粘土 相关资料

2.2.1.1 概况    

粘土是一种或多种呈疏松或胶状致密的水铝硅酸盐矿物，是多种微细矿物和杂质的混合物。自然界中的粘土是多种含水铝硅酸盐矿物的混合物，外观多为土状或致密块状，呈白、黄、红、黑、灰等多种颜色，颗粒细微，大多数均不大于2μm，晶体呈片状、管状、球状以及六角鳞片状等。

粘土的主体是由各类粘土的矿物组成，通常还含有杂质矿物，如未风化的岩石碎屑、石英砂、长石、云母、方解石、黄铁矿、有机物杂质等。

自然界的粘土是由富含如长石、伟晶花岗岩等铝硅酸盐矿物的岩石经过长期地质年代的风化、水解、热液蚀变等作用而形成的。例如：

2.2.1.3 粘土的组成

粘土的组成包含化学组成、矿物组成和颗粒组成等三个方面。

1. 化学组成

由于粘土是由含水铝硅酸盐矿物组成的混合物，故粘土的主要化学成分为SiO2、Al2O3和H2O，同时还含有碱金属氧化物（K2O、Na2O）、碱土金属氧化物（CaO、MgO）、着色氧化物（Fe2O3、TiO2）以及烧失成分（机械结合水、化合水、有机质、碳酸盐、硫酸盐等）。

根据粘土的化学组成可以初步判断和估计粘土的一些性能。如粘土中Al2O3含量较高，杂质含量较少时，原料耐火度较高且难以烧结；当粘土中SiO2较多时，说明该粘土中游离石英较多，砂性重，成型时可塑性较差；若粘土中K2O和Na2O总量大于2%时，烧结温度较低；当Fe2O3含量大于0.8%时，制品白度降低，呈灰白色、黄色，甚至暗红色。

2. 矿物组成

天然粘土通常并不是单一矿物，而是由多种矿物的混合物，只是其中一种是主要矿物。根据主要粘土矿物的不同，可将天然粘土分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类三种。

（1）高岭石类

高岭石是一种常见的粘土矿物，其主要成分是高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O），其中Al2O3 39.5%、SiO2 46.54%和H2O 13.96%，结构式为Al4[Si4O10](OH)8。

高岭石是高岭土原料中的主要矿物成分。当高岭土中的高岭石矿物含量高，杂质较少，耐火度也较高，烧成后颜色较白，高温时莫来石发育较好，机械强度、热稳定性、化学稳定性均较好。但因其吸附能力弱，分散度较小，故其可塑性和结合性较差。

（2）蒙脱石类

蒙脱石又称微晶高岭石或胶岭石，是一种常见的粘土矿物。以蒙脱石为主要矿物的粘土称为膨润土。呈白色或灰白色，有时因含杂质而呈黄色、浅红色、蓝绿色等。比密度为2.2~2.9，硬度1~2。属于单斜晶系晶体，其理论化学通式Al2O3·4SiO2·nH2O（n通常大于2），晶体结构式为Al4(Si8O20)(OH)4·nH2O。

蒙脱石易于粉碎，颗粒细小，可塑性较强，遇水体积膨胀，干燥收缩率较大，干燥强度高，但含杂质较多，收缩较大，故烧成温度较低。在陶瓷生产中其用量一般控制在5%以下，否则，产品易出现变形、开裂等质量缺陷。

（3）伊利石类

伊利石类矿物又称水云母类矿物，是由云母水解成高岭石的中间产物。伊利石属于单斜晶系，晶体呈厚薄不等的鳞片状，有时有劈裂、折断痕迹，也有呈板条状。纯的伊利石多呈白色，含杂质时呈黄、绿、褐等色，比密度为2.6~2.9，硬度1~2。

伊利石类粘土一般可塑性较差，干燥强度低，干燥和烧成收缩均较小，烧结温度低，烧结范围窄。

3. 颗粒组成

粘土的颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分比含量。粘土中的粘土矿物颗粒较细，粒径在2μm以下。当然，粘土种类不同，颗粒大小亦有区别，蒙脱石、伊利石类粘土的颗粒比高岭石类粘土细小一些。

由于颗粒粒径的差异，在工艺上亦有不同。细颗粒粘土矿物，其表面积大，表面能较高，因此，粘土中的细粒矿物较多时，可塑性较强，干燥收缩大，干燥强度高，易于烧结成致密的坯体，有利于提高坯体的机械强度、白度、半透明度以及釉面光洁度和平整度。

2.2.1.4 粘土的工艺性能

粘土的化学组成、矿物组成和颗粒组成决定着粘土的工艺性能。

1. 可塑性

粘土与适量的水混合后形成泥团，在外力的作用下，泥团发生变形但不开裂，外力散去后，仍能保持原有形状不变，粘土的这种性质称为可塑性。粘土的可塑性通常用塑性指数或塑性指标表示。

