工艺条件对低膨胀耐热紫砂陶瓷性能的影响*

董伟霞 徐晨浪 包启富 黄武清 胡天霜

(1 景德镇陶瓷大学 江西 景德镇 333001)

(2 景德镇市景火瓷业有限公司 江西 景德镇 333001)

紫砂器不挂釉是充分利用泥的本色,烧成后色泽温润、古雅可爱,紫砂器面还具有亚反光效果,既能减弱光的反射,又能清晰地表现器物形态。紫砂器不含任何有害物质,还富含有益于人体健康的多种矿物质,而且紫砂器在加热过程中能发出远红外线,能够活化水分子,矿化成p H 值为7.1左右的弱碱性,这有助于人体弱碱性健康体质的形成。同时,远红外线还有活化脂肪酶的作用,紫砂所含的部分微量元素也能够活跃分解脂肪的酶素,所以紫砂制作的炊具煮出的食物味道鲜美而不油腻[1]。

近年来随着生活水平的提高,人们对紫砂陶需求量的增加,紫砂泥的应用也越来越多。但是紫砂膨胀系数比较高,其安全性和使用范围受到了限制。低膨胀紫砂泥的研制,将使这一问题得到改善。景德镇紫砂产于江西省东南部,含量丰富。景德镇紫砂泥外观呈紫红色,质地柔软、结构致密,由水云母、高岭土、石英碎屑、赤铁矿等主要矿物组成,具有良好的可塑性。因此,在此次试验中选用景德镇紫砂作为实验对象,通过加入锂辉石、滑石,形成锂辉石/堇青石复相陶瓷使紫砂泥具有更低的膨胀系数。

1 实验过程

该配方组成(质量%):紫砂1 号30～36,紫砂2号24～28,锂辉石30～35,滑石10～12,紫木节3～4,按球磨、成形、烧成等传统工艺配制低膨胀紫砂泥料。考察工艺条件对低膨胀紫砂陶瓷性能影响,可参考申请专利[2]的工艺过程及其原料组成。采用RPZ-01型热膨胀测试仪测试热膨胀系数,采用数显抗折仪测试样品的抗折强度。利用德国布鲁克AXS有限公司生产的D8 Advance型X 射线衍射仪对样品进行物相分析。

2 实验结果与分析

2.1 颗粒细度对紫砂泥性能的影响

由图1(a)可以看出,随着球磨时间的增加,紫砂陶的热膨胀系数减小,紫砂陶的热稳定性则提高。球磨时间的增加,使得颗粒变得更细,分子表面能增加,更容易发生反应,促进了堇青石相的形成,所以紫砂泥的热膨胀系数会降低。

图1 球磨时间对热膨胀系数、抗折强度和吸水率的影响

从图1(b)可以看出,紫砂泥的抗折强度随着球磨时间的增加先增大,然后趋于稳定。在15～25 min时,球磨时间增加,颗粒变细,分子堆积致密,紫砂泥的强度变大,抗折强度增加。在25～30 min时紫砂陶的抗折强度变化不大,可以看出之后的变化是趋于一个稳定的数值。其原因在于球磨达到一定时间后,同样的球磨子不能改变颗粒细度,颗粒细度不变,所以坯体强度不变,所以抗折强度不再增加。但是球磨时间过长,会使粒度分布变窄,颗粒保水性增高,影响紫砂陶的工艺性能。

从图1(c)可以看出,随着球磨时间的增加,紫砂泥的吸水率降低,然后趋于不变。球磨时间的增加降低了紫砂泥中各成分的颗粒细度,颗粒越细,其分子堆积致密,坯体致密度高,紫砂泥中的开口气孔减少,所以在15～25 min时,紫砂泥的吸水率降低。在25～30 min时,颗粒细度改变不大,故紫砂陶的吸水率几乎不变。综合选取球磨时间为20～25 min为宜。

2.2 最高烧成温度对紫砂泥性能的影响

本实验选取1 210℃所做样品,由于吸水率较大,呈现生烧状态,因此不将其在性能图中体现。

从图2(a)可以看出,紫砂陶的热膨胀系数随着烧成温度的升高而降低。

图2 烧成温度对热膨胀系数、抗折强度和吸水率的影响

从图2(b)的烧成温度和抗折强度的关系中可以看出,随着温度的升高,其抗折强度降低。在1 220℃时,紫砂陶已经烧结。在1 220～1 240℃时,温度升高,坯体过烧,气孔和微裂纹增多,紫砂陶的抗折强度降低。在1 240℃时坯体过烧明显,抗折强度最低。

从图2(c)可以看出,吸水率和烧成温度的关系为:随着温度的升高,吸水率则升高。在1 220℃时,坯体已经烧结,温度升高,坯体过烧,坯体内部气孔和微裂纹增加,从而吸水率增加。这是由于随着温度升高,产生大量的液相量,从而促进了堇青石相的产生。温度升高,堇青石相与锂辉石和石英的固溶体相数量增加,紫砂陶的热膨胀系数降低,同时气孔增多,产生微裂纹,从而也降低了紫砂陶的热膨胀系数。由于坯体过烧,太多液相产生导致气孔增加,相应地样品抗折强度减少和吸水率增加。

2.3 保温时间对紫砂泥性能的影响

从图3(a)可以看出,随着保温时间的增加,热膨胀系数降低。保温时间越长,堇青石相量越多,从而紫砂陶的热膨胀系数降低。在保温时间为10 min时,堇青石相可能很少或者没有形成,紫砂陶的热膨胀系数很高。

图3 保温时间对热膨胀系数、抗折强度和吸水率的影响

从图3(b)可以看出,随着保温时间的增加,紫砂陶的抗折强度逐渐变大。保温时间增加,坯体就越致密,从而抗折强度增加。

从图3(c)可以看出,随着保温时间的增加,紫砂陶的吸水率逐渐降低。因为保温时间增加,坯体更加致密,气孔减少,所以导致紫砂陶的吸水率降低。所以保温时间在20～30 min 较佳。

图4是最优样品的XRD 衍射图。

从图4可以看出,衍射峰值强,主要存在锂辉石与石英的固熔体(Li2O·Al2O3·7.5SiO2)和堇青石(2Mg O·2Al2O3·5SiO2)相组成,所以样品呈现出了低膨胀性能。

图4 最优样品的XRD 衍射图

3 结语

随着球磨时间的延长,颗粒越细,坯体越致密,紫砂陶的强度越高,吸水率越低,在球磨时间20 min时较合适。随着保温时间和烧成温度的增加,使得晶相中的堇青石和β-锂辉石固溶体增多,从而使紫砂陶的热稳定性提高,当保温时间为20 min和烧成温度1 220℃时,样品性能较优,但烧成温度超过1 220℃,反而会使样品过烧,从而使抗折强度和吸水率性能变差。