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1、锂 辉 石 质 耐 热 砂 锅 的 研 制吴 明 亮 1 邱 锐 彬 2(1 广东省潮州市新瓷都资产经营有限公司 521031) (2 广东省潮州市南国瓷厂 521031)摘 要 分析了锂辉石质陶瓷耐热机理 ,通过实验 ,确定坯釉 配 方 、 化 学 组 成 及 生 产 工 艺 ,探 讨 了 锂 辉 石 的 生 产 工 艺 及 造型设计对产品耐热性能的影响 。关键词 锂辉石 耐热砂锅 热稳定性度 外 ,还应具有低 的 膨 胀 系 数 。 陶 瓷 制 品 的 热 稳 定 性与坯料配方 、 生产工艺 、 产品形状 、 器壁厚薄有关 。 在瓷器的生产过程加入锂辉石使产品具有良好的抗 热震性和助熔性
2、,可 降 低 制 品 的 热 膨 胀 系 数 及 烧 结 温度 ,可缩短烧结时 间 ,改 善 其 高 温 流 动 性 和 粘 度 ,因 此 ,能提高制品的强度 、 耐腐蚀性及耐热急变性 。前 言随 着人们生活 水 平 的 提 高 ,人 们 对 食 用 器 皿 的 使用性能 、 卫生无毒以 及 外 观 釉 色 装 饰 大 方 等 都 有 了 特 殊要求 。 传统的陶瓷 、 搪瓷 、 金属食用器皿已不适应于 电 烤炉 、 微波炉 、 冰 箱 等 现 代 家 用 电 器 。 因 此 ,耐 热 陶 瓷器皿 ,以其外观美 、 耐 热 性 能 好 、 卫 生 无 毒 等 优 点 越 来越受到人们的欢迎 。
3、耐热砂锅是最常见耐热陶瓷器皿 ,属细炻器陶瓷 。砂 锅既有陶瓷器皿 的 性 能 及 外 观 ,又 比 一 般 陶 瓷 器 皿 具有较好耐热稳定性等优点 ,在国际市场上深受欢迎 , 在日本市场每年需求量在 500 万只左右 。在日本市场 ,对耐热砂锅性能的要求更高 ,砂锅耐 热性能必须干烧 至 800 时 投 入 常 温 水 中 不 裂 ,国 内 一般堇青 石 质 的 砂 锅 性 能 达 不 到 日 本 市 场 要 求 。 因 此 ,本研究是以锂辉 石 为 主 要 原 料 ,结 合 当 地 原 料 ,制 定耐热砂锅配方 ,生产工艺及技术操作规程 ,使坯体成 形 性能 、 产品的耐 热 性 能 达
4、 到 预 期 指 标 。 该 产 品 经 广东陶瓷产品质量 监 督 检 验 站 检 测 : 砂 锅 烧 至 800 投入 20 水中 不 裂 。 锂 辉 石 质 耐 热 砂 锅 可 直 接 在 微 波 炉 内烧烤 ,也可在 冰 箱 冷 藏 ,在 各 种 热 源 下 炸 、 炒 、 炖 、 煮食品 ,经受长期的 急 冷 急 热 条 件 下 的 考 验 仍 完 好 无 损 ,具有良好的热稳定性能 。n 透锂长石 c 锂辉石 z 锂霞石图 1 在 Li2 O - Al2 O3 - SiO2 系统的坯体的负膨胀系数区根据文献介绍 ,在 Li2 O - Al2 O3 - SiO2 系 统 中 存 在 热
