衛(wèi)生陶瓷泥漿的進化視角＊

劉艷華

（北京國建聯(lián)信認證中心 北京 100831）

1 概述

衛(wèi)生陶瓷主要采用注漿成形，利用模具材料的多孔性，通過自吸水或外給壓力，將泥漿中的水分排出，形成坯體，經(jīng)干燥、施釉后燒結(jié)而成。

衛(wèi)生陶瓷是勞動密集型生產(chǎn)行業(yè)，尤其是成形工序，不僅工人勞動強度大，手工操作環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)效率低，還要求作業(yè)人員掌握一定的技巧并有相當(dāng)?shù)氖炀毘潭纫?。近年來，為了招聘到熟練的注漿作業(yè)工人，企業(yè)不斷加大用工成本，人工工資已接近衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品制造成本的40%，且呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。現(xiàn)代衛(wèi)生陶瓷行業(yè)因為受到人工成本、生產(chǎn)效率等因素的影響，已經(jīng)開始進行新生產(chǎn)工藝的改革。低壓快排水連續(xù)注漿成形技術(shù)、高壓注漿成形技術(shù)、快速干燥技術(shù)、吊籃自動輸送技術(shù)等新技術(shù)、新裝備得以推廣應(yīng)用。另外，從人力資源的結(jié)構(gòu)變化上看，新一代的用工來源已不能適應(yīng)傳統(tǒng)衛(wèi)生陶瓷成形作業(yè)的作坊式生產(chǎn)方式，對于長時間、高強度的作業(yè)，高溫、高濕作業(yè)環(huán)境不適應(yīng)，造成工人短缺，制約著衛(wèi)生陶瓷企業(yè)的發(fā)展。為了擺脫作坊式生產(chǎn)方式，以達到高效、無粉塵、作業(yè)環(huán)境舒適、勞動強度低、用工要求低的低壓快排水連續(xù)注漿成形技術(shù)及高壓成形技術(shù)開始引起了衛(wèi)生陶瓷行業(yè)的普遍重視。因此，陶瓷機械裝備在進化到一定程度后，相應(yīng)的泥漿技術(shù)應(yīng)該如何進化、進化方向怎樣、又如何穩(wěn)妥地實現(xiàn)進化，已成為衛(wèi)生陶瓷行業(yè)一個重要的研究課題。

2 泥漿的技術(shù)性能要求

在整個衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)過程中，成形工序至關(guān)重要，因為注漿成形的敏感性及受多因素影響是所有成形方式中影響最大的。而泥漿的適用性又是衛(wèi)生陶瓷企業(yè)對成形作業(yè)最為關(guān)注的問題。

對泥漿性能差異的評價由于有南北氣候、工人習(xí)慣、技術(shù)方向等影響因素而不同，且成形方式由傳統(tǒng)的石膏注漿逐步發(fā)展到低壓快排水及高壓注漿成形，對泥漿性能的要求不同，因而看待泥漿的視角也需要進化。

泥漿是用水將粘土及各種粉碎原料混合攪拌而成的，是具有一定穩(wěn)定性的懸浮溶體，表征泥漿性能主要有以下項目：

1）基本性能。濃度、溫度、粒度、屈服值。

2）成形性能。粘性、吃漿速度、可塑性、開裂時間，透水性。

3）干燥性能。干燥強度、內(nèi)外水分差、干燥收縮。

4）燒成性能。燒成收縮、燒成彎曲、燒成強度、坯釉結(jié)合性。

其中，吃漿速度、可塑性、干燥強度是注漿成形最為重要的3大性能。

吃漿速度是指泥漿在模型中失去水分由懸浮溶體生成固相、凝聚成坯體的速度。在傳統(tǒng)成形工藝中，泥漿注入石膏模型后在毛細管的作用下，泥漿中的水分沿著毛細管排出。新成形工藝中的低壓快排水工藝吃漿過程與傳統(tǒng)工藝是一樣的，而高壓注漿成形除了少許的毛細管作用外，主要是依靠泥漿的高壓與模型常壓的壓差形成動力，將水分排出。當(dāng)模型內(nèi)表面形成一層坯體后，水分要繼續(xù)排出時，必須要先通過坯體的毛細孔，然后再進入模型的毛細孔中。這時注漿過程的阻力來自于模型和坯體兩方面。注漿開始時，模型的阻力起主要作用，隨著吸漿過程的不斷進行，坯體厚度繼續(xù)增加，坯體所產(chǎn)生的阻力越來越大，直到最后起主導(dǎo)作用，成為影響吃漿速度的主要因素。調(diào)整泥漿的吃漿速度主要考慮的是坯體阻力，通常情況下泥漿中塑性原料含量多則吃漿速度慢，瘠性原料含量多則吃漿速度快。泥漿的顆粒愈細，其比表面積愈大，越易形成致密的坯體，導(dǎo)致其疏水性差，吃漿速度降低。

