陶瓷原材料主要性能及主要质量的要求

王银川

（一）陶瓷的主要构成原料、作用及化学成份

1、陶瓷：是由天然矿物如：粘土、瘠性原料（如：石英）、溶剂原料（如：长石），以及少量的化工料按适当的比例，经粉碎、成型、并在高温烧成的情况下，经一系列的物理化学反应，所形成的坚硬制品。

2、陶瓷主要原料的作用：粘土作为可塑原料，起粘结成型作用；石英作为瘠性原料，起骨架的作用；长石作为熔剂原料，起助熔作用。

3、陶瓷产品的化学成份：氧化钾（K2O）、氧化钠(Na2O)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(AL2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钛等(Ti2O)。跟地球的表层结构成分相似。地壳的8大主要成份：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg8种元素占地壳总量的97.7%。

4、陶瓷配方的主要组成成份比例： Al2O3：17-21 SiO2：69-70 Fe2O3≤0.5 CaO＜0.7 MgO＜0.7 K2O：2.5-3.1 Na2O：2.5-3.1 酌减＜3%

（二）石英

配方中可加单独的石英，也可不加，因为其它原料中含大量的石英成份（SiO2），现配方中未单独加入石英。

1、石英的作用：二氧化硅是陶瓷坯釉中的主要化学成份之一，石英是一中瘠性物料（类似河沙）。作用：（1）在坯体中降低干燥收缩。（2）一部分石英溶解在长石玻璃中，而未熔的残留石英颗粒，则构成瓷坯骨架，防止软化变形。（3）石英在高温下的晶型转化产生膨胀可以部分的抵消坯体收缩产生的负面影响。（4）在釉料中为生成玻璃的主要成份。

2、石英的主要类型

（1）天然纯石英，最纯的是水晶。

（2）脉石英：属硅质熔岩，纯度高SiO2含量一般98%以上，Fe2O3、CaO含量少；

石英岩：硅质砂岩经变质作用，石英晶体长大再结晶而成。纯度一般在97%以上。这两种都是陶瓷工业常用的石英原料。

（3）砂岩：由细胶二氧化硅胶结砂粒组成的硅质岩石，含量一般在90-95%

石英砂是风化后呈颗粒状的石英，杂质多这两种一般不常用。

（4）燧石：呈结核状或瘤状的沉积岩。即球磨中用的鹅卵石，杂质主要是碳酸钙。

（5）硅藻土：是由微小的硅藻遗骸沉积所形成的，是一种含水的非晶质二氧化硅。SiO2含量在70%以上，只能用于制造多空陶瓷隔热材料。

3、石英的性质

（1）成份：主要为SiO2，只含极少量的杂质如：Fe2O3、CaO 、MgO、 Al2O3等。

（2）外观：呈乳白色、白色、灰色、半透明、断面玻璃光泽或脂肪光泽，莫氏硬度7。

（3）多种结晶形态和玻璃态，加热过程中的多晶转化特性。573℃时，在转化过程中有0.82%的体积变形，属高低温型快速转化，虽转化体积变化小，但速度快，升温或冷却控制不当，将导致产品开裂，所以要引起高度重视。

4、石英的检测项目

水份含量、外观粒度、色泽、纯净度、烧后色泽（散烧）、化学成份分析

（三）长石

长石是一种溶剂原料，主要引入碱金属氧化物，如：K2O 、Na2O

1、长石的作用：

（1）有助于降低烧成温度和加快成瓷反应的进行，使坯体逐于致密。因坯体中石英、粘土都有很高的熔点，而长石在1100-1200℃熔融形成长石熔体。在高温下能溶解部分高岭石分解物和石英颗粒，加快成瓷。

（2）有助于莫来石晶体的发育和改善瓷坯的机械性能（抗折度）。

（3）高温下长石具有一定的粘度（特别是钾长石）能防止高温变形。

（4）熔体冷却后形成的玻璃相能提高制品的透光性。

（5）在坯料中也是一种瘠化剂，可降低坯体干燥变形和缩短干燥时间。

2、长石的主要类型：

（1）长石主要由O、Si、Al、Ca、Na、K等6种元素构成的造岩矿物。

（2）长石为架状硅酸盐结构。按其结构可分为正长石和斜长石系两大类，主要代表矿物有：

正长石系：钾长石：K2O·Al2O3·6SiO2 钡长石：BaO·Al2O3·2SiO2

斜长石系：钠长石：Na2O·Al2O3·6SiO2 钙长石：CaO·Al2O3·2SiO2

另有一种：钾钠长石：（KNaO）·Al2O3·2SiO2 （K＞Na）

3、长石的性质

（1）成份：长石的主要化学成分是：SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO，杂质含量少，其中以Fe2O3最为有害。

