陶土原料的特性分析与应用研究

张留生，许小静，冯亚腾

（1.江苏省陶瓷研究所有限公司，宜兴 214221;2.宜兴陶誉科技创业服务有限公司，宜兴 214221)

1 陶土原料的基本特性

1.1 外观特征

首先，对陶土原矿料的外观特征进行识别，研判陶土原矿料所属矿石类型；其次，对陶土原矿料取样进行烧成测试，分析原矿料的烧成特征：烧后色泽及烧结特性。选取的陶土原矿料外观与烧后特征见表1。

表1 陶土原矿料外观特征

陶土原料的岩石类型一般为粉砂质-砂质泥岩，成矿类型是沉积型，视沉积成矿环境条件、时间长短等因素，原矿呈硬质-半硬质-软质（泥质）块体，其莫氏硬度最高可达3.0、低至1.0 以下。如用于宜兴紫砂陶器制作的陶土原矿料—底槽青（紫砂泥中的一种），硬度大多在2.5-3.0，经水化后也少见泥质状；而采自新疆戈壁滩的三件陶土原料，在海洋环境下沉积成矿，其硬度仅在0.5 左右，经水化即呈泥浆状。

陶土原料中，视Fe2O3、TiO2等着色化学元素成分的含量高低及有机质的可能存在，原矿料外观一般呈现灰白-浅黄-土灰-土黄-红色-紫色-褐色-黑色等有色系列色调，原矿烧后也相应呈现由灰白等浅色调系列色直至紫色、褐紫等深色调系列色。在漫长的地质演变及沉积成矿过程中，陶土原料显示出成矿的非均质特性。在同一陶土矿体中，往往储藏着多种从外观特征到组成不尽相同的陶土原料。如上述的底槽青紫砂陶土原矿料,深藏在宜兴黄龙山陶土矿体的甲泥矿料层中，矿体中可用于宜兴紫砂陶器制作的紫砂原矿料储藏量，不足矿体中陶土总储藏量的5%，突现出宜兴本地将紫砂泥原矿料俗称为“岩中岩”、“泥中泥”的成矿地质特征与储藏规律。

1.2 化学成分

对12 个编号的陶土原矿料均质取样，进行化学成分分析，其化学成分见表2。

表2 陶土原料的化学成分（%）

陶土原料的化学成分与一般粘土相似，与高岭土相比，Al2O3含量较低，SiO2、Fe2O3和TiO2等含量较高。由于陶土原料成矿环境与条件的复杂性，不同矿体陶土原料的化学成分波动范围较大，SiO2/Al2O3的比值在2～5、Fe2O3含量在3%～15%、碱性成分总含量在2%～10%之间波动都是正常值，甚至超出该范围的也不在少数。

1.3 矿物组成

陶土原料成矿的复杂性、化学成分的波动性，突现出其矿物相组成的多样性。陶土原矿料的粘土矿物相主要有高岭石、埃洛石（多水、管状高岭石）、伊利石（水白云母）、绢云母及叶腊石（低塑性粘土）等；非粘土矿物相主要有石英、赤铁矿（褐铁矿、黄铁矿）及各类长石等；其烧结物的矿物相基本一致，主要为石英、莫来石、赤铁矿。部分陶土原料的XRD 图谱见图1-4。

图1 宜兴军山坞紫泥

图2 新疆8#料

图3 江西2#料

图4 宜兴黄龙山紫泥烧结物

对照陶土原料的化学成分分析结果，在对同一陶土原料进行X-射线衍射鉴定分析时，通常会发现其含铁矿物相（赤铁矿、褐铁矿等）的组分有偏低现象，与其化学成分的数值不相对应。如采自新疆三件陶土原料的XRD 图谱中，均明显不见含铁矿物相的衍射峰值。笔者曾对一件Fe2O3含量为27.48%的陶土原矿料进行X-射线衍射鉴定分析时，发现其矿物组成中含铁矿物相（赤铁矿）组分仅为7.4%；其烧结物中Fe2O3含量为30.41%，而矿物组成中赤铁矿相组分为41.8%。研究表明，因成矿条件与环境不同，在含铁陶土原料中，有一定量的Fe2O3组分是以非含铁化合物的单独矿物相形式存在于陶土原矿料中。

1.4 物理工艺性能

在陶土原料应用于陶瓷产品的研究中，除对陶土原料的外观特征、化学成分、矿物相组成进行常规的检测外，还需对陶土原料的可塑性、结合性、干燥性、烧结性等进行必要的检测。对于有的陶瓷产品，还需检测陶土原料的颗粒组成、有机物含量等。

