两种紫砂陶土的测试与表征

曹 文，夏光华，谭训彦，刘贤本，张晓林

（景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403）

两种紫砂陶土的测试与表征

曹 文，夏光华，谭训彦，刘贤本，张晓林

（景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403）

采用X射线荧光光谱仪（XRF）、X射线衍射仪（XRD）、综合热分析仪（DTA-TG）、激光粒度仪、扫描电子显微镜（SEM）及可塑性仪对焦元坞紫砂陶土和九堡紫砂陶土的化学组成、晶相组成、热性能、粒度分布、显微形貌与可塑性进行了表征。结果表明:焦元坞紫砂陶土主要由水云母、绿泥石和石英组成，其Fe2O3和TiO2含量较高，颗粒尺寸大，d50为20.25 μm，可塑性指标达14.5 cm·kg（含水率为18%时），电镜下可见大尺寸云母颗粒和少量粉屑；九堡紫砂陶土主要由水云母、方解石和石英组成，其Fe2O3和TiO2含量较低，颗粒尺寸小，d50为4.309 μm，可塑性指标为6.7 cm·kg（含水率为18%时）。

紫砂陶土；测试；表征

0　引 言

紫砂陶土是制备紫砂器皿的主要原料，而紫砂陶土独以宜兴黄龙山出产的紫砂泥质量最为上乘。由于所用原料品质优良，再加上做工精细，所以宜兴紫砂产品能在国内外久享盛名。近些年来，随着人们生活水平不断提高，市场对宜兴紫砂需求量也持续增加，黄龙山紫砂陶土消耗量越来越大［1］。紫砂陶土是矿物原料经过上亿年风化作用形成的一类粘土矿物，作为一种不可再生资源，2005年宜兴市政府颁布“禁采令”法案，以控制黄龙山陶土资源被无序过度开发［2］。“禁采令”实施后，黄龙山紫砂陶土价格一路走高。虽然2010年后，黄龙山紫砂矿又恢复开采，但上等紫砂泥仍供不应求，致使一些“囤泥户”之间竞相逐价［3，4］。

经过一千多年的开采，景德镇瓷矿资源逐渐枯竭。2009年，景德镇被国务院确定为第二批资源枯竭城市，城市发展转型成为所面临最紧迫的问题［5-7］。2012年，景德镇焦元坞发现一大型紫砂陶土矿，已探明储量1066万吨［8］。2014年，赣州九堡也发现了一紫砂陶土矿，其具体储量仍在勘探中。两地区紫砂陶土矿的开发将有利于丰富紫砂陶土的原料来源，促进两地区城市转型和城市发展。目前，人们对宜兴黄龙山紫砂陶土已经进行了较为深入的研究，但对焦元坞紫砂陶土和九堡紫砂陶土的研究还不够深入［9］。本文选取这两个地区的紫砂陶土作为研究对象，对其组成和可塑性等进行研究。目的在于向紫砂制陶业提供可靠的技术参数，以便帮助企业更好地指导生产。

Correspondent author:XIA Guanghua（1962-），male，Professor.

E-mail:xiagh6565@163.com

1　实验部分

1.1原料与试样制备

本试验使用的紫砂陶土来自（江西景德镇）焦元坞地区和（江西赣州）九堡地区。其中，焦元坞紫砂陶土呈紫红色块状，九堡紫砂陶土呈暗红色块状。将紫砂陶土碾碎后过100目筛，测定其颗粒的粒径分布；将紫砂陶土碾碎后过250筛，测定或观察其化学组成、晶相组成、热性能和显微形貌；向细度为-250目的紫砂陶土中加入适量的水，制成含水率为18%的泥团，陈腐24 h后测定其可塑性。

1.2检测方法

利用荷兰帕纳科公司生产的Axios Advanced波长散射型X荧光光谱仪（XRF）对紫砂陶土的化学成分进行分析；利用德国布鲁克公司生产的D8 Advance型X射线衍射仪（XRD）对紫砂陶土的晶相组成进行表征；利用德国耐驰公司生产的STA449C型综合热分析仪（DTA-TG）对紫砂陶土的热性能进行分析；利用丹东市百特仪器有限公司生产的BT-2000型激光粒度仪对紫砂陶土的粒径分布进行表征；利用日本日立公司生产的SU8010型场发射扫描电子显微镜（SEM）对紫砂陶土的颗粒形貌进行观测；利用湘潭湘仪仪器有限公司生产的KS-B型数显可塑性仪对紫砂陶土泥团的可塑性进行测定。

