CN111606699B - 一种轻质多孔日用细瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轻质多孔日用细瓷，包括如下重量百分比的化学成分：SiO254‑64％、Al2O330‑37％、K2O 0.1‑1％、Na2O 0.2‑0.5％、CaO 1‑5％、MgO 1‑3％和P2O50‑1.5％，该组成的瓷胎在制备过程中无需添加任何造孔剂或稳泡剂、经过烧成则可以形成很多闭口气孔，得到体积密度低、机械强度高及透光度高的细瓷。

Description

一种轻质多孔日用细瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及日用陶瓷领域，具体涉及一种轻质多孔日用细瓷及其制备方法。
背景技术
日用陶瓷是人们家庭中常用的物品，千百年来深受老百姓的喜爱，承载着深厚的历史底蕴，也是文明发展的见证者。日用瓷器也是人们日常生活中不可或缺的日用品之一，日用瓷器可分为炻器、普通瓷器和细瓷器。日用细瓷吸水率一般低于0.5％，有较高的机械强度，透光性较好，断面呈贝壳状，制作精细。由于日用细瓷具有诸多优良性能，一直为广大消费者所青睐，但随着生活水平的不断提高，人们对日用细瓷提出了更高的要求，需要其不仅要经久耐用，外观漂亮，而且要求轻质化、隔热不烫手。另外，日用陶瓷轻质化生产，不仅能够降低陶瓷的重量，便于长途运输，可以有效的节约运输成本，并且能够为企业争取更大的利润空间。因此研发一种轻质隔热日用细瓷具有一定的实际意义。
虽然日用瓷陶瓷的轻质化可以通过减小瓷胎的厚度来实现，但这样做的结果会使产品变得易破损且更烫手。陶瓷的轻质化也可以通过提高瓷胎内的气孔含量来实现，采用这一方法可以同时实现瓷胎的轻量化和隔热保温目的，但增加气孔含量势必会对瓷胎的机械强度和透光性产生不利影响，而且还会增大瓷胎的吸水率，进而影响产品的耐用性和外观品质。由此看来，日用瓷的轻质隔热、高的机械强度、良好的透光性、低的吸水率之间存在不可调和的矛盾。
目前，关于轻质多孔陶瓷的研究，大多集中在对机械强度、透光性和吸水率没有太高要求的多孔泡沫陶瓷方面，该陶瓷主要应用于建筑隔热材料。关于日用陶瓷轻量化的研究较少，而轻质多孔日用细瓷的相关研究更是极少。如中国专利申请201711251268.2报道了一种轻质多孔日用陶瓷的制备方法，该方法通过在长石、石英、黏土和水制成的泥浆中添加发泡剂和稳泡剂，并使用搅拌机高速搅拌获得泡沫分布均匀的泥浆，之后经成型、干燥、烧成后获得轻质多孔日用陶瓷。使用该方法虽然可以制备出体积密度可达1.12-1.8g/cm3，但其吸水率却高达30-38％，远达不到日用细瓷吸水率<0.5％的国家标准要求，这主要是该陶瓷内部形成的气孔大部分是连通的开口气孔所致，并且其抗弯强度也很低，仅为5-15.3MPa。另一项中国专利申请201910477486.0报道了一种低导热的轻质多孔日用陶瓷及其制备方法，该方法是将锂长石粉、锂基膨润土粉、铝矾土粉、γ型三氧化二铝、石英粉、硅酸铝纤维管、水、减水剂等进行配料球磨后获得坯浆，然后将发泡剂、稳泡剂加入坯浆中，进行发泡，最后经成型、干燥、烧成后获得轻质多孔日用陶瓷，使用该方法同样可以制备出低体积密度的轻质多孔日用陶瓷，但其抗弯强度也只有5-15.6MPa，远低于普通日用陶瓷的抗弯强度(50-80MPa)。另外，上述两种方法无一例外地添加了发泡剂和稳泡剂，均有低温发泡过程，这使得其制备工艺复杂且难以控制。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中需要使用发泡剂或稳泡剂来制备轻质多孔日用陶瓷且制备的多孔日用陶瓷吸水率高、抗弯强度低的缺陷，从而提供一种轻质多孔日用细瓷。
本发明还提供一种轻质多孔日用细瓷的制备方法。
