陶土原料的特性分析與應用研究

張留生 許小靜 馮亞騰

(1江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興 214221；2宜興陶譽科技創(chuàng)業(yè)服務有限公司，宜興 214221)

1 陶土原料的基本特性

1.1 外觀特征

首先，對陶土原礦料的外觀特征進行識別，研判陶土原礦料所屬礦石類型；其次，對陶土原礦料取樣進行燒成測試，分析原礦料的燒成特征：燒后色澤及燒結特性。選取的陶原礦料外觀與燒后特征見表1。

表1 陶土原礦料外觀特征

陶土原料的巖石類型一般為粉砂質—砂質泥巖，成礦類型是沉積型，視沉積成礦環(huán)境條件、時間長短等因素，原礦呈硬質—半硬質—軟質（泥質）塊體，其莫氏硬度最高可達3.0，低至1.0以下。如用于宜興紫砂陶器制作的陶土原礦料—底槽青（紫砂泥中的一種），硬度大多在2.5～3.0，經(jīng)水化后也少見泥質狀；而采自新疆戈壁灘的三種陶土原料，在海洋環(huán)境下沉積成礦，其硬度僅在0.5左右，經(jīng)水化即呈泥漿狀。

陶土原料中，視FeO、TiO等著色化學成分的含量高低及有機質的含量，原礦料外觀一般呈現(xiàn)灰白、淺黃、土灰、土黃、紅色、紫色、褐色、黑色等系列色調，原礦燒后也相應呈現(xiàn)灰白等淺色調系列色直至紫色、褐紫等深色調系列色。在漫長的地質演變及沉積成礦過程中，陶土原料顯示出成礦的非均質特性。在同一陶土礦體中，往往儲藏著多種從外觀特征到組成不盡相同的陶土原料。如上述的底槽青紫砂陶土原礦料深藏在宜興黃龍山陶土礦體的甲泥礦料層中，礦體中可用于宜興紫砂陶器制作的紫砂原礦料儲藏量不足礦體中陶土總儲藏量的5%，凸現(xiàn)出宜興本地將紫砂泥原礦料俗稱為“巖中巖”、“泥中泥”的成礦地質特征與儲藏規(guī)律。

1.2 化學成分

對12個編號的陶土原礦料均質取樣進行化學成分分析，其化學成分見表2。

表2 陶土原料的化學成分

陶土原料的化學成分與一般粘土相似，與高嶺土相比AlO含量較低，SiO、FeO和TiO等含量較高。由于陶土原料成礦環(huán)境與條件的復雜性，不同礦體陶土原料的化學成分波動范圍較大，SiO/AlO的比值在2～5、FeO含量在3%～15%、堿性成分總含量在2%～10%之間波動都是正常值，甚至超出該范圍的也不在少數(shù)。

1.3 礦物組成

陶土原料成礦的復雜性、化學成分的波動性，凸現(xiàn)出其礦物相組成的多樣性。陶土原礦料的粘土礦物相主要有高嶺石、埃洛石（多水、管狀高嶺石）、伊利石（水白云母）、絹云母及葉臘石（低塑性粘土）等；非粘土礦物相主要有石英、赤鐵礦（褐鐵礦、黃鐵礦）及各類長石等；其燒結物的礦物相基本一致，主要為石英、莫來石、赤鐵礦。部分陶土原料的XRD圖譜見圖1-4。

圖1 宜興軍山塢紫泥的XRD圖譜

圖2 新疆8#料的XRD圖譜

圖3 江西2#料的XRD圖譜

圖4 宜興黃龍山紫泥燒結物的XRD圖譜

對照陶土原料的化學成分分析結果，在對同一陶土原料進行X-射線衍射鑒定分析時，通常會發(fā)現(xiàn)其含鐵礦物相（赤鐵礦、褐鐵礦等）的組分有偏低現(xiàn)象，與其化學成分的數(shù)值不相對應。如采自新疆三種陶土原料的XRD圖譜中，均明顯不見含鐵礦物相的衍射峰值。曾對一件FeO含量為27.48%的陶土原礦料進行X-射線衍射鑒定分析時，發(fā)現(xiàn)其礦物組成中含鐵礦物相（赤鐵礦）組分僅為7.4%，其燒結物中FeO含量為30.41%，而礦物組成中赤鐵礦相組分為41.8%。研究表明，因成礦條件與環(huán)境不同，在含鐵陶土原料中有一定量的FeO組分是以非含鐵化合物的單獨礦物相形式存在于陶土原礦料中。

1.4 物理工藝性能

在陶土原料應用于陶瓷產品的研究中，除對陶土原料的外觀特征、化學成分、礦物相組成進行常規(guī)的檢測外，還需對陶土原料的可塑性、結合性、干燥性、燒結性等進行必要的檢測，對于有的陶瓷產品還需檢測陶土原料的顆粒組成、有機物含量等。

