幾種常用高嶺土的燒結性能比較

苗立峰，包鎮紅，江偉輝

（景德鎮陶瓷學院，國家日用及建筑陶瓷工程技術研究中心，江西 景德鎮 333001）

幾種常用高嶺土的燒結性能比較

苗立峰，包鎮紅，江偉輝

（景德鎮陶瓷學院，國家日用及建筑陶瓷工程技術研究中心，江西 景德鎮 333001）

以龍巖高嶺土、臨滄高嶺土和星子高嶺土為原料，研究了煅燒溫度對高嶺土白度和燒結性能的影響。結果表明，高嶺土的白度隨煅燒溫度的升高均呈現先降低后升高再降低的趨勢，600 ℃下白度最低，龍巖、臨滄和星子高嶺土分別在1100 ℃、1200 ℃和1300 ℃白度達到最大值。星子高嶺土因含有較高的Fe2O3，白度最低，且在1400 ℃由于會形成更多的鐵著色化合物白度降低明顯。龍巖高嶺土因含有較高的K2O，促進燒結，1400℃煅燒后吸水率為0.29%，耐火度最低，達到白度最大值的溫度也最低。1200 ℃之前臨滄嶺土因燒失量最大，燒成收縮率最大，1300 ℃下龍巖高嶺土因燒結程度高，燒成收縮率反而大于臨滄嶺土。星子高嶺土因耐火度最高且顆粒較粗致使其燒成收縮率最小。

高嶺土；白度；燒結性能

0 引 言

高嶺土是一種以高嶺石族礦物為主要成分的粘土類集合體礦物原料，具有獨特的物理化學和工藝性能，如可塑性、粘結性、分散性、耐火性、絕緣性和化學穩定性等，已成為陶瓷、造紙、耐火材料及化工等部門不可缺少的礦物原料[1-3]。高嶺土的白度和燒結性能是陶瓷工業最主要的兩個質量指標，一般制瓷高嶺土在陶瓷配料中進行焙燒時，高嶺土只是發生結構的變化，并不熔融，使坯體仍保持骨架，這是陶瓷生產中應用高嶺土的關鍵[4]。高嶺土的形成受地質地理、氣候環境各種因素的影響，其礦物組成、結晶形態、工藝性能有很大的波動，不同產地的高嶺土完全燒結的溫度不同。目前，人們對于高嶺土的研究多集中在某一種高嶺土的除鐵增白，表面改性等方面[5-10]，但對于陶瓷行業常用高嶺土的系統研究還不夠深入。福建龍巖、云南臨滄和江西星子這三個產地的高嶺土儲量多，產量大，所以本文選取這三個產地的高嶺土為研究對象，在前期研究基礎上，進一步對其在不同溫度下的白度及燒結性能進行比較研究，為其應用提供更為詳實和科學的理論依據。

1 實 驗

1.1 原料與試樣制備

本試驗使用的原料分別來自我國三個高嶺土產區：福建龍巖市、云南臨滄市和江西星子縣。其中龍巖高嶺土呈灰白球狀，臨滄高嶺土為白色粉末顆粒，星子高嶺土呈土黃色塊狀。實驗過程如下：將高嶺土原料碾碎后過60目篩，用粉末壓片機壓成直徑為15 mm的圓餅；在馬弗爐內煅燒，煅燒溫度分別為200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃和1400 ℃，每個溫度下保溫1 h，自然冷卻至室溫；得到不同煅燒溫度下的高嶺土樣品，測其白度、燒成收縮率和吸水率。

1.2 檢測方法

采用日本電子公司JSM-6700F型場發射掃描電鏡(FE-SEM)對煅燒高嶺土試樣進行顯微結構分析；WSD-Ⅲ白度儀測試不同溫度下煅燒高嶺土的白度。

2 結果與討論

2.1 煅燒溫度對高嶺土白度的影響

白度是高嶺土一個非常重要的指標，這三種高嶺土在不同的煅燒溫度下的白度對比結果見圖1。

為了便于分析，三種高嶺土的化學組成見表1[11]。

由圖1可知，臨滄高嶺土自然白度最高為76.3，其次是龍巖高嶺土自然白度為71.6，星子高嶺土自然白度較低，為47.1。隨著煅燒溫度的提高，三種高嶺土的白度均呈現先降低后升高再又降低的趨勢。在200 ℃～600 ℃范圍內，高嶺土白度均隨煅燒溫度的升高緩慢降低，600 ℃時白度最低，此時龍巖、臨滄和星子三種高嶺土的白度分別為64.3，67.8和31.5。600 ℃后三種高嶺土的白度又隨著煅燒溫度的升高急劇增大，龍巖高嶺土1100 ℃時達到最大，為87.1；臨滄高嶺土1200 ℃時達到最大，為85.4；星子高嶺土1300 ℃時達到最大，為66.4。繼續升高溫度到1400 ℃，三種高嶺土的白度又有所降低，其中龍巖高嶺土和臨滄高嶺土白度降低比較緩慢，而星子高嶺土白度則迅速下降。