为此,本发明提供一种轻质多孔日用细瓷，包括如下重量百分比的化学成分：SiO254-64％、Al2O3 30-37％、K2O 0.1-1％、Na2O 0.2-0.5％、CaO 1-5％、MgO 1-3％和P2O5 0-1.5％。
进一步地，包括如下重量百分比的化学成分：SiO2 57-63％、Al2O3 32-37％、K2O0.1-1％、Na2O 0.35-0.5％、CaO 1-5％、MgO 1-1.5％和P2O5 0-1.5％。
进一步地，包括如下重量百分比的原料：高岭土35-40％、石英30-40％、长石0-7％、氧化铝粉10-20％、方解石2-5％、烧滑石2-4％和骨碳0-3％。
进一步地，包括如下重量百分比的原料：高岭土38-40％、石英35-40％、长石3-7％、氧化铝粉15-20％、方解石3-4％、烧滑石2-4％和骨碳1-2％。
本发明还提供一种上述的轻质多孔日用细瓷的制备方法，包括以下步骤：
将高岭土、石英、长石、氧化铝粉、方解石、烧滑石和骨碳经配料、球磨、过筛、除铁、压滤、练泥、成型、干燥、施釉、烧成，即得所述轻质多孔日用细瓷。
进一步地，所述烧成制度为：首先以2～3℃/min的升温速率将系统从室温升至1150～1180℃，并保温1～3h，然后以8～10℃/min的升温速率将系统温度继续升至1280～1350℃，保温0.5～1h。
进一步地，所述烧成制度为：首先以3℃/min的升温速率将系统从室温升1150℃，并保温1～3h，然后以8℃/min的升温速率将系统温度继续升至1280～1350℃，保温0.5～1h。
进一步地，烧成步骤后还有降温的步骤。
进一步地，所述降温为自然冷却至室温。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的轻质多孔日用细瓷，该组成的瓷胎在制备过程中无需添加任何造孔剂或稳泡剂、经过烧成则可以形成很多闭口气孔，得到体积密度低、机械强度高及透光度高的细瓷。具体地，使用CaO、MgO等碱土金属氧化物代替传统的K2O、Na2O等碱金属氧化物为主要助熔剂，与碱金属氧化物K2O、Na2O相比，碱土金属氧化物CaO和MgO对石英和氧化铝有较强的溶解作用。这样在高温下能使更多的SiO2和Al2O3熔入玻璃相中，一方面，熔入较多的SiO2和Al2O3会使玻璃相的高温粘度提高，流动性降低不易填充坯体内的气孔，并且在高温下，被高粘度玻璃相包围气孔中的气体不易逸出形成连通的开口气孔，从而保证瓷胎中高的闭口气孔含量和低的吸水率；另一方面，由于玻璃相中溶解了大量的Al2O3，这不仅有利于二次莫来石晶体的析出，而且也会提高玻璃相自身的强度，能够保证瓷胎较高的机械强度；若氧化铝含量过低，会降低产品的机械强度，并且会使气孔的形成量减少，产品体积密度增大；氧化铝含量过高会提高制品的烧成温度，否则会提高产品的吸水率，达不到日用细瓷的国家标准要求。
2.本发明提供的轻质多孔日用细瓷，不需添加其他助熔剂，如Li2O，如果添加了Li2O，其在较低温度下就能与坯体中的原料发生低共熔反应，形成大量液相，且形成的液相高温粘度较小，很容易填充坯体内的气孔，进而使坯体致密化。
3.本发明提供的轻质多孔日用细瓷的制备方法，所述烧成的具体过程为：首先以2～3℃/min的升温速率将系统从室温升至1150-1180℃，并保温1～3h，然后以8-10℃/min的升温速率将系统温度继续升至1280～1350℃，保温0.5～1h。透光性是日用陶瓷的一个很重要的性能指标，陶瓷材料中的气孔对其透光性有很大影响，气孔含量越多，陶瓷的透光性越低，这是因为气孔对入射的可见光有很强的散射作用，导致光透过率降低。当气孔尺寸大于可见光波长时，在气孔含量相同情况下，气孔尺寸越大，散射越小，透光性越好，但同时会降低瓷胎的机械强度。因此为了兼顾瓷胎的强度和透光性，需要控制气孔的大小及含量。