锂辉石在卫生瓷釉中的应用



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  1含锂矿物的基本特性
     含锂矿物可用作陶瓷原料的有:锂云母、磷锂铝石、锂辉石、透锂长石等,其基本特性介绍如下。
     1.1锂云母
     化学通式为LiF·KF·Al2O3·3SiO2,理论Li2O3含量为6.43%,比重2.8~2.9,硬度2.5~4,熔化温度1168~1177℃,单斜晶系,晶体为短柱状,但非常少见。锂云母通常以小薄片的粗大集合体出现,有时也有平板状锂云母。
     1.2磷锂铝石
     化学通式为LiAlFPO4,理论Li2O含量为10.10%,比重3.01~3.11,硬度5.5~6,熔化温度1170℃。通常是白色或灰色的易裂块状或柱状。
     1.3透锂长石
     化学通式为Li2O·Al2O3·8SiO2。理论Li2O含量为4.9%,比重2.4~2.5,硬度6~6.5,熔化温度1350℃。单斜晶系,颜色淡灰、白色、少量呈粉红色,有两个互成38.5度角的解理方向,底部完全解理。
     1.4锂辉石
     化学通式为Li2O·Al2O3·4SiO2,理论Li2O含量为8%,比重3.03~3.2,硬度6.5~7,熔化温度1380℃。锂辉石生成于富锂的花岗伟晶岩中,与长石、石英、锂云母等矿物共生。属辉石族矿物,单斜晶系,沿(110)晶面表现出明显的解理,以至沿解理面生成板条状颗粒。锂辉石在1000℃左右发生不可逆转化,由α锂辉石转达变为β锂辉石,比重也由3.03~3.2转变为2.4 左右。生成的β锂辉石属于四方晶系,热膨胀系数非常低。
     含锂矿物在陶瓷行业中的应用以锂辉石最为普遍。一方面锂辉石品位较高,容易取得,另一方面锂辉石的结构中允许硅进入固溶体,这一特性在卫生瓷釉配方的调配中很有利用价值。

表格 1锂辉石化学组成
    

化学成分

Li2O

Fe2O3

Al2O3

MnO

SiO2

Na2O

K2O

P2O5

CaO

TiO2

百分含量

≥6.5

≤0.25

22.00

0.05

68.00

0.23

0.20

0.13

0.03

0.02

2锂辉石在卫生瓷釉中的应用
     2.1降低热膨胀系数
     天然α锂辉石在晶型转变之前其膨胀率为4×10-6/℃,而当它转化为β锂辉石,其热膨胀率为1.9×10-6/℃。Α锂辉石1050℃加热1.75h或1200℃加热0.5h,90%转化为β锂辉石。Β锂辉石在1100~1200℃生成玻璃相,其热膨胀率为2.4×10-6/℃,β锂辉石室温至900℃热膨胀率1×10-6/℃。
     锂辉石熔解石英的能力比钠、钾长石熔液更大,可与釉中游离石英发生反应,生成热膨胀系数极低的β锂铝硅酸盐固溶体。反应如下:
     Li2O·Al2O3·4SiO2+4SiO2 Li2O·Al2O3·8SiO2
     接近透锂长石的理论组成,能有效阻止石英的晶型转变,也廉洁减少了石英晶型转变带来的体积膨胀。
     同时,由于釉是一种玻璃质物质,根据玻璃的无规则网络学说,玻璃是由网络形成剂和网络改变体离子构成。网络结构本身的强度对热膨胀系数影响很大,如融熔石英全由硅氧四面体构成网络,正负离子间键力大,故具有最小的热膨胀系数。加入碱金属或碱土金属氧化物能使网络断裂,造成玻璃体系数的增大。而且随着加入正离子与氧离子之间键力减小而增加, Li+、Na+、K+ 同是一价离子,离子半径依次增加。因此键力依次减小对玻璃网络结构的破坏依次增强这样加入Li2O后,其膨胀系数要比单纯加入Na2O、K2O的热膨胀系数要低,因而降低釉料的热膨胀系数,增加热稳定性。
     在耐热陶瓷炊具的生产中,无论釉或坯体都普遍地加入了锂辉石以改善热稳定性。在设计卫生瓷釉的配方,尤其是颜色釉配方时,已经较为普遍地采用了添加锂辉石的Li2O-Al2O3-SiO2系釉来增强对釉中游离石英的溶解,降低度釉的膨胀系数,改善釉坯结合性能,改善热稳定性,在卫生瓷大生产中得到了广泛的应用,取得了很好的效果。
     2.2提高白度
     卫生瓷釉的白度是一个重要质量指标。为了提高白度,在调配配方时一方面可以适量加入ZnO,除了析出锌铝尖晶石产生散射外,锌离子可增加晶核生成,提高乳浊相的含量。但锌过高会造成釉面缺陷。另一方面可以采用提高锆英粉的细度提高白度,但粉碎的难度随着细度的增加而增大,一味追求细度来提高白度,在经济效益上不可取。
     经实验,锂辉石的引入可以提高釉的白度。因为乳浊净利的强弱与乳浊相半径的尺寸大小、分布的均匀程度及密集程度和釉基质玻璃相与乳浊相折射率的差值有密切的关系。 乳浊相粒子的尺寸最大不应超过2μ,最小不低于0.2μ,这时乳浊相粒子越小,分布越均匀,密集程度越高,则乳浊度越大,即乳浊效果越好。以锆英石为乳浊剂,不加入锂辉石与加入10%以下锂辉石的釉相比,加入锂辉石的釉中乳浊相除了锆英石还有大量02~0.3μ左右的球状分离相。因为锂辉石中含水量有微量的P2O5,能促使析出均匀细小的粒状锆英石晶体,因此,含锂辉石釉中的锆英石晶体颗粒细小,分布均匀,且数量多,能在一定范围内提高卫生瓷的白度。
     2.3提高釉面质量
     由表2可以看出,锂的离子半径最小,场强最大,因此Li2O的助熔作用很强。在钾钠钙基玻璃中,用Li2O代替Na2O或K2O,能有效地降低釉的高温粘度。因此用锂辉石代替长石作熔剂,其助熔作用更强,能降低熔融温度和高温粘度,有利于釉中在烧成过程中一系列物理化学反应产生气体的排出。同时由于长石用量的减少,可以减少由长石引入釉中的气体量,也有利于釉面平整度和光泽度的提高。
       

表格 2锂辉石的离子作用
    

离子

原子价

离子半径

电子电位

Li

1

0.60

1.97

Na

1

0.95

1.05

K

1

1.33

0.75

信息来源:中国陶瓷信息资源网