CN113321487A - 一种无锂耐热日用陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无锂耐热日用陶瓷及其制备方法，由以下质量百分比的原料制备得到：高岭土21‑28份、工业氧化铝粉21‑28份、钛白粉16‑22份、石英17‑22份、长石4‑6份、滑石6‑8份，外加以上原料总质量的1‑3％氧化铁、1‑2％氧化锌以及0～5％的坯体增强剂。本发明所得无锂耐热日用陶瓷不使用含锂矿物原料，可以与现有陶瓷生产企业生产技术相结合，无需增加新的设备和改变陶瓷生产的原有工艺流程。只需添加少量外加剂和调整陶瓷原料的配合比，即可通过改变瓷坯物相组成达到增强普通日用陶瓷抗热震性和力学性能的目的，所得产品使用性能好，成本低廉，有利于大规模生产推广。

Description

一种无锂耐热日用陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及普通陶瓷制备技术领域，具体涉及一种无锂耐热日用陶瓷及其制备方法。
背景技术
随着人民生活水平和人们对绿色保健厨具要求的提高，绿色、环保、健康的日用耐热陶瓷获得生产企业和消费者的认同，并推动耐热陶瓷烹饪产品不断创新和生产规模的迅速发展。耐热日用陶瓷烹饪器具在使用过程中常经受温度大于100℃、甚至数百摄氏度的频繁热起伏以及冷热变化引起的热应力冲击，不仅要求其具有高抗热震性能，还要保持应有的抗机械冲击强度。而传统陶瓷烹饪制品的热膨胀系数一般超过6×10-6/℃，由于其热稳定性较差，极易在使用过程中发生炸裂和漏底等问题；另外，传统日用陶瓷烹饪制品也难于适应现代燃气炉、电烤炉、微波炉等新型炉灶的高温烧煮和烧烤要求，或直接在各种热源下炸、炒、炖、煮食品等急冷急热考验仍完好无损的要求。因此，生产优质高端的耐热日用陶瓷产品是行业发展的必然趋势。
耐热陶瓷烹饪器要求具有较低的热膨胀系数，为此，传统耐热日用陶瓷常在陶瓷坯料中加入含锂长石、锂辉石或锂霞石等含锂矿物以及堇青石等矿物相以降低陶瓷制品的热膨胀系数和提高其抗热震性。堇青石质耐热陶瓷一般由锂辉石、滑石、粘土和熟料配制而成，以堇青石为原料或主晶相的陶瓷制品尽管其热膨胀系数低、抗热震性好，但这种坯料烧成范围较窄，难于在工业窑炉中烧成。锂质高档耐热陶瓷通常以锂辉石、高岭土、苏州土、石英砂、长石以及其他黏土矿物等为原料，所制成的陶瓷锅或煲，热膨胀系数在(2-3)×10-6/℃之间，具有很低的膨胀系数和较好的热稳定性，成为当今国内耐热陶瓷烹饪器具中最为常见的一种。但该类陶瓷坯体的主晶相为β-锂辉石及其固溶体、莫来石和残留石英，其中β-锂辉石及其固溶体通常占晶相的60～80％。为满足其成型和产品性能的要求，在坯体配方设计过程中，锂辉石等含锂矿物一般保持在35～45wt％，有的产品中锂辉石和锂长石的用量高达60％以上等。随着近年来含锂矿物价格逐年增长，同时锂辉石烧成范围窄，容易导致产品变形同时，含锂矿物的高用量已成为制约该类陶瓷制品生产的主要瓶颈之一。尽管部分耐热烹饪器皿或耐热砂锅生产用透锂长石取代锂辉石可以降低了产品的生产成本，但在锂辉石价格不断上涨的背景下，产品依旧面临较高的生产成本。
钛酸铝陶瓷是由等摩尔氧化铝和氧化钛组成的特种陶瓷材料，原料来源广泛和价格低，具有较低的热膨胀系数，其较高的熔点使得钛酸铝陶瓷可以使其在更为严苛的条件下代替堇青石陶瓷的使用；但钛酸铝的合成温度通常在1400-1450℃以上，相对于现有的日用陶瓷1300℃左右的烧制温度差别较大，无法与一般的日用陶瓷原料共用。而且在烧制过程中存在难以致密化而导致陶瓷制品强度低、在800-1300℃范围内又因易高温分解而导致热膨胀系数升高的问题，这两大缺陷极大地限制了钛酸铝陶瓷的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不含锂质矿物的耐热陶瓷及其制备方法，可以替代含锂陶瓷用于日用陶瓷材料。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
