景德镇地区紫砂页岩性能分析与应用

廖润华，刘 浩，王竹梅，李月明，李 磊，胡海泉，唐富保

(1.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403；2.景德镇陶源矿业有限公司，江西 景德镇 333000)

景德镇地区紫砂页岩性能分析与应用

廖润华1，刘 浩1，王竹梅1，李月明1，李 磊1，胡海泉1，唐富保2

(1.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403；2.景德镇陶源矿业有限公司，江西 景德镇 333000)

以景德镇地区紫砂页岩为研究对象，利用XRD和XRF等测试手段以获得不同采样矿点原料的矿物组成、化学及含量，发现其物相主要由石英、高岭石、伊利石与赤铁矿组成；通过研究两个典型采样矿点配比量，探讨了球磨时间、含水率对可塑性的影响，并研究了不同烧成温度下吸水率、收缩率的变化。实验结果表明，景德镇鱼山区矿点紫砂页岩70%，乐平市矿点紫砂页岩25%，叶腊石5%，外加2%膨润土、0.3%腐殖酸和1%BaCO3时，其制备的紫砂泥料性能最佳，可塑性指标达16.8；在1110 ℃下烧成后的总收缩为9.65%，吸水率为2.54%。

紫砂泥料；可塑性；吸水率；收缩率

0 引 言

紫砂原料是不可再生资源，紫砂资源经过成百上千年的大量开采几近枯竭，紫砂陶的需求量却越来越多，紫砂泥料的消耗也越来越大[1,2]。而且优质紫砂原料日渐减少，宜兴紫砂矿产资源的开采自2005年以来受到政府限制，紫砂行业工程技术人员在寻找和开发新的紫砂原料资源、合理利用紫砂矿产资源、调整紫砂产品结构性能等方面进行了大量的工作和研究。迄今为止，在我国湖南、福建、山东、江苏、山西、宁夏、江西等地方[3-10]都有丰富的紫砂矿蕴藏量。如2011年在景德镇鱼山周边地区发现出露大规模紫红色粉砂质泥(页)岩（陶土），据江西912地质队勘察，已经探明有1066.105万吨储量，远景储量数亿吨，属于特大型红色陶土(紫砂)矿[11]；但其产区的紫砂页岩品位不是十分理想。因此，笔者以江西省景德镇市境内的紫砂页岩为研究对象，并与江西省宜兴采购的紫砂泥料作对比，采用 XRD、XRF等测试手段，分别从紫砂矿物组成、化学组成、干燥和烧结性能等方面进行研究与探讨。

1 实验原料与方法

1.1 实验材料

实验所用紫砂页岩是景德镇陶源矿业有限公司提供的景德镇市鱼山区紫砂页岩(YS)与乐平市紫砂页岩(LP)，对比宜兴紫砂泥料(YX)是宜兴御龙紫砂科技有限公司提供，其他原料如膨润土(Bentonite)、叶腊石(Pyrophyllite)、腐殖酸钠(Humic acid sodium)等购置于景德镇白土有限公司，碳酸钡(Barium carbonate)为化学纯。

1.2 实验仪器

颚式破碎机(型号：PE400×600，郑州市长城重工机械有限公司)，球磨机(滚筒式，景德镇陶瓷机械设备有限公司)，干燥箱(NC202-2型，江西电热设备厂)，筛分筛(标准筛，安平县五泰丝网厂)，石膏模、滤布(凹形磨具，521，景德镇，耐斯过滤材料有限公司)，真空练泥机(型号200型，湘潭市仪器仪表有限公司)，高温箱式电阻炉(型号：QSH-1400M，上海全硕电炉有限公司)，数显可塑仪(型号KS-B，湘潭市仪器有限公司)，X荧光光谱分析仪(型号：XRF-1800，日本岛津)，X射线衍射分析仪(XRD，德 国 Bruker D8 ADVANCE，Cu Kα radiation)。

1.3 实验配方

实验配方如表1所示。

1.4 实验过程

对紫砂页岩进行破碎、干法球磨后，过60目筛，筛下紫砂细粉按照相应的配方混合，加入100目筛下的其他原料，再进行湿法球磨60 min后，再将泥浆通过石膏摸具进行吸浆，然后进行真空练泥、陈腐，再真空练泥、陈腐循环三次，然后测紫砂泥料的含水率、可塑性，再进行紫砂泥料压样、干燥、烧成，此过程需要分别分析其干燥收缩率、吸水率。

