稀土尾礦在透明釉制備中的應用及其對釉面特性的影響

摘 要：本文通過單因素變量法研究了稀土尾礦在透明釉制備中的應用，并探索其對釉面特性的影響。實驗結果顯示，在球磨10min、燒成溫度為1300℃、保溫20min、釉層厚度為0.1～0.2mm的工藝參數(shù)下，隨著稀土尾礦含量的增加，釉面粗糙度增加，光澤度降低。為提高透明釉表面特性，本文采用單因素實驗方法確定最佳添加劑含量和替換量，進一步調節(jié)稀土尾礦含量和工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在適當?shù)奶砑觿┖亢吞鎿Q量下，稀土尾礦能有效提高透明釉的光澤度，并降低能耗。然而隨著稀土尾礦含量增加，可能會導致氣泡和釉面波紋問題。因此，在使用稀土尾礦制備透明釉時需要平衡光澤度和表面形態(tài)，并對工藝流程進行優(yōu)化。本文的研究結果具有重要的理論和實踐意義，可減少環(huán)境污染、有效利用稀土尾礦資源，為陶瓷行業(yè)提供可持續(xù)發(fā)展的方向。

關鍵詞：稀土尾礦；透明釉；工藝參數(shù)；光澤度

1前言

我國經(jīng)濟快速發(fā)展導致礦產資源快速消耗，廢棄尾礦問題日益嚴重。為響應國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，稀土尾礦回收利用成為環(huán)境保護重點。富含硅酸鹽的稀土尾礦具有多種二次使用價值，可減少資源浪費并帶來更高經(jīng)濟效益。

早有前人[1-4]將其用于水泥和陶瓷生產，取得良好效果。本文主要研究贛南稀土尾礦在透明釉中的應用。通過調整配方組成、工藝參數(shù)、燒成制度等，探討引入稀土尾礦對透明釉釉面光澤度、平整度的影響，并且研究了其在透明釉中的應用率。實驗結果表明，在適當工藝條件下，引入稀土尾礦可以提高透明釉釉面的光澤度和平整度，并且其應用率較高。這一研究成果對促進稀土資源的回收利用和推動相關產業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2實驗

2.1實驗原料

本實驗旨在研究稀土尾礦在釉用原料中的作用，并優(yōu)化原料配比以提高釉面質量。實驗采用贛南稀土尾礦、石英、鉀長石、高嶺土、滑石、白云石、方解石和石灰石作為主要原料，引入氧化鋅和碳酸鋇作為化工原料。稀土尾礦是提取稀土后的廢渣，其化學組成含量見圖1。通過參考相關論文及數(shù)據(jù)[5]，并結合表1中的化學組成含量，優(yōu)化配比以提高釉面質量。

2.2實驗儀器與設備

本次實驗所用的儀器如表2所示。

2.3 實驗參數(shù)

為保障本次實驗的準確性和可靠性，將工藝參數(shù)進行限定，實驗釉料球∶水∶料=2∶1∶1，釉料球磨時間為10min，施釉方法為浸釉，上釉厚度大約在0.1～0.2mm，釉燒溫度為1300℃，保溫時間為20min。

3 結果分析與討論

3.1 稀土尾礦在長石質透明釉中的應用研究

為了研究稀土尾礦在長石質透明釉中的最佳用量，本試驗參考了表3中長石質透明釉的基礎配方。通過外加方法，在基礎配方中逐步增加稀土尾礦，并制備出一系列樣品。我們針對每個樣品進行了綜合性評估，此外，采用替換方法，在基礎配方中部分替代掉原有成分，并以此探究稀土尾礦在長石質透明釉中的效果。通過對實驗結果的分析和比較，最終找到了稀土尾礦在長石質透明釉中的最佳用量，保證釉面的透明度和光澤度，并實現(xiàn)理想的色彩效果和穩(wěn)定性。

3.1.1 稀土尾礦外加實驗

根據(jù)表4和圖2結果可見，稀土尾礦在長石質透明釉中的最佳外加量為10wt%。隨著稀土尾礦含量的增加，釉面粗糙度增加。具體來說，當稀土尾礦的含量從10wt%增加到20wt%時，釉面光澤度從83.2%降低到35.1%。大量氣泡在釉面形成，并且出現(xiàn)針孔現(xiàn)象。此外，釉面波紋也出現(xiàn)了，其原因是由于釉漿密度過大導致的釉層不均勻且呈波浪形。