一种无锂耐热日用陶瓷，由以下质量百分比的原料制备得到：高岭土21-28份、工业氧化铝粉21-28份、钛白粉16-22份、石英17-22份、长石4-6份、滑石6-8份，外加以上原料总质量的1-3％氧化铁、1-2％氧化锌以及0～5％的坯体增强剂。
优选地，所述无锂耐热日用陶瓷的化学组成为：Al2O3 32-36％、SiO2 35-43％、TiO2 17-22％、MgO 2-3％、Fe2O3 1-3％、ZnO 1-2％、K2O+Na2O＜1％，CaO小于0.1％。
优选地，所述无锂耐热日用陶瓷的化学组成为：Al2O3 34％、SiO2 39％、TiO219％、KNaO 1％、MgO 2.6％、CaO 0.1％、Fe2O3 3.3％、ZnO 1％。
优选地，所述无锂耐热日用陶瓷的物相组成包含：钛酸铝及其固溶体、莫来石、堇青石及硅线石。
优选地，所述滑石为烧滑石，所述工业氧化铝、二氧化钛、滑石、氧化铁和氧化锌的粒度为通过100-180目标准筛。
优选地，所述无锂耐热日用陶瓷的体积密度介于2.5～2.7g/cm3，弯曲强度大于75MPa，热膨胀系数(3.4-3.9)×10-6/℃(室温-600℃)，600℃-20℃水环境3次热冲击不开裂。
本发明的另一目的是提供一种无锂耐热日用陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)按比例将高岭土21-28份、工业氧化铝粉21-28份、钛白粉16-22份、石英17-22份、长石4-6份、滑石6-8份，外加以上原料总质量的1-3％氧化铁、1-2％氧化锌以及0～5％的坯体增强剂进行配料，得到混合物料；
(2)向所述步骤(1)的混合物料中加入固态物料0.5％-0.8％的水玻璃和一定量的水，湿法球磨制成泥浆或再经练泥制成可塑泥料；
(3)得到的泥浆或可塑泥料经成型、脱模和烘干后，坯体在1280-1350℃条件下一次烧结制成，随炉冷却后即可得到无锂耐热日用陶瓷。
优选地，步骤(2)中，球磨制备泥浆时泥浆细度通过200目标准筛、泥浆的含水为35-40％；经练泥制成可塑泥料的含水率15-20％。
本发明无锂耐热日用陶瓷以传统陶瓷用天然矿物原料、工业氧化铝和钛白粉为主要原料，外加少量氧化铁和氧化锌添加剂、以及少量的坯体增强剂，并选取水玻璃为电解质。混合料在高温烧制过程中，氧化锌可促进氧化铝和钛白粉低温生成钛酸铝，并与天然陶瓷原料中所含的SiO2、MgO、以及添加的Fe2O3等化学元素协同作用，原位反应生成高温稳定的钛酸铝固溶体，同时形成低膨胀堇青石晶体，有效避免陶瓷坯体中方石英的形成，从而有效降低瓷坯的热膨胀系数。此外，陶瓷原料烧成过程中形成莫来石、硅线石等物相，增强陶瓷坯体的力学性能，依靠不同物相间热膨胀性能的差异性产生挤压作用，防止钛酸铝异常长大和高温分解，从而有效降低陶瓷的热膨胀系数和提高瓷坯的力学性能和热稳定性能。
本发明的制备方法将混合料经湿法球磨制成泥浆或再经练泥制成可塑泥料后，可根据产品的形状大小，选取注浆成型或可塑辊压成型。本发明原料来源广泛，设备简单，且操作方便，工艺流程简单，由于实现了钛酸铝和日用陶瓷配料烧制温度的统一，可以与现有陶瓷生产企业生产技术相结合，无需增加新的设备和改变陶瓷生产的原有工艺流程。只需添加少量外加剂和调整陶瓷原料的配合比，即可通过改变瓷坯物相组成达到增强普通日用陶瓷抗热震性和力学性能的目的，所得产品使用性能好，成本低廉，有利于大规模生产推广。为传统日用耐热陶瓷生产提供一种节能降耗、提高产品质量的技术途径，对日用耐热陶瓷的生产具有重要的技术和经济价值。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本申请以下实施例所用的坯体增强剂为市售陶瓷坯体增强剂，主要成分为水溶性有机化合物和蒙脱石及膨润土。
实施例1：
称取高岭土21％、石英17％、长石4％、工业氧化铝28％、氧化钛22％、滑石8％，并加入上述物料总质量的1％氧化铁和2％氧化锌以及5％的坯体增强剂。按照料：水：球＝1：0.7：1.5配料，湿法球磨4h，所得泥浆经练泥处理后，陈腐24h，然后辊压成型，所得坯体置于烘箱中烘干。