2　结果与讨论

2.1紫砂陶土的化学组成

紫砂陶土的化学组成如表1所示。焦元坞紫砂陶土的着色离子氧化物Fe2O3、TiO2含量较高，分别为8.06%和1.00%，而九堡紫砂陶土的Fe2O3、TiO2含量较低，仅有6.38%和0.66%。由于焦元坞紫砂陶土的着色离子氧化物含量要比九堡紫砂陶土的高，因而焦元坞紫砂陶土从外观上来看颜色更偏紫红。此外，九堡紫砂陶土中的CaO含量较高，其晶相组成中可能含有定量的方解石或白云石。

从表1中还可以看出，焦元坞紫砂陶土的Al2O3含量较高，碱金属和碱土金属氧化物的含量较低，而九堡紫砂陶土的这一特征恰好相反。这表明与以九堡紫砂陶土为主要原料的陶瓷坯体相比，以焦元坞紫砂陶土为主要原料的陶瓷坯体需要相对更高的烧成温度。

2.2紫砂陶土的晶相组成

紫砂陶土的XRD图谱如图1所示。从XRD图谱来看，焦元坞紫砂陶土主要由白云母、绿泥石及石英组成；九堡紫砂陶土主要由白云母、方解石及石英构成。虽然两种紫砂陶土均检测出白云母的XRD特征峰，但结合表1来看，紫砂陶土中的K2O含量过低，与白云母的K2O理论含量11.8%相比，相隔甚远。事实上，白云母在风化、搬运过程中，其单元层间K+常部分淋湿，由H3O+代替，形成水白云母（又称水云母）［10］。因此，焦元坞紫砂陶土和九堡紫砂陶土中的白云母实质上应当是水云母。

2.3紫砂陶土的热分析

焦元坞紫砂陶土的DTA-TG曲线如图2a所示。第一阶段，样品在79 ℃附近有一个微弱的吸热峰，该过程为自由水的去除。第二阶段，样品在400-700 ℃温度范围内有一个明显的吸热峰，该过程为结构水的去除。两阶段共产生2.45%的质量损失。

图1　紫砂陶土的XRD图谱（a）焦元坞紫砂陶土，（b）九堡紫砂陶土Fig.1 XRD patterns of purple sand syderolites (a) Jiaoyuanwu, (b) Jiubao

表1　紫砂陶土的化学组成Tab.1 The chemical compositions of purple sand syderolites (wt.%)

九堡紫砂陶土的DTA-TG曲线如图2b所示。第一阶段，样品在117 ℃附近有一个明显的吸热峰，并伴随1.79%的质量损失，该过程为自由水的去除。第二阶段，样品在400-650 ℃温度范围内有一个微弱的吸热峰，并伴随3.06%的质量损失，该过程为结构水的去除。其中，峰值562 ℃对应β-石英向α-石英晶型转变温度点。第三阶段，样品在650～800 ℃温度范围内有一个尖锐的吸热峰，并伴随4.58%的质量损失，该过程为方解石的分解。其中，峰值869 ℃对应α-石英向α-磷石英晶型转变温度点。若选取九堡紫砂陶土为原料，在烧制产品时应注意碳酸盐加热释放气体所带来的影响。

2.4紫砂陶土的粒径分布

紫砂陶土的粒径分布曲线如图3所示。从粒度分析的结果来看，九堡紫砂陶土的物料颗粒很细，中位径d50只有4.309 μm（其它参数，d10=0.898 μm，d90=22.69 μm）；而焦元坞紫砂陶土的物料颗粒则整体较粗，中位径d50达20.25 μm（其它参数，d10=1.283 μm，d90=91.17 μm），使用前应适当粉碎。

2.5紫砂陶土的显微形貌

图2　紫砂陶土的DTA-TG曲线：（a）焦元坞紫砂陶土，（b）九堡紫砂陶土Fig.2 Curves of DTA-TG of purple sand syderolites: （a） Jiaoyuanwu，（b） Jiubao

图3　紫砂陶土的粒径分布：（a）焦元坞紫砂陶土，（b）九堡紫砂陶土Fig.3 Particle size distributions of purple sand syderolites: （a） Jiaoyuanwu，（b） Jiubao

图4　焦元坞紫砂陶土的SEM照片Fig.4 SEM micrographs of Jiaoyuanwu purple sand syderolite

图5 九堡紫砂陶土的SEM照Fig.5 SEM micrographs of Jiubao purple sand syderolit

图4和图5分别为焦元坞和九堡紫砂陶土的SEM照片。从图4a中可以看出，焦元坞紫砂陶土没有太多粉屑，云母颗粒尺寸较为粗大。在进一步放大后的图4b中可以观察到焦元坞紫砂陶土的云母颗粒，其晶粒形态仍保持层状结构，晶粒表面和边缘受到破坏，产生许多碎小颗粒。

