低成本高檔硬質(zhì)日用細(xì)瓷的研制

摘 要：本文針對目前日用細(xì)瓷存在的問題，以提高高檔日用細(xì)瓷的內(nèi)外性能為目標(biāo)，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(yàn)研究，研制出一種高檔日用細(xì)瓷。不僅生產(chǎn)制造成本大幅度降低，產(chǎn)品質(zhì)量也有了很大提高，尤其是產(chǎn)品的白度、硬度、熱穩(wěn)定性等性能指標(biāo)顯著提高。

關(guān)鍵詞： 日用細(xì)瓷；低成本；硬質(zhì)

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(nèi)高檔日用瓷的生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，雖然骨質(zhì)瓷為市場上公認(rèn)的高檔日用細(xì)瓷產(chǎn)品，其白度和釉面質(zhì)量上佳，但骨質(zhì)瓷生產(chǎn)成本比較高，原料來源日趨緊張；滑石質(zhì)瓷成形效率低、燒成溫度范圍窄、生產(chǎn)過程難以控制；高檔長石質(zhì)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(chǎn)成本居高不下。而且，骨質(zhì)瓷、滑石質(zhì)瓷熱震穩(wěn)定性差的問題也一直難以解決。因此，開發(fā)燒成溫度低、生產(chǎn)過程易控制、生產(chǎn)成本較低、內(nèi)在性能優(yōu)良的高檔日用細(xì)瓷新產(chǎn)品迫在眉睫。

筆者以提高骨質(zhì)瓷的釉面質(zhì)量水平為目標(biāo)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，開展了新型高檔日用細(xì)瓷項(xiàng)目的研究。經(jīng)過近三年的潛心研究，成功地開發(fā)出了透明度和白度高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、瓷質(zhì)細(xì)膩、低成本的高檔日用細(xì)瓷新產(chǎn)品。新產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過了GB/3532-2009《日用瓷器》國家標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)過中試生產(chǎn)摸索，獲得了一系列的新產(chǎn)品生產(chǎn)工藝參數(shù)。目前該新產(chǎn)品已正常投入大生產(chǎn)。現(xiàn)將本項(xiàng)目的研制生產(chǎn)情況介紹如下。

2 配方設(shè)計(jì)思路

依照性能-結(jié)構(gòu)-工藝-組成的關(guān)系，首先對新產(chǎn)品的基本組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。高檔日用細(xì)瓷的基本要求是：在釉面質(zhì)量和規(guī)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(shù)量和配位狀態(tài)、玻璃相的數(shù)量以及玻璃相與晶相的折射率之差。欲解決現(xiàn)有高檔日用瓷原料成本高、燒成溫度高、生產(chǎn)過程難以控制等問題，并達(dá)到高檔日用細(xì)瓷內(nèi)在性能的要求。首先要對坯體組成的基本物系進(jìn)行選擇，坯體的基本組成物系應(yīng)滿足：

（1） 在較低溫度下出現(xiàn)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(xué)組分的原料來源豐富、成本低；

（3） 應(yīng)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(jù)“多相物系隨著組元數(shù)的增加，系統(tǒng)開始出現(xiàn)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(jìn)行了分析：

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

（2） 在Li2O-Al2O3-SiO2系中開始出現(xiàn)液相的溫度為980℃，在坯體組成對應(yīng)的高硅區(qū)域，液相線密集，說明該區(qū)域內(nèi)液相量隨溫度變化不敏感，并且當(dāng)燒成溫度波動(dòng)時(shí)坯體的液相量變化較小。此外，Li＋半徑小，Li-O鍵的鍵強(qiáng)較大，對玻璃網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(jù)本項(xiàng)目的研制目標(biāo)和高檔日用細(xì)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(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇坯體原料；

（3） 依據(jù)所選基本組成物系，確定能滿足燒成溫度、成形性能和產(chǎn)品理化指標(biāo)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(wěn)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(xué)組成見表1。

綜合考慮坯料的成形、燒成和理化指標(biāo)等因素，配合以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)分別確定了注漿泥、滾壓泥的配方，其坯體化學(xué)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(jīng)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(shù)見表5。坯體的燒結(jié)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(jié)果看，制品中氣孔極少，已較好地完成了成瓷反應(yīng)；坯體的顯微結(jié)構(gòu)均勻，達(dá)到了項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。

4 釉料配方的確定

依據(jù)坯料配方的有關(guān)數(shù)據(jù)，參考本公司原有的釉料配方，以提高坯釉適應(yīng)能力、提高釉面光澤度等物理性能為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)全面考慮釉漿生產(chǎn)工藝性能的配方設(shè)計(jì)原則。在傳統(tǒng)長石釉的基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)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(shí)，引入大量的瓷粉，加強(qiáng)了離子間的相互擴(kuò)散，增強(qiáng)了坯釉結(jié)合以及中間層的形成，有效提高了制品的抗熱震性能。

運(yùn)用遺傳算法及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通過多次試驗(yàn)確定了釉料配方，其化學(xué)組成、配方計(jì)算系數(shù)、釉料配方性能預(yù)測和膨脹系數(shù)指標(biāo)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(yàn)成功的坯體上，按新的燒成制度進(jìn)行燒成，此釉料的性能及燒后釉面質(zhì)量見表10。

試驗(yàn)結(jié)果顯示其白度達(dá)到72%，釉面質(zhì)量達(dá)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(qiáng)的熔劑，能急劇加速釉的熔融過程，并提高釉的光澤度、化學(xué)穩(wěn)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(gè)重要作用是降低釉的膨脹系數(shù)和提高制品的熱穩(wěn)定性。此外，釉配方中ZnO的含量略有增加，能在較大范圍內(nèi)起到良好的助熔作用，并可降低釉的膨脹系數(shù)、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(shù)略小于坯體的膨脹系數(shù)，使釉燒冷卻后產(chǎn)生了最大可能的釉層壓應(yīng)力，制品的熱穩(wěn)定性達(dá)到了200～20℃熱交換一次不裂，釉面硬度較高。

5 生產(chǎn)主要工藝參數(shù)

工藝流程：

主要工藝參數(shù)如下：

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

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

（3）釉漿：細(xì)度0.05g/500mL萬孔篩余，比重為1.38～1.40。

（4） 燒成：采用燃?xì)馑淼栏G，一次燒成。燒成溫度為1200～1220℃，燒成周期為6.5h。

6 產(chǎn)品主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

產(chǎn)品主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表11。

7 結(jié) 論

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

（2） 利用該技術(shù)生產(chǎn)的高檔硬質(zhì)日用細(xì)瓷新產(chǎn)品，白度高、透光度好、釉面滋潤，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過GB/3532-2009《日用瓷器》國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，且生產(chǎn)成本大幅度降低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。