如前所述，由于成礦環(huán)境與條件的復雜性，不同礦源陶土原料的物理工藝特性也會表現(xiàn)出極大的差異性（見表3），如可塑性、結合性可表現(xiàn)為低、中、高的特性，塑性指數(shù)在1～20，最高燒成溫度在1 100～1 250 ℃之間波動都是某一陶土原料表現(xiàn)出的正常特性。

表3 陶土原料的部分物理工藝性能測試數(shù)據(jù)

2 陶土原料的特性研判與應用

不同的陶瓷產品對選用的陶土原料的特性有不同要求，分類研判與應用研究如下。

2.1 紫砂陶器

紫砂陶器是一種無釉陶器產品，其外觀其實是一種有色坯體，產品坯體的外觀呈色需均勻一致，無其它雜色。傳統(tǒng)中的紫砂成了“宜興紫砂”的代名詞，“宜興紫砂”這一專用名詞在字眼上的特征一是宜興紫砂陶器的外觀呈色以“紫”系列色為多；二是在宜興紫砂陶器的坯體結構中有“砂”質材料的存在。在加工制備宜興紫砂泥料時，需保留陶土原礦粉料中尺寸在0.5 mm以下的硬質顆?！追Q“砂”，其砂的尺寸、數(shù)量和類型的調配是制備紫砂泥料的關鍵工藝技術之一，砂的處理工藝有調砂、鋪砂和抽砂等。

用于紫砂陶器的陶土原料及制備的成品泥料，應有如下基本特性與工藝要求：（1）原礦料及燒后物基本純凈，無明顯其它雜質。陶土原料屬沉積型粘土，在其漫長的地質演變過程中，難免夾雜著其它類型的雜色或硬質礦物，需通過人工揀選的方式剔除這類雜質礦物；（2）泥料的物化工藝性能適宜?？伤苄赃m中即可，但結合性要好，較低的收縮率，如收縮率過大需考慮紫砂制品的器型與制作方式，燒成溫度以在1 150～1 250 ℃之間為佳；（3）原礦料的粉碎方式極為關鍵，需采用雷蒙、石碾、顎式等干法破碎，若原礦料中“硬質”顆粒不足，在制備成品泥料時則還需經(jīng)過“調砂”等工藝處理。

在陶土原料中，以用于制作紫砂陶器的陶土原料特性及泥料制備工藝要求為高。在我國各地看似都儲藏著可制作紫砂陶器的礦物陶土原料，但真正優(yōu)質品位的并不多，即便在“陶都”宜興，用于制作紫砂陶器的優(yōu)質紫砂陶土原礦料也僅占陶土原料總儲量的3%～5%左右，大部分礦物陶土原料用于其它陶器具、園藝及建陶等產品的生產中。傳統(tǒng)紫砂成品泥料的制備工藝為：紫砂原礦料風化—揀選—破碎—篩分—配料—除鐵—混合—粗練—陳腐—精練—成品泥料。經(jīng)工藝技術實驗與研究，宜興黃龍山紫泥、宜興軍山塢紫泥、新疆8#料、江西1#料和臨汾紫泥等5種陶土原料的基本特性，可滿足紫砂陶器產品的制作與生產。

2.2 細陶器（炻器）

細陶器產品的生產通常采用滾（塑）壓和注漿二種成型工藝，其坯料所選用的陶土原礦料均通過混合球磨細粉碎的加工方式完成，由于坯料制備的混合均一性較高，對原礦料的純凈度要求低，原礦料特性滿足坯料制備與產品品質的工藝技術要求即可。

適用于滾壓成型的坯料要有中等的塑性指數(shù)，對坯料配方進行合理設計后，一般陶土原礦料基本能滿足其坯料制備的要求。注漿成型的泥漿制備，對坯料的塑性與解膠性都有較高的要求，以保證半成品的注漿性能與生坯強度等，在坯料配方設計時需全面分析陶土原礦料的特性，并進行必要的原礦料顆粒組成、可溶性陽離子及有機物含量等測試，同時研判其粘土礦物相的類型，如是多水高嶺類的原礦料應選擇性使用解膠劑。

經(jīng)工藝技術實驗與研究，新疆3#料、新疆8#料、江西1#料、江西2#料、四川2#料、臨汾紫泥和臨汾白泥等7種陶土原料，均可用于細陶器產品的生產。宜興黃龍山紫泥、宜興軍山塢紫泥等2種陶土原料，因原礦料的品位高及儲量少，除用于紫砂陶器產品的制作外，不宜用于其它陶瓷產品的生產。

