需求不斷增加。從目前國內高檔日用瓷的生產現狀來看，雖然骨質瓷為市場上公認的高檔日用細瓷產品，其白度和釉面質量上佳，但骨質瓷生產成本比較高，原料來源日趨緊張；滑石質瓷成形效率低、燒成溫度范圍窄、生產過程難以控制；高檔長石質瓷、石英瓷燒成溫度在1400℃左右，能耗高，對輔助材料性能要求高、消耗大，生產成本居高不下。而且，骨質瓷、滑石質瓷熱震穩定性差的問題也一直難以解決。因此，開發燒成溫度低、生產過程易控制、生產成本較低、內在性能優良的高檔日用細瓷新產品迫在眉睫。

筆者以提高骨質瓷的釉面質量水平為目標，結合企業生產實際，開展了新型高檔日用細瓷項目的研究。經過近三年的潛心研究，成功地開發出了透明度和白度高、熱穩定性優良、瓷質細膩、低成本的高檔日用細瓷新產品。新產品的各項性能指標均達到或超過了GB/3532-2009《日用瓷器》國家標準，并經過中試生產摸索，獲得了一系列的新產品生產工藝參數。目前該新產品已正常投入大生產。現將本項目的研制生產情況介紹如下。

2 配方設計思路

依照性能-結構-工藝-組成的關系，首先對新產品的基本組成進行設計。高檔日用細瓷的基本要求是：在釉面質量和規整度好的前提下，白度和透光度要高。影響白度和透光度的主要因素是坯體中著色離子的數量和配位狀態、玻璃相的數量以及玻璃相與晶相的折射率之差。欲解決現有高檔日用瓷原料成本高、燒成溫度高、生產過程難以控制等問題，并達到高檔日用細瓷內在性能的要求。首先要對坯體組成的基本物系進行選擇，坯體的基本組成物系應滿足：

（1） 在較低溫度下出現大量的液相。在該溫度附近液相量隨溫度變化不敏感，且液相粘度較高；

（2） 提供基本化學組分的原料來源豐富、成本低；

（3） 應能保證足夠量的可塑性原料的引入。

以往日用陶瓷的組成拘泥于三元物系，難以滿足這些要求。根據“多相物系隨著組元數的增加，系統開始出現液相的溫度降低”這一基本特性，采用多組元熔劑組合與原料來源廣泛的Al2O3-SiO2系配合的R2O-RO-Al2O3-SiO2多元物系可以解決上述難題。由于缺乏多組元物系的資料，我們分別就各熔劑對Al2O3-SiO2性能的影響進行了分析：

（1） 在K2O-Al2O3-SiO2系中開始出現液相的溫度為1140℃，在Na2O-Al2O3-SiO2系中開始出現液相的溫度也為1140℃；

（2） 在Li2O-Al2O3-SiO2系中開始出現液相的溫度為980℃，在坯體組成對應的高硅區域，液相線密集，說明該區域內液相量隨溫度變化不敏感，并且當燒成溫度波動時坯體的液相量變化較小。此外，Li＋半徑小，Li-O鍵的鍵強較大，對玻璃網絡有較強的積聚作用，可減小坯體的熱膨脹；

（3） 在Li2O-MgO-Al2O3-SiO2系中，坯體對應的組成范圍完全熔融溫度較低。即MgO與其它R2O組分配合具有較強的熔劑作用。Mg2+離子半徑小、荷電量大，有利于玻璃體熱膨脹的減小。綜上所述，選擇Li2O-Na2O-K2O-MgO-Al2O3-SiO2多元系為坯體的基本組成物系。

根據本項目的研制目標和高檔日用細瓷的性能要求，我們確定了擬解決的問題和采用的工藝：

（1） 采用一次燒成，燒成溫度為1200～1220℃；

（2） 綜合各技術、經濟指標選擇坯體原料；

（3） 依據所選基本組成物系，確定能滿足燒成溫度、成形性能和產品理化指標的坯體配方；

（4） 選擇滿足工藝條件且與坯體相匹配的釉料配方。

3 坯體配方的確定

按照既滿足坯體基本物系組成，又保證原料來源穩定、工藝性能好等條件，我們選擇石英、高嶺土、生砂、長石、滑石、含鋰瓷土、唐縣土、于寺土等為坯體原料。原料的化學組成見表1。

