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1、第一章 原料及预处理,原料是材料生产的基础 作用：主要是为产品结构、组成及性能提供合适的化学成分和加工处理过程所需的各种工艺性能。,包括：天然原料、化工原料 特点：天然原料化学组成不纯，便宜；化工原料高纯度。节约资源，物尽其用。,第一节 粘土类原料,四个基本特征：,1、直径0.002mm的粘粒,2、含大量的粘土矿物,3、具有独特的物理化学工艺性质,4、团结以后，可形成泥岩、页岩、泥板岩等半硬质岩石,一、粘土,定义：粘土是一种颜色多样，细分散的一种或者多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。,陶瓷、玻璃、耐火材料和水泥工业的主要原料之一。为陶瓷生产提供必需的可塑性、悬浮性和烧结性，其用量常达40%以上。高
2、岭土：无碱玻璃、仪器玻璃和粘土质耐火材料。水泥生产提供氧化硅和氧化铝，成球性能。生产1t水泥熟料需要0.30.4t粘土质原料。,作用：,二、粘土的成因及分类,各种富含硅酸盐矿物的岩石经风化，水解，热液蚀变等作用可变为粘土。,风化残积型,热液蚀变型,沉积型,粘土的成因是什么？,风化残积型 一次粘土,成因：深层的岩浆岩（花岗岩、伟晶岩、长石岩）在原产地风化(物理、化学、有机风化）后即残留在原地，多成为优质高岭土的矿床，一般称为一次粘土（也称为残留粘土或原生粘土）；粘土的产地不同，其成分也有较大波动。,代表：我国南方的高岭土大多属于此类，如：江西星子高岭、景德镇大州高岭、龙岩高岭、广东飞天燕等粘土矿
3、。,特点：质地较纯，颗粒稍粗，可塑性较差，耐火度较高,热液蚀变型,成因：热液作用于母岩所形成的。,高温岩浆冷凝结晶后，残余岩浆含大量挥发分和水分，当温度进一步降低时，水分以液态存在，但其中溶有大量其它化合物，当这种热液（水）作用于母岩时，会形成粘土矿床，这就称为热液蚀变型粘土矿。,代表：苏州阳山、衡阳界碑等地粘土矿多为热液蚀变型。,沉积型二次粘土,成因：风化了的粘土矿物借雨水或风力的迁移作用搬离母岩后，在低洼地方沉积而成的矿床，成为二次粘土（也称为沉积粘土或次生粘土）。,代表：漳州黑泥、山西紫木节等粘土矿。,特点：杂质多，塑性好，干燥强度大，收缩大，耐火度差。,粘土的分类,按成因分：原生粘土（
4、一次粘土）,次生粘土（二次粘土）,两者区别：化学组成 耐火度 成型性能,一次粘土 较纯 较高 塑性低,二次粘土 杂质含量高 较低 塑性高,按可塑性分：高可塑性粘土 膨润土、球土、木节土,中等可塑性粘土,低可塑性粘土焦宝石、瓷石、叶蜡石,按耐火度分：耐火粘土（耐火度 1580 C)（细瓷等）,难熔粘土（耐火度13501580 C）（瓷砖等）,易熔粘土（耐火度 1350 C）（砖瓦等）,三、粘土的组成,粘土的性能取决于粘土的组成，包括粘土的矿物组成、化学组成和颗粒组成。,1、粘土的化学组成,主要化学成分为SiO2、A12O3和结晶水（H2O）。,含有少量的碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属氧化
5、物CaO、MgO，以及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。,风化残积型粘土矿床一般SiO2含量高，而A12O3含量低。,化学组成在一定程度上反映其工艺性质：（1）SiO2：若以石英状态存在的SiO2多时，粘土可塑性降低，但是干 燥后烧成收缩小。（2）Al2O3：含量多，耐火度增高，难烧结，高岭石类。（3）Fe2O31，TiO2 0.5：瓷制品呈白色，含量过高，颜色变深，还影响电绝缘性。（4）K2O、Na2O：降低烧结温度，缩小烧结范围,伊利石类。（5）CaO、MgO：降低粘土的耐火度，缩小烧结范围，过量可使坯体起泡。（6）H2O、有机质：可提高可塑性，但收缩大。,化学组成的意义,1）矿物鉴定2）
6、估计耐火度3）制品的颜色4）成型性能5）制品在烧结中膨胀或气泡的可能性6）示性分析,2、粘土的矿物组成,粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也称水云母）等等。,高岭石,叶腊石,伊利石,a高岭石类 晶体结构式：Al4Si4O10（OH）8，1:1型层状结构硅酸盐，SiO四面体层和Al（O，OH）八面体层通过共用氧原子联系成双层结构，构成结构单元层。层间以氢键相连，结合力较小，所以晶体解理完全并缺乏膨胀性。,特点：吸附能力小，可塑性和结合性较差，杂质少、白度高、耐火度高。,b蒙脱石类 l2O34iO2n2O（蒙脱石n2，叶蜡石n=1）,2
