CN1167478A - 陶瓷用合成粘土及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

粘土和硅石及长石一起为陶器的三大基本成分，但现在的情况是，可塑性好，杂质少的优质粘土近年来呈不断枯竭之势。本发明提供保水性好、水膜生成量大，且可塑性好，具有与天然粘土同等性能或更好性能的合成粘土及其制造方法。本发明的合成粘土由非晶形二氧化硅30～65％(重量)、氧化铝三水合物30～65％(重量)以及选自海泡石、坡缕石、膨润土的一种或两种以上物料的混合物2～20％(重量)组成。本发明的合成粘土可为浆液状，也可对浆液状合成粘土进行脱水处理，呈含水粘土状，或对浆液合成粘土后再进行干燥处理，为块状或干粉状。

Description

陶瓷用合成粘土及其制造方法
              发明领域
本发明涉及陶瓷用合成粘土及其制造方法。
               背景技术
所谓陶瓷，通常是指以硅酸-氧化铝为主要成分，向其中加入含有碱金属、碱土金属的长石、丝云母、滑石等作为副成分进行混合、成型、施釉，并在规定温度(1250-1450℃)烧结而成的制品。这里所用的瓷土属于硅石(silicastone)-长石-粘土系，其中硅石、长石和粘土分别是以硅酸、碱金属-氧化铝-硅酸、氧化铝-硅酸为主要成分的组成材料，并用作成型的主要材料。这样，硅石、长石和粘土是陶器的三大基本成分。三大基本成分之一的粘土理想的是具有高可塑性且极少杂质的优质粘土。这种可塑性高的粘土能够改善制品的可成型性，能以高精确度制出复杂形状的制品，而且易于机械成形、加工。但现实情况是，具备这种优良特性的高品位天然粘土近年来逐渐枯竭。
另一方面，即使经过仔细处理净化，上述天然粘土原料的平均粒度通常还是在直径为0.5～2.0μm范围，因此通常还是不能满足瓷土在诸如流动性、延伸性等成型能力和原始强度方面的要求。而且，天然粘土中混有含铁矿物、含钛矿物等有色矿物和有机物等杂质，使高温烧成得到的烧结体白度降低。用淘选分级和化学处理等方法来去除这类有色矿物和杂质而又不损伤粘土的特性是不可能的。而且，采出的原料、处理过的原料其物理性能不稳定，原料处理时加入混凝剂又将在使用时因不易分散和不易胶溶而导致胶溶剂添加量增多等。再者，由于陶瓷用粘土矿是具有一定形状(板状、柱状)的晶体，当双轴方向(上下面)上产生剪切力时，结晶粒子有沿压力方向排列成行的性质，由于这种取向性，其X轴和Y轴方向的收缩率不同。这就成为成型品尺寸精度不高的主要原因。
本发明欲解决上述天然粘土存在的问题，目的在于提供具有下列优良特性的陶瓷用合成粘土：其中平均粒径可为0.4μm以下，比天然粘土的最小粒径还小，保水性高，水膜生成量大，铁、钛成分低，而且不发生粒子取向，成型品尺寸精度高，同时在烧成、烧结时活性高，烧结性得到改善等。本发明的另一目的在于提供在制造过程中不用有害添加剂，原料的处理及配合简单，制造容易的陶瓷用合成粘土的制造方法。
                   发明的公开
本发明是由细碎的非晶形二氧化硅30～65％(重量)、氧化铝三水合物30～65％(重量)以及选自海泡石、坡缕石、膨润土的一种或两种以上物质的混合物2～20％(重量)组成的陶瓷用合成粘土。
作为非晶形二氧化硅，最优选的原料可用煅制二氧化硅。作为氧化铝三水合物通常可使用氢氧化铝。作为本发明粘土的第三成分，可使用选自海泡石、坡缕石、膨润土的一种或两种以上物质的混合物，其中海泡石最为优选。该第三成分是给粘土提供粘性而添加的粘性源物质。
在制造本发明的合成粘土时，首先往由细碎的非晶形二氧化硅30～65％(重量)、氧化铝三水合物30～65％(重量)以及选自海泡石、坡缕石、膨润土的一种或两种以上物料的混合物2～20％(重量)组成的原料加水进行混合搅拌。
接着把所得浆料放在湿式粉碎机中进行粉碎混合，成为均匀的浆液状，制得浆液状合成粘土。本发明不只限于制得这种浆液状合成粘土，既可把这种浆液脱水制得含水量降低的粘土状合成粘土，也可将其进一步干燥成块状或干粉状合成粘土。
