還原焰燒成日用鋰質低膨脹陶瓷性能的研究

譚訓彥，胡 浪，李秋妍，何 杰，張利劍，黃良平

(景德鎮陶瓷大學，江西 景德鎮 333403)

0 引 言

自從1980年景德鎮陶瓷大學開始研究低膨脹陶瓷材料以來[1-6]，特別是將日用鋰質瓷技術轉讓和產業化以后，經過30多年的發展，國內日用鋰質瓷的產品品質已經非常穩定，獲得了市場的歡迎和好評，位于江西省黎川縣的世界上最大的日用鋰質瓷生產企業年產值已經達到3億多元人民幣。

隨著人們生活水平的提高，喜歡喝茶、喝咖啡的人越來越多。但是，泡茶、泡咖啡需要的熱水大都是用不銹鋼水壺煮開的，而不銹鋼中含有重金屬鉻，人們擔心長期使用后將有鉻溶出進入開水中，對人體健康不利。而鋰質瓷的化學性質很穩定，它們耐熱、熱酸堿、硬度高、不含重金屬，而且抗熱震性非常好，可以直接在熱源上加熱而不易破裂，因此，用全陶瓷水壺煮開水成為人們追求健康的新時尚。

然而，目前的鋰質瓷基本上是在1250 ℃左右的氧化氣氛下燒制而成的，不適合景德鎮等陶瓷產地的還原焰燒成條件，無法滿足很多陶瓷茶具制造企業的要求。他們希望能夠與正常的茶具產品在同一窯里燒成鋰質瓷，減少生產中的很多麻煩。但是，據文獻[7-8]所述，鋰質瓷適合在氧化氣氛下燒成, 在還原氣氛中制品易發紅、發灰, 釉面晶體發育不佳；采用氧化氣氛燒成，達到最高溫度后要急冷，防止晶粒過于長大。

因此，本文旨在研究高溫還原焰條件下燒成日用鋰質陶瓷的性能，希望解決還原氣氛中燒成時的問題。

1 實 驗

1.1 原料

實驗采用的原料主要有澳洲鋰輝石、高嶺土、膨潤土，為了降低配方成本，引入了滑石或合成堇青石。為了提高可塑性和生坯結合強度，考慮加入少量有機增塑劑羧甲基纖維素(CMC)或聚丙烯酸鈉(PAA)。坯料配方如表1所示。

原料的化學組成如表2所示。

堇青石按理論化學成分進行計算。

1.2 試驗工藝流程

試驗工藝流程如圖1所示。

工藝參數：

(1)球磨：料 : 球 : 水 = 1 : 2 : 0.6，行星磨轉速為400 rpm，球磨時間為30-120 min。

(2)泥漿性能：流速控制在20-30 s，觸變性為1.5-2.5左右。

(3)燒成：還原氣氛，1290-1310 ℃，燒成曲線如圖2所示。

1.3 測試

采用涂-4杯測試泥漿的流動性和觸變性。

采用阿基米德法測量燒成試樣的吸水率和體積密度。

采用PCY型高溫臥式膨脹儀測試燒成試樣的線膨脹系數。

采用三點彎曲法測試燒成試樣的抗折強度。

采用北京康光儀器有限公司生產的WSD-3A型全自動白度儀測試燒成試樣的白度。

圖2 燒成曲線Fig.2 The firing curve

表1 坯料配方Tab.1 The formula for the porcelain body

表2 原料的化學組成 (wt.%)Tab.2 The chemical composition of the raw materials (wt.%)

圖1 試驗工藝流程圖Fig.1 The flowchart of the process

采用XRD測試瓷體的晶相組成，并用Jade軟件進行分析。采用SEM觀察瓷體的顯微結構。

采用在燃氣爐上直接加熱水壺的方法測試耐急冷急熱性能：在燒成好的水壺中加入半壺常溫水，放在燃氣爐上用最大火煮沸，然后迅速倒掉沸水，立即加入常溫水，反復10次不裂，即認為合格。

2 結果分析與討論

2.1 增塑劑對泥漿的流動性和觸變性的影響

由于鋰質瓷中使用的鋰輝石用量一般在35%以上，使得泥料的可塑性較低，生坯的干燥強度也低，因此需要使用增塑劑。試驗使用的有機增塑劑為CMC和PAA，無機增塑劑為膨潤土。

CMC的加入量為坯料質量的0.2%-0.5%。實驗結果表明，隨著CMC的加入量增加，泥漿的流動性快速降低，以致泥漿不能從涂-4杯中流盡，測不出流動性。同時，發現CMC對提高生坯干燥強度的作用比較小。因此，最終坯料中沒有加入CMC。

