第一章原料(粘土)

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院第一章第一章 原料及预处理原料及预处理 原料是材料生产的基础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作用：主要是为产品结构、组成及性能提供合适的化学成化学成分和加工处理过程所需的各种分和加工处理过程所需的各种工艺性能工艺性能。 包括：包括：天然原料、化工原料天然原料、化工原料 特点：特点：天然原料化学组成不纯，便宜；化工原料高纯度。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。节约资源，物尽其用。材料科学与工程学院材料科学与工程学院第一节第一节 粘土类原料粘土类原料四个基本特征四个基本特征： 1 1、直径、直径0

2、.002mm0.002mm的粘粒的粘粒2 2、含大量的粘土矿物、含大量的粘土矿物3 3、具有独特的物理化学、具有独特的物理化学工艺性质工艺性质4 4、团结以后，可形成泥岩、页岩、泥板岩等半硬质岩石、团结以后，可形成泥岩、页岩、泥板岩等半硬质岩石一、粘土一、粘土 定义定义：粘土是一种颜色多样，细分散的一种或者多种含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。水铝硅酸盐矿物的混合体。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院陶瓷、玻璃、耐火材料和水泥工业的主要原料之一。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，其用量常为陶瓷生产提供

3、必需的可塑性、悬浮性和烧结性，其用量常达达40%40%以上。以上。高岭土：无碱玻璃、仪器玻璃和粘土质耐火材料。高岭土：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。生产水泥生产提供氧化硅和氧化铝，成球性能。生产1t1t水泥熟料水泥熟料需要需要0.30.30.4t0.4t粘土质原料。粘土质原料。作用作用： 材料科学与工程学院材料科学与工程学院二、粘土的成因及分类二、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？材料科学与工程学院材料科学与工程学院风化残积型风化残积型 一次粘土一次粘

4、土 成因：深层的岩浆岩（花岗岩、伟晶岩、长石岩）在原产成因：深层的岩浆岩（花岗岩、伟晶岩、长石岩）在原产地风化地风化( (物理、化学、有机风化）后即残留在原地，多成为优物理、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。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。高岭、景德镇大州高岭、龙岩高岭、广东飞天

5、燕等粘土矿。 特点：质地较纯，颗粒稍粗，可塑性较差，耐火度较高特点：质地较纯，颗粒稍粗，可塑性较差，耐火度较高 材料科学与工程学院材料科学与工程学院热液蚀变型 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。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院沉积型二次粘土 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

6、的矿床，成为二次粘土离母岩后，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）。（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。代表：漳州黑泥、山西紫木节等粘土矿。 特点：杂质多，塑性好，干特点：杂质多，塑性好，干燥强度大，收缩大，耐火度差。燥强度大，收缩大，耐火度差。材料科学与工程学院材料科学与工程学院粘土的分类粘土的分类 按成因分：按成因分： 原生粘土（一次粘土）原生粘土（一次粘土） 次生粘土（二次粘土）次生粘土（二次粘土） 两者区别：两者区别： 化学组成化学组成 耐火度耐火度 成型性能成型性能 一次粘土一次粘土 较纯较纯 较高较高 塑性低塑性低 二次

7、粘土二次粘土 杂质含量高杂质含量高 较低较低 塑性高塑性高按可塑性分：按可塑性分： 高可塑性粘土高可塑性粘土 膨润土、球土、木节土膨润土、球土、木节土 中等可塑性粘土中等可塑性粘土 低可塑性粘土低可塑性粘土焦宝石、瓷石、叶蜡石焦宝石、瓷石、叶蜡石按耐火度分：按耐火度分： 耐火粘土（耐火度耐火粘土（耐火度 1580 1580 C C) ) （细瓷等）（细瓷等） 难熔粘土（耐火度难熔粘土（耐火度135013501580 1580 C C ）（瓷砖等）（瓷砖等） 易熔粘土（耐火度易熔粘土（耐火度 1350 2n2，叶蜡石，叶蜡石n=1n=1） 2:12:1型层状结构，两端型层状结构，两端SiOSiO

8、4 4 四面体，中间四面体，中间夹一个夹一个AlAl（O O，OHOH）八面体，构成单元层。单）八面体，构成单元层。单元层间靠元层间靠O O键相连，结合力较小，水分子及其它键相连，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。数量是可变的。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 一：蒙脱石显著的特点是能吸收大量的水，体积膨胀，如一：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以蒙脱石为主的膨润土其吸水后体积可膨胀20203030倍，这就是倍，这就是膨润土的名称的由来。膨润土的名称

