浅谈锂辉石在日用陶瓷中的应用

浅谈锂辉石在日用陶瓷中的应用

作者：韩复兴蒋碧辉

来源：《佛山陶瓷》2010年第10期

摘要:本文介绍了锂辉石的主要性能,该矿在全球的分布与质量情况。详细分析了锂辉石在日用陶瓷中的研究和应用状况,以及近年来将锂辉石应用于日用陶瓷研究所取得的相关成果。

关键词:锂辉石;日用陶瓷

1 锂辉石的物理、化学性能

锂辉石是含锂的辉石类矿物,天然锂辉石有白色、灰色、黄色、绿色、红色至褐色等,颜色变化主要与光学结构有关,容易呈多色性,此外与铁钛等过渡元素及微量稀土元素的种类和含量也极其有关。锂辉石之所以叫辉石,是因为从发光性角度讲受热或受光后能蓄存能量,并能发出辉光或荧光。作为锂铝硅酸盐,LiAl(SiO3)2的理论Li2O含量为8%,是自然界含Li2O量最高的锂铝硅酸盐矿物。锂辉石生成于富锂的花岗伟晶岩中,与长石、石英、锂云母等矿物共生,属于不饱和辉石族矿物,单斜晶系,沿(110)晶面表现出明显的解理,以至沿解理面生成板条状颗粒。

锂辉石在1000℃左右发生不可逆转化,由α锂辉石转达变为β锂辉石,比重也由3.03～3.2转变为2.4 左右。生成的β锂辉石属于四方晶系,热膨胀系数非常低。此外,作为不饱和的锂铝硅酸盐能吸纳硅进入固溶体,能有效减少残余石英晶相的产生,从而达到助熔、增透、快烧、降低膨胀系数的目的。与其他伟晶花岗岩锂矿物(透锂长石、锂云母、锂长石、锂瓷石)相比,具有以下特点:

(1) 锂辉石是不饱和的硅铝酸盐矿物,不饱和有两个特点,即单独使用具有耐火性,可耐1450℃高温不烧结、不熔融,可用作耐火粉;和其他硅酸盐矿物复合使用,可夺硅而形成低温的长石瓷,这一点是其它矿物所不具有的优点。

(2) 锂辉石晶型转变特点,锂辉石高温转变的不可逆和膨胀特点,可以防止坯体或釉的高温收缩,适合低温快速烧成,这一点是其它矿物所不具有的优点。

(3) 超透性特点,锂辉石能吸纳硅,使玻璃、陶瓷更透光,而透锂长石是在高温析出硅进一步转变成锂辉石,释放出的硅影响透光性。锂瓷石和锂长石是含锂云母的瓷石或长石伟晶花岗岩,所以与锂云母性质一样含氟及钽铌稀土杂质多,不仅影响色度而且影响透光度。

(4) 此外,澳大利亚基瓦里锂辉石,原矿锂辉石含量在50%以上,杂质少于1%,精选后可获的Li2O含量大于7.5%、铁含量小于0.1%的精选锂辉石精矿,这是其它锂矿物和其他地区的锂辉石矿所不具有的特点。

2 国内外锂辉石矿物的用途、分布及质量

据有关文献报道,锂产品在各行业的消费比例是:陶瓷和玻璃21%、电池20%、润滑剂17%、医药5%、聚合物4%、空调制冷剂8%、铝冶炼5%、合金和农业等其他应用20%。中国国土资源网有一篇主标题为《全球据“锂”力争》、副标题为《哥本哈根减排议题掀起新能源产业热潮》的文章,文章就预计了未来锂矿物的应用将集中在玻陶和电池这两个方面。

锂辉石矿主要分布在澳大利亚、加拿大、芬兰、中国、津巴布韦、南非和刚果。澳大利亚锂资源主要分布在澳大利亚西部波斯地区格林布什花岗伟晶岩矿床,这是世界上最大的锂辉石矿床。加拿大锂资源主要分布在安大略省伯尼克花岗伟晶岩矿床,含锂矿物主要是锂辉石和透锂长石。津巴布韦锂资源主要分布在马斯韦古省,比基塔锂辉石花岗岩矿床长1700km,宽20～70m,是津巴布韦最大的锂辉石矿床。南非含锂辉石花岗岩主要分布在卡普省,锂矿物资源储量约为300亿吨。中国拥有储量占全球十分之一的锂矿藏,是世界第三大锂生产国。中国伟晶花岗岩锂矿床分布于四川、新疆、河南、江西、福建、湖南和湖北,其中四川省甲吉卡伟晶岩型锂辉石矿床氧化锂含量1.28%,储量103万吨,是世界上开采前景最好的锂辉石矿床之一。