分析表明，在煅燒溫度低于600 ℃時，白度隨溫度升高緩慢下降的主要原因是由高嶺土中含有的有機物碳化造成的。600 ℃后白度值迅速升高，這是因為一方面煅燒溫度繼續升高，由有機物碳化產生的碳素開始氧化使白度不斷提高；另一方面由于溫度升高，坯體逐漸致密化，造成對光的反射能力增強，坯體的白度值明顯增加。再繼續升高溫度到1400 ℃，白度下降的原因是一方面高溫下由于著色氧化物的存在，有顏色更深的化合物（如黑色的鐵鈦尖晶石）生成[12]，另一方面高溫下試樣中液相量劇增，高嶺土中的著色氧化物Fe2O3和TiO2熔入液相中使其著色，故而白度下降。

從圖1還可以看出，在任一煅燒溫度下，龍巖高嶺土和臨滄高嶺土的白度明顯高于星子高嶺土。這是因為星子高嶺土中的Fe2O3和TiO2含量均遠遠高于前兩者。星子高嶺土中的Fe2O3達到了1.79%，高含量的Fe2O3是導致其白度低以及其在1400 ℃下白度降低明顯的最本質原因。相比之下，龍巖高嶺土和臨滄高嶺土中的Fe2O3和TiO2含量不高，均小于0.5%，所以兩者整體白度值較高，且在1400 ℃下白度降低比較緩慢，這也充分說明了1400 ℃下高嶺土白度降低的原因是著色氧化物在高溫下生成了顏色更深的化合物或熔入液相中使其著色。對比龍巖高嶺土和臨滄高嶺土，在小于1000 ℃時，臨滄高嶺土白度稍高于龍巖高嶺土，因為此時高嶺土還遠遠沒有燒結，高嶺土更多呈現的是自然白度，臨滄高嶺土的自然白度更高。而大于1000 ℃時，兩者白度比較接近，這是因為兩者的Fe2O3和TiO2含量比較接近。在1100 ℃時龍巖高嶺土白度稍高一些，達到87.1%。這可能是因為龍巖高嶺土中Fe2O3含量比臨滄高嶺土低一些，高溫下生成鐵著色化合物更少一些。此外，龍巖高嶺土達到白度最高值的溫度最低，為1100 ℃，這是因為龍巖高嶺土中含有較高的K2O、耐火度最低。臨滄高嶺土居中，1200 ℃時白度達到最高值，星子高嶺土則到了1300 ℃白度才達到最高值。

圖1 不同溫度下各高嶺土的白度值Fig.1 Whiteness of different kaolins calcined at different temperatures

2.2 煅燒溫度對高嶺土燒結性能的影響

三種高嶺土的燒成收縮率和吸水率隨煅燒溫度的變化曲線分別如圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，當煅燒溫度低于1100 ℃，隨著溫度的升高，三種高嶺土的燒成收縮率均緩慢增加，吸水率也緩慢降低。說明高嶺土在緩慢收縮，并逐漸致密化。當煅燒溫度高于1100 ℃，隨著溫度的升高，高嶺土的燒成收縮率均急劇增加，同時吸水率也迅速降低。這說明從1100 ℃開始，高嶺土收縮加劇，致密化速率加快。

從圖2還可以看出，當煅燒溫度低于1200 ℃時，臨滄高嶺土的燒成收縮率最大，龍巖高嶺土次之，星子高嶺土的燒成收縮率最小。這主要是因為臨滄高嶺土的燒失量最大，為16.14%，明顯高于龍巖高嶺土的11.15%和星子高嶺土的12.70%，燒失越大，收縮越大。星子高嶺土的燒失量雖然比龍巖高嶺土稍大，但是其燒成收縮卻最小，這主要是因為龍巖高嶺土中含有較高的K2O，促進燒結，燒結程度始終比同溫度下的星子高嶺土好，所以燒成收縮率大于星子高嶺土。另一方面，可能是由于星子高嶺土結晶程度好、顆粒比較粗所致。星子高嶺土由于其燒成收縮小，作為陶瓷原料，有利于減小成瓷變形。當煅燒溫度為1300 ℃時，龍巖高嶺土的燒成收縮率反而大于臨滄高嶺土，這主要是因為龍巖高嶺土中高含量的K2O促進燒結，使其燒結程度高，收縮急劇增大，甚至超過了同溫度的臨滄高嶺土，而臨滄高嶺土中由于含有較高的Al2O3，1300 ℃下遠遠沒有燒結，收縮反而不如龍巖高嶺土大。再升高溫度到1400 ℃，龍巖高嶺土已經燒結，所以收縮率增加不大，此時反而低于臨滄高嶺土。