本发明极适用作陶器制造用材料，而且用本发明粘土制成的陶器的物理性能优于用天然粘土制成的陶器。在陶器的三大基本成分中，差不多同等品位的硅石和长石在世界各地都能获得，但优质且最适用的粘土在世界上分布不均，受到限制，在某些地域逐渐枯竭。本发明的合成粘土能够解决这个问题，可生产出各种陶器。按照本发明，想要制造的陶器的组成和物性可任意调整，重新审视以前的制造方法，由此可望提高制造时的效率和节约劳动力。本发明的合成粘土平均粒径在0.4μm以下，与天然粘土相比、粒径小，更细碎，保水性高，水膜生成量大，从而使瓷土流动顺畅，不易出现成型密度偏差，干燥、烧成引起的变形量小。
本发明粘土含铁量极低，含钛量控制在痕量级，因而可使陶器成品具有很高的白度，并且，本发明粘土因含有粒子形状为球形的成分和粒子形状的细碎纤维状的成分，故具有不发生粒子取向的特性，结果带来的优点是使用本发明粘土得到的成型品尺寸精度极高。
由于本发明粘土由微粒组成，故制造瓷土时，其烧成、烧结时的活性高，烧结性得到改善，较之采用天然粘土，可在更低的温度范围烧结。而且烧成的温度范围宽，烧成变形小，烧成品的机械强度得到改善。
               附图简述
图1是表示本发明合成粘土制造过程的方框图，图2是表示使用本发明合成粘土制造合成瓷土的制造过程方框图，图3表示制造合成瓷土的另一个形态的方框图。
           实施发明的最佳方式
本发明合成粘土由非晶形二氧化硅、氧化铝三水合物及粘性源物质等三种成分组成。这里，作为粘性源物质，使用海泡石、坡缕石、膨润土的一种或两种以上物料的混合物。
作为用于本发明的合成粘土的原料，使用比天然粘土更细碎的原料。作为硅酸源的细碎非晶形二氧化硅可以列举煅制二氧化硅、硅藻土，最优选的是煅制二氧化硅。煅制二氧化硅是平均粒径小于0.2μm的高纯度非晶形二氧化硅，其粒子形状为球形。在本发明中，作为煅制二氧化硅，可以使用在制金属硅(metallic silicon)或硅铁时从电炉中收集的副产物。粘土组成中非晶形二氧化硅的配合比例是30～65％(重量)，不足30％(重量)时，由于填充率低而烧结性恶化，得不到预定的强度(挠曲强度800kgf/cm2)以上；而超过65％(重量)时，由于玻璃层生成量变大，因而在烧成时容易软化变形，非晶形二氧化硅的优选配比是33～42％(重量)。
至于氧化铝三水合物，通常使用氢氧化铝。氢氧化铝莫氏硬度为3、比重为2.4，其质地极软，含Al2O3 65％、水35％。粘土组成中氧化铝三水合物的配比必须在30～65％(重量)范围内，不足30％(重量)时，适宜的烧成温度范围变窄；而超过65％(重量)时，烧结温度高，在预定温度下不能玻璃化，得不到预定的强度(挠曲强度800kgf/cm2以上)，氧化铝三水合物的优选配比是52～62％(重量)。
仅仅配合上述非晶形二氧化硅及氧化铝三水合物两种原料全然没有粘性。因而要往其中添加海泡石、坡缕石、膨润土中的一种或二种以上物料的混合物作为粘性源物质。海泡石、坡缕石、膨润土都具有双链状晶体结构，这三种中海泡石最为优选，海泡石可用作水分调节剂或保水剂、水膜形成剂及粘结剂。海泡石是以MgO-SiO2为主成分的硅酸镁，有微细的粒径，有0.2～2μm长的纤维束状构造，有粒子形状的微细的纤维状。海泡石在水中的分散性很好，而且保水性高。由于海泡石、坡缕石、膨润土硬度都低，用合适的粉碎机诸如球磨机或砂磨机在水中连续施加冲击与研磨时，可达到超细化(海泡石的束状纤维被解离成单纤丝)，变成非常稳定的糊状物。粘土组成中粘性源物质的配比是2～20％(重量)，不足2％(重量)时，缺乏成型性，成型变得困难；超过20％(重量)时，瓷土的塑性水量增大，干燥、烧成时收缩变大，发生龟裂、变形、扭曲，尺寸精度降低。粘性源物质的优选配比是4～12％(重量)。
本发明粘土中3种成分的最优选组合是煅制二氧化硅、氢氧化铝、海泡石。表1中示出煅制二氧化硅、氢氧化铝、海泡石的化学分析数据。表2中示出本发明合成粘土和天然粘土(新西兰高岭土、陶土(GaeromeClay))的化学分析值。