为此，本发明使用阶梯式的升温制度，在1150-1180℃之前以2-3℃/min的升温速率慢速升温，缓慢升温有利于粘土矿物脱水、碳酸盐分解，能使此过程产生的气体顺利排出，否则很难实现对坯体中形成气孔的可控，这是因为随着烧成温度的升高，坯体中逐渐有液相产生，液相会阻塞气体排出的通道，但此时坯体中若有大量气体产生，这些气体势必要突破液相排出坯体之外，此过程中产生的气孔将是杂乱无章的，并且极易形成开口气孔，导致吸水率增大。在1150-1180℃进行适当的保温，一方面，由于本系统在该温度下还未有大量液相产生，可以使坯体中的碳酸盐得到进一步的充分分解；另一方面，可以使原料中的高岭土矿物充分莫来石化，这对提高产品机械强度十分有利。1150℃-1180℃之后以8-10℃/min的升温速率快速升温至烧成温度，在此过程中，如果升温速率过慢，坯体中产生的液相会溶解过多的Al2O3，致使液相粘度过大，坯体中的空隙得不到有效填充，使形成的气孔尺寸过大且不规则，会严重影响瓷胎的机械强度；如果升温速率过快，坯体中的液相粘度较小，这一方面会使气孔数量减少，体积密度增大，另一方面会使气孔连通加剧，开口气孔数量增加，影响产品的强度和吸水率。
4.本发明提供的轻质多孔日用细瓷的制备方法，由于不含有任何造孔剂，因此省去了低温发泡造孔工序，制备工艺简单，易于控制。
5.本发明提供的轻质多孔日用细瓷，综合性能优异：抗弯强度为70～100MPa，体积密度为2.0～2.2g/cm3，吸水率<0.5％，并具有良好的透光性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中轻质多孔日用细瓷的SEM显微结构图；
图2是本发明对比例1中日用细瓷的SEM显微结构图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
按照配方称取各种原料：高岭土40％、石英34％、方解石4％、烧滑石3％、骨炭3％、氧化铝粉16％，其化学组成为：SiO2 57.36％、Al2O335.32％、K2O 0.16％、Na2O 0.35％、CaO4.46％、MgO 1.02％、P2O5 1.33％。
通过以下方法制备日用细瓷：将各原料混合并球磨至80％以上的颗粒粒径在10μm以下，然后将球磨好的原料过100目和180目双层振动筛，将通过双层振动筛的浆料在磁场强度为20000高斯的除铁器中进行除铁2次，然后压滤成水份为23-25％的泥饼，随后在真空度为0.095MPa的条件下进行练泥3次，然后滚压成型，在干燥温度100℃的条件下进行干燥使得干燥后生坯含水率低于3％，经浸釉后进行烧成。
其中，烧成的具体过程为：首先以3℃/min将系统从室温升1150℃，并在1150℃下保温3h，然后将系统以8℃/min从1150℃升至1310℃，并在1310℃保温0.5h，然后自然冷却至室温后即获得轻质多孔日用细瓷。
图1为该实施例的细瓷的SEM显微结构图，从图中可以看出烧成后的瓷胎中含有大量闭口气孔，且气孔分布均匀。
实施例2
按照配方称取各种原料：高岭土38％、石英35％、方解石5％、烧滑石3％、骨炭1％、氧化铝粉18％，其化学组成为：SiO2 57.51％、Al2O3 36.70％、K2O 0.16％、Na2O 0.35％、CaO3.82％、MgO 1.02％、P2O5 0.44％。
日用细瓷的制备方法同实施例1，不同之处在于烧成步骤。
烧成的具体过程为：首先以2℃/min将系统从室温升1180℃，并在1180℃下保温2h，然后将系统以10℃/min从1180℃升至1350℃，并在1350℃保温1h，然后自然冷却至室温后即获得轻质多孔日用细瓷。
实施例3
按照配方称取各种原料：高岭土36％、石英38％、方解石3％、烧滑石4％、氧化铝粉19％，其化学组成为：SiO2 59.44％、Al2O3 36.51％、K2O 0.16％、Na2O 0.35％、CaO 2.60％、MgO 1.47％。
日用细瓷的制备方法同实施例1，不同之处在于烧成步骤。
