CN1654413A - 一种复合紫砂材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合紫砂材料及其制备方法，即可以在950℃以下低温烧结形成的复合紫砂材料。它包括以下组分，以该材料的重量百分比计：紫砂50－85％、长石1.5－5％、碳酸钙2.5－5％、活性炭1－10％、电气石10－30％。其制备方法包括以下工艺步骤：粉碎研磨、混合成浆、料坯干燥、一次坯烧、破碎和成型和二次坯烧。经本发明复合紫砂材料处理的水，可使水分子团变小；pH值7.4左右，呈弱碱性水；氧化还原电位降低；能除去水中有害物质，具有能通过细胞传递信息等特殊生物效应，对人畜饮用水和农作物用水的质量有所改善和提高。

Description

一种复合紫砂材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合紫砂材料及制备方法，属于硅酸盐领域。

技术背景

紫砂是一种硅酸盐矿物，紫砂类型为粉质泥岩，是粉沙泥质结构，含铁较多，主要产地在中国宜兴，定名为含铁质粘土质粉沙岩。岩石主要有石英粉砂及胶合它的粘土矿物组成，石英碎屑孤立地分布在胶结构中，成基底式胶结。在镜下可观察到紫砂团粒之间，石英、粘土等单一矿物与团粒之间的链状气孔，以及团粒内部的微细气孔，紫砂与普通陶土不同，普通陶土是单晶结构，紫砂是双重气孔结构。双重气孔结构使产品具有高的气孔密度和一定的气孔率(宜兴紫泥干燥后气孔率达20.9％)。紫砂矿石含有MnO，CrO₃，CoO，CuO，PbO等元素；紫砂制品在我国已有1000多年的生产历史，与其他陶土生产的陶制品相比，质地细腻、坚硬、吸水率小，收缩率平稳，烧温较宽，气孔率高，工艺性好，含多种生物需要的微量元素，是人类生活的重要原料。紫砂可制茶具(饮水用具)，可制容器(窑酒工具)，可制工业过滤用品、园艺花盆和处理水用复合紫砂陶粒、陶片等。

电气石(Tourmaline)是一种环状硅酸盐矿物，电气石以含硼为特征的铝、钠、铁、锂构成的矿物。电气石的形态为复三方锥晶类，晶体呈柱状。电气石具有压电性和热电性，温度或压力的变化，能引起晶体的电势差，由于晶格振动的不对称性，引起偶极矩变化产生红外波段的电磁辐射。电气石具有发射远红外的功能，而且其远红外线能量与人畜饮用水中的氢键的键能相当，产生共振，使水中的氢键断裂，使已老化的水中的大分子团簇变小至5-6个水分子团。电气石晶体周围存在着静电场，与水接触瞬间将水电解，产生H₃O₂ ^-，使水呈现弱碱性，pH值7.4左右。通过电气石结晶体表面的静电场将重金属离子吸附到晶体负极，使局部重金属离子增高与电气石表面因羟基电离而产生的OH^-离子发生反应，形成各种碱式盐或氢氧化物沉淀而析出。当水中的各种粒子的浓度达到平衡时，反应不会继续，不存在反应过度的弊端，对人体有益的碱金属离子则不会发生沉淀，电气石对水中重金属离子有自净化的作用。电气石晶体两极间会产生0.06毫伏特的微弱电流(在非金属矿中，这是独一无二的)，与生物电流相同，可使人健康长寿，对动、植物生长过程有重要作用。

现代紫砂制品是因紫砂双重气孔结构的特质决定它具有高气孔密度和高气孔率的功能。电气石结晶体因其电极能够产生压电性和热电性，从而使其对水的物理结构具有重要影响。因为现代紫砂制品至少要求在1120-1400℃高温烧结，否则无法成“器”；而电气石晶体在烧温高于950℃时就会破坏晶体结构而失去其特殊功能和作用。能够在较低温条件下烧制一种复合功能紫砂材料，既要符合对紫砂制品的使用要求，满足抗弯强度要求，满足吸水率要求，满足对气孔密度和气孔率的要求，且又充分发挥电气石优化水质的特殊功能，改变水的物理结构，符合国家对饮用水质的要求(GB8537-1995)和农作物生长用水的要求，是本发明要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种复合紫砂材料及制备方法，即可以在950℃以下低温烧结形成的复合紫砂材料。