从图5a中可以看出，九堡紫砂陶土含有大量粉屑，云母颗粒尺寸较小。结合放大后的图5b可以观察到九堡紫砂陶土的云母有具有层状结构的小颗粒，也有如被一层层剥离开的小薄片。

2.6紫砂陶土的可塑性

实验在泥团含水率为18%的条件下，测得焦元坞紫砂陶土的可塑性指标为14.5·cmkg，九堡紫砂陶土的可塑性指标为6.7 cm·kg。从上述的检测分析可知，焦元坞紫砂陶土颗粒粒径整体比九堡紫砂陶土颗粒粒径大，理论上九堡紫砂陶土的可塑性应该大于焦元坞紫砂陶土，而所得到的可塑性测试结果却恰好相反，造成这一现象的原因可能是:（1）焦元坞紫砂陶土白云母风化程度比九堡紫砂陶土好；（2）焦元坞紫砂陶土含有一定量的绿泥石；（3）九堡紫砂陶土中方解石类的瘠性料过多。

3　结 论

通过测试分析可知，焦元坞紫砂陶土为水云母、绿泥石及石英组成的粘土矿物。该矿物具有铁钛含量高、颗粒粗大的特点，可塑性较九堡紫砂的好；九堡紫砂陶土为水云母、方解石及石英组成的粘土矿物。该矿物具有铁钛含量较高、颗粒细小的特点，可塑性较焦元坞紫砂的差。各陶瓷生产企业可根据自身的生产实际，结合地理优势，择优取料。

［1］江夏，吴隽，张茂林，等.宜兴紫砂泥料性能研究［J］.江苏陶瓷，2011，44（3）∶20-25.JIANG X，WU J，ZHANG M L，et al.Jiangsu Ceramics，2011，44（3）∶20-25.

［2］余文佳.江苏最大陶土资源大市实现零开采［N］.宜兴日报，2007-5-10（A01）.

［3］赵辉.我市将恢复紫砂矿开采［N］.宜兴日报，2010-6-3（1）.

［4］赵辉.黄龙山紫砂矿恢复开采［N］.宜兴日报，2010-7-5（1）.

［5］江国成，王小飞.第二批资源枯竭城市确定［N］.人民日报海外版，2009-3-6（4）.

［6］李放.努力实现瓷都新的振兴［N］.经济日报，2009-11-30（7）.

［7］斯兰.资源枯竭城市的转型之路［N］.中国改革报，2011-1-10（7）.

［8］廖传铭.填补江西紫砂陶土资源空白，焦元坞紫砂陶土前景看好［J］.景德镇陶瓷，2015，（1）∶32.LIAO C M.Jingdezhen Ceramics，2015 （1）∶32.

［9］范泽锋，闵仲明，杨伯军.宜兴“五色土”基本特性探讨［J］.中国陶瓷，2010，46（6）∶55-58.FAN Z F，MIN Z M，YANG B J.China Ceramics，2010，46（6）∶55-58.

［10］李胜荣.结晶学及矿物学［M］.北京∶地质出版社，2008∶240-242.

Testing and Characterization of Two Kinds of Purple Sand Syderolite

CAO Wen, XIA Guanghua, TAN Xunyan, LIU Xianben, ZHANG Xiaolin
（School of Materials Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333403，Jiangxi，China）

The chemical composition, phase composition, thermal property, particle size distribution, micromorphology and plasticity of Jiaoyuanwu and Jiubao purple sand syderolite were characterized by XRF, XRD, thermal analyzer, laser particle size analyzer, SEM and plasticity instrument respectively.The results indicate that Jiaoyuanwu purple sand syderolite is mainly composed of hydromica, chlorite and quartz.Jiaoyuanwu purple sand syderolite shows high content of Fe2O3and TiO2and large particle size (d50=20.25 μm）.And its plasticity index can reach 14.5 cm·kg when the rate of water content is 18%.The mica particles with large size and a small amount of debris can be observed from electron microscope.Jiubao purple sand syderolite is mainly composed of hydromica，calcite and quartz.Jiubao purple sand syderolite shows low content of Fe2O3and TiO2and small particle size (d50=4.309 μm）.And its plasticity index is 6.7 cm·kg when the rate of water content is 18%.

purple sand syderolite； testing； characterization

date: 2015-11-17. R evised date: 2015-12-27.

TQ174.4

A

1000-2278（2016）03-0303-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.03.017

2015-11-17。

2015-12-27。

大学生创新创业训练计划项目（115020-02009）。

通信联系人：夏光华（1962-），男，教授。