5、膨胀系数为负值的区域 ,如图 1 所示 ,下面区域 包 括 - 锂 霞 石 的 固 熔 体 , 上 面 区 域 包 括 - 锂 辉 石 固 熔 体 。 锂辉石原料中的 Li2 O ,其化学活性比 K2 O 、 Na2 O 都 要 强 , 助 熔 作 用 也 比 K2 O 、 Na2 O 要 强 得 多 。 传 统 的 高 岭 石 长石 石英陶瓷体系中 ,石英在 1 200 的温度 下 很少 参 加 反 应 , 但 加 入 30 % 80 %锂 辉 石 后 , 石 英 在 1 100 时 就 已 发 生 反 应 。 Li2 O 对 SiO2 有 如 下 作 用 : 可使石英不断熔解于熔体中 ,抑
6、制了残余石英向 方 石英转化 。 众所 周 知 ,方 石 英 的 热 膨 胀 系 数 比 石 英大得多 ,且石英向方石英转化会产生较大的体积膨胀 。1 锂 辉 石 质 耐 热 砂 锅 耐 热 机 理陶瓷产品除要具备良好的热稳定性和高的抗张强25 2005 . No . 12 陶 瓷 Li2 O 可降 低 - 石英向 - 石英的晶型转 变 温 度 ,使- 石英具 有 更 宽 广 的 温 度 区 域 。 由 于 - 石 英 的 热 膨胀系数很低 ,这对 降 低 坯 体 的 热 膨 胀 系 数 有 重 要 意 义 。 - 锂辉石具有很强的析晶能力 ,当其 从 熔 体 中 析 出时 ,因熔体晶格中吸纳
7、了相当数量的 SiO2 ,使 得 熔 体中游离的 SiO2 含量减少 ,致 使 方 石 英 不 会 因 熔 体 中 SiO2 过量 而 产 生 。 用 锂 辉 石 代 替 长 石 作 为 坯 料 的 熔 剂 ,瓷坯的热膨胀系数可以小于 2 10 - 6, 因 此 锂 辉 石质砂锅具有良好的耐热急变性能 。膨 胀系数小于 2 10 - 6 (20 800 ) 的坯体 ,化 学 组成 范围为 ( 质 量 %) : SiO2 61 . 12 70 . 15 ,Al2 O3 22 . 4331 . 17 , Li2 O 2 . 51 4 . 92 。 其 他 成 分 如 Fe2 O3 、 MgO 、
8、CaO 、 K2 O 和 Na2 O 对 坯 体 的 烧 成 起 助 熔 作 用 。 用 锂 辉 石 代 替 长 石 作 为 坯 料 的 熔 剂 , 选 择 含 Na2 O 、 K2 O 、 SiO2 较低的中厦土 ,考虑到工艺成形的要求 ,在配方中除引 入乌土外再加入红粘土洗泥 ,该洗泥可塑性强 ,有利于 坯体成形 ,同时含 铁 量 高 ,能 降 低 坯 体 的 耐 火 度 ,还 有 利于坯体的 烧 结 。 坯 用 原 料 的 化 学 组 成 见 表 1 , 经 反 复 实验 ,采用正交 试 验 法 确 定 出 各 原 料 用 量 范 围 。 以 锂辉石 、 高岭土 、 乌土 、 红粘土作为
9、考察因素 ,其用量为2 实 验4试 验水平 ,采用 L9 ( 3 ) 安 排 正 交 试 验 。 因 素 水 平 及 实验安排表见表 2 、 表 3 。2 . 1 坯料配方据文献介绍 ,在低热膨胀坯体的应用中 ,要获得热表 1 坯用原料化学组成 (质量 %)SiO2 Al2 O3 Fe2 O3 CaO MgO K2 O Na2 O Li2 O 烧失 合计锂辉石中厦土 乌 土红粘土洗泥64. 91 26. 42 0. 53 0. 11 0. 13 0. 69 0. 46 6. 78 0. 20 100. 2357. 03 30. 39 0. 54 12. 03 99. 9961. 03 22.