本发明的目的可以通过以下的技术方案来实现。

本发明所说的复合紫砂材料，其特征在于包括以下组分，以该材料的重量百分比计：

紫砂        50-85％

长石        1.5-5％

碳酸钙      2.5-5％

活性炭      1-10％

电气石      10-30％

本发明所说复合紫砂材料的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

粉碎研磨：用湿法对各种原料分别筛选粉碎研磨，其研磨细度要求是：紫砂500-1000目、长石500-1000目、碳酸钙500-1000目、活性炭400-500目，电气石：平均粒度D₅₀为0.3～0.6μm；

混合成浆：将研磨好的原料共混成浆；

料坯干燥：将配置好的混合浆液进行滤水处理，制成方块料坯，在烘干机中130～210℃条件下烘干；

一次坯烧：将烘干料坯在窑中500～800℃塑烧，恒温8～12小时后自然冷却；

破碎和成型：将经过塑烧的坯料粉碎为细度4～150目颗粒并且按照产品要求成型；

二次坯烧；将成型后的坯料自然干燥，放入窑中以800～950℃温度烧炼，自然冷却，出炉。

本发明所用重要原料—电气石(Tourmaline)原料可以是铁电气石(Scholr)，锂电气石(Elbaire)，镁电气石(Dravite)等，电气石的化学式为Na(Mg，Fe，Mn，Li，Al)₃Al₆[Si₆O₁₈](BO₃)₃(OH，F)₄；具体要求粉碎的电气石含量大于95％；要求电气石粉体分散性要好，不能有软团簇现象，用IRE-1型红外线测试仪测得红外线辐射率＞92％；在静态下，温度25℃±1，湿度70％±1时，用ITC-201A空气负离子仪测得释放的空气负离子＞1500个/cm³。粒度分布集中，D₉₀：1.0-1.5μm；D₉₇：2.0-3.0μm；堆积密度≤0.6g/cm³。

烘干的料坯在温度500～800℃之间进行第一次坯烧，恒温8～12小时，而后进行粉碎并成型。如果要求该紫砂材料的产品是颗粒形状的，则可以进行造粒成型，而当要求该紫砂材料的产品为具有一定造型的产品，如壶、杯、桶、盆、管、板或其它制品时，则需要将该颗粒通过真空炼泥机进行捏炼成为熟料泥，最后再手工或机器成型。

二次坯烧温度要求800～950℃，优选烧制温度在850～900℃。

本发明为了实现降低烧制紫砂制品的温度，在特定的配方基础上，要求把所有的原料反复粗选，精选，湿法研磨成微细颗粒。传统紫砂制品只需要把紫砂原料粗粉碎60目左右颗粒，必须在1100℃-1300℃一次高温烧成紫砂制品。本发明在不破坏紫砂基本结构下超细研磨的微小颗粒，可以使烧温大幅度降低，在紫砂等颗粒的细度500-1000目时，在850-950℃时，可以出现低溶共溶物而产生液相，所需烧温比传统制陶工艺降低170～300℃。不但满足紫砂制品工艺要求而且还可节约能源。

依据杂相机理，复合紫砂材料中添入大量的电气石微小颗粒，对降低煅烧温度起到重要的作用。

本发明为了满足工艺中对原料粒径、气孔率要求，放入一定活性炭，经煅烧之后，产生微孔，烧得的复合紫砂制品气孔率在4.01-7.85％，既满足传统紫砂制品工艺要求，又使以紫砂作为载体的电气石比表面积增大，电气石处理水的作用得到大幅度提高；复合紫砂材料烧制的成品吸水率小于3.19％；抗折强度大于350kg/cm²。