本发明的合成粘土按照图1所示的工艺过程进行制造。这里，就使用煅制二氧化硅、氢氧化铝、海泡石三种原料制造合成粘土的情况加以说明。首先用湿式粉碎法把各原料粒化、细碎化。此时向原料中加水，用球磨机等粉碎机进行湿式粉碎，制得浆液。作为粉碎机，只要能够湿式粉碎、分散、微粒化、微细化，可使用已知的设备。
借助湿式粉碎，煅制二氧化硅、氢氧化铝、海泡石等各原料被微粒化、细碎化，平均粒径都降到0.4μm以下。
这样分别制得煅制二氧化硅、氢氧化铝和海泡石的浆液，各浆液中的固形分含量可任意决定，优选的固形分含量是煅制二氧化硅浆液10～40％(重量)、氢氧化铝浆液20～60％(重量)、海泡石浆液1-30％(重量)。
接着，先把氢氧化铝浆液混入煅制二氧化硅浆液中，再把海泡石浆液混入所得的混合浆液中。不过也可把上述三种浆液同时混合。
这样把各原料浆液混合后，搅拌均匀，制得浆液状合成粘土。所得合成粘土的平均粒径在0.4μm以下。
对浆液状合成粘土进行脱水处理，可制得含水粘土状的合成粘土。通过对含水粘土状合成粘土再进行干燥处理，可制得块状或干粉状合成粘土。
本发明的合成粘土的化学组成与天然粘土类代表成分高岭土类相似。
用本发明的合成粘土按照图2所示的工艺过程可制出合成瓷土。把由硅石20～50％(重量)和长石10～40％(重量)组成的原料进行湿式粉碎，微粒化，制得浆液。把本发明合成粘土20～40％(重量)(以干燥重量计)混入上述浆液中搅拌均匀后，用筛分级，随后进行脱铁处理。脱铁处理是把原料通过磁性过滤器进行的。借助脱铁处理可去除原料中铁成分，降低铁含量。
脱铁处理后进行脱水处理，借助在真空捏练机中混炼制得合成瓷土。
制造合成瓷土时，如图3所示，在硅石、长石外也可加入高岭土作原料。此时的原料配比是，高岭土10～20％(重量)，硅石30～35％(重量)、长石10～25％(重量)、本发明合成粘土20～30％(重量)(以干燥重量计)。
这样，通过调整原料配比，可制出最适合于各种成型法及陶器的合成瓷土。
下面举出本发明的实施例。
             实施例1
准备好煅制二氧化硅35％(重量)、氢氧化铝60％(重量)、海泡石5％(重量)组成的原料，用球磨机借助湿式粉碎把各原料分别微粒化、细碎化，制得浆液。把煅制二氧化硅浆液与氢氧化铝浆液混合，把海泡石浆液混入上述混合浆液中，搅拌均匀，制得平均粒径为0.3μm的合成粘土(以下称为合成粘土A)。上述混合搅拌时，加入分散剂0.1％(重量)进行混合。
                   实施例2
借助与实施例1同样的方法，只是原料配比为煅制二氧化硅30％(重量)、氢氧化铝50％(重量)、海泡石20％(重量)，制得平均粒径为0.2μm的合成粘土(以下称为合成粘土B)。
                  试验1
测定上述合成粘土A及B在固形分含量为30％时浆液的流动性。作为比较，对天然粘土新西兰高岭土及陶土(Gaerome clay)也作同样测定。试验方法如下：
1)把200～300％水加到各粘土中，使用球磨机，粘土在球磨机内运转24小时，使之均匀分散，成胶溶状态。
2)所得低浓度浆液在真空脱水装置中提高浓度，使固形分含量达到30％。
3)将固形分含量为30％的浆液通过150目筛后，放置24小时进行老化，作为试料。
4)使用东机产业(株)的数字式粘度计DV-B型、旋转子No.6W，旋转数0.5、1.0、2.5、5.0、10、20、50、100(rpm)在被测溶液温度12～13℃下测定各试料的流动性。结果示于表3中。
根据测定结果，本发明的合成粘土A、B的流动性都高于天然粘土，由此判定本发明合成粘土具有优于天然粘土的塑性。
                   试验2
测定合成粘土A及B的干燥挠曲强度。作为比较，对新西兰高岭土及陶土也作了同样测定。试验方法如下：
1)把200～300％水加到各粘土中，使用球磨机，粘土在球磨机内运转24小时，使之均匀分散，成胶溶状态。