3 锂辉石在日用陶瓷中的应用状况

3.1低铁陶瓷级锂辉石加工方法的研究

我国对低铁陶瓷级锂辉石的应用研究较早,1964年中国科学院硅酸盐化学与工学研究所的闵嗣桂和印保忠发表了《Li2O-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃晶相的研究》一文,详细介绍了铝硅酸锂玻璃陶瓷的性能,直到2002年德国的肖特玻璃公司才通过PCT间接在我国申请了相同内容的专利。铝硅酸锂玻璃陶瓷的发明引起国内科技工作者对低铁锂辉石的关注和研究热情。1964年L.J.Weir、E.E.Moskovits和柯家骏采用阴离子捕收剂、乳剂在试验室和半工业性选矿厂试验浮选回收伟晶岩中的锂辉石,应用于铍伟晶岩的类似方法,得到了较好的结果。1966年何启民基于优先浮选锂辉石的流程获得的锂辉石精矿通常含有大量铁的现状,按反浮选锂辉石的流程获得锂辉石精矿。其流程是在从矿物中浮出长石、石英、云母之后,再于氟化氢介质中利用树脂酸钠盐浮选出含铁的矿物,这样处理以后,槽内产品即是锂辉石精矿,这中精矿在许多情况下能直

接用于陶土。1973年在新疆有色金属公司富特矿实现了商品性生产,1982年,新疆冶金研究所对陶瓷瓷级锂辉石选矿工艺进行了研究,并对新疆可可托海3号锂辉石矿进行了加工,获得了理想的陶瓷级锂辉石精矿,并开始正式向国内提供了三种低铁锂辉石。

相对于国内锂辉石原矿矿物组成复杂、获得的低铁锂辉石级别与国际相比仍较低的情况,

澳大利亚基瓦里公司的丛林绿锂辉石矿原矿具有锂含量高、纯度高、杂质少的特点。1983年

已经进入日本市场,开始向日本公司提供含Li2O7.0%的锂辉石精矿,被应用于显像管、特殊玻璃、陶瓷器具生产研究中。

3.2锂辉石在日用陶瓷中的应用研究

1982年,新疆冶金研究所和轻工设计院均指定专人同乌鲁木齐市玻陶行业挂钩,全面开展锂辉石在玻璃陶瓷中的应用研究工作。1983年新疆冶金研究所完成了在碎玻璃中引入锂辉石的

试验,这项试验在配方中使氧化锂含量达到0.2%时,料熔化快、开窑早、气泡少、料性好、硬得快。并使玻璃性能有一定改进,增加了玻璃的强度、提高了成品率,并使成本降低12元/吨;1983年新疆轻工设计院完成了对陶瓷耐热锅的研究,取得了较好的成果。锂质耐热炻器的热膨胀系数小、强度大、耐酸碱,所以广泛应用制作炖锅、火锅、药罐,以及一切需要在明火直接煮沸的器皿材料;1986年山东新材料研究所将锂辉石应用于耐温度激变的黑色陶瓷中并申报了锂辉石应用的第一个专利;1986年南京大学的方邺森教授等针对当时日用陶瓷年耗能量折合成标准煤约在260万吨以上的能源消耗和节能任务紧迫的状况,提出利用锂辉石等含锂矿物在不影响质

量的前提下,通过工艺革新将最高止火温度适当降低的低温烧成技术,20多年后其技术在新时期的陶业节能减排背景下仍大有用途;1988年中国科学院上海硅酸盐研究所将其研究成果转让给浙江绍兴瓷厂,同年9月试验的低膨胀微晶陶瓷板通过了省级技术鉴定,但遗憾的是其成果仍未申报专利。1989年湖南省醴陵市群力瓷厂胡波申报了《高氧化铝高强度日用瓷及其生产方

法》专利。该瓷的氧化铝含量为35%～48%(重量比),坯料原料采用铝矾土、粘土、长石作为主要原料,并加入0.1%～0.2%的氧化锂(Li2O),由锂长石或锂辉石引入作为辅助熔剂,铝矾土原料一般采用铝矾土熟料,粘土也采用一部分熟粘土,从而使得抗折强度≥1400kg/cm2,抗冲击强度

≥4.0kg/cm2。

1991年1月景德镇陶瓷学院的周健儿教授等利用锂辉石研制出了耐热陶瓷炊餐具。试验

充分利用江西省陶瓷原料,引入适量的锂辉石和廉价的柳家湾镁质粘土,采用普通的日用瓷制造工艺,研制出一种新型的硅酸锂镁质的耐热陶瓷炊餐具。该产品具有强度高(800kg/cm2)、稳定性好(510～20℃一次交换不裂)、釉面光润、成本低等优良性能。由于景德镇陶瓷学院的研究

成果获得了一致好评,1994年在江西景德镇陶瓷学院举行了国内第一届低铁锂辉石在陶瓷行业的应用的学术研讨会,这次会议把锂辉石在日用陶瓷的应用研究推向了新的高潮,这一年,四川天齐实业公司获得澳大利亚桑斯夸拉尔(SONS OF GWALIA)公司锂辉石在中国的独家销售总代理,标志着澳大利亚锂辉石正式进军中国大陆市场。