本发明使用的超细研磨工艺和两次烧结的方法，在相关文献中尚未报道，有些公开的文献对添入的电气石粒度不够细，粒径分布较宽不集中，没有给出具体的D₅₀、D₉₀、D₉₇，反映粒度大小及其分布的数据，不能满足复合紫砂材料的工艺要求和功能要求。本发明对电气石粉体有明确的工艺质量要求。依本发明的材料成分及工艺要求可以使新材料制成的产品的理化指标符合国家标准。特别是既满足传统紫砂制品的抗折强度、气孔密度、气孔率和吸水率的要求，又使以紫砂作为载体的电气石比表面积增大，电气石处理水的作用得到大幅度提高。

本发明在试制和小批量生产时做了大量的检测，证明：经本发明复合紫砂制品处理的饮用水、农作物用水对生态环境有重要作用：①用复合紫砂制品处理过的水，分子团变小。经核磁共振测试，用复合紫砂制品处理自来水与自来水作比较，其线幅半宽度从80-160Hz缩小为65-75Hz，由此可见，复合紫砂制品处理的水分子团变小。②用复合紫砂制品处理过的水呈弱碱性。经酸碱度测试(pHS-3B酸度计)得出：用复合紫砂制品处理的自来水其pH值7.4-7.6，呈弱碱性。③用复合紫砂制品处理过的水氧化还原电位较低。经测定(铂电极作指示电极，饱和甘汞电极作参比电极)，由于水中富含H₃O₂负离子，处理后的水为90mV，原自来水为136mV。④复合紫砂制品处理过的水有许多生物需要的矿物质和微量元素。经测试，锌(mg/L)从自来水原来的0.037增加到0.203；锶(mg/L)从自来水原来的0.113增加到1.358；硒(mg/L)从自来水未检出增加到0.003，并含有微量的人和动植物成长必需的硼。这种处理过的水适合生物成长需要，有能通过细胞，传递信息等特殊生物效应，具备一定的功能。

实施方式与实例说明

本发明的实施方式主要包括：超细研磨、料坯干燥、一次坯烧、粉碎与成型、二次坯烧等工艺步骤。

本实例说明所举案例包括具体材料用量、工艺方法和器型尺寸，均不能对本发明进行限制。

实例1

1)粉碎研磨：选用宜兴产的“紫泥”(紫砂品种)破碎25mm左右的小块，再次精选68公斤粗粉碎后用GB-80型研磨剥片机将紫砂研磨至750目微颗粒，长石碎块4公斤，碳酸钙5公斤分别粉碎研磨900目微颗粒，海南产椰子活性炭3公斤(规格400目)，将几种原料用搅拌机进行均匀共混加入铁电气石(Schorl)超细粉体20公斤。铁电气石粉体粒度D50为0.5μm，D90为1.5μm，D97为3.0μm，堆积密度≤0.6g/cm³，电气石含量＞95％，用IRE-1型红外线测试仪测得粉体的红外线辐射率＞0.92，用ITC-201A空气负离子仪测得粉体释放空气负离子数3000-10000个/cm³，分散性较好，没有软团聚现象。

2)将配制好的混合浆液在滤水机滤水后制成20毫米正方形块坯，放入XFG-400型干燥机中在197℃烘干，干燥机出口温度87℃。

3)坯烧粉碎：将烘干后的料坯放入烧窑中720℃塑烧并恒温10小时后，自然冷却，并用机械粉碎机将料坯粉碎获得60目的复合功能紫砂颗粒。

4)真空炼泥：将复合功能紫砂颗粒进行湿水处理后放入真空炼泥机进行捏炼成为熟泥。

5)二次坯烧：将按工艺要求制成壶型陶坯自然干燥后，放置烧窑中以880℃烧炼成器。

经检验，烧制成的复合紫砂壶吸水率2.86％，符合国标小于3.0％的产品要求；气孔率4.5％；抗折强度大于450kg/cm²，呈褐色，颜色均匀，光泽(水色)良好。

经检测，放入复合紫砂壶的饮用水，用O₁₇核磁共振仪测得半幅峰宽54Hz(原水是113Hz)，表明水分子团变小(约6个分子成组)，水呈弱碱性pH值7.65；水的氧化还原电位90mV(原水136mV)，用当地自来水作处理前后的水质分析(GB/T8538-1995生活饮用水标准检验方法)：

