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    粵陽化工

    陶瓷坯體增強劑的增強機理與發展方向

    作者:廣州粵陽化工有限公司 瀏覽:1176 發表時間:2016-03-19 14:00:00

    一.前言

    在目前的陶瓷生產中,因為生坯強度不足造成缺邊掉角的現象較為嚴重,降低了成品率。坯料的制備是一個非常重要的環節,它直接影響到后續的成形、修坯、施釉、運輸及燒成等工序,而坯體的干燥強度則是一個重要指標,它對產品的成品率及質量有重要的影響。受當地原料的限制,我國很多工廠特別是南方的墻地磚生產工廠的坯料中粘土的可塑性較差,同時由于受工藝限制,坯體干燥強度較差,即使增加成型壓力也很難達到要求。在生產中加入坯體增強劑是解決上述問題的有效途徑,尤其是國外先進的陶瓷生產廠家,生產過程中普遍使用坯體增強劑。近年來,我公司與相關學府研制了坯體增強劑YYN型號,并逐步形成了規模生產。本文對陶瓷坯體增強劑的增強機理、研究和應用狀況及發展趨勢進行歸納總結。

     

    二.坯體增強劑及其增強機理

     2.1坯體增強劑及其分類

    坯體增強劑是指用于增強、增塑陶瓷坯體的物料。增強劑一般為有機高分子聚合物,加入后對陶瓷生產工藝各環節無不良影響,并具有良好的燒成特征。常見的坯體增強劑有變性淀粉、甲基纖維素、聚乙烯醇及丙烯酸聚合物、海藻酸鈉、糊精、栲膠等。市面上商品坯體增強劑有粉體和液體兩種,前者易于包裝運輸但易吸潮結團,后者則易于在陶瓷漿料中分散,使用更為方便,并能對漿料起到懸浮穩定作用,即使加入量高達5%也不會使料漿稠化,而且不影響漿料的流動性。

     2.2坯體增強劑的增強機理

    坯體增強劑的增強機理大致可概括為有機高分子鏈增強、氫鍵增強、粘合增強、靜電力增強和纖維增韌。

     2.2.1有機高分子鏈增強

    在沒有增強劑時,陶瓷坯體顆粒之間的結合是依靠范德華力,在加入了坯體增強劑之后,陶瓷坯體顆粒之間的結合機制則取決于增強劑分子的結構。對于有機高分子類的增強劑,具有足夠鏈長的高分子聚合物可以在陶瓷顆粒之間架橋,產生交聯作用而形成不規則網狀結構,并形成凝聚,將陶瓷顆粒緊緊包裹,如圖1所示。坯體斷裂前,施加于坯體上的一部分載荷由增強劑分子長鏈承擔,而且由于其分子鏈中具有許多可以內旋轉的單鍵馴,這種內旋轉的單鍵使得高分子鏈具有較強的柔性和彈性,因而能增加坯體強度。

    2.2.2氫鍵增強

    在坯體階段,陶瓷顆粒之間還存在少量水分,故顆粒之間還有毛細管力。毛細管力的存在使得顆粒擴散層產生張緊力,從而將顆粒拉近。當成形壓力越大,顆粒之間的距離越近,毛細管力越大,則顆粒結合力越強,坯體強度越大。增強劑存在時,除了上述的范德華力和毛細管力作用之外由于顆粒表面被高分子材料包裹,還會使顆粒之間借助于高分子而產生氫鍵作用,因而大大增加了坯體強度,如圖2所示。氫鍵作用強弱取決于增強劑的分子鏈表面電荷密度,電荷密度越大,作用力越強。

      2.2.3粘合增強

    分子的熱運動增加,使包裹在一個顆粒表面的高分子與包裹在另一個顆粒外表面的高分子纏繞或鏈合,把兩個顆粒更加緊密的粘合在一起。從而在生坯成型時,既有外部對泥料的施加壓力,形成顆粒間的機械結合,又有泥料內部的高分子粘合效應,形成三維網狀體型結構,最終使經過處理后的生坯強度提高。