PAA的加入量為0.25%-3%，其分子量約為20000，有一定的稀釋作用。結果表明，當加入量為0.25%時，泥漿流速為22 s，觸變性為1.86，但其吸漿速度過快，不能滿足注漿要求；當PAA加入量達到0.8%時，泥漿流速為17 s，觸變性降至1.47，泥漿吸漿速度較合適，但隨著PAA加入量增大，坯體干燥強度反而降低了。因此，最終坯料中沒有加入PAA。

膨潤土的加入量為3%-15%。隨著膨潤土加入量的增大，泥漿的流動性快速降低，直至無法流動。為了提高流動性，加入了稀釋效果很好的仙水作為稀釋劑。在膨潤土用量為15%的泥漿中，當稀釋劑的加入量為1%時，泥漿的流速為25 s，觸變性為2.5，生坯的干燥強度較高，但吸漿時間太短，只有2 min左右，所以還需要進一步調整其吸漿速度。

2.2 球磨時間對吸漿速度的影響

將膨潤土用量為15%的坯料分別球磨30 min、45 min、60 min、75 min、90 min和120 min，并用水調整泥漿的流速，控制在26 ± 4 s，得到各泥漿的流動性、觸變性及吸漿速度，如表3所示。

由表3可見，隨著球磨時間增加，泥漿的吸漿時間也逐步增加，從2.2 min增加到10.7 min，使得編號6的泥漿基本上可以滿足正常的注漿成型操作要求。這是由于球磨時間越長，泥漿中的顆粒越小，在石膏模型內壁上形成的泥層中顆粒堆積越緊密，空隙越小；泥層越緊密，繼續形成泥層時泥漿中的水分要通過已形成的泥層進入石膏模毛細孔的阻力增大，使得吸漿速度降低，吸漿時間延長。同時，由于泥層越緊密，干燥后的生坯強度也更高，有利于后續的修坯和施釉操作。

2.3 試樣的性能

將上述6號泥漿注漿成型得到的生坯干燥后，破碎、造粒、干壓成型制成條狀和圓片狀試樣，在還原氣氛梭式窯中燒成，測定試樣的吸水率、體積密度、熱膨脹系數、抗折強度和白度，結果如表4所示。從表4數據可知，這些性能均符合要求。將注漿成型得到的多個茶壺燒成后做耐急冷急熱性測試，也都達到了合格要求。沒有發現瓷體發紅、發灰的現象。

表3 泥漿的觸變性和吸漿速度與球磨時間的關系Tab.3 The relation of thixotropy and forming rate of the slurry with milling time

表4 燒成試樣的性能Tab.4 The properties of the sintered sample

圖3 燒成試樣的XRD圖譜Fig.3 The XRD pattern of the sintered sample

圖4 燒成試樣的SEM分析Fig.4 The SEM images of the sintered sample:a) ×100, b) ×500, c) ×3000, d) ×10000

2.4 燒成試樣的晶相組成與顯微結構分析

圖3是燒成試樣的XRD圖譜。由圖3可見，瓷體中的主晶相為綠柱石(Virgilite)，次晶相為堇青石(Cordierite)，還有少量莫來石(Mullite)。但綠柱石其實應該是鋰輝石固溶體。因為坯料中有35%以上的鋰輝石，而鋰輝石容易與SiO2形成鋰輝石固溶體，導致晶胞參數變大，可能類似于綠柱石的晶胞參數，因此被Jade軟件認為是綠柱石。由于坯料中加入了少量滑石或堇青石，所以次晶相為堇青石。

圖4是燒成試樣的SEM照片。由圖4可見，瓷體中含有10-30 m的氣孔，分布均勻，有利于提高耐急冷急熱性能。還有大量尺寸細小的針狀晶體，長約3-6 m，直徑約0.5 m，相互交織，有利于提高坯體的結合強度，從而提高瓷坯的耐急冷急熱性能。

3 結 論

(1)采用還原焰燒成的日用鋰質瓷，性能完全可以達到使用要求。

(2)在還原氣氛中燒成日用鋰質瓷，沒有出現發紅、發灰的現象。

(3)XRD分析表明，還原焰燒成的日用鋰質瓷中主晶相為鋰輝石固溶體。SEM觀察顯示，瓷體中均勻分布著10-30 m的氣孔，還有大量尺寸細小的相互交織的針狀晶體，二者都有利于提高瓷坯的耐急冷急熱性能。