峡里砂质高岭土原矿的理化性能分析及在陶瓷领域的应用研究

查 越，高群力，任立琴，刘敏芳，余 婷

（中国轻工业陶瓷研究所，景德镇，333000）

0 引言

我国拥有储量超过30亿吨的高岭土资源[1]，软质与硬质高岭土资源由于多年的开发利用，主要产瓷区周边的高岭土资源越来越少，然而在华南地区，砂质高岭土储量大约有10亿吨[2]，在陶瓷工业中具备非常广阔的应用前景。

在绿色环保政策的影响下，寻找优质高岭土的替代产品愈来愈受到陶瓷产业从业者的关注，目前对江西地区的砂质高岭土在陶瓷工业中的应用仅有少量报道，对砂质高岭土的合理开发与应用研究尤为必要。本文对峡里县砂质高岭土原矿的化学组成、矿物组成、粒度分布与物理性能的进行了研究，对峡里县砂质高岭土在日用陶瓷领域应用可行性进行了初步探讨，为将来砂质高岭土在陶瓷工业领域中的应用提供了理论支撑。

1 .砂质高岭土原矿的理化分析

1.1 粒度分布

取样：本文实验的样品取自矿区中多个矿点的地表样品，采用堆锥——四份法均化样品。样品外观呈灰白色沙粒状。采用Malvern MS 2000型激光粒径分析仪对原矿样品进行粒度分布检测，检测结果见表1.

表1 砂质高岭土原矿的颗粒级配

由表1中的数据可以获知，砂质高岭土的体积平均粒径为84.627μm，其中粒径在100μm以上的颗粒体积占比达到42.33 %，颗粒分布主要在30 ～ 200μm之间，说明该矿石风化程度较差。

1.2 原矿矿相组成测试与分析

采用D8 Advance X衍射仪（XRD），依据国家标准JY/T 009 - 1996 《转靶多晶体X射线衍射方法通则》，对砂质高岭土原矿进行矿物组成分析，结果见图1。

图1 峡里砂质高岭土的X射线衍射图谱

根据矿物的矿相组成可以得知，砂质高岭土中的主要矿物组成为白云母、微斜长石、石英与高岭石。

1.3 物理性能与化学组成分析

对峡里砂质高岭土进行处理，在经过球磨、过筛、烘干等方式处理后，取出一部分干料制作出直径为50 mm的圆形试片，在1290 ℃的弱还原气氛下烧成，对试样进行烧成白度与耐火度的测试。同时另一部分干料进行化浆-除铁-过筛-压滤-真空练泥处理，对所获得的泥料进行可塑水、可塑指数等物理性能检测，检测数据见表3。

表3 砂质高岭土的物理性能测试结果

同时采用AXIOS X荧光光谱仪，依据国家标准GB/T 14506.28 - 2010 《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》，对砂质高岭土的化学成分进行分析，结果见表2。

表2 砂质高岭土主要化学成分

矿物的耐火度由其化学组成决定，通过表2中的主要化学成分可以看出，砂质粘土中的R2O/RO主要由微斜长石引入，其中CaO + MgO含量共0.19 %，Na2O + K2O含量为5.28，其耐火度远低于高岭土的理论值；砂质高岭土的SiO2含量为71.19 %，Al2O3含量为18.25%，氧化钛含量为0.6%，结合1.2中的矿相种类，峡里砂质高岭土中的高岭石含量较少，因此峡里砂质高岭土所表现出的可塑指数较低、干燥强度较低；砂质高岭土中的Fe2O3含量达到0.67 %，同时含有少量的TiO2（0.06 %）、MnO（0.03 %），因此砂质高岭土的白度不高，仅在62-65之间。

综上分析，峡里高岭土Al2O3、Fe2O3+ TiO2与TiO2的含量基本符合江西省地方标准《瓷土、瓷石矿产地质勘查规范》（DB36/T1157 - 2019）中对原矿化学成分质量的要求；物理性能符合中国轻工行业标准《QB/T 2264 - 2016陶瓷用瓷石》中对合格品的要求，结合矿相组成和化学成分分析可以初步认定，该矿石塑性较低，干燥收缩较小，理论上可以应用于陶瓷工业生产当中。

1.4 热失重-差热分析

利用综合热分析仪（DTA/TG，德国 Netzsch 有限公司，型号 STA409TC）对峡里砂质高岭土进行差热及失重分析，结果见图2。

图2 砂质高岭土DTA-TG曲线

由差热曲线图可以看出，试样在120 ℃左右产生一个较小的吸热峰，这是由于层间水脱失引起的，这是多水高岭石的特征，说明峡里砂质高岭土混合矿中含有少量的多水高岭石；试样在491.3 ℃时产生较小的吸热，并且失重曲线显示总质量减少4.75 %，结合化学组成中的灼减数据，这是由于砂质高岭土中高岭石脱去结构水所产生的热效应，而在571.9 ℃出现的吸热峰，根据矿相组成推断，应为α石英转变为β石英的一个相变过程；最后在996 ℃产生的尖锐放热峰，应是脱羟后的高岭石进一步形成铝硅尖晶石的过程[3]。

