陶瓷原料烧后白度的检测探讨

摘 要：本文通过对陶瓷原料烧后白度检测全过程的每一步骤的研究，分析原料烧后白度偏差的原因，提出其方法应尽量统一，使烧后白度值能真实体现原料的特性，为生产和科研提供真实的数据。

关键词：烧后白度；陶瓷原料；色差计

1 前言

社会发展使大众的生活品质不断提高，人们对陶瓷产品的美观外表有了更高的要求，如日用瓷，洁白的产品让人感觉安全、雅观；抛光砖，对白度也有较高的要求。特别是某些出口欧美的产品，产品白度可能是其必须的条件之一。换言之，这些产品如果能达到较高的白度外观，其价格会高于其他同类产品。

在生产中，会用到多种矿物原料和化工添加剂原料，由于原料的化学成分不同使得原料对产品产生不同的白度效果。为得到相应的白度效果可以调节不同白度值原料的配比来实现。所以，生产前知道原料在一定条件下的白度值，是有必要的。

研究陶瓷原料烧后白度的检测过程，分析每一过程中各个实验条件对检测值的影响，一方面探讨获得准确的陶瓷原料烧后白度值的准确方法；另一方面也可以为如何提高陶瓷产品烧后白度提供参考意见。

在没有原料化学成分分析条件的矿山现场，一些寻矿的原料商或陶艺师傅会用煤气喷枪喷烧选中的矿石，烧后的结果大致可判断原料的始熔或烧结温度范围和烧后白度，这说明原料供应商和生产车间的技术人员都对原料的烧后白度比较重视。事实上，通过经验积累，调节原料化学成分是调节产品白度的重要手段之一。控制配方料的化学成分可以从了解原料的烧后白度着手。

首先了解白度的检测原理。所谓白度，就是物体对白光漫反射的能力。由于光照射到被测物体表面产生漫反射，能沿原入射光线反射到接受装置的光强与入射光强之比，通过与标准样品的比较，测出对应白度值。陶瓷原料的烧后白度检测步骤还包括：样品粉碎、压制成形、高温煅烧等，然后才用色差计（或白度计）测白度值。

目前，最常用的陶瓷原料白度的检测方法，是参考国家标准GB/T5950《建筑材料与非金属矿产品白度测量方法》，该法仅对粉末样品的自然白度和块状样品的检测进行了规范，陶瓷原料样品的烧后白度检测的样品制备没有规定，这样给检测带来了不统一性，进而造成检测结果偏差很大。

本文主要是通过研究普通实验室常用的测定陶瓷原料烧后白度的制样差异对结果的影响，建议选择统一的制样方法，以便使结果更具可比性，对原料研究和质量控制提供科学的帮助。

2 实验与检测结果、检测偏差分析及偏差解决方案

烧后白度检测流程图如图1所示。

陶瓷原料主要有三大类：粘土、石英、长石。粘土类样品本身具有较好的粘结性，成形时不需添加水，如果成形时自身含水，必须在105℃条件下烘干，再进行煅烧，否则在高温炉内容易炸裂。石英和长石类原料属瘠性材料，需加入适当纯净蒸馏水使其能够成形，成形后样片要先烘干再移入高温炉中煅烧，煅烧时必须注意温度的准确控制，在1200℃条件下保温30min。样片，特别是已经开始熔融的样片，应在高温炉内自然降温至低于300℃才能取出，否则样片容易裂开。

由于原料耐受温度不同，在1200℃保温30min后，耐高温的样片不透明，表面比较平滑，无光泽；不耐高温的样品，表面光滑，出现光泽，温度越低，透明度越明显，样片会稍微变形。本文所述高温样品是指经1200℃煅烧保温30min后不出现镜面光泽的样品；低温样品是指经1200℃煅烧保温30min后出现明显镜面光泽，并且样片边缘明显变形成圆角的样品；中温样品则是样片有镜面光泽，但样片边缘未形成明显圆角。