根据粘土的塑性指数或塑性指标的大小，可将粘土分为以下四类：

（1）强塑性粘土：塑性指数＞15或塑性指标＞3.6；

（2）中塑性粘土：塑性指数7~15或塑性指标2.5~3.6；

（3）弱塑性粘土：塑性指数1~7或塑性指标＜2.5；

（4）非塑性粘土：塑性指数＜1。

在陶瓷生产中，通常采用以下几种措施来调整粘土或坯料的可塑性：当需要提高粘土或坯料的可塑性时，可将粘土进行淘洗、风化或陈腐；增加粘土的细度，对泥料进行真空练泥；适当掺入高塑性粘土；增加适量的有机或无机塑化剂，如糊精、胶体SiO2、羧甲基纤维素钠等；当需要降低粘土或坯料的可塑性时，可适量引入非可塑性物质，如石英、瘠性粘土、熟料等。

2. 结合性

粘土的结合性是指粘土结合非塑性原料而形成良好的可塑泥团并且有一定的干燥强度的能力。粘土的结合性对于半成品的干燥、修坯和上釉存在着重要的影响。粘土的结合性由其结合瘠性料的结合力的大小所决定的，而结合力的大小又和粘土矿物的种类、结构等因素相关。一般来讲，可塑性强的粘土，其结合力也大。

3. 触变性

粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低，而其流动性则会增加，静止后逐渐恢复原状。此外，泥浆放置一段时间后，在保持原水分不变的条件下也会出现变稠和固化的现象。粘土的这种性质称为触变性。

影响粘土的触变性的因素主要有粘土的矿物组成、颗粒大小及形状、水分含量、吸附离子的种类、水化性以及泥料或泥浆的温度等。

在陶瓷生产中，希望泥浆有适当的触变性。当泥浆触变性大时，在管道中输送时会很不方便，注浆后的产品易发生形变；当泥浆触变性过小时，则生坯强度较差，影响脱模以及精坯的质量。

4. 收缩

粘土泥料在一定温度下干燥时，由于颗粒间水分的排出，颗粒之间相互靠拢以及颗粒间距缩短而引起的体积收缩，称为干燥收缩。干燥后的粘土泥料经过高温煅烧时，由于发生诸如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、石英的晶型转化、易熔杂质的转化以及各类熔融物填充质点间空隙等一系列物理化学变化，使得粘土泥料进一步收缩，称为烧成收缩。成型粘土样品经过干燥和煅烧后的尺寸总变化称为总收缩。

影响粘土的收缩的主要因素包括粘土的组成、颗粒形状、含水分量、离子交换能力以及其他工艺性质等。粘土矿物组成与收缩的关系如2.4所示。

粘土的收缩通常以线收缩和体收缩来表示，一般而言，体收缩约为线收缩的3倍大小。

表2.4  各类粘土的收缩范围

粘土是由多种矿物混合而成的，没有固定的熔点，而是在一定的温度范围内逐渐软化。当粘土在加热煅烧的过程中，到达一定温度（800℃~900℃）后，继续升高温度时，粘土中低共熔物质开始熔化，液相出现并逐渐增加，填充在固体颗粒之间，由于液相表面张力的作用，使得未熔颗粒进一步靠拢，引起体积急剧的收缩，气孔率下降，密度提高，这种对应体积开始急剧变化时的温度称为开始烧结温度，如图2.2中t1所示。当温度继续升高时，收缩将不断增大至最大值，气孔率降至最小值，密度达到最大值，粘土完全烧结，此时对应的温度称为烧结温度，如图2.2中t2所示。从粘土烧结完全开始，继续升高温度，出现一个体积密度和收缩相对稳定的阶段，此时，若继续升高温度，粘土试样中的液相不断增加，以至于使得试样发生形变而不能保持原有形状，试样气孔率增大，体积膨胀，出现这种情况的最低温度称为软化温度，如图2.2中t3所示。一般将烧结温度到软化温度之间的温度区间称为烧结温度范围，即t2→t3。

粘土中的化学组成和矿物组成是影响粘土烧结的主要因素，如含碱性矿物较多、游离石英较少时，易于烧结且烧结温度较低以及烧结范围较窄。因此，不同产地、不同组成的天然粘土矿物的烧结温度（t2）和软化温度（t3）以及烧结温度范围（t2→t3）均有较大的变化。

图2.2  粘土烧结时的收缩率和气孔率曲线

摘自：曹文聪, 杨树森. 普通硅酸盐工艺学. 武汉: 武汉工业大学出版社. 1997

2.2.1.5 粘土在陶瓷生产过程中的作用

粘土所具有的工艺性能是陶瓷生产过程中陶瓷成型、烧结的基础。因此，粘土在陶瓷生产中起着十分重要的作用。

（1）粘土的可塑性是陶瓷制品得以成型的基础；

（2）粘土的结合性可以合理地将各种原料结合在一起，是设计和实现多种原料有效配合、成型的基础；

（3）加入适量粘土的注浆料以及釉料，呈现较好的悬浮性和稳定性，使得浆料组成均匀，不至于发生沉淀分层和成分偏析；

（4）粘土所具有的离子交换能力，使得可以通过添加电解质而获得流动性好、含水量适当的浆料；

（5）粘土中Al2O3以及杂质的含量是确定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素指标；

（6）粘土原料中Al2O3系陶瓷坯体生成莫来石晶体的主要成分。通过莫来石的形成及其含量的，可以获得机械强度、介电性能、热稳定性和化学稳定性等性能均较好的陶瓷制品。