2 结果与讨论

2.1 XRD半定量物相分析

宜兴紫砂泥料(YX)、鱼山区紫砂页岩(YS)和乐平紫砂页岩(LP)进行XRD半定量测试分析其物相组成，分析结果如图1(a)、(b)、(c)与表2所示。

根据XRD半定量测试图，通过标准图谱比对，分别得到了宜兴紫砂泥料、鱼山区紫砂页岩以及乐平紫砂页岩的物相组成及含量，如表2所示。由表2可知，宜兴紫砂泥料中主要含有高岭石(Kaolinite)、伊利石(Illite)、石英(Quartz)和赤铁矿(Hematite)，伊利石含量高于高岭石。而景德镇鱼山区紫砂页岩中主要含有伊利石、石英和赤铁矿，以伊利石为主，基本不含高岭石；而景德镇乐平紫砂页岩中主要含有高岭石、伊利石和赤铁矿，以高岭石为主，基本不含石英；相比而言，鱼山区紫砂与宜兴紫砂的粘土矿物总量基本相同，分别为46.3%和50.8%，但鱼山紫砂只含伊利石，基本不含高岭石，宜兴则两者都有，且伊利石含量(35.5%)是高岭石含量(15.3%)的2倍左右，鱼山紫砂的非晶相含量(8.9%)远高于宜兴紫砂的非晶相含量(3.6%)；鱼山紫砂的石英含量(35.8%)则略高于宜兴紫砂的石英含量(32.6%)；鱼山紫砂的赤铁矿(13.2%)也略高于宜兴紫砂的赤铁矿含量(11.3%)；这可以说明，鱼山紫砂的烧结温度低于宜兴紫砂的烧结温度。而乐平紫砂页岩是一种以高岭石矿物为主的粘土原料，其高岭石含量68.9%远高于宜兴紫砂的高岭石含量(15.3%)，而含有的13.3%的伊利石矿物也远低于鱼山紫砂(46.3%)和宜兴紫砂(35.5%)，乐平紫砂的赤铁矿含量(14.6%)高于宜兴和鱼山紫砂的赤铁矿含量，而乐平紫砂矿的非晶相含量较低，只有1.9%。因此，通过调配鱼山紫砂和乐平页岩的组成，可以配制成与宜兴紫砂矿相近的矿物含量。

表1 配方 (wt.%)Tab.1 Formula (wt.%)

表2 泥料的物相及百分含量 (wt.%)Tab.2 Phrase and percentage composition of the clay (wt.%)

2.2 XRF分析

将宜兴紫砂泥料(YX)、景德镇鱼山区紫砂页岩(YS)和乐平市紫砂页岩(LP)、膨润石(Bentonite)和叶腊石(Pyrophyllite)进行XRF测试分析，其测试结果如表3所示。

由表3可知，景德镇鱼山与宜兴紫砂的化学组成很接近，但鱼山紫砂的灼减量低于宜兴，其可塑性可能较低。而乐平紫砂具有较高的Al2O3含量，其灼减量也较高，其可塑性相对较好，见图2。采用景德镇鱼山紫砂加乐平紫砂的配方可以保证其可塑性能，同时提高烧结温度。

为了生产与宜兴紫砂相媲美的紫砂产品，同时满足工艺要求，对景德镇紫砂的配方，可以采用以鱼山紫砂矿为主，添加适量的乐平紫砂矿，同时，为了调节烧结性能和产品的色度等，适当加入叶腊石和膨润土以及其他原料。其中叶腊石的加入能大大改善泥料的性能，比如减小坯体的干燥收缩、减小烧成开裂，减小形变，同时还能增加泥浆的渗透性和流动性；膨润土由于其晶体结构的特殊性，在其晶胞的晶层中存在一些阳离子如：Ca+、Mg+、Na+及K+等，这些离子在晶层中有着很强的可交换性能，并改善泥料的可塑性和烧结性能。在低可塑性黏土中加入膨润土后，会大大地增加黏土中离子的交换容量，从而增强了泥料的可塑性。同时在原料中加入少量的碳酸钡，由于BaCO3可作为熔剂，可在960 ℃时分解，与其他化合物形成低共熔物，使样品发色好，制品成色均匀；为了提高实验效率，缩短实验时间，可以加入少量的腐植酸钠可加速球磨效率，陈腐时可以提高泥料的可塑性能。

2.3 影响紫砂泥料可塑性的因素

2.3.1 不同配方其可塑性分析

根据表1中的配方、表2中原料的物相组成及其百分含量可计算出本实验各配方泥料物相及百分含量如表4所示。

从表4中可以看出， A、B、C、D、E各配方中的物相含量呈现一定的变化规律，如石英、伊利石和非晶相的含量是逐渐降低的，高岭石与赤铁矿含量是逐渐增加。

再按照表4中各配方的物相组成，结合表3中原料的化学组成，可以计算出各配方泥料化学组成，如表5所示。

表3 原料化学成分及百分含量 (wt.%)Tab.3 Chemical components and percentage composition of raw materials (wt.%)

表4 各配方的物相及百分含量(wt.%)Tab.4 Phrase and percentage composition of different formulae (wt.%)