9、的由来。 二：离子交换能力强，晶格中的四面体层二：离子交换能力强，晶格中的四面体层i i4+4+部分被部分被l l3+3+、5+5+置换。八面体层中置换。八面体层中l l3+3+被被g g2+2+、e e3+3+、n n2+2+、i i+ +等等置换，使晶格中电价不平衡。晶层之间吸附阳离子如置换，使晶格中电价不平衡。晶层之间吸附阳离子如 a a2+2+、a a+ +等，又增加了蒙脱石的离子交换能力。根据吸附离子不同等，又增加了蒙脱石的离子交换能力。根据吸附离子不同分为分为a a蒙脱石，蒙脱石，a a蒙脱石。蒙脱石。 特点：特点：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 三：膨润土可塑性大，触变厚化

10、性强，严重影响泥浆性能。三：膨润土可塑性大，触变厚化性强，严重影响泥浆性能。煅烧时脱水过程长，收缩大，煅烧时脱水过程长，收缩大，l l2 23 3含量低，又吸附了其它阳含量低，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。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

11、，干燥收缩也大，烧结温度低。极细，可塑性强，干燥后强度大，干燥收缩也大，烧结温度低。材料科学与工程学院材料科学与工程学院c c 伊利石类伊利石类 化学通式：化学通式：K K22(Al(Al，FeFe，Mg)Mg)4 4(Si(Si，A1)A1)8 8O O2020(OH)(OH)4 4H H2 2O O 与蒙脱石结构类似，与蒙脱石结构类似，2:12:1型层状硅酸盐，但型层状硅酸盐，但SiOSiO4 4 四面体中四面体中l l+ +较蒙脱石多，晶间阳离子常为较蒙脱石多，晶间阳离子常为K K+ +，也有部分被，也有部分被+ +，a a+ +取代，取代， K K+ +半径大小正好嵌半径大小正好嵌入层

12、间，因此晶格结构牢固，不发生膨胀。入层间，因此晶格结构牢固，不发生膨胀。 伊利石类矿物构成的粘土，一般可塑性低，伊利石类矿物构成的粘土，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。一般在结范围窄。一般在800800左右开始烧结，完全烧结左右开始烧结，完全烧结温度在温度在100010001150 1150 材料科学与工程学院材料科学与工程学院粘土中的杂质矿物粘土中的杂质矿物 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独立

13、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。不多，但会影响甚至决定粘土的工艺性能。(1)(1)石英石英 使粘土可塑性差，坯料成型困难，干燥后强度低，影响上使粘土可塑性差，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( (也可用水力旋流也可用水力旋流器器) )将粘上中的石英颗粒除去。将粘上中的石英颗粒除去。(2)(2)铁质矿物铁质矿物 针铁矿、褐铁矿、赤铁矿、黄铁矿、菱铁矿等；影响产品针铁矿、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

14、往往采用烧后色泽，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。电磁选矿法除铁。材料科学与工程学院材料科学与工程学院(3) (3) 碳酸盐及硫酸盐碳酸盐及硫酸盐 方解石方解石(CaCO(CaCO3 3) )、菱铁矿、菱铁矿(MgCO(MgCO3 3) )、石膏、石膏(CaSO(CaSO4 42H2H2 20)0)、明矾、明矾石石(K(K2 2SOSO4 4A1A12 2(SO(SO4 4) )6H6H2 2O)O)及可溶性硫酸盐及可溶性硫酸盐K K2 2SOSO4 4、NaNa2 2SOSO4 4等。碳酸等。碳酸盐分解产生盐分解产生CaOCaO、MgOMgO，起熔剂作用，能降低

15、陶瓷的烧成温度。硫，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。色玻璃质熔洞。(4)(4)含碱矿物含碱矿物 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。土可塑性，会降低烧结温度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院类类别别矿物矿物化学通式化学通式（晶体结构式）（晶体结构式）颜色颜色颗粒颗粒形状形状粒度粒度工艺特点工艺特点高高岭岭石石类类高岭石高岭石Al2O3 2SiO2 H2O(Al4 Si4

16、O10 (O H)3)白、黄白、黄灰、褐灰、褐片、粒片、粒杆状杆状0.33m可塑性差，耐火度可塑性差，耐火度高，白度好高，白度好多水高岭石多水高岭石（叙永石）（叙永石）Al2O3 2SiO2 nH2O(Al4 Si4O10 (O H)3 nH2O) ( n=46)同上同上管、片管、片状状2)白、浅白、浅黄色黄色细粒、细粒、鳞片状鳞片状0.5 m易碎，颗粒细小可易碎，颗粒细小可塑性好，收缩大烧塑性好，收缩大烧结温度低，色泽差结温度低，色泽差蒙蒙脱脱石石类类叶叶腊石腊石Al2O3 4SiO2 H2O(Al2 Si4O10 (O H)2)白、浅白、浅黄、浅黄、浅灰色灰色鳞片状鳞片状含结晶水少，总收含