                      复合紫砂壶处理水水质检验结果报告书

序号	检验项目	标准要求	参照水(自来水)	处理水
					1	色度               度	低于原水，≤15	/	＜5
2	混浊度             NTU	低于原水，≤1	/	＜0.5
					3	阴离子合成洗涤剂   mg/L	＜0.3	/	＜0.10
4	亚硝酸盐(以NO2计) mg/L	0.005	0.036	0.034
					序号	检验项目	标准要求	参照水(自来水)	处理水
5	硝酸盐(以NO3计)   mg/L	＜20.0	/	3.6
					6	耗氧量(以O2计)    mg/L	＜3.0	2.3	1.5
7	游离余氯           mg/L		＜0.01	＜0.01
					8	锶                 mg/L	＞2.0，＜5.0	0.113	1.358
9	锌                 mg/L	＜1.0	0.037	0.203
					10	锰                 mg/L	＜.01	/	＜0.010
11	铜                 mg/L	＜1.0	/	＜0.050
					12	总硬度             mg/L	450	/	81.9
13	总铁               mg/L	＜0.3	0.08	0.08
					14	pH值	6.5～8.5	7.65	7.65
15	三氯甲烷           mg/L	＜0.06	/	0.001
					16	四氯化碳           mg/L	＜0.002	/	＜0.0001
17	硒                 mg/L	＜0.01	/	0.003

实例2

粉碎研磨：选用宜兴产的“红泥”(紫砂品种)破碎20mm左右的小块，再次精选60公斤粗粉碎后用GB-80型研磨剥片机将紫砂研磨至750目微颗粒，长石碎块5公斤，碳酸钙4.5公斤分别粉碎研磨900目微颗粒，活性炭5.5公斤(规格400目)，将几种原料用搅拌机进行均匀共混加入铁电气石(Schorl)超细粉体25公斤。铁电气石粉体粒度D50为0.5μm，D90为1.5μm，D97为3.0μm，堆积密度≤0.6g/cm³，电气石含量＞95％，用IRE-1型红外线测试仪测得粉体的红外线辐射率＞0.92，用ITC-201A空气负离子仪测得粉体释放空气负离子数3000-10000个/cm³，分散性较好，没有软团聚现象。

其他制造方法与实例(1)相同，不同点只是在坯烧粉碎后用滚筒式造粒机对混合均匀的原料进行造粒(φ2mm-6mm)。自然干燥后用马弗炉进行二次烧结，温度850℃，待自然冷却后得到处理水专用复合紫砂陶粒(材)。

依据GB/T8538-1995生活饮用水标准检验方法对纯水与复合紫砂陶粒处理过的纯水进行对比分析：

                      复合紫砂陶粒处理水水质检验结果报告书

分析项目	国家标准ρ(β)/(mg.L-1)	处理水ρ(β)/(mg.L-1)	纯水ρ(β)/(mg.L-1)
				色度	15	＜5.0	＜5.0
浑浊度	1	＜1	＜1
				pH值	6.5-8.5	7.9	6.1
总铁	0.30	0.06	＜0.03
				锰	0.10	＜0.02	＜0.02
铜	1.00	＜0.02	＜0.02
				锌	1.00	＜0.01	＜0.01
硒	0.01	/	/
				砷	0.05	4.4×10-3	1.5×10-3
铅	0.01	＜0.01	＜0.01
				镉	0.005	＜0.005	＜0.005
银	0.05	/	/
				汞	0.001	/	/
钾		0.16	0.07
				钠	200	＜5.0	＜5.0
镁	30-50	0.62	0.30
				锶	＞2.0，＜5.0	0.22	＜0.2
硫酸盐	250	＜5.0	＜5.0
				氯化物	250	＜1.0	＜1.0
硝酸盐	20	＜0.40	＜0.40
				总硬度	450	32.63	8.41
氰化物	0.05	/	/
				挥发性酚	0.002	/	/
亚硝酸盐		0.0025	0.0025
				游离余氯	≥0.3	/	/
耗氧量	3	0.97	0.86