    2.2.4靜電力增強

    粘土顆粒往往形成片狀結構,從結晶學和硅酸鹽理論觀點可知,板面常帶負電,四周棱邊常帶正電,由于片狀厚度很薄,粒度的磨細往往是板面面積的減少,棱邊變化不大,顆粒成多棱角狀負電荷作用減弱,相對的止電荷作用增強。在壓型過程中,顆粒以邊.棱連接為主導,而邊.邊、棱一棱連接很少,因而帶負電荷的邊與帶正電荷棱由于靜電引力作用而相互凝聚起來,隨著壓型力增加,顆粒問空隙減少,顆粒間距進一步縮小,顆粒接觸數目逐漸增多,靜電引力再度增加,從而使坯體具有一定的強度。

    2.2.5纖維增韌

    SiC纖維具有高強度模量,高溫耐氧化性能,且高溫下強度、模量損失又少的特點。Brennar等用連續微晶SiC纖維來補強玻璃陶瓷,與單一玻璃陶瓷相比,強度提高了4倍。Rice也有研究報道,用SiC纖維補強Zn02時強度可達450Mpa。

     

    三.坯體增強劑在陶瓷制備過程中的研究和應用狀況

    3.1使用坯體增強劑前需考慮的問題

    3.1.1坯體增強劑的選擇

    陶瓷坯體增強劑的正確選擇和使用是提高陶瓷產品質量的關鍵之一。如果坯體增強劑選擇不當就會導致泥漿的流動性的降低,泥漿觸變性變大。因此,在選擇坯體增強劑時必須要做到以下步驟:①首先對現有增強劑的種類、性能和使用方法有一個基本的了解;②其次對要制造的陶瓷坯料也有個基本的了解:③要進行反復實驗,測出增強劑加入量和干燥強度的關系曲線,要多選擇幾種增強劑進行試驗、比較,而且盡量采用多功能型代替單一型以互相補充;④既要考慮增強效果,也要考慮經濟性。最好使用普適性強、效果好和經濟型增強劑。

    3.1.2坯體增強劑的用量

    大量實踐證明,坯體增強劑存在一個最佳用量的問題,并不是增強劑用的越多增強效果就越好。隨著增強劑的加入量增加,坯體的干燥強度逐漸增大,但當超過一定量后,其增強效果逐漸趨于平穩甚至下降。其主要原因是當所加入的增強劑過量時,顆粒表面完全給增強劑分子包裹,而且包裹層較厚,顆粒之間的距離將會大大加大,反而降低了顆粒問的毛細管力,從而使強度增加趨于平緩甚至略有下降。

    3.2坯體增強劑的應用

    3.2.1現狀

    目前,國外發達國家這方面的研究已經有了較大的進展,如德國司馬公司和意大利帝國公司生產的增強劑,其增強效果明顯優于其它同類產品。而我國在這方面的研究落后于其他先進國家。如國內某廠在壓制300x300mm瓷磚時,使用了坯體增強劑,當加入量為0.3%時,生坯強度提高到O.98mpa,高于沒有使用增強劑時,采用1500t壓機的壓坯強度。而有些國家要求陶瓷生坯強度超過2.2mpa。近年來,我國在增強劑方面等研究開發力度明顯增強。周志烽報道了廣州粵陽化工有限公司(http//:www.jygfr.com)一種增強劑YYN已經投入生產3年,并廣泛使用于華南片區陶瓷廠,該增強劑屬于水溶性的復合有機鹽和非水溶性無機結合的新型陶瓷坯體增強劑,它是在參照國外先進技術的基礎上,針對我國的具體情況,利用國產資源生產的一種新型陶瓷添加劑。該種坯體增強劑對陶瓷墻地磚、衛生陶瓷、日用陶瓷以及特種陶瓷坯體有顯著的增強效果。與進口同類產品相比,使用性能毫不遜色,與其它如本素磺酸鈣、淀粉、CMC和腐植酸鈉等增強劑相比,具有更高的性射價格比。