2)所得低浓度浆液在真空脱水装置中提高浓度，同时调整各粘土的硬度至同等程度，制得捏练好的粘土。
3)捏练好的粘土用真空挤出成型机挤出成形为直径10mm的棒状物，成型时，借助脱气法尽可能去除捏练好的粘土中的气泡。
4)所得的成型物在不发生变形的密封状态下悬吊进行自然干燥后，进入恒温干燥机中在100℃下完全干燥，作为试料。
5)用三点挠曲强度试验法测定各试料的干燥挠曲强度。试验按照JIS R 1601进行的。跨度为90mm，负载速度为1g/秒。结果示于表3中。
根据测定结果，本发明的合成粘土A、B的干燥挠曲强度都高于新西兰高岭土，由此判定本发明合成粘土表现出高原始强度。
                  实施例3
借助与实施例1同样的方法，只是原料配比为煅制二氧化硅41％(重量)、氢氧化铝54％(重量)、海泡石5％(重量)，制得平均粒径为0.25μm的合成粘土。
由硅石40％(重量)、长石25％(重量)组成的原料在球磨机中湿式粉碎制得浆液。把上述合成粘土35％(重量)(以干燥重量计)混入这种浆液中搅拌均匀然后过筛分级，进行脱铁处理、脱水处理，在真空捏练机中捏练制得合成瓷土。
按照JIS L 0803测定这种合成瓷土的白度，结果是93.5。由于用天然粘土制得的瓷土的白度一般为64.1～92.9，由此判定本发明合成粘土的白度高于天然粘土系瓷土。
在按照JIS R 1601测定挠曲强度的同时，还按照JIS R 2205测定上面所得合成瓷土的吸水率。作为比较，对天然粘土系瓷土的挠曲强度及吸水率也作了同样测定。作为上述天然粘土系瓷土，采用由硅石40％(重量)，长石25％(重量)，新西兰高岭土35％(重量)组成的原料制成的瓷土(以下称为新西兰系瓷土)，以及由硅石40％(重量)、长石25％(重量)、陶土35％(重量)组成的原料制成的瓷土(以下称为陶土系瓷土)。结果示于表4中。
根据测定结果判定，与天然粘土系瓷土相比，合成瓷土的烧结速度快，玻化进展最快。这就意味着，与用天然粘土时相比，用本发明粘土制造的合成瓷土可在更低的温度范围烧结，而且能制得强度极好的烧成品。
            产业上的利用可能性
本发明的合成粘土在强度、可塑性等物理性能方面极好，最适用作陶器用制造原料，作为近年来逐渐枯竭的优质天然粘土的代用材料是有益的。
                                    表1
                                                                                                                                (单位：重量％)
      烧失量      SiO2     Al2O3     Fe2O3     TiO2     CaO      MgO     K2O     Na2O
煅制二氧化硅        1.10      96.63     0.24     0.87(0.30)※     痕量     0.07      0.38     0.47     0.23
  氢氧化铝        34.64     65.36
  海泡石        11.62      58.57     2.98     0.61     0.09     0.86      24.77     0.73     0.78
*括号内为通过磁性过滤器后的数值
                                                表2
                                                                                                                                (单位：重量％)