10、64 1. 01 0. 19 0. 26 1. 49 0. 78 12. 15 99. 5564. 32 20. 39 5. 18 0. 13 0. 83 1. 52 0. 74 6. 89 100表 2 正交实验因素水平表 想 配方 2 # 、 5 # 、 8 # ,并 在 此 基 础 上 再 进 行 试 验 ,确 定以 下坯料配 方 , 试 验 结 果 达 到 预 期 指 标 。 锂 辉 石 45 ,高岭土 15 ,乌土 30 ,红粘土洗泥 10 。表 4 坯料化学组成 (质量 %)因素 锂辉石 中厦土 乌 土 红粘土洗泥42454818151227303313107水 平SiO2 Al2
11、 O3 Fe2 O3 CaO MgO K2 O Na2 O Li2 O 烧失 合计62 . 50 25 . 28 1 . 14 0 . 12 0 . 22 0 . 91 0. 51 3. 05 6. 23 99. 96表 3 实验安排表坯式 :0 . 009 CaO0 . 021 MgO0 . 038 K2 O0 . 032 Na2 O0 . 400 Li2 O试验号 锂辉石 中厦土 乌 土 红粘土洗泥1 42 18 33 102 45 18 27 13 0 . 972 Al2 O30 . 028 Fe2 O3 4 . 07 SiO23 48 18 30 74 42 15 30 135 45
12、15 33 72 . 2 坯料的制备工艺流程及工艺参数原料的拣选 中碎 称量 球磨 过筛 压滤 练泥 陈腐 成形 修坯 素烧 施釉 烧成其工艺参数为 :原 料入磨 粒 度 : 软 质 48 h ;干燥温度 :60 ,入窑水分 3 % ; 素 烧 温 度 : 880 900 , 周 期 9 10 h ,素烧坯体吸水率 16 % 18 % 。2 . 3 釉料配方用 锂辉石代替 长 石 作 为 釉 用 原 料 的 熔 剂 ,可 降 低 釉 的膨胀 系 数 , 提 高 坯 釉 的 结 合 强 度 , 提 高 了 热 稳 定 性 ;同时增强了釉 面 强 度 和 抗 污 染 能 力 。 经 过 反 复 试
13、 验得到与坯体结合良好的釉料配方见表 5 。2 . 4 釉料制备及工艺参数球磨 :料 球 水 = 1 2 0 . 8 ,球 磨 时 间 20 24 h ; 釉 料 细度 : 250 目 筛 余 0 . 1 % ; 施 釉 方 法 : 采 用 喷 釉 、 浸釉 、 浇釉等方法施 釉 ; 釉 浆 容 重 : 1 . 2 1 . 48 g ; 釉 层 厚度 :0 . 1 0 . 2 。2 . 5 烧成工艺适 当提高釉烧 温 度 和 延 长 高 温 保 温 时 间 ,会 加 速 釉料中石英的熔融 ,减少残余石英 ,从而降低釉的膨胀 系 数 ,提 高 坯 釉 结 合 强 度 。 该 产 品 在 4 .
14、5 的 液 化 石 油气梭式窑 (氧化气 氛 ) 烧成 。 经实验确定烧成制度如 表 6 所示 。釉料配方 (质量 %)表 5锂辉石 长石 石英 熔块 高岭土洗泥 氧化锌 合计42 15 10 25 5 3 100表 6 烧成制度温度 ( ) 室温 830 850 1 100 1 150 1 260 1 260 1 260室温烧成时间 ( h) 3 3 4 0. 5 1 自然冷却3 . 4 烧成制度对制品耐热性能的影响耐热砂锅的烧成温度和烧成时间对耐热砂锅的耐 热 性能有极大影响 ,适 当 提 高 烧 成 温 度 和 延 长 高 温 保 温 时间 ,会 使 制 品 中 石 英 熔 融 , 从
15、而 降 低 坯 釉 膨 胀 系 数 ,提高坯釉结合强度 。 经试验 耐 热 砂 锅 宜 在 1 2401 260 的温度 下 烧 成 ,若 烧 成 温 度 太 低 ,坯 体 生 烧 且 强 度低 ,化 学 反 应 不 完 全 , 吸 水 率 大 , 耐 热 性 能 差 ; 反 之 ,坯体产生过烧膨 胀 ,玻 璃 相 太 多 ,同 样 耐 热 性 能 差 且 浪费能源 。 止火 保 温 时 间 要 适 当 ,确 保 窑 内 温 度 的 均匀和化学反应完全 。3 结 果 与 讨 论3 . 1 产品测试结果热膨胀系数 : (1 . 5 2 . 0) 10 - 6 (20 800 ) ;热稳定性 :800 时投入 20 水中一次不裂 。3 . 2 锂辉石对制品性能的影响一 般锂 辉 石 含 Li2 O 为 6 % 8 % , 由 于 金 属 中 Li离子半径最小 ,一般 含 锂 矿 物 都 具 有 很 低 甚 至 接 近 零 的热膨胀特性 。 在陶瓷坯体中加入锂辉石可降低烧成 温 度 、 热膨胀系数 ,提 高 制 品 的 耐 热 急 变 性 和 耐 酸 性 ; 经 实验 , 在 坯 体 中 加 入 40 % 50 %锂 辉 石 , 瓷 坯 的 热 膨胀系