（2）熔融性：作为溶剂，熔融特性最为重要。

理论上：钾长石的熔融温度为1190℃、钠长石为1100℃，因含有CaO、MgO、Fe2O3和少量石英、云母等杂质，所以长石能在一定温度下软化，变成长石b玻璃。

a、钾长石在1150℃左右开始熔融，生产白榴子石（K2O·Al2O3·4SiO2）和硅酸玻璃，1530℃全部变成液相。可见熔融范围宽。

b. 1100-1200℃，比钾长石窄很多。

c. 钙长石在1550℃熔融范围窄，一般由于釉、玻璃。

d. 钡长石在1715℃熔融建筑陶瓷不采用，钡长石一般用于玻璃，特种陶瓷。

（3）长石熔体的粘度随温度的变化性：

a. 高温下钾长石融化慢，粘度较大。随着温度提高，粘度变化缓慢。

b. 钠长石熔融物融化快，粘度小，随着温度提高粘度降低很快，同时钠长石熔体对粘土和石英颗粒的溶解作用比钾长石要大。

4、长石的检测项目

a. 外观色泽、破碎粒度、水份含量。

b. 解胶性能、烧后白度、透度、烧成收缩、烧失量、烧后表面性状。

c. 化学成份全分析。

（四）粘土

粘土是一种含水铝硅酸盐矿物，是地壳中最广的成份之一，粘土已在陶瓷，造纸、橡胶工业中广泛应用。

1、粘土的作用

（1）有利于坯体成形：陶瓷坯料一般采用粘土、石英和长石等基本原料配制而成。其中石英、长石均是瘠性原料，本身缺乏可塑性，更无结合能力，因此必须依靠粘土原料特有的可塑性能、结合性能以及泥浆的悬浮稳定性能获取所需的成形性能，以便使陶瓷坯体得以成形。

（2）使半成品具有一定干燥强度：成型后的半成品经干燥后，由于粘土原料的结合，使半成品具有一定的干燥强度，从而保证坯体在修粘、施釉、搬运及装钵各道工序中不致引起破损。

（3）构成瓷坯骨架：在烧成过程中，粘土经过一系列物理化学反应将转化为莫来石晶相而成为瓷坯的主要骨架。莫来石晶体的骨架作用，不仅有效地增加了制品抵抗烧成变形能力，拓宽烧成范围，而且使烧成后的制品具有较高的机械强度与良好的热稳定性及化学稳定性。

2、粘土的性质及工艺性能

（1）粘土具有3种性质、即可塑性、灼烧后的固结性及微细的颗粒。

粘土是各种颗粒微细的矿物组成的混合体，它在与水调和后，可塑成各种形状，干燥后保持塑成的形状，经煅烧至适当的温度仍不失厚状，且变得岩石般坚硬。

（2）粘土的工艺性能：可塑性、结合性、收缩性、烧结性、耐火度、烧后色泽。

原料的关键性能、检测方法与标准化

胡俊

【阅读提示】原料是基础，成型是条件，烧成是关键。原料的合理选择和科学分析对企业的生产来说至关重要。本文将介绍陶瓷原料的关键性能和检测方法，以及对陶瓷原料标准化的一些思考。

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一、关键性能

一般建筑卫生陶瓷生产企业对原料使用和验收指标包括：①外观质量分析，包括硬度、脆性、光泽、触摸手感等;②化学性能分析，包括化学成分(SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O、CaO、MgO)、烧失量、矿物组成、pH值等;③物理性能分析，包括白度、粒度、热学性能、可塑性、结合性、干燥抗折强度、粘度、线收缩率等。

二、检测方法

1、 外观质量分析

通过外观质量分析产状、手锤敲击、小刀划痕、煅烧前后的颜色、光泽对比、触摸手感、使用简易试剂等方法，可初步判断原料的化学成分、矿物类型、工艺性能等信息。例如：通过粘土的触摸手感，可判别含砂量、可塑性、结合性、烧失量等性能。

2、化学性能分析

可通过传统的化学分析法、分光光度计法、X射线荧光光谱分析法(压片法和熔片法)分析化学成分，大致判断原料煅烧后的颜色、耐火度、烧成温度范围、矿物类型、原料纯度、收缩率、缺陷等信息。

矿物组成的分析方法有外观目测法、染色法、偏光显微镜法、电子显微镜法、X射线衍射分析法、红外吸收光谱法、热分析法等。

液态原料可用pH计直接检测，粉末状原料可以与蒸馏水搅拌，取上层清液检测。

3、物理性能分析

白度主要是通过原料外观和煅烧后的白度来评价。

粒度测定内容主要为粒度大小、粒度形状及粒度分布，测定方法有：显微镜法、筛分法、沉降法、激光粒度法等。

热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性能随温度变化的方法，包括：差热分析法、示差扫描量热法、热重法、热膨胀系数法、高温显微镜法等。可以用来分析原料的种类及含量，研究矿化剂效能，研究固相反应的机理，确定原料熔融和结晶的温度，改进工艺管理，改良配方，克服产品缺陷。