2 .峡里砂质高岭土在传统陶瓷生产中的应用

以峡里砂质高岭土为主要原料，选取修水长石、上祝瓷石和膨润土常用传统陶瓷生产原料制备日用陶瓷，根据“K2O - Al2O3- SiO2”三元系统相图与陶瓷生产中的实践经验设计配方体系，经过混料-球磨-过筛-注浆-干燥-施釉和烧成等工艺制成陶瓷样品，对试样样品的可塑性、成品率、高温抗变形性（试样的弯折角度）干燥强度与坯釉适应性等进行评分，获得较优配方组成，并在此基础上调整工艺参数，最终确定适合在1310 ℃还原焰一次烧成的日用瓷坯体配方。

2.1 试验原料

坯用原料的化学组成见表4。

表4 原料的化学组成

2.2 试验工艺

将砂质高岭土与其他原料按照表5中的配方要求准确称量，使用湿法球磨的方式制备泥浆，其中料球水比例为1:2:0.8，球磨时间为28 h，泥浆细度控制在250目筛余≤0.5 %，再经过过筛除铁、榨泥、练泥、陈腐后备用。所使用的的釉料以龙岩、石英、钾长石、方解石等为主要原料，配备透明釉，釉浆细度控制在250目筛余≤0.5%，采用浸釉的方式在素坯（800 ℃素烧）表面施釉，釉层厚度为0.3 - 0.5 mm。

2.3 试验结果与分析

成瓷样品的性能评价指标见表5。

表5 样品的性能评价指标

通过表中试验结果可以看出，当瘠性料长石含量为20 %wt时，随着砂质高岭土用量的提升，泥料的可塑性、干燥强度与弯折角度均呈现下降的趋势，这是因为砂质高岭土中含有大量的白云母与石英等矿相，导致泥料的塑性下降，同时由于Na2O + K2O含量较高，提升砂质高岭土的用量会使坯体在高温条件下出现大量的液相[5]，导致坯体弯折角度评分降低。

根据砂质高岭土的矿相组成与物理性能的特点，引入少量的上祝瓷石改善坯体的工艺性能，并在配方体系中使用砂质高岭土替代宜春钾长石，优化配方的Si/Al比例，利用砂质高岭土中的石英矿相降低坯体的干燥收缩，使其在高温下可部分熔解于液相中，增加熔体黏度，而未熔解的石英则构成坯体的骨架，防止变形[6]；同时砂质高岭土中的白云母与微斜长石则起到熔剂的作用，降低瓷坯组分的熔化温度，形成液相并促进莫来石的生长[7]。最终优选出9#配方，可制备出高成品率，低变形，可塑性较优的日用瓷坯体，9#配方的成瓷样品性能检测参见表6。

表6 9#成瓷样品性能检测结果

从上述检测结果看，当峡里砂质高岭土矿用量达45 %wt时，采用还原焰1290 ℃烧成制度的成瓷配方获得的成瓷样品白度、光泽度、吸水率和抗热震性均达到或优于国家标准GB/T 3532 - 2009《日用瓷器》日用细瓷合格品的标准（合格品要求：白度≥55.0、光泽度≥80.0、吸水率不大于0.5 %，小中型产品180 ℃至20 ℃热交换一次不裂）要求。

3 结论

1、峡里砂质高岭土的体积平均粒径为84.627μm，颗粒分布主要在30～200μm之间，矿石风化程度较差。

2、峡里砂质高岭土的主要矿物组成为白云石、微斜长石、石英和高岭石，其中Al2O3为18.25 %；Fe2O3为0.67 %，TiO2为0.06 %，K2O + Na2O为2.94 %，符合江西省地方标准《瓷土、瓷石矿产地质勘查规范》（DB36/T 1157 - 2019）中对原矿化学成分质量的要求；

3、峡里砂质高岭土的可塑指数为0.24，干燥强度为0.67 MPa，烧后白度在62 - 65之间，工艺性能符合中国轻工行业标准《QB/T 2264 - 2016陶瓷用瓷石》中对合格品的要求。

4、以峡里砂质高岭土为主要原料，搭配长石、高岭土、上祝瓷石和膨润土等辅料，可通过注浆成型的方法制备日用陶瓷坯体。当峡里砂质高岭土含量为45 %wt时，可在1290 ℃还原气氛下得到符合GB/T 3532 - 2009《日用瓷器》日用细瓷合格品的标准的日用瓷产品。