2.1 粗颗粒与细颗粒对样品白度的影响

对于粗颗粒非均匀样品及粉状均匀样品，其白度值需按测试样品的白度流程进行检测，严格按四分取样法，其他步骤完全相同，各进行五次检测，其结果见表1。

由表1可知，每次检测都存在一定的偏差，同一个非均匀样品烧后白度检测结果最高偏差可达1.2个白度单位，其偏差原因为：非均匀样品多次取样的化学成分有少许偏差，使烧后白度结果也随之出现偏差。低温类样品中显色元素含量不同，影响明显，检测结果偏差也更明显。

解决方案：尽可能做到一次全样粉碎，避免多次取样。

2.2 粉碎方法的不同对样品白度的影响

陶瓷原料中含铁、钛、锰的原料煅烧后，会显色，所以在进行样品粉碎时，包括粗碎和细碎的过程，应选择合适的工具，避免显色成分的引入，比如用颚式破碎机粗碎石块，会有铁成分加入；实验室用铁锤粗碎块状样品也可能会引入铁成分；成形时模具硬度不够污染会更严重。表2为不同的粉碎方法对样品白度的影响。

由表2可知，不同的粉碎方法，样品的白度存在一定的偏差，其偏差原因为：使用硬度不够的粉碎工具或铁质模具，样品容易被工具的铁质污染。对于低温样品，由于烧后显色明显，哪怕只是被污染一点点，烧后白度值都会明显降低。

解决方案：用铁锤粗碎样品时可用白纸垫隔，避免铁锤敲击样品时接触到样品，使样品中混入铁屑。成形时应选择硬度较高的合金模具，避免样品成形和脱模时被污染。

2.3 蒸馏水对样品白度的影响

对于瘠性原料，如长石、石英等，成形前需加入适当纯净蒸馏水，使粉末增加一定的粘结性，利于成形；有时半瘠性性粉末也会加入适当蒸馏水成形，粉末加水后应搅拌均匀，否则会导致形成暗斑，影响检测，如图2所示。

检测偏差原因分析：瘠性原料不亲水，加水后水分散较快，结果不受影响；低温样品在高温下反应彻底，结果不受影响；高温样品加水后，水分较多的部分收缩明显，与周围不一致，有时会出现暗斑。由于高温样品多为塑性较好的粘土样品，一般不加水，笔者是在偶然几次加水实验时发现的。

解决方案：尽可能原样成形，不要添加粘结剂（包括水），如果必须加水，要均匀样品后才能压制成形，之后经过充分烘干才能进行煅烧。

2.4 不同颗粒度对样品白度的影响

研究粉末样品不同颗粒度对烧后白度的影响，在耐高温的样品中比较明显。分别取成分非常接近（如：ZrO2:64.37%、64.35%，Fe2O3:0.09%、0.08%，TiO2:0.16%、0.16%）颗粒度不同的硅酸锆样品进行比较试验。其测试结果见表3。

检测偏差原因分析：同类原料样片的成形压力尽量统一，如粘土类10MPa、硅酸锆6MPa等，才使同类样品的检测结果具有更高的可比性。同类原料样品的颗粒度越细，烧后白度越白。因为颗粒度越细，成形后样片表面致密度越高，能更好地将入射光线反射回接收装置；反之，颗粒度较粗，成形后的样片表面相对较粗糙，光线散射相对明显，检测结果稍低，如图3所示。

解决方案：在结果判定时，首先要了解样品的颗粒度状况，生产中可以通过深加工取得更明显的白度效果，但要充分考虑加工原料的性价比。

2.5 煅烧温度不同对样品白度的影响

由于烧后白度检测没有制定国家标准，当然也是因为烧后白度检测是陶瓷生产企业针对企业本身生产的实际需要而采取的对原料的一种控制方法。所以对样品制备时的煅烧温度没有规定，一般默认为在1200℃保温30min。不同的煅烧温度，或不同的保温时间，有些原料样品，特别是中低温原料，在外观形状上会有明显差别，以钾长石煅烧为例进行说明，（a）1200℃保温30min，有收缩、不透明、没有光泽、边缘没有圆角，白度值为74.3。（b）1230℃保温30min，收缩明显、比较透明、有光泽、边缘出现圆角，白度值为55.4。如图4所示。