可塑性指数是粘土呈可塑状态时含水率上限和下限之间的范围，可依据GB/T 26742-2011《建筑卫生陶瓷用原料粘土》检测。

结合性指粘土能结合非塑性物料形成良好的可塑泥团，干燥后有一定干燥强度的能力。通常以在粘土中掺入标准石英砂的最高量来表征粘土结合能力的大小。结合性粘土的加砂量>50%，可塑性粘土的加砂量在20%-50%之间，低可塑性粘土的加砂量<20%。

一定的干燥抗折强度能保证生坯在搬运、修坯、上釉、装窑、烧成等工序中不受破损，可依据三点抗弯法用强度试验机进行检测。

粘度表示泥浆流体流动的难易程度，可用涂-4流速杯或旋转粘度计测定。

原料试样干燥前后标线长度的差值与干燥前标线长度的百分比称为干燥线收缩率。已经干燥的原料试样烧成前后标线长度的差值与烧成前标线长度的百分比称为烧成线收缩率。

三、标准化的思考

目前我国建筑卫生陶瓷使用的原料性能波动很大，给工艺控制和质量管理带来了很大的困难。有很多专家认为可以借鉴西班牙、意大利，在不同的产区建立标准化的陶瓷矿物原料厂，给产区集中供应。景德镇在十年前就提出依托景德镇市原料总厂建立标准化的陶瓷泥、釉料生产线。这些方案都没有获得成功，主要原因有三点：1、企业可以通过工艺调节控制原料波动的影响;2、原料标准化集中供应方案的成本远远高于陶瓷企业利用技术员调试配方;3、不同企业有各自的采购策略和合作供应商。

所谓标准化是指：为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动。相对于原料集中供应的狭义标准化，企业可以根据自身情况利用产品标准、检测方法标准等工具进行广义的陶瓷原料标准化。企业完全可以利用标准化的料仓堆料流程进行企业自身原料的标准化处理;利用原料的产品标准、检测标准，对原料进行入厂检验;根据原料的波动，调整配方、试烧配方、确定配方。又比如很多陶瓷厂在十几年前就采用十几种原料球磨制浆、造粒，即使一两种原料出现波动，也难以造成总成分的波动。因此，标准化的目的是提升效率，而非僵化地号召原料标准化供应。

陶瓷原料的物理性能分析

胡俊

1 白度

白度主要是通过原料外观和煅烧后的白度来评价。粘土的白度按GB/T5950 -2008《建筑材料与非金属矿白度测量方法》测定。根据煅烧后的颜色，可以判断原料的利用价值和适用范围。铁杂质、钛杂质以及有机物会影响陶瓷的白度。为了提高抛光砖的白度，通常使用一定量的硅酸锆。硅酸锆在陶瓷烧成过程形成斜锆石等晶相，对入射光波形成散射，从而起到乳浊增白的作用。但是与锆砂共生的独居石矿物中含有放射性核素(232Th、238U、40K等)，如果使用量不当会导致产品的放射性超标。

2 粒度

对于陶瓷原料来说，颗粒度越小，可塑性就越强，干燥收缩越大，干燥强度越大，越易于烧结。对于砂状瘠性物料，颗粒越细小，就越易于粉碎，反之困难。粒度过粗或过细均不利质量稳定，过细不仅会增加原料加工成本，不利提升加工产能和节省能耗，也不利釉料产品配料时的流动性，影响均质，而过粗易导致配料偏差或影响研磨时间和细度，进而影响浆料性能，不利于稳定生产。陶瓷原料的细度对材料的合成速度及反应程度有很大影响，如氧化铝原料、硅酸锆原料、陶瓷色料等。硅酸锆原料的细度会影响其乳浊的程度和加入量。陶瓷色料的细度对其发色能力和加入量也有很大影响。

测定内容主要为粒度大小、形状及粒度分布；测定方法主要有显微镜法、筛分法、沉降法、激光粒度法等，如表5所示。显微镜法是将样品分散在一定的分散液中制取样片，测颗粒影像，将所测颗粒按大小分级统计，可得出以颗粒个数为基准的粒度分布数据。筛分法是让颗粒通过一定尺寸的筛孔。沉降法是按照Stokes定律，根据不同大小的颗粒在流体介质中的沉降速度不同，用沉降天平直接称量不同时间内所沉积的物料量，计算出颗粒级配。激光粒度法是根据光束被粉末颗粒衍射得到的能量分布取决于颗粒尺寸的原理，测定光通过粉体时的能量分布来获得颗粒大小分布。