7、:1型层状结构，两端SiO4四面体，中间夹一个Al（O，OH）八面体，构成单元层。单元层间靠O键相连，结合力较小，水分子及其它极性分子易进入晶层中间形成层间水，层间水的数量是可变的。,一：蒙脱石显著的特点是能吸收大量的水，体积膨胀，如以蒙脱石为主的膨润土其吸水后体积可膨胀2030倍，这就是膨润土的名称的由来。,二：离子交换能力强，晶格中的四面体层i4+部分被l3+、5+置换。八面体层中l3+被g2+、e3+、n2+、i+等置换，使晶格中电价不平衡。晶层之间吸附阳离子如 a2+、a+等，又增加了蒙脱石的离子交换能力。根据吸附离子不同分为a蒙脱石，a蒙脱石。,特点：,三：膨润土可塑性大，触变厚化性
8、强，严重影响泥浆性能。煅烧时脱水过程长，收缩大，l23含量低，又吸附了其它阳离子，杂质较多。因此烧结温度低，烧后色泽差，会使坯体软化变形，用量不宜太多，一般在左右。,四：随外界环境的温度和湿度而变化，引起轴膨胀与收缩，因此蒙脱石吸水性强，吸水后体积膨胀，容易破裂。颗粒极细，可塑性强，干燥后强度大，干燥收缩也大，烧结温度低。,c 伊利石类,化学通式：K2(Al，Fe，Mg)4(Si，A1)8O20(OH)4H2O,与蒙脱石结构类似，2:1型层状硅酸盐，但SiO4四面体中l+较蒙脱石多，晶间阳离子常为K+，也有部分被+，a+取代，K+半径大小正好嵌入层间，因此晶格结构牢固，不发生膨胀。,伊利石类矿
9、物构成的粘土，一般可塑性低，干后强度小，干燥烧成收缩小，烧结温度低，烧结范围窄。一般在800左右开始烧结，完全烧结温度在10001150,粘土中的杂质矿物,它们通常以细小晶粒及其集合体分散于粘土中，也有成为独立的矿物颗粒或者覆盖在粘土矿物颗粒表面上它们的数量有时不多，但会影响甚至决定粘土的工艺性能。(1)石英 使粘土可塑性差，坯料成型困难，干燥后强度低，影响上釉操作。所以我国南方陶瓷工厂多采用淘洗法(也可用水力旋流器)将粘上中的石英颗粒除去。(2)铁质矿物 针铁矿、褐铁矿、赤铁矿、黄铁矿、菱铁矿等；影响产品烧后色泽，介电性能、化学稳定性等；如果分散度大则往往采用电磁选矿法除铁。,(3)碳酸盐及
10、硫酸盐 方解石(CaCO3)、菱铁矿(MgCO3)、石膏(CaSO42H20)、明矾石(K2SO4A12(SO4)6H2O)及可溶性硫酸盐K2SO4、Na2SO4等。碳酸盐分解产生CaO、MgO，起熔剂作用，能降低陶瓷的烧成温度。硫酸盐分解温度较高，容易引起坯泡。石膏还会和粘土熔化形成绿色玻璃质熔洞。(4)含碱矿物 主要是长石类，云母类矿物。它们的熔剂作用强烈，影响粘土可塑性，会降低烧结温度。,表5 粘土主要矿物组成,3、粘土的颗粒组成,颗粒组成：粘土中含有的不同大小颗粒的体积百分比含量。颗粒很细，小于l2um。蒙脱石、伊利石类粘土比高岭石类细小。非粘土矿物如石英、长石等杂质一般是较粗的颗粒。
11、淘洗可获得较纯的粘土。1um的细颗粒愈多，则可塑性愈强，干燥收缩大，干后强度高，而且烧结温度低，（比表面积大，表面能高）片状比杆状堆积面积大，塑性大，强度高。,颗粒组成测定方法,国外：对超细粉体的分级技术研究较早（早在五、六十年代），采用激光法、沉降法等先进方法，可以测出0.1100m的颗粒，精确度和自动化程度都很高。,国内：大多数陶瓷厂家还仅仅使用筛分法来表示和控制原料的细度，此法只能测定粒径大于60m的大颗粒，较粗糙，精确度不高。,四、粘土的工艺性质,可塑性,粘土的组成和工艺性质是生产中合理选择粘土原料的重要指标。粘土原料的工艺性质主要取决于其化学、矿物与颗粒组成。,定义：粘土水系统形成泥
12、团，在外力作用下泥团发生变形，形变过程中坯泥不开裂，外力解除后，能维持形变，不因自重和振动再发生形变，这种现象称为可塑性。,表示方法：可塑性指数，可塑性指标。,可塑性可塑性指数,可塑性限度（塑限）W1：塑限(塑性限度)系粘土(或坯料)由固体粉末状态进入塑性状态时的含水量。,液性限度（液限）W2：液限(液性限度)系粘土(或坯料)由塑性状态进入流动状态时的含水量。,可塑性指数则为液限与塑限之差，表示粘土能形成可塑泥团的水分变化范围。,可塑性指数W：W=W2-W1（液限与塑限之差）,塑限W1反映粘土被水润湿后，形成水化膜，使粘土颗粒能相对滑动而出现可塑性的含水量。,液限W2反映粘土颗粒与水分子亲和力