    3.2.2應用狀況舉例

    (1)YYN-1型陶瓷坯體增強劑

    該增強劑主要適用于特種陶瓷(氧化物,氮化物和碳化物等)、耐火材料、涂料以及水泥等。其特點是分散性好,粘合強度高,不發霉變質,同時不含金屬雜質。因此其使用性能優于羧甲基纖維素鈉(CMC)、聚乙烯醇(PVA)和變性淀粉等。當溫度高于400℃時則燒失有機物、無機物繼續留在坯體里面組成穩定架構,不影響燒成產品的性能。如加入量一般為0.2%,可使坯體強度提高30~200%。

    (2)YYN-2型陶瓷坯體增強劑

    該增強劑具有廣泛的適用性,可用于陶瓷墻地磚,衛生潔具,日用陶瓷,美術陶瓷,釉料,特種陶瓷和耐火材料等。當加入量為0.05~0.15%,可使坯體強度提高30—60%,有效的減少坯體的破損率,提高產品質量。增強劑加入后對漿料性能一般沒有不良影響,并可提高坯料可塑性以及漿料的懸浮穩定性。當溫度高于400℃時有機物完全燒失,不影響產品的性能.由于良好的燒失特性,特別適用于快速燒成陶瓷墻地磚。

    (3)YYN-3型陶瓷坯體增強劑“”

    該增強劑主要適用于壓制成型陶瓷墻地磚和耐火材料,當加入量為0.3~1.0%時,可提高墻地磚或耐火材料的干坯強度30一100%。另外,還可提高坯料的可塑性,增加漿料的懸浮穩定性,漿料可長期存放不變質,與其它物料一起研磨時可提高研磨效率10—30%,經噴舞干燥造粒后,粉料流動性提高。使用增強劑后,還可減少配方中可塑粘土的用量,降低燒成溫度。

    (4)聚乙烯醇聚乙烯醇,簡稱PVA,屬高分子化合物,外觀為白色粉末絮狀,可溶于水,乙醇,乙二醇,甘油等有機溶劑內,具有粘性及彈性,使用時,一般需要加熱到80℃左右。不過如果在坯料中含有較多CaO,ZnO,BaO,MgO及硼酸鹽,磷酸時,PVA將難以發揮增塑作用。另外,由于有效作用時間短,有可能燒后會或多或少留有殘灰或氣孔,影響瓷料電性能和力學性能,需要引起注意。

    (5)腐植酸鈉腐植酸鈉俗稱胡敏酸鈉,屬腐植酸的鈉鹽。其外觀呈膠狀或黑色粉末狀,一般采用泥炭,褐煤或某些土壤與燒堿溶液作用而制成的,腐植酸鈉在陶瓷坯料中主要作用是增加泥料的可塑性,泥漿流動性,懸浮性,并可增加坯體的干燥強度,增加釉的附著力和釉的干燥速度,減少釉面氣孔和釉坯開裂,此外,腐植酸鈉對于石膏模具也有顯著的增強,增韌作用,提高石膏的使用壽命。腐植酸鈉在坯料中的用量一般為1—3%,在釉中的用量一般為0.1~0.5%,同時坯釉中應減少磨水量。

     

    四. 發展趨勢

    4.1變廢為寶

    近十年來,全球大力提倡變廢為寶?,F階段研究人員已經發現紙漿廢液可以增強成形坯體的強度,且對坯體燒成過程無不利影響。但它對陶瓷坯料的生產有一定影響。因此利用紙漿廢液作為增強劑的生產技術還需要進行進一步的研究。

    4 .2向復合材料方向發展

    陶瓷基復合材料是20世紀80年代逐漸發展起來的新型材料。由于它具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、導熱系數低等特點,在陶瓷生產中的應用越來越廣泛,特別是坯體增強劑的生產。但是由于其研究的歷史較短,加之其所涉及的學科領域和專業知識面很廣,有許多理論問題和工藝問題尚需深入研究,到目前為止遠沒有理想的陶瓷坯體增強劑產生。復合坯體增強劑不但能夠滿足生產需要,還能夠大幅度的提高效益,因此在這方面進行研究是有必要的。

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