甘肃某地区陶瓷原料的成分分析与评价

王传胜 王美兰 李建彬

摘 要 陶瓷原料质量好坏在整个陶瓷生产工艺流程中起着至关重要的作用，因为原料质量的稳定既是整个生产工艺参数稳定的前提条件，也是产品的质量乃至整个生产线平衡且稳定的重要因素，所以陶瓷原料的化学成分、矿物组成以及工艺性能都需要进行全方面分析，并对其综合评价。本实验对甘肃某地区的陶瓷原料高岭石矿物进行全方面的化学组成分析，并通过对其工艺性能的探究进行综合评估，实验结果表明该原料品质较好，适用于陶瓷生产。

关键词 陶瓷原料高岭石；化学成分分析；工艺性能；综合评估

0 前 言

本实验是对甘肃某地区的陶瓷原料进行成分分析和评价，化学组成分析表明该地区高岭石陶瓷原料品质较好，接近高岭石的理论组成且杂质含量少，有害物质Fe2O3含量也较低。工艺性能实验表明该高岭陶瓷原料矿物的可塑性较好，干燥收缩大，干燥强度一般，这是因为其含有六方管状的多水高岭石，可满足陶瓷生产的要求；该高岭土矿物中Al2O3的含量较高，因此耐火度很高，另外，由于它的K2O和Na2O含量较低，是制作低膨胀耐热陶瓷的优质原料；实验数据表明在1 300℃的烧成温度下，试样的体积密度为2.52g/cm3，吸水率为7.56%，收缩率达到22.32%，气孔率为5.02%。在1 280 ℃的温度下，白度达到81.23 %。

综合以上实验结果可以得出，该地区的高岭土矿物成分组成较好，含铁、钛等有害成分很低，工艺性能也不错。因此，除了能生产一般的建筑陶瓷、卫生陶瓷，可以生产高档的日用陶瓷、卫生陶瓷、耐热陶瓷以及蜂窝陶瓷等产品。

1 实验过程及方法

1.1 陶瓷原料

1.1.1实验原料

本次实验所用原料为甘肃某地区的高岭石，外观性状见图1。

1.1.2实验原料的处理

首先对所有矿物进行手工粗碎处理，再进行24h的球磨处理，并将球磨、烘干后各原料进行制样测试。

1.1.3实验试样的制备

试样制备方法如下：

⑴球磨后的粉料预烧800℃，去除含有的有机物；

⑵把预烧好的原料准确称料；

⑶加入适量解凝剂Na2CO3充分磨匀；

⑷然后用压机压制成片（压力在10MP左右），做好标记，放入烘干箱烘干（温度为80～110℃）。

1.1.4试样的烧成

将烘干的试样放置在电炉的中央位置，分别在所需温度点下烧成。可快速升温至最高温度，达到最高温度时保温60min，自然冷却至室温。

1.2 分析设备及仪器

本研究采用精密分析天平（准确至0.000 1g）、干燥箱（101-2型）、X射线荧光光谱仪（Axios型）进行成分分析、采用德国BRUKER/AXS公司生产的D8 Advance型X射线衍射仪对样品进行物相分析、采用德国Netzsch公司的STA449C型综合热分析仪进行分析、采用日本电子公司生产的JSM-2010高分辨率透射电子显微镜和日本电子公司生产的JSM-35CF型场发射扫描电子显微镜对样品进行显微结构观察，采用湘潭湘仪仪器有限公司生产的KS-B微电脑可塑性测定仪对高岭土矿进行可塑性分析。

2 结果分析与讨论

2.1 陶瓷原料的描述

外观呈软质-半硬质致密块状结合体，主体呈白色、微黄色，中间夹杂有灰、黄、褐等颜色，无光泽，手感细腻，有滑腻感。

2.2 陶瓷原料的组成

经过荧光分析测试，数据见表1。

从表1中可见该原料的SiO2和Al2O3含量接近高岭石的理论组成，有害组分之一Fe2O3含量较低，可直接用于陶瓷生产，另一种有害组分TiO2的含量未检测到，但是有微量的P2O5。样品中的K2O含量很低，可作为低膨胀陶瓷原料使用。SO3的含量也较高，故原料显微黄色。该原料的烧失量高于纯高岭石的理论含量，表明含有多水高岭石。