如前所述，由于成矿环境与条件的复杂性,不同矿源陶土原料的物理工艺特性也会表现出极大的差异性。如可塑性、结合性可表现为低、中、高的特性，塑性指数在1～20、最高烧成温度点在1100～1250℃之间波动都是某一陶土原料表现出的正常特性，如表3 所示。

表3 陶土原料的部分物理工艺性能测试数据

2 陶土原料的特性研判与应用

不同的陶瓷产品，对选用的陶土原料的特性有不同要求，分类研判与应用研究如下。

2.1 紫砂陶器

紫砂陶器是一种无釉陶器产品，其外观其实是一种有色胎体，产品胎体的外观呈色需均匀一致，无其它杂色。传统中的紫砂成了“宜兴紫砂”的代名词。“宜兴紫砂”这一专用名词在字眼上的特征，一是宜兴紫砂陶器的外观呈色以“紫”系列色为多；二是在宜兴紫砂陶器的胎体结构中有“砂”质材料的存在。在加工制备宜兴紫砂泥料时，需保留陶土原矿粉料中尺寸在0.5mm 以下的硬质颗粒——俗称“砂”，其砂的尺寸、数量和类型的调配是制备紫砂泥料的关键工艺技术之一，砂的处理工艺有调砂、铺砂和抽砂等。

用于紫砂陶器的陶土原料及制备的成品泥料，应有如下基本特性与工艺要求：1）原矿料及烧后物基本纯净、无明显其它杂质。陶土原料属沉积型粘土，在其漫长的地质演变过程中，难免夹杂着其它类型的杂色或硬质矿物，需通过人工拣选的方式剔除这类杂质矿物；2）泥料的物化工艺性能适宜。可塑性适中即可，但结合性要好；较低的收缩率，如收缩率过大需考虑紫砂制品的器型与制作方式；烧成温度在1150～1250℃之间为佳；3）原矿料的粉碎方式极为关键，需采用雷蒙、石碾、颚式等干法破碎，若原矿料中“硬质”颗粒不足，在制备成品泥料时则还需经过“调砂”等工艺处理。

在陶土原料中，以用于制作紫砂陶器的陶土原料特性及泥料制备工艺要求为高。在我国各地看似都储藏着可制作紫砂陶器的矿物陶土原料，但真正优质品位的并不多，即便在“陶都”——宜兴，用于制作紫砂陶器的优质紫砂陶土原矿料，也仅占陶土原料总储量的3%～5%，大部分矿物陶土原料用于其它陶器具、园艺及建陶等产品的生产中。传统紫砂成品泥料的制备工艺为：紫砂原矿料—风化—拣选—破碎—筛分—配料—除铁—混合—粗练—陈腐—精练—成品泥料。

经工艺技术实验与研究，宜兴黄龙山紫泥、宜兴军山坞紫泥、新疆8#料、江西1#料和临汾紫泥等5 件陶土原料的基本特性，可满足紫砂陶器产品的制作与生产。

2.2 细陶器（炻器）

细陶器产品的生产，通常采用滚（塑）压和注浆二种成型工艺，其坯料所选用的陶土原矿料均通过混合球磨细粉碎的加工方式完成，由于坯料制备的混合均一性较高，对原矿料的纯净度要求低，原矿料特性满足坯料制备与产品品质的工艺技术要求即可。

适用于滚压成型的坯料要有中等的塑性指数，对坯料配方进行合理设计后，一般陶土原矿料基本能满足其坯料制备的要求。注浆成型的泥浆制备，对坯料的塑性与解胶性都有较高的要求，以保证半成品的注浆性能与生坯强度等，在坯料配方设计时需全面分析陶土原矿料的特性，并进行必要的原矿料颗粒组成、可溶性阳离子及有机物含量等测试，同时研判其粘土矿物相的类型，如是多水高岭类的原矿料，应选择性使用解胶剂。

经工艺技术实验与研究，新疆3#料、新疆8#料、江西1#料、江西2#料、四川2#料、临汾紫泥和临汾白泥等7 件陶土原料，均可用于细陶器产品的生产。宜兴黄龙山紫泥、宜兴军山坞紫泥等2 件陶土原料，因原矿料的品位高及储量少，除用于紫砂陶器产品的制作外，不宜用于其它陶瓷产品的生产。