根據(jù)XRF檢測結果顯示，本次使用的稀土尾礦中CaO含量高達近50%，MgO含量為8.043%，SiO2含量為6.715%。隨著稀土尾礦的連續(xù)添加，釉料中CaO、MgO、SiO2等成分的含量不斷升高。特別是SiO2含量升高，釉層在高溫下的黏度增加，流動性變差。這導致釉層中的氣體無法完全排出，形成了坑洞，無法及時填補，進而產生表面的針孔等缺陷，因此粗糙度增加，光澤度下降[6]。此外，在使用稀土尾礦時，MgO含量增加會減低釉料的耐火性，引發(fā)大量針孔、橘釉、析晶、釉泡、波浪紋等缺陷在釉面出現(xiàn)。當與CaO一起使用時，這種耐火性降低效果更為顯著。

以上實驗結果和分析表明，在長石質透明釉中探究稀土尾礦最佳用量時需要考慮和控制各種參數(shù)和成分變化對釉面質量的影響，以獲得最佳的透明度、光澤度和表面平整度。

3.1.2 稀土尾礦替換實驗

通過對表5和圖3的分析結果，本試驗確定稀土尾礦在長石質透明釉中的最佳替換量為4wt%。隨著稀土尾礦含量的增加，釉面光澤度隨之下降。具體來說，當稀土尾礦含量從4wt%增加到15wt%時，釉面光澤度從73%降低到8.7%。值得注意的是，當稀土尾礦替換量為5wt%時，釉面粗糙度開始增加，并且在釉下出現(xiàn)了裂紋。這些裂紋是由于在燒制過程中釉面和坯體的膨脹系數(shù)不匹配導致的，當釉比坯體的收縮大時，就有可能發(fā)生釉裂現(xiàn)象。隨著稀土尾礦含量進一步增加，釉下裂紋變得更加細碎，并且粗糙度也逐漸增加。當稀土尾礦替換到15wt%時，我們觀察到釉面產生了大量凹陷氣泡。這是由于在燒成過程中坯體的氧化不充分所引起的釉泡現(xiàn)象。隨著稀土尾礦的持續(xù)添加，釉料中的CaO、MgO、SiO2含量逐漸升高。特別是SiO2含量的增加導致高溫下釉面的黏度增大，流動性變差。結果就是釉層中的氣體無法完全排除，并且排出氣體形成的凹坑也無法及時愈合，冷卻過程中形成了針孔、凹坑等缺陷[7]。

在長石質透明釉中探究稀土尾礦的最佳替換量時，需要考慮和控制各種參數(shù)和成分變化對釉面質量的影響。合理選擇替換量可以平衡凹坑和裂紋問題，并獲得較好的光澤度和表面平整度。同時，CaO、MgO、SiO2等成分在釉料中的含量變化也會影響到流動性和黏度等物理特性。因此，在應用稀土尾礦時需要綜合考慮各個因素來優(yōu)化制備長石質透明釉表面的質量。

3.2 稀土尾礦在滑石質透明釉中的應用研究

滑石質瓷是一種在國內外市場上非常熱銷的高檔日用瓷。它具有抗沖擊強度和抗折強度高、熱穩(wěn)定性好等特點。然而，由于滑石質瓷的燒成溫度范圍較窄，在實際生產過程中容易出現(xiàn)變形、釉面缺陷等問題。為了解決這些問題，本實驗結合了表6中的滑石質透明釉基礎配方，并以外加與替換的方式，觀察和測試滑石質透明釉在不同參數(shù)下的性能變化，探究了稀土尾礦在滑石質透明釉中的最佳用量。通過實驗發(fā)現(xiàn)，稀土尾礦在滑石質透明釉中具有調節(jié)溫度范圍、改善釉面缺陷等方面的作用。