将制备好的干坯放入窑炉中，由室温升温至900℃，控制升温速率为6℃/min，然后以3℃/min的升温速率升温至1280℃，保温30min，烧制结束后随炉冷却，得到耐热瓷制品。
所述陶瓷坯料的化学组成为：Al2O3 36％、SiO2 35％、TiO2 22％、KNaO 1.0％、MgO2.7％、CaO 0.1％、Fe2O3 1.2％、ZnO 2％。
所得陶瓷的主晶相为钛酸铝固溶体、莫来石、硅线石及少量的堇青石，吸水率0.27％，体积密度2.62g/cm3，弯曲强度75.4MPa，热膨胀系数3.91×10-6/℃(室温-600℃)，600℃-20℃水环境3次热冲击不开裂。
实施例2：
称取高岭土25％、石英20％、长石5％、滑石6％、工业氧化铝24％、氧化钛20％，并加入上述物料总质量的2％氧化铁和2％氧化锌以及5％的坯体增强剂。按照料：水：球＝1：0.7：1.5配料，湿法球磨4h，将所得泥料倒入准备好的石膏模具中。经石膏模具吸浆1h后，倒出剩余泥浆，并静置1h后脱模，所得坯体置于烘箱中烘干。
将制备好的干坯放入窑炉中，由室温升温至900℃，控制升温速率为6℃/min，然后以3℃/min的升温速率升温至1350℃，保温30min，烧制结束后随炉冷却，得到耐热瓷制品。
所述日用陶瓷坯料的化学组成为：Al2O3 37％、SiO2 35％、TiO2 20％、KNaO 1％、MgO 2.6％、CaO 0.1％、Fe2O3 2.3％、ZnO 2％。
所得陶瓷的主晶相为钛酸铝固溶体、莫来石、硅线石及少量的堇青石，吸水率0.06％，体积密度2.75g/cm3，弯曲强度81.5MPa，热膨胀系数3.52×10-6/℃(室温-600℃)，600℃-20℃水环境3次热冲击不开裂。
实施例3：
称取高岭土25％、石英20％、长石5％、滑石7％、工业氧化铝24％、氧化钛19％，并加入上述物料总质量的3％氧化铁和1％氧化锌以及5％的坯体增强剂。按照料：水：球＝1：0.7：1.5配料，湿法球磨8h，将所得泥浆经练泥处理后陈腐24h，然后辊压成型，所得坯体置于烘箱中烘干。
将制备好的干坯放入窑炉中，由室温升温至900℃，控制升温速率为6℃/min，然后以3℃/min的升温速率升温至1300℃，保温30min，烧制结束后随炉冷却，得到耐热瓷制品。
所述日用陶瓷坯料的化学组成为：Al2O3 35.5％、SiO2 34.5％、TiO2 22％、KNaO1.0％、MgO 2.7％、CaO 0.1％、Fe2O3 3.2％、ZnO 1％。
所得陶瓷的主晶相为钛酸铝固溶体、莫来石、硅线石及少量的堇青石，吸水率0.22％，体积密度2.53g/cm3，弯曲强度80.6MPa，热膨胀系数3.75×10-6/℃(室温-600℃)，600℃-20℃水环境3次热冲击不开裂。
实施例4：
称取高岭土21％、石英17％、长石4％、工业氧化铝28％、氧化钛22％、滑石8％，并加入上述物料总质量的2％氧化铁和2％氧化锌以及5％的坯体增强剂。按照料：水：球＝1：0.7：1.5配料，湿法球磨4h，所得泥浆经练泥处理后，陈腐24h，然后辊压成型，所得坯体置于烘箱中烘干。
将制备好的干坯放入窑炉中，由室温升温至900℃，控制升温速率为6℃/min，然后以3℃/min的升温速率升温至1350℃，保温30min，烧制结束后随炉冷却，得到耐热瓷制品。
所述日用陶瓷坯料的化学组成为：Al2O3 36％、SiO2 35％、TiO2 22％、KNaO1.0％、MgO 2.7％、CaO 0.1％、Fe2O3 2.3％、ZnO 2％。
所得陶瓷的主晶相为钛酸铝固溶体、莫来石、硅线石及少量的堇青石，吸水率0.10％，体积密度2.63g/cm3，弯曲强度82.4MPa，热膨胀系数3.46×10-6/℃(室温-600℃)，600℃-20℃水环境3次热冲击不开裂。
实施例5
称取高岭土28％、石英22％、长石6％、滑石6％、工业氧化铝21％、氧化钛16％，并加入上述物料总质量的1.5％氧化铁和2％氧化锌以及5％的坯体增强剂。按照料：水：球＝1：0.7：1.5配料，湿法球磨6h，将所得泥料倒入准备好的石膏模具中。经石膏模具吸浆1.5h后，倒出剩余泥浆，并静置1h后脱模，所得坯体置于烘箱中烘干。