   烧失量     SiO2      Al2O3     Fe2O3     TiO2     CaO     MgO     K2O     Na2O
合成粘土    19.74     42.55      35.54     0.15     痕量     0.07     1.40     0.23     0.13
新西兰高岭土    14.68     48.36      36.53     0.25     0.08     痕量     痕量     0.03     0.04
陶土(Gaerome clay)    12.33     51.22      31.29     1.80     1.10     0.08     0.64     1.16     0.02
                                表3
            泥浆流动性   干燥挠曲强度(gf/mm2)
 剪切应力50％时(rpm)  剪切应力100％时(rpm)
合成粘土A     16.8     18.2     194.3
合成粘土B     40.4     47.1     375.9
新西兰高岭土     9.9     10.8     149.4
陶土     6.2     6.6     575.3
                                                    表4
        挠曲强度(kgf/cm2)                      吸水率(％)
          烧成温度(℃)                     烧成温度(℃)
   1220    1280    1300     1200     1220     1280     1300
合成瓷土    950    1010    1080     1.25     0.15     0.03     0.01
新西兰高岭土系瓷土    700    930    970     3.35     1.72     0.14     0.02
陶土系瓷土    720    970    1060     2.57     1.12     0.10     0.02

Claims (10)

1.陶瓷用合成粘土，其特征在于，它由非晶形二氧化硅30～65％(重量)、氧化铝三水合物30～65％(重量)以及选自海泡石、坡缕石、膨润土的一种或两种以上物料的混合物2～20％(重量)组成。
2.按照权利要求1的陶瓷用合成粘土，其中非晶形二氧化硅是煅制二氧化硅(fumed silica)。
3.按照权利要求2的陶瓷用合成粘土，其中煅制二氧化硅的平均粒径为0.2μm以下，粒子形状为球形。
4.按照权利要求1的陶瓷用合成粘土，其中氧化铝三水合物是氢氧化铝。
5.按照权利要求1的陶瓷用合成粘土，其中粘土粒子的平均粒径为0.4μm以下。
6.陶瓷用合成粘土，其特征在于，它由煅制二氧化硅30～65％(重量)，氢氧化铝30～65％(重量)以及海泡石2～20％(重量)组成。
7.按照权利要求6的陶瓷用合成粘土，其中粘土粒子的平均粒径为0.4μm以下。
8.陶瓷用合成粘土的制造方法，其特征在于，使用由非晶形二氧化硅30～65％(重量)、氧化铝三水合物30～65％(重量)以及选自海泡石、坡缕石、膨润土的一种或两种以上物料的混合物2～20％(重量)组成的原料，对各原料借助湿式粉碎进行微粒化、细碎化而制成浆液，把各原料的浆液混合搅拌均匀，制得浆液状合成粘土。
9.按照权利要求7的陶瓷用合成粘土的制造方法，其中对浆液状合成粘土进行脱水处理，制得含水粘土状的合成粘土。
10.按照权利要求7的陶瓷用合成粘土的制造方法，其中浆液状合成粘土脱水处理之后，经过干燥处理制得块状或干粉状合成粘土。
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