粘土是陶瓷的主要原料,陶瓷在烧成过程中所发生的一系列物理和化学变化,是在粘土加热变化的基础上进行的,因此粘土的加热变化是陶瓷制品烧成的基本理论基础。研究粘土的加热变化对确定陶瓷制品的烧成温度具有很重要的意义。
粘土在加热时发生一系列的化学变化,与此同时也发生相应的物理变化,如体积的膨胀与收缩、气孔率的降低与增高、失去部分质量、吸热与放热等。
粘土在加热过程中的变化包括两个阶段:脱水阶段与脱水后产物的继续转化阶段。
(一)脱水阶段
粘土干燥后,继续加热,首先出现的是脱水,其中最主要的是结构水的排出。
以高岭土的加热脱水为例,其脱水的过程如下:
100~110℃ 湿存水(大气吸附水)与自由水的排出。
110~400℃ 其它矿物杂质带入水的排出。
400~450℃ 结构水开始缓慢排除。
450~550℃ 结构水快速排出。
550~800℃ 脱水缓慢下来,到800℃ 时排水近于停滞。
800~1000℃ 残余的水排出完毕。
粘土脱水后均变为脱水产物,高岭石类粘土脱水后生成偏高岭石,反应式如下:
Al2O3·2SiO2·2H2O = Al2O3·2SiO2 2H2O (1)
(二)脱水后产物继续转化阶段
温度继续升高,粘土脱水后的产物可继续转化,偏高岭石由925 ℃开始转化为由( AlO6)和(SiO4 )构成的尖晶石型新的结构物,其反应式如下:
2[Al2O3·2SiO2] = 2Al2O3·3SiO2 SiO2 (2)
铝硅尖晶石结构尽管其结构较偏高岭石结构稳定。但其结构中空位较多,因而它也很不稳定的,继续加热时,1050℃开始,就会转化成热力学稳定的莫来石而分离出方石英:
3(2Al2O3·3SiO2) = 2(3Al2O3·2SiO2) 5SiO2 (3)
各种粘土矿物在高温下都能生成莫来石晶体,莫来石是一种针状或细柱状晶体,化学组成写作3Al2O3·2SiO2 ,熔融温度1810℃,熔融后分解为刚玉和石英玻璃。它本身机械强度高、热稳定性好、化学稳定性强,能赋予陶瓷制品许多良好的性能 。