将制备好的干坯放入窑炉中，由室温升温至900℃，控制升温速率为6℃/min，然后以3℃/min的升温速率升温至1350℃，保温15min，烧制结束后随炉冷却，得到耐热瓷制品。
所述日用陶瓷坯料的化学组成为：Al2O3 32.5％，SiO2 43％，TiO2 17.6％，KNaO1％，MgO 2.5％，CaO 0.1％，Fe2O3 1.8％，ZnO 1.5％。
所得陶瓷的主晶相为钛酸铝固溶体、莫来石、硅线石及少量的堇青石，吸水率0.04％，体积密度2.77g/cm3，弯曲强度92.7MPa，热膨胀系数3.96×10-6/℃(室温-600℃)，600℃-20℃水环境3次热冲击不开裂。
对比例1
制备方法与实施例1相同，不同之处在于没有添加氧化锌。
最终测得所得耐热陶瓷的晶相主要为石英、莫来石、钛酸铝固溶体(明显少于上述实施例)，还有少量二氧化钛和硅线石以及少许氧化铝，吸水率2.3％，体积密度2.58g/cm3，弯曲强度85.7MPa，热膨胀系数5.82×10-6//℃(室温-600℃)，600℃-20℃水环境1次热冲击不开裂。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无锂耐热日用陶瓷，其特征在于，由以下质量百分比的原料制备得到：高岭土21-28份、工业氧化铝粉21-28份、钛白粉16-22份、石英17-22份、长石4-6份、滑石6-8份，外加以上原料总质量的1-3％氧化铁、1-2％氧化锌以及0～5％的坯体增强剂。
2.根据权利要求1所述的无锂耐热日用陶瓷，其特征在于，所述无锂耐热日用陶瓷的化学组成为：Al2O3 32-36％、SiO2 35-43％、TiO2 17-22％、MgO 2-3％、Fe2O3 1-3％、ZnO 1-2％、K2O+Na2O＜1％，CaO小于0.1％。
3.根据权利要求1所述的无锂耐热日用陶瓷，其特征在于，所述无锂耐热日用陶瓷的化学组成为：Al2O3 34％、SiO2 39％、TiO2 19％、KNaO 1％、MgO 2.6％、CaO 0.1％、Fe2O33.3％、ZnO 1％。
4.根据权利要求1所述的无锂耐热日用陶瓷，其特征在于，所述无锂耐热日用陶瓷的物相组成包含：钛酸铝及其固溶体、莫来石、堇青石及硅线石。
5.根据权利要求1所述的无锂耐热日用陶瓷，其特征在于，所述滑石为烧滑石，所述工业氧化铝、二氧化钛、滑石、氧化铁和氧化锌的粒度为通过100-180目标准筛。
6.根据权利要求1所述的无锂耐热日用陶瓷，其特征在于，所述无锂耐热日用陶瓷的体积密度介于2.5～2.7g/cm3，弯曲强度大于75MPa，室温～600℃热膨胀系数(3.4-3.9)×10-6/℃，600℃-20℃水环境3次热冲击不开裂。
7.一种无锂耐热日用陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按比例将高岭土21-28份、工业氧化铝粉21-28份、钛白粉16-22份、石英17-22份、长石4-6份、滑石6-8份，外加以上原料总质量的1-3％氧化铁、1-2％氧化锌以及0～5％的坯体增强剂进行配料，得到混合物料；
(2)向所述步骤(1)的混合物料中加入固态物料0.5％-0.8％的水玻璃和一定量的水，湿法球磨制成泥浆或再经练泥制成可塑泥料；
(3)得到的泥浆或可塑泥料经成型、脱模和烘干后，坯体在1280-1350℃条件下一次烧结制成，随炉冷却后即可得到无锂耐热日用陶瓷。
8.根据权利要求7所述的无锂耐热日用陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，球磨制备泥浆时泥浆细度通过200目标准筛、泥浆的含水为35-40％；经练泥制成可塑泥料的含水率15-20％。
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