之前很多陶瓷色釉料相關(guān)的國(guó)內(nèi)外書籍和學(xué)術(shù)論文中，都有提及色料的制備過(guò)程、影響因素，卻沒有深入分析色料合成的機(jī)理。直到去年在安東尼·韋斯(Anthony. R. Wes)編寫的《固體化學(xué)及其應(yīng)用》一書中，看到了鎂鋁尖晶石合成機(jī)理的研究，給筆者帶來(lái)非常大的震撼。因?yàn)閺姆椒ㄕ摰慕嵌葋?lái)分析，了解物理化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理有助于分析該反應(yīng)的各種條件，進(jìn)而可控制該反應(yīng)的加速或減慢。本文通過(guò)分析尖晶石的合成機(jī)理，換一個(gè)有趣的角度來(lái)探討陶瓷色料的制備工藝。
一、尖晶石的合成機(jī)理
佩蒂特(Pettit)等人通過(guò)以氧化鎂(MgO)與氧化鋁(Al2O3)為原料合成鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)，研究了高溫固相反應(yīng)法合成尖晶石的機(jī)理。(1)緊密接觸。氧化鎂和氧化鋁反應(yīng)時(shí)，需要相互緊密接觸，共享一個(gè)公用面。(2)形成晶核。加熱后，在接觸面上局部反應(yīng)生成一層鎂鋁尖晶石晶核。(3)離子繼續(xù)擴(kuò)散。形成晶核后，鎂離子、鋁離子要不斷通過(guò)已形成的氧化鎂—鎂鋁尖晶石和鎂鋁尖晶石—氧化鋁的兩個(gè)界面而擴(kuò)散到新的反應(yīng)界面時(shí)，反應(yīng)才能持續(xù)進(jìn)行。
二、影響反應(yīng)速率的因素
該反應(yīng)非常困難，這是因?yàn)椋孩僭谛纬删Ш穗A段，鎂離子、鋁離子被束縛在它們晶體的格點(diǎn)位置上，要生成鎂鋁尖晶石晶核非常困難。要成核，氧化鎂、氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)需要重新排列，化學(xué)鍵必須斷裂和重新組合。僅在極高溫度時(shí)，鎂離子、鋁離子才具有足夠的熱，使之能從正常位置上跳出并通過(guò)晶體擴(kuò)散來(lái)成核。②在離子繼續(xù)擴(kuò)散階段，離子擴(kuò)散要比形成晶核更困難，即使在高溫下，擴(kuò)散速度也很慢，需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間才能充分反應(yīng)。
從反應(yīng)機(jī)理歸納出影響反應(yīng)速度的因素有：1、反應(yīng)物間的接觸面積及其表面積;2、產(chǎn)物的成核速度;3、離子通過(guò)物質(zhì)，特別是通過(guò)產(chǎn)物的擴(kuò)散速度。
三、對(duì)尖晶石色料制備工藝的探討
(1)原料的選擇
①選擇粒徑小的原料，可以提高固體間的接觸面積及其表面積;②原料的活性非常重要。硝酸鹽、氫氧化物能分解得到表面積大、反應(yīng)活性高的細(xì)顆粒氧化物。制備藍(lán)色噴墨色料用的氧化鋁，其供源可用氫氧化鋁【Al(OH)3】、硝酸鋁【Al(NO3)3】。③選擇有晶格缺陷、不穩(wěn)定、在晶型轉(zhuǎn)變階段容易產(chǎn)生微裂紋的晶相有助于發(fā)色離子的擴(kuò)散。晶體中存在的缺陷，空位、間隙離子，特別是位錯(cuò)通道，這些因素均能促進(jìn)離子擴(kuò)散。(2)合適的混料工藝
在通常的固態(tài)反應(yīng)中，原料先用機(jī)械方法混合均勻，原料的顆粒大小、混合的均勻性、顆粒間密切接觸等條件對(duì)反應(yīng)的速率有重要影響。選擇合適的原料混料工藝，能使原料充分混合與緊密接觸。濕法研磨相對(duì)于干法研磨，能減少團(tuán)聚的發(fā)生。共沉淀法等液相法制備尖晶石，可以類似地理解為正離子已在原子尺度上進(jìn)行混合。由于均勻地混合，后續(xù)燒結(jié)的溫度可以降低很多。(3)合適的燒成制度
�、僭谠试S限度內(nèi)，提高反應(yīng)溫度;②如果樣品組分有各種氧化態(tài)，而所要求的產(chǎn)物相是某一確定的氧化價(jià)態(tài)時(shí)，也需要注意控制反應(yīng)的溫度和氣氛。在合成含二價(jià)鈷(Co2+)物相時(shí)，就要使樣品與一種還原性氣氛保持接觸，以防止反應(yīng)過(guò)程中氧化生成三價(jià)鈷(Co3+);③可將燒結(jié)反應(yīng)不充分的色料，再次研磨進(jìn)行復(fù)燒。(4)加入合適的礦化劑
礦化劑是為了促進(jìn)色料合成的效果而加入的外加劑，是許多色料配方中不可缺少的組成部分。礦化劑的礦化效果主要表現(xiàn)在：通過(guò)增加缺陷、固溶等方式，降低色料的合成溫度，加深反應(yīng)的完全程度和提高色料的呈色性能。 (作者系國(guó)家陶瓷及水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心工程師)