3热学性能

热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性能随温度变化的方法，包括：差热分析法、示差扫描量热法、热重法、热膨胀系数法、高温显微镜法等，如表6所示。陶瓷原料的热分析可以用来：分析原料的种类及含量，研究矿化剂效能，研究固相反应的机理，确定原料熔融和结晶的温度，改进工艺管理，改良配方，克服产品缺陷。由于该部分篇幅较大，另做分析。

4可塑性

可塑性是指在超过屈服点的外力作用下，泥团发生塑性变形，但并不破裂，除去外力后，仍保持变形后形状的能力。可塑性常用可塑性指数与可塑性指标来表示。陶瓷原料的可塑性与矿物组成、矿物结构、结晶状态、颗粒度、pH值、瘠性、有机物、交换性离子和可溶性盐的含量等因素有关。高岭石颗粒较粗，可塑性差，微晶高岭石颗粒较细，结晶度差，可塑性强。石英、长石等瘠性矿物可降低可塑性。腐殖质胶体颗粒等有机物可增大原料的可塑性。

可塑性指数是粘土呈可塑状态时含水率上限和下限之间的范围，检测方法按GB/T26742-2011《建筑卫生陶瓷用原料粘土》执行。在生产中，可塑性指数大，说明成型水分范围宽，不易受环境湿度及模具的影响，泥团成型性能好；指数小，调成的泥浆触变性强，渗水性强，便于压滤、榨泥。可塑性指标，则是指在工作水分下，粘土（或坯料）最初出现裂纹时，变形应力与变形量的乘积。X=P×△H，其中：X为可塑性指标，P为形变应力，△H为变形量。具有同样的可塑性指标的不同粘土，并不一定表现出相同的性能。旋坯成型用的泥料要求变形值大；挤坯成型用的泥料要求成型应力大而变形值小。在生产劈裂砖时，希望变形应力P值要大一些，而变形量△H要小一些，以防止劈裂砖在成型后因自身的重量而造成变形。

5结合性

结合性指粘土能结合非塑性物料形成良好的可塑泥团，干燥后有一定干燥强度的能力。一般来说粘土物质含量高、粒度细、分散性强，则结合能力强。另外，粘土中高岭土的晶体结构、矿物成分、电解质的参与及其他一些因素，也有一定的影响。陶瓷生产中，结合性具有很大意义，因为陶瓷坯料中瘠性物质的用量必须有一定的配比。通常以在粘土中掺入标准石英砂的最高量来表征粘土结合能力的大小。标准石英砂的颗粒组成为0.25~0.15mm占70%，0.15~0.009mm占30%。结合性分类如下：结合性粘土的加砂量>50%，可塑性粘土的加砂量在20~50%之间，低可塑性粘土的加砂量<20%。

6干燥抗折强度

一定的干燥抗折强度，可以保证生坯在搬运、修坯、上釉、装窑、烧成等工序中不破损。坯体干燥抗折强度一般是由原料的颗粒度、形状和分散度，粘土的可塑性和加入量，坯体的成形压力和干燥制度，添加剂种类和含量等因素来决定。粘土的干燥抗折强度要求与标样对比，最大允许绝对误差为±0.2MPa。将原料在105℃±5℃下烘干，在同等实验条件下，将试样与标样制成粉料，将粉料以10％～12％水分造粒，用L×W×D=80mm×80mm×8mm正方形模具在30MPa压力下压制成型。将压制好的试样置于105℃±5℃恒温干燥箱中烘干，冷却至室温，用强度试验机进行试验，并计算干燥抗折强度。干燥抗折强度X2（MPa）的计算公式为X1=3FL/2bh2，其中：F为破坏荷载，L为两根支撑棒之间的跨距，b­为试样的宽度，h为试验后沿断裂边侧得的试样断裂面的最小厚度。

7粘度

粘度表示泥浆流体流动的难易程度。粘土用涂-4流速杯测定时，技术要求为（标样值±2.0）s；用选择粘度计测定时，技术要求为（标样值±标样值×5%）dPa·s。将粘土加入适量的水，以干料：水= 2：1共300 g，再加入0.5%～1. 0%的三聚磷酸钠，放入快速研磨机中球磨10 min，浆料全部通过20目(0. 833 mm)筛，用涂-4流速杯测定其流速，单位为秒（s）；若用涂-4流速杯无法侧定，则用旋转粘度计侧定其粘度，单位为分泊(dPa·s).

8线收缩率

线收缩率为干燥线收缩率和烧成线收缩率的共同作用之和，但在数值上S总≠S干+S烧。原料试样干燥前后标线长度的差值与干燥前标线长度的百分比称为干燥线收缩率。已经干燥的原料试样烧成前后标线长度的差值与烧成前标线长度的百分比称为烧成线收缩率。在建筑陶瓷生产过程中，不希望收缩大。若某些原料收缩很大，却又不得不使，则尽量少用。