17、结晶水少，总收缩不大，膨胀系数缩不大，膨胀系数小，宜用于快速烧小，宜用于快速烧成的原料成的原料伊伊利利石石类类伊利石伊利石（水云母）（水云母）白、黄、白、黄、绿色绿色鳞片状鳞片状板状板状细小细小可塑性低，干后强可塑性低，干后强度低，干燥和烧成度低，干燥和烧成收缩小，烧结温度收缩小，烧结温度低，烧结范围窄低，烧结范围窄杂杂质质石英、长石、碳酸盐、硫酸盐、铁质矿物、金红石等石英、长石、碳酸盐、硫酸盐、铁质矿物、金红石等以细小晶粒及集合以细小晶粒及集合体分散于粘土中体分散于粘土中 表表5 5 粘土主要矿物组成粘土主要矿物组成材料科学与工程学院材料科学与工程学院3 3、粘土的颗粒组成、粘土的颗粒组成

18、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，小于颗粒很细，小于l l2 2u um m。蒙脱石、伊利石类粘土比高岭石。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。类细小。非粘土矿物如石英、长石等杂质一般是较粗的颗粒。淘洗可获得较纯的粘土。淘洗可获得较纯的粘土。 1um15715173.6253.62.5表表3 3 粘土可塑性粘土可塑性措措 施：施：材料科学与工程学院材料科学与工程学院离子交换性离子交换性 起因：粘土颗粒带电荷，来源于起因：粘土颗粒带电荷，来源于SiSi4+4+被被AlA

19、l+ +，FeFe+ +等置换以等置换以及边缘断键，而出现负电荷。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，表示方法：离子交换能力用交换容量来表示，PH= 7PH= 7时，时，100g100g粘土所吸附能够交换的阳离子或阴离子的量，单位：粘土所吸附能够交换的阳离子或阴离子的量，单位：molmol1010g g。 粘土的阳离子交换容量大小一般情况下可按下列顺序排：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。矿物的性质及其分散度有关。 定义

20、：定义：材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院触变性触变性 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，统称为触变性。和固化现象，上述现象可重复无数次，统称为触变性。材料科学与工程学院材料科学与工程学院产生触变性的原因：产生

21、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，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，又呈稳定的，当

22、稍有剪切力的作用或振动时，网络即被破坏，又呈流动状态。流动状态。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院触变性触变性厚化系数（度）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。比或剪切应力变化的百分数来表示。 泥浆厚化系数（度）（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秒钟后由恩式粘度计中流出的时间材料科学与工程学院材料科学与工程学院 可塑泥团的厚化系数（度）为静置一段时间后，球体或锥可塑泥团的厚化系数（度）为静置一

23、段时间后，球体或锥体压入泥团达体压入泥团达一定深度一定深度时剪切强度增加的百分数。时剪切强度增加的百分数。 泥料厚化系数（度）泥料厚化系数（度） （n n - -0 0）0 0100100 0 0球体或锥体压入泥团达球体或锥体压入泥团达一定深度一定深度时泥团开时泥团开始承受的负荷始承受的负荷g g n n泥团静置一定时间后，球体或圆锥体压力泥团静置一定时间后，球体或圆锥体压力相同深度相同深度时，泥团承受的负荷时，泥团承受的负荷g g 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 影响颗粒表面荷电的因素：矿物组成、颗粒大小和形状、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

24、量，温度等产生影响。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。生产中希望泥料具有合适的触变性。 影响因素影响因素材料科学与工程学院材料科学与工程学院膨化性膨化性 粘土与水调和后，体积会不同程度有所增加粘土与水调和后，体积会不同程度有所增加 原因：原因： 粘土在吸附力，渗透力及毛细管力的作用下，水粘土在吸附力，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：分进入粘土晶层之间、或者胶团之间所致。主要表现为： 1 1、层间吸水膨胀；、层间吸水膨胀；2 2、颗粒表面水膜的形成。、颗粒表面水膜的形成。 膨化性能用膨胀容表示：指膨化性能用

25、膨胀容表示：指1g1g干粘上吸水膨胀后的体积干粘上吸水膨胀后的体积（cmcm3 3）。）。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院收缩收缩 原料和坯料的收缩实际上可分为三种：原料和坯料的收缩实际上可分为三种：干燥收缩干燥收缩( (干燥至干燥至105110试样尺寸的变化试样尺寸的变化) )烧成收缩烧成收缩( (干后试样煅烧后尺寸的变化干后试样煅烧后尺寸的变化) )总收缩总收缩( (试样成型后经过煅烧尺寸的总变化试样成型后经过煅烧尺寸的总变化) )。试样的总收缩试样的总收缩S S总总并不等于干燥线收缩并不等于干燥线收缩S S干干与烧成线收缩与烧成线收缩S S烧烧之和。之和。S S烧烧（S S总总S S干干）/ /（100100S S干干）100%100%生产中要注意收缩生产中要注意收缩! ! 材料科学与工程学院材料科学与工程学院表示方法表示方法：线收缩率线收缩率与体积收缩与体积收缩S SV V率。率。 线收缩：线收缩：S Sl l=(L=(L0 0-L-L1 1)/L)/L0 0100%100%体积收缩：体积收缩：S Sv