采用可塑性指标表征泥料的可塑性，通过数显可塑仪检测，每个样品检测三次取平均值。由于黏土在含水量不同的情况下，其可塑性各不相同，所以先测试泥料的含水率，再进行泥料的可塑性测试，以保证泥料含水率相近，约在20%-22%之间，再进行可塑性测试，各配方球磨1.5 h后经过真空练泥、陈腐循环三次后，测其含水率在21%左右，对应的可塑性指标数据如图2所示。

根据图2可知，各配方的泥料在含水率为21%时能够成型制成圆球，而且在含水量差异不大的情况下，配方C的可塑性高于其他配方，配方A、B、D、E的可塑性低于宜兴紫砂的可塑性，而配方C的可塑性指标为16.8高于宜兴紫砂可塑性指标15.0，属于高可塑性，所以选取配方C的泥料作为最佳配方，进行后续试验与宜兴紫砂的吸水率、收缩率等性能作比较。由于各配方的原料差异只是YS与LP的含量不同，可以发现，YS含量过多（LP含量过多）或者YS含量过少(LP含量过少)都将很明显的影响泥料的可塑性，只有YS与LP含量在某个范围内时，泥料的可塑性才能达到最好。由表2、表4与图2可知，YS由于高岭石含量极低，所以其可塑性较差；LP主要以高岭石矿物为主，因此其可塑性低于宜兴紫砂原料；配方A至配方E，其石英与伊利石含量逐渐降低、高岭石含量逐渐增加，然而只有石英与高岭石含量与宜兴紫砂泥料相接近时才能接近宜兴紫砂泥料的性能。而且从表3、表5和图2可知，配方C的灼减量为6.22，与YX的灼减量为6.29相近，其可塑性达到最佳(可塑性指标为16.8)，而配方B与D的灼减量与配方C及YX的灼减量偏差约0.6，其可塑性也相近，其可塑性指标分别为12.6、13，灼减量与YX偏差越大，其可塑性越差。

表5 各配方的化学成分及百分含量 (wt.%)Tab.5 Chemical components and percentage composition of different formula (wt.%)

图2 各配方泥料的可塑性指标Fig.2 The plasticity index of different formula

2.3.2 球磨时间对可塑性的影响

球磨的作用是为了将泥料进行粉碎和混合，从而达到想要的泥料状态，球磨方法有干法球磨和湿法球磨两种。泥料的筛余是对球磨效果的一种表征。

本研究是先将破碎后的YS和LP以及其他原料分别进行干法球磨(球料质量比为2:1)4 h，形成可过60目筛的干粉。然后根据配方将泥料混合进行湿法球磨(球料水的质量比为2:1:0.6)得到不同细度的泥浆，进行可塑性分析。

本研究对配方C泥料进行不同球磨时间(即泥料筛余)下的可塑性测试，其中泥料的含水量都维持在21%左右，筛余是用250目筛进行测试的，实验结果如图3所示。

由图3可知，泥料中大颗粒含量过多和过低都会导致泥料的可塑性较差，这是由于泥料的颗粒尺寸大则坯体强度偏大，易开裂，所以其可塑性变差；颗粒尺寸小，则坯体强度小，容易变形，不能较好地维持受力后的形状，其可塑性也差。因此只有适当的颗粒尺寸才能使泥料具有好的泥料性能；泥料其250目筛余在10%-20%时，其可塑性最好，可塑性指标达16.8。

图3 可塑性指标与筛余随着球磨时间变化情况Fig.3 The plasticity index and screen residue changes with the ball milling time

2.3.3 泥料含水率对可塑性的影响

通过对配方C泥料在不同含水量情况下的可塑性指标如图4所示，其中泥料是经过了1.5 h的湿法球磨，即过250目的筛余为16.667%。由图4可知，泥料中含水量过低或者过高其可塑性都差。这是由于当泥料含水量高会导致泥料屈服值减小最大变形量加大，受力后不能维持其形状，即可塑性差，甚至泥料含水量太高会导致泥料呈流动状态，不能可塑成型。

图4 泥料含水率对可塑性的影响Fig.4 The effect of clay moisture content on plasticity

图5 配方C的收缩率曲线图Fig.5 The shrinkage curve of formula C

当泥料含水量太低，其黏性较差，泥料受力容易开裂，所以可塑性差。适当的含水量才能保证泥料较高的可塑性，当含水量为21%左右时配方C具有一定的粘度与较高的坯体强度，其可塑性指标为16.8。

2.4 紫砂泥料的干燥与烧成性能分析

2.4.1 收缩率

通过测试试样的线收缩率来判断泥料的收缩率，实验结果如图5所示。宜兴紫砂泥料是按照其产地给定的烧成制度(即烧成温度为1130 ℃)进行实验烧成的，获得其平均线性干燥收缩为4.250%，平均烧成收缩为5.496%，总收缩率为9.667%。