烧成的具体过程为：首先以3℃/min将系统从室温升1150℃，并在1150℃下保温1.5h，然后将系统以9℃/min从1150℃升至1280℃，并在1280℃保温1h，然后自然冷却至室温后即获得轻质多孔日用细瓷。
实施例4
按照配方称取各种原料：高岭土39％、石英37％、长石7％、方解石2％、烧滑石2％、氧化铝粉13％，其化学组成为：SiO2 63.65％、Al2O3 32.53％、K2O 0.92％、Na2O 0.50％、CaO1.39％、MgO 1.01％。
日用细瓷的制备方法同实施例1，不同之处在于烧成步骤。
烧成的具体过程为：首先以3℃/min将系统从室温升1150℃，并在1150℃下保温1h，然后将系统以8℃/min从1150℃升至1290℃，并在1290℃保温1h，然后自然冷却至室温后即获得轻质多孔日用细瓷。
实施例5
按照配方称取各种原料：高岭土40％、石英40％、方解石2％、烧滑石2％、氧化铝粉16％，其化学组成为：SiO2 62.90％、Al2O3 33.99％、K2O 0.17％、Na2O 0.38％、CaO 1.42％、MgO 1.13％。
日用细瓷的制备方法同实施例1，不同之处在于烧成步骤。
烧成的具体过程为：首先以3℃/min将系统从室温升1150℃，并在1150℃下保温1h，然后将系统以8℃/min从1150℃升至1330℃，并在1330℃保温1h，然后自然冷却至室温后即获得轻质多孔日用细瓷。
实施例6
按照配方称取各种原料：高岭土40％、石英37％、长石3％、方解石2％、烧滑石3％、氧化铝粉15％，其化学组成为：SiO2 62.12％、Al2O3 34.48％、K2O 0.49％、Na2O 0.44％、CaO1.38％、MgO 1.09％。
日用细瓷的制备方法同实施例1，不同之处在于烧成步骤。
烧成的具体过程为：首先以3℃/min将系统从室温升1150℃，并在1150℃下保温3h，然后将系统以8℃/min从1150℃升至1300℃，并在1300℃保温1h，然后自然冷却至室温后即获得轻质多孔日用细瓷。
对比例1
按照配方称取各种原料：高岭土38％、石英18％、长石34％、氧化铝粉10％，其化学组成为：SiO2 61.97％、Al2O3 32.90％、K2O 3.74％、Na2O 1.10％、CaO 0.12％、MgO 0.17％。
制备步骤同实施例1。
图2为该对比例得到的日用细瓷的SEM显微结构图，从图中可以看出烧成后的瓷胎非常致密，气孔含量很少。
对比例2
按照配方称取各种原料：高岭土35％、石英35％、长石2％、方解石2％、烧滑石2％、氧化铝粉24％，其化学组成为：SiO2 55.33％、Al2O3 41.49％、K2O 0.36％、Na2O 0.38％、CaO1.36％、MgO 1.08％。
制备步骤同实施例1。
对比例3
配方及制备方法同实施例1，不同之处在于烧成步骤。
烧成的具体过程为：以5℃/min的升温速率升温至1310℃，并在1310℃保温0.5h，然后自然冷却至室温。
实验例
分别测定实施例和对比例中制得的日用细瓷的抗弯强度、体积密度和吸水率，测试方法具体为：
抗弯强度：
使用美国英斯特朗5500型电子万能试验机，采用三点弯曲法测试日用细瓷的抗弯强度。将样品加工成30mm×5mm×5mm的试条，并对表面进行抛光处理，同时对试条的长边棱进行45°倒角以消除样品表面和棱边处因加工产生的应力缺陷。把样品放在万能试验机样品台上，使样品的中心与压头对齐，以0.5mm/min的加载速度使压头缓慢下降直到样品断裂，记下最大加载载荷值P。然后测量试样的宽度B和高度h，代入如下公式计算抗弯强度σ：
Figure BDA0002524684240000111
其中，σ为抗弯强度，单位MPa；P为最大载荷，单位N；b为试样宽度，单位mm；h为试样高度，单位mm；L为跨距，设定为20mm。
体积密度和吸水率：