可塑性是指物體在外力作用下，可塑造成各種形狀，并且在外力去除后仍能保持這形狀而不失去物料顆粒之間聯(lián)系的性能。泥漿在注漿過程中失去水分，變成含適量水分的泥團，在一定外力作用下產(chǎn)生形變而不開裂的能力就來自于可塑性。可塑性主要來自粘土的細顆粒成分，簡單地講，泥漿可塑性好與吃漿速度在現(xiàn)實生產(chǎn)過程中是一種此消彼長的關(guān)系。

衛(wèi)生陶瓷坯料的可塑性主要來源于粘土原料，實際應(yīng)用的原料通常有高嶺土、球土、絹云母瓷土、蒙脫石粘土等。要調(diào)整到適宜的坯體可塑性，需要在這幾種粘土原料中作選擇。其實，粘土的可塑性主要由粘土的細顆粒（粒徑小于或等于2μm）數(shù)量多少以及粘土的陽離子交換量的大小來控制，細顆粒多、陽離子交換量大的粘土其可塑性就強。就顆粒粒度而言，以蒙脫石細顆粒含量最高，高嶺土的細顆粒相對較少（尤其是結(jié)晶完備的高嶺土）、絹云母瓷土次之、最后是球土。

在離子交換能力上，研究泥漿的粘土－水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以幫助理解一些現(xiàn)象的。粘土——水系統(tǒng)中的粘土形成如下一種膠團結(jié)構(gòu)：

在粘土膠團內(nèi)，粘土質(zhì)點本身稱為膠核，該膠核是帶負電的。緊靠膠核周圍吸附著一些定向偶極水分子和一些水化的陽離子。這部分構(gòu)成了圍繞膠核的吸附層，它們能隨著膠核在介質(zhì)中一起移動。

膠核與吸附層內(nèi)的陽離子不足以補償膠核的負電荷。因此，隨著與膠核距離的增加。分布逐漸減少的陽離子，形成一個陽離子濃度逐漸遞減的擴散層。

膠粒加上擴散層總稱為膠團。膠團整體是電中性的。由于隨著離膠核的距離增加，陽離子水化程度增加，陽離子所帶電水分子也增加，形成了水化的外殼從而使膠團穩(wěn)定。

從一些現(xiàn)象可以看出，粘土的陽離子交換容量及吸附的陽離子種類對粘土的膠體活性影響很大。例如，蒙脫石的陽離子交換容量大，膨脹性也大，在低濃度下可形成稠的懸浮體，特別是鈉蒙脫石，水化膨脹性更強；而高嶺石的陽離子交換容量低，惰性較強。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，粘土膠團的陽離子會發(fā)生替換，使吸附層、擴散層發(fā)生變化，由此帶來泥漿性能的變化，尤其是流動性的變化比較明顯。

表1 部分粘土的離子交換容量

離子交換是指可以用一種離子取代原先吸附于粘土上的另一種離子。按粘土原先吸附的離子所帶電荷的不同，可分為陽離子交換和陰離子交換。以高嶺土為例，正常不加入化學(xué)電解質(zhì)時，邊角緣面帶正電荷，會發(fā)生陰離子交換，這一部分邊角緣面正電荷對未解膠前的高嶺土形成卡片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是有理論意義的。但陰離子交換量僅為陽離子交換量的十分之一。

在實際的衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)條件下，泥漿都是帶負電荷，所以，衛(wèi)生陶瓷的泥漿通常討論的離子交換一般指陽離子交換，離子交換容量通常用來表示離子交換能力，粘土品種對離子交換的能力影響很大，部分粘土的離子交換容量見表1。

1）高嶺石。高嶺石結(jié)構(gòu)為單網(wǎng)層，同晶取代少，破鍵會帶來一些電荷，但總體上，結(jié)晶完整的高嶺石相對惰性大，離子交換量??；一些結(jié)晶較差的高嶺石除破鍵引起粘土荷電外，晶格內(nèi)離子替代的也有一定比率。如球土的離子交換能力就要大很多，從應(yīng)用的角度看，球土的交換能力應(yīng)該介于高嶺石與埃洛石之間，一些被稱為黑粘土的球土表現(xiàn)出的交換量更大。