由图5可知，在不同的烧成温度下，烧出的样品其烧成收缩和总收缩各不相同，烧成收缩和总收缩随着烧成温度的升高而增大。这是由于煅烧黏土泥料的过程中，会产生一系列的物理化学变化，比如易熔杂质的融化、莫来石的生成、分解作用、脱水作用以及质点间空隙被熔融物填满等，温度越高熔融物越多，烧结越完全，试样体积变小；而且可以发现1170 ℃和1190 ℃下的烧成收缩和总收缩差异不大，由于1170-1190 ℃时，样品已经基本烧结不再收缩；而且配方C在1110 ℃烧结时其总收缩已到达9.65%。

2.4.2 吸水率

一系列复杂的化学及物理变化会在紫砂坯体烧成的过程中进行着，比如有机物的挥发、新晶相的产生、旧晶相的消失，氧化物的分解、新化合物的形成和物质的熔融等一系列的晶体数量、粘度、液相组成的变化。

在各种不同的温度下进行试样的烧成，然后将各温度下烧成的试样测其对应吸水率，实验结果如图6所示。

如图6所示，对比各烧成温度的吸水率，可以发现随着烧成温度升高，配方C的试样吸水率在逐渐地变小，当温度达到1170 ℃-1190 ℃左右时，试样吸水率变化不大，在1190 ℃时，试样吸水率趋近于0。这是由于在温度不断升高的过程中，坯体的密度会随着孔隙率的降低而逐渐增大，最后达到最大的密度和最小的孔隙率，试样烧结程度逐渐升高直至完全烧结，从而吸水能力不断下降至不吸水。且由图6可知，配方C的完全烧结温度为1170 ℃-1190 ℃；配方C在1110 ℃烧成时，试样的吸水率(2.54%)与宜兴紫砂推荐温度(1130 ℃)下的吸水率(2.284%)相近，说明其原料性能与宜兴紫砂原料相似。

图6 配方C的吸水率曲线图Fig.6 The water absorption curve of formula C

3 结 论

对各原料进行XRD和XRF测试分析，制定配方，选择可塑性最佳的配方为研究对象，研究最佳配方的泥料的吸水率、收缩性和烧成温度等性能指标，并与高可塑性泥料(宜兴紫砂)的各性能进行对比分析得出以下结论：

(1)景德镇地区紫砂页岩其物相主要由石英、高岭石、伊利石与赤铁矿组成；

(2)其含水量和颗粒度过大或者过小，都会降低泥料的可塑性。当含水率为21%、250目筛余在10%~20%时，其可塑性最好，可塑性指标为16.8;

(3)利用景德镇地区本土紫砂页岩为原料获得最佳性能的紫砂泥料，其可塑性指标达16.8，在1110 ℃下烧结后的总收缩为9.65%，吸水率为2.54%，此时配方为：景德镇鱼山区紫砂页岩70%，乐平紫砂页岩25%，叶腊石5%，外加2%膨润土、0.3%腐殖酸和1%BaCO3。

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Performance and Application of Zisha Shale from Jingdezhen Area

LIAO Runhua1, LIU Hao1, WANG Zhumei1, LI Yueming1, LI Lei1, HU Haiquan1, TANG Fubao2
(1. School of Material Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; 2. Jingdezhen Taoyuan Mining Co., Ltd., Jingdezhen 333000, Jiangxi, China)

Research was conducted on Zisha shale samples quarried from different mines in Jingdezhen by XRD and XRF testing means to obtain their mineral and chemical compositions. Results showed that they were mainly composed of quartz, kaolinite, illite and hematite. By batching with the samples from two typical mines, the effects of milling time and water content on their plasticity were discussed, and the variation of their water absorption and shrinkage with different sintering temperatures was studied. The experimental results showed that the best performance of Zisha clay was obtained, when the batch was composed of 70% Zisha shale from Yushan mine, 25% Zisha shale from Leping mine, 5% pyrophyllite, 2% bentonite, 0.3% humic acid and 0.3% BaCO3. Its plasticity, total shrinkage and water absorption were 16.8, 9.65% and 2.54%, respectively, when sintered at 1110 ℃.

Zisha clay; plasticity; water absorption; shrinkage

TQ174.4

A

1000-2278(2016)06-0706-07

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.023

2015-11-22。

2016-05-10。

景德镇陶瓷学院工程技术专项基金项目；江西省重点新产品计划项目(20151CX6300)；大学生创新创业项目。

廖润华(1976-)，男，博士，副教授。

Received date: 2015-011-22. Revised date: 2016-05-10.

Correspondent author:LIAO Runhua(1976-), male, Ph. D., Associate professor.

E-mail:maxlrh@126.com