2.3 陶瓷原料的物相分析

通过对比标准XRD图谱（见图2），发现在2θ为12.86°、25.08°、38.55°和56.51°处的衍射峰，对应为多水高岭石。在2θ分别在13.15°、22.97°、25.05°、38.83°、56.61°和63.62°处的衍射峰，对应为高岭石。在2θ分别在120.05°、35.98°、55.11°和62.81°处的衍射峰，对应为珍珠高岭石。上述分析表明，该矿物由高岭石、多水高岭石和珍珠陶土组成。

2.4 陶瓷原料的差热、热重分析

陶瓷原料的差热和热重图像见图3所示。

由图3可以看出：①在98.8℃时有一明显的吸热峰，同时伴有0.64%左右的失重，这是由粘土矿物中的高岭石失去吸附水和层间水所致；②在561℃有一个明显的吸热峰，同时伴有19.14%左右的失重，这是由于加热过程中高岭石和多水高岭石快速失去结构水，使晶格破坏，高岭石变成偏高岭石，600℃后，残余结构水继续排除，直至800℃；③加热到1 000℃，继续加热到955.6℃，偏高岭石转化为2Al2O3·3SiO2尖晶石而产生的一个放热峰。

2.5 陶瓷原料的显微形貌特征

由SEM照片（见图4）可观察到大量的片状或云状高岭石晶体，长度在二到五个微米不等。因为设备条件有限，不能进行TEM的测试，故不能进行更详细的分析。

2.6 陶瓷原料的工艺性能

2.6.1可塑性（见表2）

由表2中数据可见，该高岭土的可塑度和可塑性指标均良好，这是由于原料含有的主要矿物是片状结构的高岭石，从矿物的外观看，这些高岭土致密的结合在一起，其中含有一定的膠状物质，因而高岭土的可塑性较好。

2.6.2干燥性能

采用可塑成型将泥料压制成圆饼，在120℃下恒温干燥后测试其收缩率和干燥强度，测试结果见表3。可以看出：该高岭土干燥后的强度均高于3MPa，因此，完全可以满足陶瓷实际生产的需求。

2.6.3烧成性能（见图5、图6、图7）

由图5和图6可以看出，随着温度的升高，原料高岭土试样的尺寸缓慢收缩，逐渐致密化，吸水率明显降低；温度高于1 150℃后，高岭土试样体积开始剧烈收缩，同时气孔率则随着温度的升高明显减少；在1 300℃的烧成温度下，试样的体积密度为2.52g/cm3，吸水率为7.56%，收缩率达到22.32%，气孔率为5.02%，该高岭土的烧结温度高于1 300℃。

由图7可以看出，随着烧成温度的升高，原料高岭土试样的白度基本保持稳定；当烧成温度升至 800℃，试样急剧收缩，逐渐致密化，对光的反射能力增强，坯体的白度显著增加。在1 280℃的温度下，白度达到81.23%。

3 结 论

本实验通过对高岭矿物的成分分析和工艺性能的检测，得到如下结论：

（1）该陶瓷原料品质较高，有害物质Fe2O3和TiO2的含量均较低，杂质含量少，接近高岭土的理论组成；物相分析表明构成高岭土原料的主要矿物为高岭石和多水高岭石，差热-热重分析结果与高岭石矿物组成分析结果非常吻合；扫描电镜分析结果表明，该高岭土原料含有六方管状结构的多水高岭矿物，和大量的片状或云状高岭石晶体，显微结构分析也与矿物分析结果吻合。

（2）工艺性能分析结果表明该高岭土矿物的可塑性较好，干燥收缩大，干燥强度一般，这是因为其中均含有六方管状的多水高岭石，但可满足陶瓷生产的要求；该高岭土矿物中Al2O3的含量较高，因此耐火度较高，另外，由于它们的K2O和Na2O含量均较低，是制作低膨胀耐热陶瓷的优质原料。

（3）实验数据表明，在1 300℃的烧成温度下，试样的体积密度为2.52g/cm3，吸水率为7.56%，收缩率达到22.32%，气孔率为5.02%。在1 280℃的温度下，白度达到81.23%。

（4）综合实验结果可以得出：该地区的高岭土可以生产日用陶瓷、卫生陶瓷、耐热陶瓷等产品。

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