不同類型電瓷棕釉著色劑研究

史曉琪　馬志成

摘 要：通過在棕釉中添加鉻鐵礦與氧化物、合成色料和全氧化物三種不同著色類型的著色劑，對電瓷棕釉的著色機理及穩定性進行了初步探討。

關鍵詞：電瓷;棕釉;鉻鐵礦;合成色劑

1 引 言

電瓷產品由于電性能等方面的限制，成瓷溫度較高，燒成時間較長，因此用于電瓷棕釉，對其高溫穩定性、呈色均勻性的要求較嚴格。近年來，電瓷行業的各個廠家不僅在產品性能上不斷改進，而且也愈來愈重視產品的外觀，也進行了許多有意義的研究，取得了不同的效果。筆者在研制棕紅釉時對棕釉的著色類型進行了較為全面的研究。

本文主要在以下幾個方面進行了探討：（1）通過對不同方案、思路的多次試驗，探討著色劑種類對釉色影響。（2）分析討論呈色機理。

2 所用著色原料及化學成份（見表1）

3 試驗及結果

目前電瓷棕釉著色的類型主要有鉻鐵礦加氧化物著色、合成色料著色和全氧化物著色三種。筆者對之分別進行了試驗研究。

3.1 鉻鐵礦加氧化物著色類型的試驗

在基釉基本不變的前題下，筆者對此種類型的著色進行了研究，結果如表2。

3.2 合成色料著色的試驗

在試驗研究中，進行了十余個合成色料的配方試驗。將氧化鐵、氧化鉻和氧化錳等著色氧化物與一定量的載色體、礦化劑按以下工藝加工：

分別在不同溫度（1000℃、1100℃、1200℃、1250℃）、不同氣氛（氧化、還原）下煅燒，按生產上的燒成制度燒成時，釉色受氣氛及溫度的影響也存在一定的差別，但比鉻鐵礦加氧化物型和全氧化物類型著色的穩定性都好。

3.3全氧化物著色的試驗

對氧化鐵、氧化鉻和氧化錳等著色劑在較大范圍內用三角配料的方法進行著色劑配比的調整試驗，共進行了四十余個配方的試驗工作，分別在不同窯爐、不同氣氛下搭燒。基本的著色范圍為圖2所示。

通過這些配方試驗發現，在基釉不變的情況下，色素配比中氧化鐵含量增高，釉色向黑色方向變化，氧化鉻含量增高，釉色向黃色方向發展，而氧化錳含量增高，釉色呈現出棕紅色。

4 分析與討論

（1）對于鉻鐵礦加氧化物的著色類型，最大的優點是對燒成的敏感性較小，燒成制度發生稍許變化時釉色差別不大。這主要是因為鉻鐵礦是天然的Cr尖晶石，具有四面體和八面體結合的等軸晶系RO·R2O3型復合物，RO主要為FeO、MgO;R2O3主要是Cr2O3、Al2O3、Fe2O3。其中還混入微量TiO2、MnO等雜質。氧離子呈面心立方體最緊密堆積，分子處于穩定結構狀態。因此，它是一種較難熔的礦物質，在燒成過程中受氣氛和溫度等的影響較小。在研究過程中發現，鉻鐵礦在色素總量中所占的比例從5.7%～53.8%變化時，棕釉的顏色從棕褐色向棕黑色變化，總體釉色沒有出現大的差別。但是，不會出現目前電瓷行業所流行的棕紅色釉色。要得到棕紅釉色，必須要在配方中取掉鉻鐵礦。這種著色類型的另一個優點是工藝簡單，可直接用于生產。

（2）對于全氧化物著色類型，存在兩個較為明顯的缺點：1）氧化物在釉漿中不易懸浮，而懸浮不好將會產生色圈、色差。2）由于氧化物沒有提前經過煅燒，則在高溫下不穩定，易分解，進而在釉料燒成中排出大量氣體使釉面產生針孔。其優點是工藝簡單，不需要加工便可用于生產，電瓷行業中大多都采用這種棕釉著色方式。

由于發色元素Fe、Mn、Cr都是過渡元素，其化合價是可變的，因而呈色是不穩定的。在燒成過程中，將發生下列可逆變化：

2Fe2O3 ? ? ? ?4FeO+O2↑

4MnO2 ? ? ? ?2Mn2O3+O2 ↑ ? ? ? 4MnO+2O2↑

Fe2O3+3C ? ? ? ?2Fe+3CO↑

反應進行的程度取決于高溫下的窯內氣氛。由于電瓷的燒成在高溫階段都處于強還原、弱還原氣氛下，氧化鐵、氧化錳、氧化鉻以低價狀態存在，此時釉呈現淺棕黃色或棕綠色，這是由于Fe2+呈青色，Mn2+呈桔紅色，Cr3+呈綠色，三者共存下呈現的綜合顏色。棕釉的正常棕色是在冷卻時氧化氣氛下形成的，此時表面的Fe2+、Mn2+呈被氧化為Fe3+、Mn3+或Mn4+， Fe3+呈黃色或紅色，Mn3+呈紫色，Mn4+呈褐色，因此棕釉的顏色是由表里兩層綜合呈色的結果，最終色調取決于氧化鐵、氧化錳的低價狀態和高價狀態的比例。因此，不同的氣氛和不同的冷卻速度都會對釉料中氧化物的最終呈色產生影響。

