一种食品级耐高温陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明属于日用陶瓷材料，具体涉及一种食品级耐高温陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、日用陶瓷材料作为与食品直接接触的器皿，广泛应用于餐饮、家居及食品加工等领域。随着人们生活水平的提高和食品安全意识的增强，对日用陶瓷制品的质量要求也越来越高，不仅要求其具有良好的外观和使用性能，更对其在高温使用条件下的食品安全性和结构稳定性提出了更高要求。然而，现有日用陶瓷材料在实际应用中仍存在诸多不足。

2、在食品级安全方面，陶瓷材料在烧成过程中因坯体烧结不致密，内部残留的游离态重金属离子在接触酸性食品或高温液体时容易溶出并迁移至食品中。这些重金属离子主要来源于天然矿物原料中伴生的微量杂质元素，在坯体烧结过程中若未被充分固化，将在使用过程中逐渐释放。专利cn106242504b公开了一种强化骨质日用瓷及其制备方法，通过在骨质瓷坯体中引入磷硅酸盐靶向性助熔剂和晶型改善剂来降低铅镉溶出量并提高抗热震性能。然而，该技术方案主要针对骨质瓷这一特定瓷种，骨质瓷本身坯体强度偏低、抗热震性能较差的问题仍未得到根本解决，且适用的原料范围有限，难以推广至普通日用细瓷体系。此外，陶瓷材料在使用过程中与食品接触时，其中的小分子有机物及低聚物在高温条件下可能向食品中迁移，目前对陶瓷材料在高温使用条件下的总迁移量控制研究较少，现有日用陶瓷坯体配方对此缺乏系统的考虑和控制手段。现有陶瓷材料对食品级安全的控制手段单一，大多仅从原料筛选层面进行把关，坯体自身对有害物质的固化能力不足，难以在高温或酸性使用条件下保持稳定的安全性。

3、在耐高温性能方面，日用陶瓷在微波加热、烤箱烘烤以及骤冷骤热等实际使用工况下，对坯体的抗热震性和热稳定性提出了较高要求。专利cn117342860a公开了一种耐热陶瓷及其生产工艺，该陶瓷材料以氧化铝为主要原料，通过特定的工艺路线制备。然而，该技术方案的适用范围有限，主要解决氧化铝陶瓷的烧结问题，对日用陶瓷领域常见的复杂形状制品适应性不足。专利cn120192151b公开了一种高抗热震性骨质瓷及其制备方法，采用三层梯度结构设计来降低热应力集中。然而，该技术方案结构复杂，需要通过分段烧结和激光处理来优化结构，制备工艺繁琐、成本较高，不利于大规模工业化生产。专利cn121377714a公开了一种抗热震抗冲击的复合瓷器及其制备工艺，通过将公共基料分为三等份分别制备壳层粉、过渡层粉和核层粉，再依次铺装、干压成型、冷等静压处理、烧结制成。该工艺虽然在一定程度上改善了复合瓷器的抗热震性能，但制备步骤繁多，对设备和工艺控制要求较高，同样存在生产效率低、成本高的问题。上述现有技术中，陶瓷坯体的抗热震性能提升大多依赖于多层结构设计或特殊工艺手段，坯体自身的本征抗热震性能并未得到根本改善，且这些复杂工艺往往增加了生产成本，不利于推广应用。

4、此外，现有陶瓷材料往往在食品安全性和耐高温性能之间存在此消彼长的矛盾。为降低烧成温度、提高致密度而引入的助熔剂成分，容易在坯体内部形成低熔点的玻璃相，这些玻璃相在高温使用条件下可能软化甚至分解，不仅降低了材料的抗热震性能，还可能释放出其中的有害物质，进一步劣化食品级安全性。因此，亟需一种兼具优异食品级安全性能和耐高温性能的日用陶瓷材料，该材料应能从坯体组成层面实现对有害物质的有效固化，具有高抗热震性能，同时制备工艺简单、成本可控，适用于工业化大规模生产，以满足日益严格的市场需求和食品安全标准。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种食品级耐高温陶瓷材料及其制备方法，旨在解决现有日用陶瓷材料在食品级安全性和耐高温性能方面难以兼得的问题。本发明通过优化坯体原料组成和配比，提高坯体烧结致密度，实现对重金属离子及其他可迁移有害物质的有效固化，同时显著提升抗热震性能，使陶瓷材料同时满足食品接触安全要求和高温使用条件下的结构稳定性要求，并适用于工业化大规模生产。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种食品级耐高温陶瓷材料，按重量份计包括：高岭土22~28份，钾长石18~24份，石英12~17份，煅烧氧化铝微粉6~11份，锂辉石8~13份，镧改性硅铝酸盐晶相调节剂4~7份，硼-锶复合助固剂2.5~4.5份，羧甲基纤维素钠0.2~0.4份，去离子水28~36份；