将被测试样置于110℃烘箱中干燥至恒重,以除去试样开放孔隙内的水气，秤得干燥试样的重量m1。然后将试样置于水中，加热水至沸腾并保持煮沸3h，煮沸期间应保持水面高出试样10mm以上，停止加热并使试样浸泡在水中冷却至室温。将样品开放孔隙内的气体除去,使水能充满试样的开放孔隙。将饱和试样悬吊在天平钓钩上,并浸入有溢流管容器的去离子水中,秤得饱和试样的表观重量m2。将样品取出,用饱和了水的毛巾擦拭饱和试样,并立即称取饱和试样的质量m3。代入下面公式，计算吸水率W和体积密度Db。
Figure BDA0002524684240000112
Figure BDA0002524684240000113
式中：m1--干燥试样的质量，g；
m2--饱和试样的表观质量，g；
m3--饱和试样在空气中的质量，g；
Dl--实验温度下，浸渍液体的密度(本实验中浸渍液体为水)，g/cm3。
具体的测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002524684240000121
由表1可知，本发明实施例1-6制得日用瓷的吸水率均小于0.5％，满足GB/T 3532-2009《日用瓷器》标准中日用细瓷要求。通过实施例与对比例实验结果的对比可知，常规配方采用与本发明相同制备工艺制得日用瓷的体积密度明显增大，达不到轻质的效果，且抗弯强度和吸水率也不及实施例，见对比例1；Al2O3含量超出本发明规定范围的配方采用与本发明相同制备工艺制得日用瓷的吸水率明显增大，超出了日用细瓷的国标要求，见对比例2；本发明规定范围内的配方采用普通的烧成工艺烧成后制得日用瓷的抗弯强度明显降低，吸水率也不满足GB/T 3532-2009《日用瓷器》标准中日用细瓷要求，见对比例3。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种轻质多孔日用细瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将高岭土、石英、长石、氧化铝粉、方解石、烧滑石和骨碳经配料、球磨、过筛、除铁、压滤、练泥、成型、干燥、施釉、烧成，即得所述轻质多孔日用细瓷；
所述烧成制度为：首先以2～3℃/min的升温速率将系统从室温升至1150～1180℃，并保温1～3h，然后以8～10℃/min的升温速率将系统温度继续升至1280～1350℃，保温0.5～1h；
所述轻质多孔日用细瓷包括如下重量百分比的化学成分：SiO2 54-64％、Al2O3 30-37％、K2O 0.1-1％、Na2O 0.2-0.5％、CaO 1-5％、MgO 1-3％和P2O5 0-1.5％。
2.根据权利要求1所述的轻质多孔日用细瓷的制备方法，其特征在于，所述烧成制度为：首先以3℃/min的升温速率将系统从室温升1150℃，并保温1～3h，然后以8℃/min的升温速率将系统温度继续升至1280～1350℃，保温0.5～1h。
3.根据权利要求1所述的轻质多孔日用细瓷的制备方法，其特征在于，烧成步骤后还有降温的步骤。
4.根据权利要求3所述的轻质多孔日用细瓷的制备方法，其特征在于，所述降温为自然冷却至室温。
5.根据权利要求1-4任一项所述的轻质多孔日用细瓷的制备方法，其特征在于，所述轻质多孔日用细瓷包括如下重量百分比的化学成分：SiO257-63％、Al2O3 32-37％、K2O 0.1-1％、Na2O 0.35-0.5％、CaO 1-5％、MgO 1-1.5％和P2O5 0-1.5％。
6.根据权利要求5所述的轻质多孔日用细瓷的制备方法，其特征在于，所述轻质多孔日用细瓷包括如下重量百分比的原料：高岭土38-40％、石英35-40％、长石3-7％、氧化铝粉15-20％、方解石3-4％、烧滑石2-4％和骨碳1-2％。
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