所以，對于全氧化物類型的著色，燒成過程中要求氣氛、冷卻速度要適中，否則釉面會出現各種缺陷。

（3）在對全氧化物著色類型的研究過程中發現，在基釉不變的情況下，色素配比中氧化鐵含量增高，釉色向黑色方向發展，氧化鉻含量增高，釉色向黃色發展，氧化錳含量增高，釉色呈現出棕紅色。

（4）合成色料著色，其優點是可以使色料和基礎釉充分混合，不易產生分層現象，也不會出現色差等現象，這種色料的晶相以尖晶石為最佳，因為尖晶石在高溫下穩定，氣氛敏感性小。

尖晶石的合成反應屬于固相反應中的加成反應類型，其一般形式為：A+B=C。當化合物不溶于任一相時，則在A、B兩層間就形成產物層C。當C與A或B之間形成部分或完全固溶體時，則在初始反應物中生成一個或兩個新相。當A與B形成成分連續變化的產物時，則在反應物間可能形成幾個新相。瓦格納指出，在固相反應中，尖晶石的形成是由兩種正離子逆向經過兩種氧化物界面擴散（互擴散）所決定的，而氧離子則是不參與擴散遷移的。

從熱力學角度分析，把各種過渡金屬離子的氧化物煅燒后合成尖晶石混晶后，色料的結構致密化，使各著色離子處于能量較低且穩定的四面體和八面體配位場晶格中，與氧的作用鍵比在單純氧化物中的強，使著色離子不易遷移，其擴散系數和反應活性減弱，從而使色料的呈色穩定性提高，所以色料的呈色穩定性取決于各著色離子在尖晶石晶體中的穩定性。因此，色料應首先充分煅燒，這有利于提高其在坯體中呈色的穩定。

但是，通過對目前市場銷售的全國各地生產的許多棕紅色色料進行實驗，沒有發現適合燒成周期長、燒成溫度高、還原氣氛燒成和釉面顏色為棕紅色的色料。而根據一個規模較大的工廠一年棕釉的用量約為100噸左右，色素用量大約為10噸。為這么小的色素用量而單獨建一條色料生產線，成本太高，這也是目前電瓷廠家多采用全氧化物著色或鉻鐵礦加氧化物著色的主要原因。但電瓷釉總的發展方向是采用合成色料。

（5）制造色料所用的原料通常為工業純或化學純的化工原料，要嚴格控制它們的化學組成、顆粒組成和礦物組成。按其作用可分為著色劑、載色母體和礦化劑三大類。著色劑常用的是各種著色氧化物或相應的氫氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽等，細度一般在200～400目之間。載色母體通常用無色氧化物、鹽類、較純的天然礦物或固熔體，如SiO2、Al2O3、ZrO2、SnO2、Al（OH）3等，細度也為200～400目間。礦化劑主要有堿性氧化物、堿鹽、硼鹽和氟化物等。根據色料種類和制造方法不同選用不同的礦化劑，如硼砂、螢石、氟化鈉和氯化銨等。色料合成時一般只采用在氧化氣氛下一次煅燒的辦法。

對于色料最基本的要求之一是顏色的均勻性。為了得到均勻的顏色，有時還需要考慮坯體表面顏色的不均勻性，同時為減少色料在釉中的溶解，需要采用乳濁釉，通常是采用以硅酸鋯作為乳濁劑的鋯乳濁釉。合成色料時用ZnO的量較大，這主要有利于釉的光澤和乳濁效果。

（6）色料呈色穩定性主要取決于色料的種類、呈色的溫度范圍、燒成氣氛及與之相適應的坯料和基礎釉的配方。在燒成中，基礎釉與色料之間的相互作用會使呈色發生很大變化。合成色料的溫度越高，對氣氛的敏感程度越小。一般地，合成色料時的氣氛對色料的穩定影響不大，特殊的色料可采用二次或多次的煅燒或用還原氣氛。合成色料的粒度應控制的比較合理。

5 結 論

三種著色類型各自都有各自的優缺點，合成色料的呈色穩定性最好，全氧化物類型的穩定性較差，鉻鐵礦加氧化物類型介于二者之間。但從便于生產的角度而言，后兩者優于合成色料。電瓷釉色總的發展方向是合成色料著色。

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Study on Colouring Agents of Different Types of Electric Porcelain Brown Glaze

SHI Xiao-qi ，MA Zhi-cheng

（xi 'an xidian high-voltage electric porcelain co.， LTD.， 710077）

Abstract： The coloring mechanism and stability of electric porcelain brown glaze were preliminarily discussed by adding chromite oxide， synthetic pigment and total oxide in brown glaze.

Keywords： porcelain; brown glaze; chromite;Synthetic reagent