添加劑種類對以稀土尾砂為原料制備的陶瓷坯體強度的影響

汪永清+胡學兵+高穎+羅民華

摘 要：采用外加坯體增強劑的方法，提高以稀土尾砂為原料制備的陶瓷坯體強度。實驗探究了聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、膨潤土及其復合添加劑的添加量對坯體強度的影響規律。結果表明：添加0.3 wt%聚丙烯酸鈉，可使坯體干燥強度增強60.6%；添加0.2 wt%羧甲基纖維素鈉，坯體的干燥強度增加33.3%；添加2 wt%膨潤土，坯體干燥強度增加22%；而添加2 wt%膨潤土、0.3 wt%復合添加劑（三聚磷酸鈉和聚丙烯酸鈉配比為3：1），坯體強度可增加110.5%。本實驗研究結果可為陶瓷生坯強度的增強提供技術手段，也有利于促進稀土尾砂的再利用。

關健詞：稀土尾砂；陶瓷坯體；添加劑；干燥強度

1 前言

我國稀土資源儲量豐富，但品位偏低，每開采1噸稀土產品將產生約1800噸左右的尾砂，這對當地以及附近區域的生態環境與經濟發展產生了嚴重影響[1， 2]。當前，通過技術創新，將稀土尾砂加以開發利用、變廢為寶，具有十分重要的意義。

就稀土工業而言，雖然稀土尾砂是一種廢料，但由于其組成中含有大量的硅酸鹽類礦物，從而使得其在陶瓷生產中具有廣闊的應用前景 [3， 4]。然而，由于稀土尾砂中可塑性粘土含量偏少，而瘠性料含量偏多，因此，如果將其直接大量使用，會使得相應的生坯強度偏低。而在陶瓷工業生產中，生坯強度直接影響著后續的成形、修坯、施釉、運輸及燒成等工序，它對產品的成品率及質量有著重要的影響 [5]。因此，亟需采用技術手段，提高陶瓷生坯強度。目前，在陶瓷漿料中外加增強劑以提高坯體強度，是陶瓷生產過程中，常見且行之有效的方法之一 [6]。

由此，本實驗采用贛南稀土尾砂為原料，制備陶瓷生坯。為提高該坯體強度，實驗考察了聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、膨潤土及其復合添加劑對陶瓷坯體強度的影響規律。通過優化其添加配比，獲得了具有較高生坯干燥強度的陶瓷坯體，形成了新型有效的陶瓷坯體增強技術。本實驗的研究結果對于拓寬稀土尾砂在陶瓷生產中的廣泛應用，緩解稀土礦區的環境和經濟壓力，具有重要的意義。

2 實驗

2.1實驗原料

采用贛南稀土尾砂制備陶瓷生坯，尾砂化學成分列于表1。采用聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、膨潤土及其復合劑作為提高生坯強度的增強劑。

2.2實驗過程

將適量的水加入稀土尾砂中，球磨20 min，然后加入增強劑，繼續混磨5 min。再將球磨后的料漿干燥，得到的原料經30目篩網造粒后，陳腐24 h，再在15 MPa下壓制成形，最后將樣品在100 ℃下干燥6 h。

2.3測試表征

采用三點彎曲法測定生坯試樣干燥強度，測試設備為西安力創材料技術有限公司生產的WDW-10型多功能材料試驗機，試樣尺寸為50 mm × 15 mm × 10 mm。

3 結果分析與討論

3.1聚丙烯酸鈉添加量對坯體強度的影響

在陶瓷生產中，適量的聚丙烯酸鈉（中等分子量）對坯體強度具有一定的改善作用 [7]。因此，實驗首先選用分子量為9.14×105的聚丙烯酸鈉作為坯體增強劑，探討其添加量對坯體強度的影響規律，實驗結果見圖1。

圖1表明：加入適量的聚丙烯酸鈉，可顯著提高坯體干燥強度。當聚丙烯酸鈉的添加量由0.1 wt%增加到0.3 wt%時，坯體干燥強度由原來的1.5 MPa分別增加到1.83 MPa和2.41 MPa，強度增幅由21.81%提高到60.6%。隨后繼續增加至0.5 wt%，坯體干燥強度達到2.44 MPa，強度提高幅度趨于平緩。這是由于未添加聚丙烯酸鈉時，坯體原料顆粒間僅存在毛細管力和范德華力，因此坯體強度偏低；而當加入適量的聚丙烯酸鈉后，聚丙烯酸鈉和水的混合液會包覆在坯體原料顆粒表面，從而在顆粒之間形成新的粘附力，由此，坯體強度得以提升。但當其添加量超過0.3 wt%后，由于坯體原料顆粒表面存在較多的聚丙烯酸鈉和水的混合液，由此導致顆粒間距增大，引起顆粒間毛細管力和范德華力減弱，坯體強度增幅減緩。因此，聚丙烯酸鈉的較佳加入量為0.3 wt%。

3.2羧甲基纖維素鈉對坯體強度的影響

在陶瓷生產中，羧甲基纖維素鈉（CMC）也有利于坯體增強 [8]。由此，實驗在坯體配方中加入0.1 ～ 0.5 wt%的羧甲基纖維素鈉，探究相應的坯體強度變化規律，實驗結果見圖2。