2.3 采用球磨—噴霧干燥制粉工藝生產建陶產品

生產建陶類產品可實現(xiàn)最大化利用礦物陶土資源，用于生產建陶類產品的礦物陶瓷原料具有普遍的低廉性：（1）建陶類產品的器型基本為板片、扁平狀，主要采用半干壓法成型工藝，對坯料的可塑性要求低；（2）建陶類產品通常對坯體的色澤、透明度等無特殊要求，有釉產品也使用高遮蓋力的乳濁釉進行裝飾，在不影響產品其它性能的情況下，對原礦料的鐵、鈦含量及純凈度可不作特別要求；（3）建陶類產品的體量大，單件產品使用的原料量較日用器具類產品相對更多，為降低生產成本必須考慮使用低劣、廉價的礦物陶瓷原料。

利用礦物陶土原料可生產的建陶類品種主要有建筑琉璃瓦、拋光磚及發(fā)泡陶瓷等，采用球磨—噴霧干燥的制粉工藝，其坯料制備工藝為：原料配料—球磨—篩分—貯漿—噴霧干燥—粉料貯存。

2.3.1 建筑琉璃瓦

普通的礦物陶土原料較適于平板型建筑琉璃瓦的生產，現(xiàn)國內的生產工藝技術與裝備都相當成熟，產品的技術門檻較低，只要符合當?shù)氐漠a業(yè)政策與環(huán)保要求即可。產品采用自動液壓機半干壓法成型、連續(xù)式輥道窯一次燒成，生產自動化程度較高，勞動強度相對較低。一條日產15萬片建筑琉璃瓦生產線，每天約消耗300噸陶土原料。

2.3.2 拋光磚

使用含F(xiàn)eO、TiO成分較高的礦物陶土原料適于生產拋光磚品種，是具有雙層胎體結構的拋光磚，即拋光磚的底層坯料采用普通礦物陶土原料組成，需進行拋光工藝處理的面層坯料采用優(yōu)選的礦物陶瓷原料組成，形成“陶質+瓷質”的雙層、雙色胎體結構，利用陶土原料的低廉性，達到降低生產成本的目的。坯料配方設計時需全面分析、研究所用原料的特性，保證“陶質+瓷質”二種坯料工藝性能的匹配性。經(jīng)工藝技術實驗與研究，新疆3#料、新疆8#料、江西1#料、江西2#料、四川2#料、臨汾紫泥和臨汾白泥等7件陶土原料，同樣可用于建筑琉璃瓦及拋光磚產品的生產。

2.3.3 發(fā)泡陶瓷

近年來我國發(fā)泡陶瓷產業(yè)快速發(fā)展，形成了一定的市場規(guī)模，建成了相關產業(yè)示范基地，國內現(xiàn)有發(fā)泡陶瓷產品生產企業(yè)二十余家、四十多條生產線，年產量約200萬立方米。據(jù)預測，隨著我國大力發(fā)展裝配式建筑，發(fā)泡陶瓷產業(yè)未來十年將會迎來更快速的增長期，市場經(jīng)濟規(guī)模保守估計在2 000億元左右，將新增發(fā)泡陶瓷生產線近千條。

板塊狀發(fā)泡陶瓷產品采用粉料顆粒堆積法在耐火?？騼葻?，坯料可選用更低廉的陶土原料、陶瓷廢料及礦物廢料等，外加少量發(fā)泡生成劑與促進劑調配而成，無需使用原料成本相對較高的瓷石類及熔劑類等陶瓷原料。產品采用坯料粉體自動布料作業(yè)、連續(xù)式多層隧道窯燒成的工藝路線，大件發(fā)泡陶瓷燒成體被自動切割成平板型、磚塊型等發(fā)泡陶瓷系列產品?，F(xiàn)有發(fā)泡陶瓷的生產工藝技術比較成熟，生產線基本實現(xiàn)自動化操作，可形成充分利用本地陶土原料低成本生產發(fā)泡陶瓷的產業(yè)新亮點。

由于發(fā)泡陶瓷產品可選用更低廉的陶土原料及相關廢料，使得其坯用原材料的選擇范圍更寬，一些被細陶器、建陶類等產品棄用的劣質陶土原料，也可用于發(fā)泡陶瓷產品的生產。經(jīng)工藝技術實驗與研究，新疆14#料、四川3#料、臨汾甲泥等3種陶土原料，更適宜于發(fā)泡陶瓷產品的生產。

陶土原料還可廣泛應用于其它陶瓷產品的生產，如藝術類、建筑幕墻材料—陶板、廣場磚、無釉及有釉墻面磚等產品。

3 結 語

對陶土原料進行必要的物化工藝性能檢測與分析，綜合研判陶土原料的全面特性，針對不同陶瓷產品的生產開展相關實驗與研究，保障產品生產工藝路線、技術參數(shù)的合理與準確，最終確保產品品質的穩(wěn)定與可靠。