3.2.1稀土尾礦外加實驗

由表7和圖4可知，滑石質透明釉中稀土尾礦的最佳外加量為15wt%。當稀土尾礦含量從5wt%增加到15wt%時，釉面粗糙度增加，氣泡數(shù)量減少，光澤度從73.9%上升到78.1%。然而，當稀土尾礦含量從15wt%增加到20wt%時，滑石質透明釉的粗糙度增加，氣泡數(shù)量增加，并導致釉面光澤度從78.1%降低到68.5%。進一步增加稀土尾礦含量至25wt%，滑石質透明釉的粗糙度和氣泡數(shù)量又有所上升，但釉面光澤度則從68.5%上升到75.1%。隨著將稀土尾礦含量進一步增加至30wt%時，滑石質透明釉的粗糙度和氣泡數(shù)量均繼續(xù)上升，并使得釉面光澤度從75.1%降低到59.4%。

在滑石質透明釉中，滑石含有大量的MgO和SiO2，并且稀土尾礦中含有極高的CaO含量。增加MgO含量會降低釉的始熔溫度，導致釉層未能充分成熟，從而出現(xiàn)針孔、橘釉、析晶、釉泡和波浪紋等缺陷。而SiO2會增加釉的高溫黏度，使得氣泡難以排出。因此，隨著稀土尾礦含量增加，滑石質透明釉中出現(xiàn)的氣泡數(shù)量也逐漸增多，從而導致釉面光澤度逐漸下降[8]。在滑石質透明釉中使用10wt%的稀土尾礦外加量是最佳的選擇。這個優(yōu)化組合可以在保持較好光澤度的同時減少氣泡數(shù)量和粗糙度，提高產品質量和外觀表現(xiàn)。

3.2.2稀土尾礦替換實驗

稀土尾礦的替換量需要謹慎選擇，過高比例的替換會導致釉面質量下降，產生各種缺陷。在生產滑石質透明釉時，應控制稀土尾礦含量不超過3wt%，以確保較好的釉面質量和光澤度。此外，在替換實驗中還應注意減少稀土尾礦中可能存在的不利成分對滑石質透明釉性能的影響。

根據(jù)表8和圖5的結果表明，稀土尾礦在滑石質透明釉中的最佳替換量為3wt%。當稀土尾礦的含量超過這個最佳替換量，例如增加到15wt%時，會產生一系列不利影響。首先，稀土尾礦含量增加會導致釉面粗糙度的增加，這可能是由于稀土尾礦中的化學成分與滑石質基礎釉組成發(fā)生不良相互作用導致的，這種粗糙度提高會減弱釉面表面的光滑度和一致性。其次，稀土尾礦在燒制過程中產生大量氣體并釋放出來，會引發(fā)大量氣泡出現(xiàn)在釉面中，同時滑石質透明釉在高溫熔融狀態(tài)下無法完全排除這些氣體，未排除的氣體會形成凹坑和坑洞，并且無法及時潤平。當冷卻后，這些缺陷就會顯現(xiàn)在釉面上，形成針孔、凹坑等缺陷。此外，滑石和稀土尾礦中都富含大量SiO2。隨著SiO2含量升高，釉面在高溫下的黏度也會增加，這會增加釉面固化過程中氣體的留存，使其更難排除。因此，更高比例的稀土尾礦替換會導致更多的氣體滯留在釉面中，進一步加劇了缺陷的產生[9]。

3.3 稀土尾礦在白云石質透明釉中的應用研究

白云石質透明釉是一種常用的陶瓷釉料，它含有一定量的鉀和鈉，并且高含量的助熔劑會降低釉料的熔融溫度和膨脹系數(shù)。然而，這樣的組分和性質也容易導致一些問題，比如釉面粗糙、坯釉不匹配而開裂等缺陷。為了解決這些問題，可以通過探究稀土尾礦在白云石質透明釉中的最佳用量來進行改良。參考表9中白云石質透明釉基礎配方，通過外加和替換稀土尾礦的方式，在白云石質透明釉中調整稀土尾礦的用量，可以改善其性能表現(xiàn)，并解決由于高含量助熔劑引起的坯釉不匹配而開裂等缺陷問題。通過探究最佳用量，可以得到更好的效果。