圖2表明：羧甲基纖維素鈉的添加，可較大幅度地提高坯體強度。添加0.1 wt%羧甲基纖維素鈉，坯體強度增幅為12.1%；當其添加量達到0.2 wt%時，強度增幅可達33.3%，當繼續增大添加量時，坯體強度增幅減弱。其作用機理與聚丙烯酸鈉類似，羧甲基纖維素鈉也會包覆在原料顆粒表面，增加坯體內部粘附力，進而改善坯體強度。但當添加較多的羧甲基纖維素鈉時，會引起坯體燒成收縮增大，同時引發其他缺陷等。結合實驗結果可知，羧甲基纖維素鈉的較佳加入量為0.2 wt%。

3.3膨潤土對坯體強度的影響

膨潤土具有良好的濕壓強度和可塑性，在陶瓷行業中，作為坯體增強劑被廣泛使用。本實驗通過加入膨潤土，研究其對坯體干燥強度的作用規律，實驗結果見圖3。

圖3表明，膨潤土的添加，較明顯地提高了坯體干燥強度。當添加2 wt%膨潤土時，坯體干燥強度增幅達到22%，隨著添加量的繼續增加，坯體干燥強度提高幅度減慢。究其原因，可解釋為：由于具有優良的可塑性，膨潤土添加到坯體中，坯體可塑性得以改善，進而提高坯體結合力，并促使坯體干燥強度得到增加。但本實驗結果也表明，其坯體增強能力范圍有限，膨潤土的最佳添加量為2 wt%。

3.4復合添加劑對坯體強度的影響

結合上述實驗結果，實驗在坯體配方中添加2 wt%膨潤土的基礎上，采用聚丙烯酸鈉和三聚磷酸鈉組成復合添加劑，考察相應的坯體強度變化規律。復合添加劑配方組成見表2，坯體強度結果見圖4。endprint

圖4表明：在坯體中，引入0.1～0.5 wt%復合添加劑，坯體干燥強度均得到明顯改善；特別是，相對于其他復合添加劑，以5#復合添加劑對坯體干燥強度的增強效果最為明顯。添加0.3 wt%的5#復合添加劑，坯體干燥強度提升幅度高達110.5%。

上述結果表明，相對于采用單一添加劑（如：聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉和膨潤土等），復合添加劑的坯體增強效果更佳。這是由于采用聚丙烯酸鈉和三聚磷酸鈉作為復合添加劑時，聚丙烯酸鈉和三聚磷酸鈉會同時包覆在原料顆粒表面，增加坯體內部粘附力；同時，由于聚丙烯酸鈉具有長分子鏈，其會與三聚磷酸鈉形成緊湊的網狀骨架，在固化過程中，會阻止水分子對氫鍵的破壞作用，從而提高坯體強度 [9]。在此基礎上，再加上膨潤土的坯體增強作用，使坯體干燥強度得到大幅度改善。因此，復合添加劑的增強效果優于單一添加劑的增強效果。

4 結論

添加不同的坯體增強劑均有利于提高以稀土尾砂為原料制備的陶瓷坯體干燥強度，而復合添加劑的坯體增強作用優于單一添加劑。采用單一的聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉或膨潤土作為添加劑，可使坯體干燥強度產生不同幅度的增加；而采用2 wt%膨潤土、三聚磷酸鈉和聚丙烯酸鈉配比為3：1的復合添加劑，添加量為0.3 wt%時，坯體強度增加110.5%，坯體增強效果最明顯。

參考文獻

[1] 劉昆， 周健兒， 汪永清， 等. 南方稀土尾砂制備低溫燒結玻化磚變形缺陷的研究[J]. 陶瓷學報， 2015， 36（6）：628-633.

[2] 梁華銀， 聶鑫， 汪永清. 南方離子型稀土尾礦的漂白除鐵研究[J]. 陶瓷學報， 2016， 37（1）：71-75.

[3] 汪永清， 查越， 楊柯. 影響贛南稀土尾砂制備玻化磚燒結性能的因素研究[J]. 中國陶瓷， 2015， 51（9）：72-76.

[4] 汪永清， 高穎， 楊柯. 離子型稀土尾砂用于建筑陶瓷制備中的泥漿解膠研究[J]. 硅酸鹽通報， 2014， 33（6）：1447-1452.

[5] 董偉霞， 包啟富， 顧幸勇， 等. 建筑墻地磚干坯的制備及性能研究[J]. 中國陶瓷， 2017， 53（2）：63-66.

[6] 于海霞， 鄒玉林， 孟祥瑞， 等. 新型陶瓷坯體增強劑的研制[J]. 中國陶瓷， 2013， 49（11）：63-65.

[7] 盧維奇， 吳艷平， 涂鍵萍， 等. 自制聚丙烯酸鈉復合陶瓷坯體增強劑的應用[J]. 精細化工， 2004， 21（8）：634-636.

[8] 朱彥秋， 陳磊， 王金鳳. 新型陶瓷坯體增強劑的研究[J]. 佛山陶瓷， 2014， 24（2）：22-25.

[9] 周健兒， 馬玉琦， 張小珍， 等. 添加劑對大規格超薄陶瓷磚生坯強度的影響[J]. 陶瓷， 2008， 3：54-57.endprint