13、的大小。,降低泥浆触变厚化度大，渗水性强，便于压滤榨泥。,从粘土与水的相对关系来看，塑限高说明粘土颗粒的水化膜厚，工作水分高，但干燥收缩也大。液限高的粘土颗粒很细，在水中分散度大，不易干燥，湿坯的强度低。可塑性指数大则成型水分范围大，成型时不易受周围环境湿度及模具的影响，即成型性能好。,可塑性指标：在工作水分下，粘土（或坯料）受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积。,可塑性指标反映粘土的成型性能,影响可塑性的因素：矿物组成 固相颗粒大小和形状 液相的数量和性质 吸附阳离子的种类,水分适中，颗粒细小，有机杂质，阳离子浓度大、半径小、电价高可塑性较好。,应力大，应变小挤坯成型 应力小，应变大旋坯
14、成型,表3 粘土可塑性,措 施：,离子交换性,起因：粘土颗粒带电荷，来源于Si4+被Al+，Fe+等置换以及边缘断键，而出现负电荷。,表示方法：离子交换能力用交换容量来表示，PH=7时，100g粘土所吸附能够交换的阳离子或阴离子的量，单位：mol10g。,粘土的阳离子交换容量大小一般情况下可按下列顺序排：,影响离子交换能力的因素除和离子性质有关外，还和粘土矿物的性质及其分散度有关。,定义：,触变性,定义：粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加静置后能恢复原来状态。反之，相同泥浆放置一段时间后，在维持原有水分的情况下会增加粘度，出现变稠和固化现象，上述现象可重复无数次，统称为
15、触变性。,产生触变性的原因：由于粘土片状颗粒的活性边面上尚残留少量电荷未被完全中和，以致形成局部边边或边面结合，使粘土颗粒之间常组成封闭的网络状结构。这时，泥料中的大量的自由水被分隔和封闭在网络的空隙中，使整个粘土水系统好像水分减少，粘度增加，变稠及固化现象，但这样的网络状结构是疏松和不稳定的，当稍有剪切力的作用或振动时，网络即被破坏，又呈流动状态。,触变性厚化系数（度）,泥浆厚化系数（度）：触变厚化现象可以用泥浆粘度变化之比或剪切应力变化的百分数来表示。,泥浆厚化系数（度）30min30s,30min100ml泥浆静置30分钟后由恩式粘度计中流出的时间,30s100ml泥浆静置30秒钟后由恩
16、式粘度计中流出的时间,可塑泥团的厚化系数（度）为静置一段时间后，球体或锥体压入泥团达一定深度时剪切强度增加的百分数。,泥料厚化系数（度）（n-0）0100,0球体或锥体压入泥团达一定深度时泥团开始承受的负荷g,n泥团静置一定时间后，球体或圆锥体压力相同深度时，泥团承受的负荷g,影响颗粒表面荷电的因素：矿物组成、颗粒大小和形状、水份含量、电解质种类与用量，温度等产生影响。,生产中希望泥料具有合适的触变性。,影响因素,膨化性,粘土与水调和后，体积会不同程度有所增加,原因：粘土在吸附力，渗透力及毛细管力的作用下，水分进入粘土晶层之间、或者胶团之间所致。主要表现为：1、层间吸水膨胀；2、颗粒表面水膜的
17、形成。,膨化性能用膨胀容表示：指1g干粘上吸水膨胀后的体积（cm3）。,收缩,原料和坯料的收缩实际上可分为三种：干燥收缩(干燥至105110试样尺寸的变化)烧成收缩(干后试样煅烧后尺寸的变化)总收缩(试样成型后经过煅烧尺寸的总变化)。,试样的总收缩S总并不等于干燥线收缩S干与烧成线收缩S烧之和。S烧（S总S干）/（100S干）100%,生产中要注意收缩!,表示方法：线收缩率与体积收缩SV率。,线收缩：Sl=(L0-L1)/L0100%体积收缩：Sv=(V0-V1)/V0100%,L0原始长度L1试样干燥或烧成后的长度V0原始体积V1干燥或烧成后的体积,影响收缩的因素：组成，含水量，阳离子交换能
18、力，细度等。细粒粘土及呈长形纤维状粒子的粘土收缩较大。,烧结性能,烧结性能是制订烧成制度、确定烧成范围主要参考性能指标。粘土是多矿物组成的混合物，没有固定的熔点，在大的温度范围内逐渐软化。,开始烧结温度（T1）：,完全烧结温度（T2）：,软化温度（T3）：,烧结范围（T2-T3）：,影响烧结的因素：主要是化学组成与矿物组成，及其数量。,生产中要注意烧结范围,耐火度 表示粘土原料抵抗高温作用不致熔化的性能指标。测定方法：分类：耐火度 1580影响因素：,五 粘土在生产中的作用,1 硅酸盐材料（水泥、陶瓷、耐火材料）主要原料之一2 使浆料和釉料具有悬浮性、稳定性3 成型的基础，配方依据4 将各种原料合理结合在一起5 陶器主体结构和瓷器中莫来石主要来源,