实例3

粉碎研磨：选用紫砂精选70公斤粗粉碎后用GB-80型研磨剥片机将紫砂研磨至600目微颗粒，长石碎块3.5公斤，碳酸钙4.5公斤分别粉碎研磨700目微颗粒，活性炭2公斤(规格400目)，将几种原料用搅拌机进行均匀共混加入铁电气石(Schorl)超细粉体20公斤。铁电气石粉体粒度D50为0.5μm，D90为1.5μm，D97为3.0μm，堆积密度≤0.6g/cm³，电气石含量＞95％，用IRE-1型红外线测试仪测得粉体的红外线辐射率＞0.92，用ITC-201A空气负离子仪测得粉体释放空气负离子数3000-10000个/cm³，分散性较好，没有软团聚现象。

其他制造方法与实例(1)相同，不同点只是在坯烧粉碎后将复合紫砂材料粉碎成颗粒60目，模具成型圆片状φ35mm×3.5mm坯料，自然干燥后用马弗炉烧结，温度900℃，待自然冷却后得到植作物专用复合紫砂陶片(材)。

用复合紫砂陶片浸水做农科院水稻“优丰”晚粳品种和上海青菜“四月慢”的种子发芽实验：

试验方法：应用玻璃器皿培养皿4个：水稻与青菜种子发芽试验，均设处理1#、2#，对照1#、2#二组处理方式。每个培养皿放置100粒水稻种子或青菜种子。处理1#、2#用复合紫砂陶片浸泡液(陶片2公斤浸泡在100公斤水中24小时)浸种，对照用清水浸种，水稻种子浸种60小时，青菜种子浸种30小时，然后去除玻璃器皿中多余的溶液和水，在器皿底部铺上吸水纸，再将水稻种子或青菜种子有规则整齐排列，盖好器皿盖子，然后放置连栋塑料棚中待发芽。数天后二次测定其发芽势和发芽率。

青菜种子直接播种试验，试验与对照区面积均为4平方米，种子播种量均为15克，播后压实土壤，然后试验区喷浇复合紫砂陶片浸泡液7.5公斤，对照喷浇清水7.5公斤，最后铺上地膜待出苗，出苗后揭去地膜，再喷浇相同数量的陶片浸泡液与清水，以后在青菜生育阶段又喷浇二次，收获称产，测定其植株高度。

试验结果：

一、复合紫砂陶片对水稻种子发芽与发芽率的影响：发芽势是指种子在一定时间内发芽数量的多少，发芽势的强弱是衡量种子发芽整齐度的一个重要指标。经复合紫砂陶片浸泡液浸种的水稻种子，在处理3天后进行测定，处理1#，100粒种子有97粒发芽，处理2#，100粒种子有95粒发芽，处理1#、2#的发芽势达到96％，比对照清水浸种的发芽势高10％，于四天后第二次测定复合紫砂陶片浸泡液浸种的发芽势达97.5％，而对照清水浸种的仅达92.5％，处理组比对照组发芽势强，且发芽率提高5％，并观察经复合紫砂陶片浸泡液处理的水稻种子所发的芽长、芽壮、根毛多，对照组则芽短、芽细、根毛少。

二、复合紫砂陶片对青菜种子发芽势与发芽率的影响：复合紫砂陶片浸泡液对青菜种子的发芽同样有促进作用。经复合紫砂陶片浸泡液处理青菜种子，在处理三天后进行测定，平均发芽种子数为82.5粒，发芽势达82.5％。比对照清水浸种的发芽种子粒数54.5，发芽势提高28％。在处理6天后，进行第二次测定，复合紫砂陶片浸泡液处理的发芽势，发芽率高达97.5％。对照清水浸种的发芽率仅达93.5％，处理比对照发芽率提高4％。

