固相法合成骨質(zhì)瓷用骨灰*

王傳勝 張慧娟 黃 駿 許行強 張 敏

(江蘇拜富科技有限公司 江蘇 宜興 214221)

前言

骨質(zhì)瓷是目前日用陶瓷市場上較高檔次的瓷器，與其它材料燒制的瓷器相比其具有質(zhì)地細膩、晶瑩潔白、透明度好、致密輕盈等優(yōu)點，深受國內(nèi)外消費者的喜愛。生產(chǎn)骨質(zhì)瓷的主要原料是動物的骨灰，一般骨灰的用量占到了50%，在坯料中起主導(dǎo)作用，所以高質(zhì)量的骨灰是決定骨質(zhì)瓷品質(zhì)的重要因素。由于傳統(tǒng)的動物骨灰的加工過程比較簡單粗糙，使得骨灰質(zhì)量受到很大影響，而且隨著骨質(zhì)瓷器的工業(yè)化生產(chǎn)，對骨灰的需求量也日益增大。

固相法合成骨灰就是利用化工方法將化工原料或礦物原料通過一定方法制作成一種可以替代動物骨灰的合成骨灰，這種合成骨灰應(yīng)具有和動物骨灰相同的化學組成，甚至含有的羥基磷酸鈣成分比動物骨灰更高。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗化學原理

通過查閱相關(guān)資料，實驗中采用磷酸氫鈣和碳酸鈣作為主要原料，在一定溫度條件下直接煅燒合成，可得到白色粉末狀合成骨灰樣品。

合成所依據(jù)的化學反應(yīng)方程式為：

1.2 實驗所用主要儀器設(shè)備

實驗所用主要儀器見表1。

表1 實驗所用主要儀器設(shè)備

1.3 實驗所用主要原料

實驗所用主要原料為：磷酸氫鈣、碳酸鈣、長石、石英、高嶺土等。

1.4 實驗工藝流程

磷酸氫鈣+碳酸鈣→煅燒合成骨灰→配入骨質(zhì)瓷配方→球磨→成形→煅燒成骨質(zhì)瓷樣品。

1.5 合成骨灰的制備

按照表2給出的原料比例將磷酸氫鈣和碳酸鈣配制后放入球磨機中，球磨30 min，得到7組樣品。將7組樣品在選定的溫度下煅燒，所選取的溫度分別為950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃，燒成制度為升溫時間6 h、保溫時間3 h，樣品自然冷卻，得到合成骨灰樣品。

表2 碳酸鈣與磷酸氫鈣的質(zhì)量比

1.6 骨質(zhì)瓷樣品的燒制

按給定的骨質(zhì)瓷配比將合成骨灰與其它原料混合(按m(料)∶m(球)∶m(水)為1∶3∶1.2)，球磨30 min，球磨成泥漿，后制成直徑為55 mm、厚度為6 mm的圓餅狀坯體，烘干后于高溫爐中于1 180 ℃下燒制，燒成制度為升溫時間6 h、保溫時間2 h，冷卻后得到不同的骨質(zhì)瓷樣品。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 不同溫度下合成骨灰的煅燒情況

不同原料配比在不同溫度下煅燒后各個樣品的顏色狀態(tài)見表3。

表3 不同原料配比在不同溫度下煅燒后各個樣品的顏色狀態(tài)

2.2 合成骨灰pH值的測定

用廣泛pH試紙和精密pH試紙測定不同配比在不同溫度下煅燒后各個樣品水溶液的pH值。從圖1可以看出，當碳酸鈣與磷酸氫鈣的質(zhì)量比為1∶2.5(樣品4號)、1∶3(樣品5號)、1∶3.5(樣品6號)、1∶4(樣品7號)時，樣品水溶液的pH值均小于9，說明這些樣品基本處于弱堿性和中性的范圍，與天然骨灰的酸堿性基本一致。

圖1 不同溫度、不同配比對樣品pH值的影響

2.3 骨質(zhì)瓷樣品的吸水率測試

骨質(zhì)瓷樣品的吸水率測試結(jié)果如表4所示。

從表4中吸水率的大小可以看出，在950 ℃、1 000 ℃的煅燒溫度下，7組不同配比的樣品坯體并未成瓷，產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因可能是：

1)合成骨灰煅燒不完全，未能產(chǎn)生足夠的羥基磷酸鈣相；

2)燒制骨質(zhì)瓷溫度不夠，未能使樣品瓷化。當然在其中有些樣品吸水率較好，如在1 050 ℃下的4號到7號樣品都為較低的吸水率，說明坯體已成瓷。

表4 骨質(zhì)瓷樣品吸水率(%)

2.4 骨質(zhì)瓷樣品白度測試

骨質(zhì)瓷樣的品白度測試結(jié)果如表5所示。

表5 骨質(zhì)瓷樣品白度測試

觀察表5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在950 ℃、1 000 ℃下的樣品白度值較高，但是在測吸水率的時候這些樣品并未完全瓷化，所以，如果再升高燒成溫度完全瓷化其白度值會有所下降。因此，在這次測試中主要考察已經(jīng)瓷化了的骨質(zhì)瓷樣品。通過對兩組數(shù)據(jù)的綜合考量，可以初步確定，在1 050 ℃下的4號到7號樣品吸水率符合成瓷要求，且成瓷樣品的白度較高，達到骨質(zhì)瓷生產(chǎn)要求。

2.5 骨質(zhì)瓷樣品燒成收縮率

骨質(zhì)瓷樣品的燒成收縮率如表6所示。

表6 部分樣品收縮率測試(%)

由于部分樣品未成瓷，故只對一些吸水率較低的樣品進行收縮率測試。從表6測試結(jié)果可以看出，對一些吸水率較低的樣品而言，如1 050 ℃下7號樣品的收縮率也較低。

2.6 合成骨灰的XRD檢測分析

由于1 050 ℃下7號樣品綜合白度、吸水率、收縮率都較好，因此，對合成骨灰樣品進行XRD檢測，如圖2所示。

根據(jù)XRD物相分析圖中所標記的物相名稱可知,在合成骨灰中得到了羥基磷灰石相的成分，相對來說羥基磷灰石含量較多，因此從物相分析來看，樣品是較為合格的合成骨灰樣品。

圖2 樣品物相分析

3 結(jié)語

通過對不同溫度、不同配比的合成骨灰配方進行制瓷驗證，對骨質(zhì)瓷樣品進行吸水率、白度、收縮率的測試，并結(jié)合合成骨灰的物相分析，初步確認了該種方法合成骨灰的可行性。 碳酸鈣與磷酸氫鈣原料質(zhì)量比在1∶2.5～1∶4之間，其中以1∶4較好，煅燒溫度為1 050 ℃。