新型陶瓷坯體增強劑的應用研究

余愛民 夏昌奎 張 勇 趙 明 曾為民 樊葉利 郭程長 李德發

（杭州諾貝爾集團有限公司，浙江杭州311122）

0 引言

在陶瓷墻地磚生產中，為滿足各工藝要求常需要加入不同的添加劑，雖然用量不大，但卻起著重要的作用。其中，由于采用干壓成型，隨著產品規格的增大，對陶瓷磚坯體強度提出了更高要求。如果坯體強度不足，造成坯體在成形、輸送、干燥、施釉等工藝過程中產生破損，破損率可達10％～20％，嚴重制約了生產效率和產品質量的提高。若要增加陶瓷坯體的強度，一是在坯體中提高塑性好的粘土含量，使坯體強度提高，但同時也增大了坯體的干燥收縮、燒成收縮以及提高了燒成溫度等；二是在配方中加入適量的增強劑（增強劑又稱臨時性粘合劑）。增強劑多為有機高分子聚合物或溶液，主要是利用分子長鏈的交聯作用，將陶瓷顆粒包圍并連接起來，阻止顆粒在受力條件下產生位移，從而起到增強效果。使用增強劑后的陶瓷坯體在燒成過程中，當溫度達到400～500℃時，增強劑碳化、燒失，留下少量灰分，對燒成制品的理化性能沒有不良影響。

由于高分子類的增強劑分子量較大、結構鏈較長，在將泥漿中各種微細的原料顆粒聚集在一起時，也會形成網狀結構包裹住泥漿中的自由水，使泥漿的流動性變差，加入越多，泥漿的流動性也越差。生產中為了解決上述問題只有在泥漿增加額外的水量，這樣泥漿的比重降低，含水量增加，噴霧造粒的能耗也隨之增加，因此需要加入解凝劑來降低泥漿的粘度，減少泥漿的含水率以降低噴霧塔造粒工序中干燥泥漿水分所消耗的燃料。目前陶瓷生產廠家所用的解凝劑主要為水玻璃和三聚磷酸鈉，要求添加在配方中只能起降低放漿流速的作用而對坯體的強度無任何影響。

本文以自制的木質素衍生物類的坯體增強劑[1]為研究對象，研究了不同濃度、不同原料的增塑劑對泥漿流動性，生坯強度，以及燒成后瓷磚黑心現象的影響。

1 實驗

1.1 增強劑

采用調控分子量、磺化度等工藝，自制了木質素基的增強劑。1#，2#，3#樣品為自制增強劑，為微棕黃透明液體，其中1#和2#采用S－木質素為原料，固含量分別為30w t％和50w t％；3#以S＆G-木質素為原料，固含量50w t％。

1.2 性能測試

1.2.1 抗絮凝性能

取生產現場泥漿，化學組成見表1。加入自制增強劑溶液（添加量0.5w t％），使用50m l流速杯測試泥漿流速。

1.2.2 坯體強度增強性能

將泥漿置于搪瓷盤中于110℃烘箱中干燥，干燥后的泥塊采用干法球磨，全部過30目篩；按6％比例噴水、造粒，再過20目篩，裝袋、混合、陳腐，然后壓制成型條形小試樣，在德國產401-3型抗折強度儀上測試強度。強度的計算采用如下公式：Gf=3PL/2bh2。具體壓制參數見表2。

1.2.3 燒成黑心現象

燒成溫度為1177℃，環溫為1088℃，燒成周期為65min，目測有無黑心現象。

表1 普通瓷質磚高溫燒成產品配方化學組成（％）Tab.1 Chem ical com position of ordinary high-fired ceram ic tile

表2 壓制試驗參數Tab.2 Parameters for dry-pressing experiment

表3 不同濃度和原料的增強劑對肧體強度和抗絮凝的影響Tab.3 Effects of binders w ith different concentrations and prepared w ith different raw materials on green body strength and deflocculation

2 結果與討論

2.1 濃度和原料對坯體強度和抗絮凝的影響

如表3所示，采用S-木質素為原料，隨著增強劑含量的增加，生坯強度得到增強，30％濃度和50％濃度的樣品分別由不加增強劑時的2.47MPa增加到2.68MPa和3.23MPa。

漿料的流動性在配料量為1300g條件下比較。雖然加入濃度30％的#1增強劑后，漿料的流速會變低，但是增強劑濃度增加到50％后，#2流速明顯增加，說明自制增強劑在高濃度起到增強的同時可以起到抗絮凝的作用。這是由于木質素基的增塑劑分子量較大，具有較長的結構鏈，在坯體泥漿中加入后會在最后的瓷磚坯體壓延成型中形成網狀結構，從而顯著增加其斷裂強度[2]。同時，它電離出的特征離子吸附在原料顆粒表面，增強顆粒表面溶劑化膜，產生位阻效應，使泥漿顆粒之間的排斥力增加，將泥漿水化過程中形成的空間網狀結構中的束縛水釋放出來，從而增加泥漿的流動性。使它在增塑的同時起到抗絮凝的作用。

相同50％濃度下，2#和3#分別采用不同原料的木質素，比較發現3#增強作用不明顯，但漿料流動性尚可，含水量最低。說明如果要同時達到增強和解凝的作用，需要對木質素原料進行嚴格的實驗比對。

2.2 坯體增強效果的均一性

從圖1同次實驗中，9個樣品的生坯強度測試結果看出，隨使用濃度增加，自制增強劑增強效果越明顯，且增強均一性越好。綜合考慮原料處理后的使用成本，樣品2＃，50％固含量的增強劑，0.5w t％添加量為比較合適的選擇。

圖1 同次實驗九個樣品空間的增強效果比對Fig.1 Strengthening effects on nine specimens in the same experiment

圖2 三次實驗九個樣品增強效果平均比對Fig.2 Strengthenging effects on nine speciments in 3 experiments

從三次實驗中（如圖2），9個樣品的生坯強度測試結果的平均值看出，自制增強劑#2樣品增強效果穩定。

2.3 燒成后黑心現象

在1177℃，60min燒結后，所有樣品均瓷化，無黑心現象。說明自制陶瓷增強劑中的碳會在陶瓷坯體燒成過程中碳化、燒失，留下少量灰分，對燒成制品的性能沒有不良影響。

3結論

從整個實驗可以看出，自制木質素衍生物基的增強劑引入到建筑陶瓷坯體配方中，不僅提高了坯體強度，而且具有一定的解凝效果，對泥漿流動性影響不大，減少了生產中的裂磚，對提高半成品成品率有很大裨益，對今后的陶瓷墻地磚的薄型化有一定幫助。但值得注意的是木質素是單體間以碳-碳鍵和醚鍵隨機聚合的極其復雜的網狀高分子，沒有嚴格的固定結構，其中的活性基團在分離、提取時很容易造成結構的變化[2]，使用不同廠家的原料時，必須嚴格調控分子量、磺化度等工藝參數，保證產品質量穩定。

1蔣挺大，木質素.北京：化學工業出版社，2009