三、复合紫砂陶片对青菜出苗率及产量的影响：应用复合紫砂陶片浸泡液对青菜种子进行发芽试验的同时，进行了青菜种子直接播种的田间试验，处理区与对照区面积均为4平方米，播种量均为15克种子。播后喷浇陶片浸泡液的试验区，于2004年3月7日出苗，播出至出苗为5天，对照清水喷浇区，于2004年3月9日出苗，处理区比对照区提早2天出苗。出苗率处理区达85％，而对照区仅25％，出苗率处理区比对照区提高60％。在播种后第39天收获称产，陶片浸泡液试验区，小区产量达16.5公斤，折合亩产2338.6公斤，清水喷浇对照区产量为7.2公斤，折合亩产1020.5公斤，处理比对照亩产增1318.1公斤，增产129.16％。收获时测定植株高度，处理区平均株高达25厘米，比对照19厘米增加6厘米。

通过应用复合紫砂陶片浸液对水稻和青菜种子的发芽试验，得到的初步结论是复合紫砂陶片浸泡液对水稻、青菜种子的发芽有促进作用，种子萌芽能提早1-2天，发芽势能提高10％以上，发芽率提高4-5％，这在生产上有一定的应用价值，如对水稻，尤其是杂优稻种子的浸种催芽，能起到发芽整齐一致，播后提高成秧率。经多复合紫砂陶片浸泡液处理能提高发芽势和发芽率，使秧苗整齐一致，提高秧苗素质，且能节省用种量，从而达到高产、节本、高效。

Claims (8)

1.一种复合紫砂材料，其特征在于包括以下组分，以该材料的重量百分比计：

紫砂      50-85％

长石      1.5-5％

碳酸钙    2.5-5％

活性炭    1-10％

电气石    10-30％

2.权利要求1所述复合紫砂材料的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

粉碎研磨：用湿法对各种原料分别筛选粉碎研磨，其研磨细度要求是：紫砂500-1000目、长石500-1000目、碳酸钙500-1000目、活性炭400-500目，电气石：平均粒度D50为0.3～0.6μm；

混合成浆：将研磨好的原料共混成浆；

料坯干燥：将配置好的混合浆液进行滤水处理，制成方块料坯，在烘干机中130～210℃条件下烘干；

一次坯烧：将烘干料坯在窑中500～800℃塑烧，恒温8～12小时后自然冷却；

破碎和成型：将经过塑烧的坯料粉碎为细度4～150目颗粒并且按照产品要求成型；

二次坯烧：将成型后的坯料自然干燥，放入窑中以800～950℃温度烧炼，自然冷却，出炉。

3.如权利要求2所述的复合紫砂材料的制备方法，其中所述的电气石是铁电气石、锂电气石或镁电气石。

4.如权利要求3所述的复合紫砂材料的制备方法，其中所述的电气石的化学式为Na(Mg，Fe，Mn，Li，Al)₃Al₆[Si₆O₁₈](BO₃)₃(OH，F)₄。

5.如权利要求2所述的复合紫砂材料的制备方法，其中所述的电气石要求粉碎的电气石含量大于95％；用IRE-1型红外线测试仪测得红外线辐射率＞92％；在静态下，温度25℃±1，湿度70％±1时，用ITC-201A空气负离子仪测得释放的空气负离子＞1500个/cm³。

6.如权利要求3或4或5所述的复合紫砂材料的制备方法，其中所述的电气石的粒度分布要求D₉₀：1.0-1.5μm；D₉₇：2.0-3.0μm；堆积密度≤0.6g/cm³。

7.如权利要求2所述的复合紫砂材料的制备方法，其中所述的破碎和成型步骤是指：如果要求该紫砂材料的产品是颗粒形状的，则可以进行造粒成型；而当要求该紫砂材料的产品为壶、杯、桶、盆、管、板或其它制品时，则需要将该颗粒通过真空炼泥机进行捏炼成为熟料泥，最后再手工或机器成型。

8.如权利要求2所述的复合紫砂材料的制备方法，其中所述的二次坯烧温度为850～900℃。