检测偏差原因分析：研究煅烧温度对烧后白度的影响时，笔者进行过大量的实验，对于高温原料，提高煅烧温度或延长保温时间，烧后白度值会降低0～5个单位；对于中低温原料，提高煅烧温度或延长保温时间，特别是处于熔融临界温度的样品，烧后白度值的变化可超过20个单位。主要原因：一方面：显色成分经过更充分的化学反应，显色更明显；另一方面：也因为样片煅烧透明后，部分光线不能完好反射，造成烧后白度值降低。

有时设定一个固定的煅烧温度，也会出现比较大的偏差，这主要是由于电炉内不同位置的温度存在一定的偏差，造成实际煅烧温度不统一。事实上，煅烧过程的条件变化是造成原料烧后白度偏差的最主要因素。

解决方案：统一煅烧温度和保温时间，煅烧样片前应检定高温电炉的温度，仅在电炉腔内检定点放置少量样片，保证煅烧温度准确。对于煅烧后处在熔融临界状况下的样品，重新处理，增加20℃进行煅烧。因为对于中低温样品，熔融后的检测结果更能评价该原料的特性。

2.6 不同烧成炉对样品白度的影响

同种样片在箱式高温炉和辊道窑炉中分别进行煅烧，其结果差别很大，如表5所示。

检测偏差原因分析：箱式高温炉相对密封，氧气不充分，炉内条件稳定，显色成分未能充分反应，白度值较高，结果也较稳定；辊道窑炉相对敞开，氧气充分，样片随辊道运行过程不稳定，显色成分得到充分的反应，显色明显，所以结果偏低，且结果偏差也较大。显色成分能否充分氧化反应与窑炉的煅烧气氛有关。

解决方案：对于实验室而言，使用箱式高温炉比较方便，对于生产车间，更希望使用与生产一致的辊道窑炉。建议使用箱式高温炉，容易达成统一的实验条件，使结果具有可比性。技术人员应了解样品在箱式高温炉和辊道窑炉煅烧的差别，对结果的判定有帮助。

3 建议统一检测方法

鉴于陶瓷原料烧后白度检测，在陶瓷行业运用的广泛性，为使检测结果具有更高的稳定性和可比性，笔者建议检测方法能够统一，具体表现如下。

（1） 对送检的样品进行全样粉碎。

（2） 粗碎时避免样品与金属工具接触；用球磨机球磨或震动粉碎机粉碎样品，球磨罐和研钵不能是金属材料。

（3） 被检样品粉碎后应能全部通过350目筛。

（4） 如有需要，成形前加5%～10%纯净蒸馏水，充分搅拌均匀；粉末依据不同类别原料选择固定成形压力；每个样品压制3个样片，成形后的样片先放置30min，再在105℃烘1h。

（5） 将烘过的样片移入已经检定温度合格的箱式高温炉，以10℃/min匀速升温，至1200℃保温30min，在电炉内自然冷却至低于300℃后取出，冷却至室温后可检测。

（6） 检测时应选择合适的陶瓷标准白板作为参考标准，如光泽度较高的GSB A67002-86陶瓷标准白板、低光泽的GSB Q30001陶瓷标准白板等。根据煅烧后的样片是否出现光泽面而选择不同的标准白板。

（7） 一般，每个样品的3个样片的测定值的平均值为检测结果，如果样片的被测面不够平整，可多测几次，剔除过于离散的结果后取平均值为检测结果。

4 结论

烧后白度作为研究陶瓷原料特性，是生产中控制原料稳定性的一种手段，操作比较简单，容易实现。但是由于在检测的全过程的任一步骤都会引起偏差，所以处理样品和检测时需要注意避开引起偏差的操作。特别是样品处理过程避免污染，煅烧样片时注意保证煅烧温度的精确性。

仪器检测时，仪器发出的光线射到样片表面，完全光滑、平滑、不透明的样片把所有光反射回接收装置，通过与标准样品比较，得到测定值。透明的样片有部分入射光线穿过样片，或被吸收，或削弱后反射，此时得到的白度值比较低；表面不够平滑，或有小微孔的样片，部分入射光发生散射不能反射回到接收装置，结果也会稍微偏低；样片的检测面凸起，结果会稍高；检测面凹下，结果稍低；如果样片上有细小裂纹，结果会稍高。