綜合考慮坯料的成形、燒成和理化指標等因素，配合以計算機輔助設計，經過反復的試驗分別確定了注漿泥、滾壓泥的配方，其坯體化學組成見表2。

注漿泥、滾壓泥的坯式分別見式（1）和式（2）。

注漿泥坯式如下：

滾壓泥坯式如下：

經測定，泥料的工藝性能分別見表3和表4，注漿泥、滾壓泥坯體的熱膨脹系數見表5。坯體的燒結溫度：注漿泥：1180～1215℃；滾壓泥：1170～1210℃。

從以上試樣的燒制情況和檢測結果看，制品中氣孔極少，已較好地完成了成瓷反應；坯體的顯微結構均勻，達到了項目的預期目標。

4 釉料配方的確定

依據坯料配方的有關數據，參考本公司原有的釉料配方，以提高坯釉適應能力、提高釉面光澤度等物理性能為出發點，同時全面考慮釉漿生產工藝性能的配方設計原則。在傳統長石釉的基礎上引入大量瓷粉及燒氧化鋅等添加劑，以提高釉料的始熔溫度、降低高溫粘度，克服釉泡等缺陷。通過實驗表明，制品的釉面光澤度、平整度、釉面硬度等都有了顯著提高。同時，引入大量的瓷粉，加強了離子間的相互擴散，增強了坯釉結合以及中間層的形成，有效提高了制品的抗熱震性能。

運用遺傳算法及計算機輔助設計，通過多次試驗確定了釉料配方，其化學組成、配方計算系數、釉料配方性能預測和膨脹系數指標分別見表6至表9。

釉式如下：

按上述配方制好釉漿后，施于前面試驗成功的坯體上，按新的燒成制度進行燒成，此釉料的性能及燒后釉面質量見表10。

試驗結果顯示其白度達到72%，釉面質量達到了較高水平。這主要是釉料中Li2O、MgO和ZnO的含量有所增加。Li2O是堿金屬氧化物中最強的熔劑，能急劇加速釉的熔融過程，并提高釉的光澤度、化學穩定性和彈性。MgO在高溫下提供游離氧，降低熔體粘度，起助熔作用。MgO的另外一個重要作用是降低釉的膨脹系數和提高制品的熱穩定性。此外，釉配方中ZnO的含量略有增加，能在較大范圍內起到良好的助熔作用，并可降低釉的膨脹系數、提高折射率，使釉面光澤度、白度等性能得到改善。

由于釉燒工藝的合理控制以及坯釉配方的適宜匹配，形成了良好的坯釉中間層，且釉料的膨脹系數略小于坯體的膨脹系數，使釉燒冷卻后產生了最大可能的釉層壓應力，制品的熱穩定性達到了200～20℃熱交換一次不裂，釉面硬度較高。

5 生產主要工藝參數

工藝流程：

主要工藝參數如下：

（1） 滾壓泥：細度0.15g/500mL萬孔篩余， 陳腐期3天，水分為21%～22%。

（2） 注漿泥：細度0.35g/500mL萬孔篩余，陳腐期3天，比重為1.7～1.8。

（3）釉漿：細度0.05g/500mL萬孔篩余，比重為1.38～1.40。

（4） 燒成：采用燃氣隧道窯，一次燒成。燒成溫度為1200～1220℃，燒成周期為6.5h。

6 產品主要技術經濟指標

產品主要技術經濟指標見表11。

7 結 論

（1） 選擇Li2O-Na2O-K2O-MgO-Al2O3-SiO2多元系統為基本組成物系，利用混合熔劑效應，可有效提高日用陶瓷的內外品質；同時處理好原料成本、產品品質、燒成溫度、生產效率之間的關系。為研制生產低成本高檔硬質日用細瓷提供了一條有效途徑。

（2） 利用該技術生產的高檔硬質日用細瓷新產品，白度高、透光度好、釉面滋潤，各項技術指標均達到或超過GB/3532-2009《日用瓷器》國家標準的要求，且生產成本大幅度降低，具有良好的經濟效益和社會效益。