2.3 采用球磨—喷雾干燥制粉工艺生产建陶产品

生产建陶类产品，可实现最大化利用矿物陶土资源。用于生产建陶类产品的矿物陶瓷原料具有普遍的低廉性：1)建陶类产品的器型基本为板片、扁平状，主要采用半干压法成型工艺，对坯料的可塑性要求低；2）建陶类产品通常对胎体的色泽、透明度等无特殊要求，有釉产品也使用高遮盖力的乳浊釉进行装饰，在不影响产品其它性能的情况下，对原矿料的铁、钛含量及纯净度可不作特别要求；3）建陶类产品的体量大，单件产品使用的原料量较日用器具类产品相对更多，为降低生产成本必须考虑使用低劣、廉价的矿物陶瓷原料。

利用矿物陶土原料可生产的建陶类品种主要有建筑琉璃瓦、抛光砖及发泡陶瓷等，采用球磨—喷雾干燥的制粉工艺，其坯料制备工艺为：

原料—配料—球磨—筛分—贮浆—喷雾干燥—粉料贮存

2.3.1 建筑琉璃瓦

普通的矿物陶土原料，较适于平板型建筑琉璃瓦的生产，现国内的生产工艺技术与装备都相当成熟，产品的技术门槛较低，只要符合当地的产业政策与环保要求即可。

产品采用自动液压机半干压法成型、连续式辊道窑一次烧成，生产自动化程度较高，劳动强度相对较低。一条日产15 万片建筑琉璃瓦生产线，每天约消耗300 吨陶土原料。

2.3.2 抛光砖

使用含Fe2O3、TiO2成分较高的矿物陶土原料适于生产的抛光砖品种，是具有双层胎体结构的抛光砖。即抛光砖的底层坯料采用普通矿物陶土原料组成，需进行抛光工艺处理的面层坯料采用优选的矿物陶瓷原料组成，形成“陶质+瓷质”的双层、双色胎体结构，利用陶土原料的低廉性，达到降低生产成本的目的。坯料配方设计时，需全面分析、研究所用原料的特性，保证“陶质+瓷质”二种坯料工艺性能的匹配性。

经工艺技术实验与研究，新疆3#料、新疆8#料、江西1#料、江西2#料、四川2#料、临汾紫泥和临汾白泥等7 件陶土原料，同样可用于建筑琉璃瓦及抛光砖产品的生产。

2.3.3 发泡陶瓷

近年来我国发泡陶瓷产业快速发展，形成了一定的市场规模，建成了相关产业示范基地，国内现有发泡陶瓷产品生产企业二十余家、四十多条生产线，年产量约200 万立方米。据预测，随着我国大力发展装配式建筑，发泡陶瓷产业未来十年将会迎来更快速的增长期，市场经济规模保守估计在2000 亿元左右，将新增发泡陶瓷生产线近千条。

板块状发泡陶瓷产品，采用粉料颗粒堆积法在耐火模框内烧成。坯料可选用更低廉的陶土原料、陶瓷废料及矿物废料等，外加少量发泡生成剂与促进剂调配而成，无需使用原料成本相对较高的瓷石类及熔剂类等陶瓷原料。产品采用坯料粉体自动布料作业、连续式多层隧道窑烧成的工艺路线，大件发泡陶瓷烧成体被自动切割成平板型、砖块型等发泡陶瓷系列产品。现有发泡陶瓷的生产工艺技术比较成熟，生产线基本实现自动化操作，可形成充分利用本地陶土原料低成本生产发泡陶瓷的产业新亮点。

由于发泡陶瓷产品，可选用更低廉的陶土原料及相关废料，使得其坯用原材料的选择范围更宽，一些被细陶器、建陶类等产品弃用的劣质陶土原料，也可用于发泡陶瓷产品的生产。经工艺技术实验与研究，新疆14#料、四川3#料、临汾甲泥等3 件陶土原料，更适宜于发泡陶瓷产品的生产。

陶土原料还可广泛应用于其它陶瓷产品的生产，如艺术类、建筑幕墙材料—陶板、广场砖、无釉及有釉墙面砖等产品，在此不作研究与论述。

3 结语

对陶土原料进行必要的物化工艺性能检测与分析，综合研判陶土原料的全面特性，针对不同陶瓷产品的生产，开展相关实验与研究，保障产品生产工艺路线、技术参数的合理与准确，最终确保产品品质的稳定与可靠。