3.3.1稀土尾礦外加實驗

根據(jù)表10和圖6的結果分析，可以確定在白云石質透明釉中，稀土尾礦的最佳外加量為10wt%。在這個范圍內，釉料的性能得到了良好的改善。然而，在稀土尾礦添加量超過最佳外加量時，釉料會出現(xiàn)一系列問題。當稀土尾礦的含量從5wt%增加到10wt%時，雖然光澤度有所提高，但同時也出現(xiàn)了氣泡增多的情況。這可能是因為稀土尾礦中含有較高的CaO和MgO等成分，導致釉料未能充分成熟而產生氣泡等缺陷。特別是當稀土尾礦含量達到20wt%時，由于CaO含量顯著增加，在白云石質透明釉中引起大量氣泡產生，并導致明顯的縮釉現(xiàn)象。進一步增加稀土尾礦的含量至30wt%，會導致釉料內部產生大量氣泡，并使光澤度下降至86.4%。這是由于CaO含量較高，增加了釉料的膨脹系數(shù)和彈性模量，使得釉表面易于出現(xiàn)開裂和縮釉。

在白云石質透明釉中，稀土尾礦的添加量增加會帶來CaO和MgO等成分的增加。這些成分的增加會降低釉料的始融溫度，導致釉料未能充分成熟，從而產生氣泡、針孔等缺陷。此外，高含量的CaO還可能引起釉面開裂和縮釉問題，因為它們會增加釉料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量。因此，在使用稀土尾礦作為白云石質透明釉的原料時，需要在穩(wěn)定性和美觀性之間進行平衡。應該控制在最佳用量范圍內，并加以細致調整，以確保滿足產品質量要求。

3.3.2稀土尾礦替換實驗

稀土尾礦在白云石質透明釉中的適宜替換量為5wt%。通過對表11和圖7的結果分析可以發(fā)現(xiàn)，當稀土尾礦含量從5wt%增加到20wt%時，釉面質量出現(xiàn)了明顯的變化。首先，隨著稀土尾礦含量的增加，釉面的粗糙度顯著增加。這表明隨著稀土尾礦含量的增加，釉面質地變得不平滑，可能由稀土尾礦分布不均勻引起；其次，在高含量的稀土尾礦下，氣泡數(shù)量明顯增多，并且出現(xiàn)了針孔和大量氣泡。這主要是因為稀土尾礦中富含SiO2，在白云石質透明釉加熱過程中會產生二氧化碳等氣體，而黏度增大導致了這些氣體難以順利排除，在釉面形成大量氣泡、針孔等缺陷；此外，隨著稀土尾礦含量增加，釉面的光澤度也顯著下降，從83.6%降低到16.2%。這與氣泡問題相關，氣泡會導致釉面表面不光滑，并且影響了光線的反射，降低了釉面的光澤度。

在使用白云石質透明釉時，超過最佳替換量5wt%的稀土尾礦含量會對釉面質量產生諸多不利影響，其中包括粗糙度增加、氣泡問題和光澤度明顯下降。為了保證釉面質量達到最佳效果，在制備過程中需要嚴格控制稀土尾礦的添加比例。

4 結論

本實驗研究了稀土尾礦在透明釉中的應用，通過單因素變量法，在不同工藝參數(shù)下進行實驗。實驗結果表明，在球磨10min，燒成溫度為1300℃，保溫20min，釉層厚度0.1～0.2mm的工藝參數(shù)下，稀土尾礦可以有效地提高釉面的光澤度，降低燒成溫度，減少能耗。具體而言

1）在長石質透明基釉中，稀土尾礦的最佳外加量為10wt%，最佳替換量為4wt%；在滑石質透明基釉中，稀土尾礦的最佳外加量為10wt%，最佳替換量為3wt%；在白云石質透明基釉中，稀土尾礦的最佳外加量為10wt%，最佳替換量為5wt%；

2）隨著稀土尾礦含量的增加，釉面粗糙度增加，光澤度降低。產生氣泡和釉面波紋的原因是釉漿密度過大、潤濕性和流動性差，不易展平。

通過以上改進措施和優(yōu)化方案，在保證替代效果時提高釉面質量，并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和資源高效利用，這將為相關行業(yè)帶來更好的技術創(chuàng)新和經(jīng)濟效益。

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作者簡介：熊露，男，副教授，碩士生導師，在讀博士，主要從事陶瓷技術史、古陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷工藝再現(xiàn)及文化遺產保護研究。

基金項目：江西陶瓷文物遺存保護暨御窯研究協(xié)同創(chuàng)新中心項目（編號JXYY2105）、江西省2023年度研究生創(chuàng)新專項資金項目（編號YC2023-B243）支持。