由圖3可知，當燒成溫度低于1100 ℃，三種高嶺土的吸水率相差不大，在17%左右，均遠遠沒有燒結。1100 ℃以后，三種高嶺土吸水率迅速降低，其中以龍巖高嶺土的吸水率降低最為明顯，臨滄高嶺土居中，星子高嶺土的吸水率一直保持最大。這是因為龍巖高嶺土中的堿金屬含量較高，達2.59%，1100 ℃后堿金屬的助熔作用明顯。1400 ℃時，龍巖、臨滄和星子高嶺土的吸水率分別為0.29%，1.87%和2.91%。這說明龍巖高嶺土的耐火度最低，1400 ℃已經燒結成瓷，所以龍巖高嶺土達到白度最大值的溫度最低為1100 ℃。而臨滄高嶺土和星子高嶺土1400 ℃下均未完全燒結，具有很高的耐火度。從化學組成上看，臨滄高嶺土的Al2O3含量最高，其應具有較高的耐火度。但是其吸水率卻比同溫度下的星子高嶺土小，燒結程度比星子高嶺土好，這可能是由于臨滄高嶺土的顆粒更細小，促進燒結，而星子高嶺土顆粒較大，不利于其燒結，所以吸水率更大。因此星子高嶺土的耐火度最高，所以它達到白度最大值的溫度最高為1300 ℃。

表1 不同產地高嶺土原料的化學組成（wt.%）Tab.1 Chemical compostions of kaolins from different regions

圖2 不同溫度下各高嶺土的燒成收縮率Fig.2 Firing shrinkage of different kaolins calcined at different temperatures

圖3 不同溫度下各高嶺土的吸水率Fig.3 Water absorption of different kaolins calcined at different temperatures

2.3 煅燒高嶺土的顯微結構分析

為了更好地分析三種高嶺土的燒結性能，分別將龍巖、臨滄和星子高嶺土1400 ℃煅燒后的樣品進行掃描電鏡觀察，見圖4。

圖4 不同高嶺土1400 ℃煅燒后樣品的SEM照片Fig.4 SEM images of kaolin minerals calcined at 1400 ℃

由圖4可以看出，1400 ℃煅燒后，龍巖高嶺土燒結程度最好，樣品比較致密，但仍存在少量大的氣孔，這主要是由于液相多，氣孔被包裹在里面，形成閉口氣孔，所以龍巖高嶺土的吸水率仍然很小，已經燒結。經1400 ℃煅燒的臨滄高嶺土與之相反，致密度不如龍巖高嶺土，由于樣品中液相少，大的氣孔少，但是樣品中存在大量微小的氣孔，導致燒結程度不如龍巖高嶺土。而星子高嶺土經1400 ℃煅燒后，致密度很差，存在的氣孔大且數量多，所以樣品的燒結程度最差，這和吸水率的結果相一致。

3 結 論

(1)隨著煅燒溫度的升高，高嶺土的白度均呈現先降低后升高再又降低的趨勢，600 ℃時白度最低，龍巖、臨滄和星子高嶺土分別在1100 ℃、1200 ℃和1300 ℃白度達到最大值。

(2)龍巖高嶺土耐火度較低，臨滄高嶺土和星子高嶺土具有較高的耐火度；臨滄高嶺土燒成收縮率最大，星子高嶺土燒成收縮率最小。

(3)龍巖高嶺土具有較高的白度和較好的成瓷性能，可用于生產高檔日用瓷；臨滄高嶺土具有高的耐火度和較好的白度，亦可用作高檔日用瓷的原料，但燒成收縮較大，使用時應結合實際情況選擇合適的加入量；星子高嶺土雖然具有較高的耐火度和小的燒成收縮，但其白度較低，可應用于對白度要求不高的陶瓷生產。

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Sintering Properties of Several Common Kaolins

MIAO Lifeng, BAO Zhenhong, JIANG Weihui
(The National Engineering Research Center for Domestic and Building Ceramics, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China )

The infuences of the calcining temperature on the whiteness and sintering properties were studied using Longyan, Lincang and Xingzi kaolins as materials. The results show that the whiteness of the three kaolins decreased slightly when calcined at 200～600 °C; when calcined at 600～1400°C, their whiteness increased to the highest value (the optimal calcining temperatures for Longyan, Lincang and Xingzi kaolins were respectively 1100 ℃, 1200 ℃ and 1300 ℃) and then decreased. The whiteness of Xingzi kaolin was much lower than those of Longyan and Lincang due to its high content of Fe2O3and its whiteness reduced obviously due to the formation of more iron colored compounds. Longyan kaolin had the lowest refractoriness due to its high content of K2O, which led to the lowest temperature for reaching the maximum whiteness, and its water absorption was only 0.29% when calcined at 1400 ℃. Up until 1200 ℃, Lincang kaolin had the maximum fring shrinkage due to its high loss on ignition. At 1300 ℃, the fring shrinkage of Longyan kaolin, with its good sintering degree, was bigger than that of Lincang kaolin. Xingzi kaolin had the least fring shrinkage due to its highest refractoriness and coarse particles.

kaolin; whiteness; sintering property

TQ174.4

A

1000-2278(2014)02-0188-05

2014-01-20

2014-02-28

江偉輝(1965-)，男，博士，教授。

Received date: 2014 -01-20. Revised date: 2014-02-28

Correspondent author:JIANG Weihui (1965-), male, Ph. D., Professor.

E-mail:jwhjiang@163.com