4、所述镧改性硅铝酸盐晶相调节剂为经镧离子交换、煅烧处理的偏高岭土；

5、所述硼-锶复合助固剂由kh-550改性四硼酸锶与偏硼酸钠复配得到。

6、进一步地，所述镧改性硅铝酸盐晶相调节剂由包含以下步骤的方法制备：

7、s1：将偏高岭土粉体分散于硝酸镧水溶液中，调节ph至5.0~6.5，搅拌，进行离子交换；

8、s2：过滤，用去离子水洗涤滤饼，直至滤液中无游离镧离子检出；

9、s3：将滤饼烘干、煅烧、粉碎、分级，即得。

10、进一步地，s1中，硝酸镧水溶液的浓度为0.2~0.5mol/l；偏高岭土粉体与硝酸镧水溶液的固液比为1∶(15~25)。

11、进一步地，s1中，所述搅拌的温度为55~70℃，搅拌的时间为18~24h。

12、进一步地，s3中，所述煅烧的温度为720~780℃，煅烧的时间为2~3h。

13、进一步地，s3中，所述分级为使d50粒径为1.2~2.0μm。

14、镧改性硅铝酸盐晶相调节剂以偏高岭土为基础原料经过离子交换、洗涤、烘干煅烧预处理得到，基体本身与坯料主体高岭土类矿物化学属性接近，和整个坯料泥料体系相容性好，不会和基体原料发生排斥、分层团聚现象，可以均匀分散在整套坯料当中，适合日用陶瓷湿法球磨的生产工艺。在烧结过程中，该调节剂可以促进坯体内矿物颗粒之间充分结合，帮助坯体烧结成为结构紧密、少孔隙的成品。坯体孔隙越少，酸性食物、高温液体就越难渗透进入坯体内部，能够减少矿物内部伴生杂质向外溶出的通道，从物理层面提升食品使用安全性。此外，该调节剂还可以提升成品耐受急剧温度变化的能力。当制品经历微波炉加热、热碗遇冷水等骤热骤冷场景时，能够缓解温度快速变化带来的内部应力，降低器皿出现开裂的风险，提升成品耐高温使用可靠性。

15、进一步地，所述硼-锶复合助固剂由包含以下步骤的方法制备：

16、（a）将四硼酸锶粉体置于混合机中，喷雾加入kh-550乙醇溶液，于80~90℃搅拌改性15~25min，得到kh-550改性四硼酸锶；

17、（b）将kh-550改性四硼酸锶与偏硼酸钠投入球磨机中，干法球磨混合30~45min，出料过300目筛，即得。

18、进一步地，步骤（a）中，所述kh-550的用量为四硼酸锶质量的1.2%~1.8%；步骤（b）中，所述kh-550改性四硼酸锶与偏硼酸钠的质量比为2.2~2.8∶1。

19、硼-锶复合助固剂由kh-550改性四硼酸锶和偏硼酸钠按照特定比例复配得到。其中四硼酸锶为难溶于水的固相粉体，经过kh-550改性处理，可改善该固相粉体在含水坯泥中的分散性能，避免固相颗粒局部团聚富集；偏硼酸钠可溶解于坯泥液相中，以离子形态均匀分散。在陶瓷坯料后续高温烧成工序，kh-550的有机组分完全热分解挥发，烧结完成后的陶瓷制品中无kh-550残留。

20、该助固剂区别普通单一助熔原料，普通助熔剂一味追求降低烧成温度，容易生成受热容易软化的物质，反而会让成品耐热性能变差，有害物质更容易析出。本发明的复合助固剂可以强化对原料中伴生微量有害杂质的束缚能力，提升食品接触安全稳定性。该复合助固剂还可以温和辅助烧结，不破坏成品耐高温抗热震能力，适度促进坯料颗粒之间的烧结结合，进一步帮助坯体达到高致密度；但不会大量生成受热容易软化的物质。在实现致密、抑制杂质析出的同时，不会劣化成品耐受冷热急变的能力。

21、本发明第二个方面提供了上述食品级耐高温陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

22、（1）按照重量份称取高岭土、钾长石、石英、煅烧氧化铝微粉、锂辉石、镧改性硅铝酸盐晶相调节剂、硼-锶复合助固剂、羧甲基纤维素钠，投入球磨设备，再加入配方量的去离子水，湿法球磨，得到泥浆；

23、（2）将泥浆过120-150目筛，除去粗颗粒杂质；

24、（3）将过筛后的泥浆进行压滤脱水得到泥料，再经真空练泥处理，去除泥料内部气泡，即得所述食品级耐高温陶瓷材料。

25、进一步地，步骤（1）中，所述湿法球磨控制球磨后泥浆物料d97≤45μm。

26、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

27、本发明针对日用陶瓷领域长期存在的食品级安全性能与耐高温性能难以兼顾的技术矛盾，从坯体组成层面提出了系统的解决方案。通过引入具有特定化学组成的晶相调节剂和复合助固剂，使陶瓷材料在烧成过程中形成更加致密、稳定的微观结构，从而在不依赖复杂的多层结构设计或特殊后处理工艺的前提下，同时实现了对有害物质迁移的有效抑制和对抗骤冷骤热能力的显著提升。该材料在酸性介质和高温使用条件下均能保持较低的溶出水平，能够同时满足中国国标和欧盟等不同标准体系的食品接触安全要求，显著拓宽了产品的适用范围和市场准入能力。与此同时，该材料的抗热震性能得到明显改善，能够承受大幅度的温度变化而不发生开裂，适用于微波加热、热食盛放等多种日常使用场景。此外，本发明的原料体系立足日用陶瓷领域常见矿物原料，制备工艺与现有陶瓷生产线良好衔接，无需对现有设备进行大规模改造即可投入生产，具有良好的工业适用性和经济性，适于在日用陶瓷行业中规模化推广。