2）絹云母瓷土。絹云母瓷土的晶格置換比蒙脫石嚴重，單位面積板面的負電量應(yīng)該比蒙脫石多，但伊利石結(jié)構(gòu)中復(fù)網(wǎng)層之間是鉀離子，而且鉀離子可以牢固地把2個復(fù)網(wǎng)層連接在一起，不易解理，分散度小，成為板面的層面少，比表面積小，所以相同質(zhì)量的伊利石帶負電量比蒙脫石少，其陽離子交換量介于高嶺石與蒙脫石之間。

3）蒙脫石。多層復(fù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同晶取代多，層間束縛小，分散度大，離子吸附活躍，解理面帶較多負電荷。

干燥強度是指坯體干燥后具有的強度，它與泥漿成分中的細顆粒、顆粒的膠體性能有直接關(guān)系。下面以細顆粒數(shù)量的控制為例：

瘠性原料細顆粒度的提高絕大多數(shù)來自物理破碎，主要是來自球磨機內(nèi)球石的撞擊、研磨以及原料之間的擠壓、研磨作用，這些物理作用到一定程度后，細顆粒的產(chǎn)生就很少，而高嶺土等粘土原料除了上述的球磨機物理作用外，本身的水化分解作用更為顯著，晶格本身的大小經(jīng)過一段時間的球磨會充分體現(xiàn)出來，它們是構(gòu)成坯體干燥強度高低的關(guān)鍵。但是，原料中細顆粒越多，坯體形成的阻力就越大；但從另一個角度來講，它與吃漿速度也是有沖突的。

綜上所述，衛(wèi)生陶瓷注漿成形的理想狀態(tài)就是泥漿盡快地形成坯體，并且坯體具有優(yōu)良的可塑性及較高的干燥強度。

3 傳統(tǒng)泥漿的局限性和新泥漿的進化視角

在衛(wèi)生陶瓷注漿成形中，吃漿速度和干燥強度是一個對立統(tǒng)一的關(guān)系，在生產(chǎn)過程中必須兼顧且要找到良好的平衡點，只片面追求吃漿速度或干燥強度都是不可取的。傳統(tǒng)石膏注漿更偏重于泥漿的可塑性，希望脫模時坯體不會開裂，也因一天就注模一次，有充足的時間去處理坯體，久而久之，為追求泥漿的可塑性，配方中大量使用粘土，導(dǎo)致吃漿速度偏慢。而低壓快排水及高壓注漿成形工藝是24h連續(xù)生產(chǎn)，不論是注漿、修坯，還是干燥，都要求高效率，這就帶來不同的視角，也帶來了對泥漿的進化的要求。

提高吃漿速度，其優(yōu)點是顯而易見的，以連體虹吸式坐便器的低壓快排水工藝來說，若直接采用普通泥漿，一天只能注漿3次，而使用經(jīng)過調(diào)整后的新泥漿，一天最少可以注漿5次。但是這種利用新泥漿提高注漿速度的做法，無疑是以犧牲泥漿的可塑性及坯體的干燥強度為代價的，這在實際生產(chǎn)中是不可取的。

從國內(nèi)運用新泥漿注漿成形的實際經(jīng)驗看，這個問題在一定限度內(nèi)是允許存在的，不僅成形合格率沒有降低，而且干燥合格率還有所上升。

衛(wèi)生陶瓷的器形復(fù)雜，各種曲度、各種厚度混雜在一起，坯體收縮形成的應(yīng)力極易造成坯體開裂。傳統(tǒng)的泥漿是依靠提高泥漿的可塑性來對抗應(yīng)力的，坯體會在石膏模型內(nèi)存留較長時間，坯體的收縮傾向與模型的阻擋形成剛性阻礙，需要很好的可塑性來抵消這種阻礙應(yīng)力，才能達到脫模時不開裂的目的。但是，追求可塑性、使用含有較多粘土、吃漿速度偏慢的泥漿在注漿成形后，導(dǎo)致坯體硬度低，排水慢，坯體早期硬度低，隨之帶來不能及時濕修坯的問題，影響工作效率。同時，長時間吃漿帶來吃漿面與排漿面的水分梯度較大，雖然可塑性抵消了大部分的剛性應(yīng)力，但內(nèi)外水分差帶來的應(yīng)力在干燥階段會明顯增大，有增加干燥內(nèi)部開裂的趨勢。經(jīng)過進化后的新泥漿具有快速吃漿的性能，可以縮短坯體在模具內(nèi)存留時間約1h。而這段時間恰恰是坯體收縮的重要階段，早脫模，沒有模型的剛性阻擋，必定可以減少開裂。同時，吃漿面與排漿面的水分梯度會縮少，由此帶來的內(nèi)部應(yīng)力很小，為坯體的順利干燥創(chuàng)造了有利條件。同時，因新泥漿本身的透水性能優(yōu)良，能減少濕坯的內(nèi)外水分梯度，所以可以進行早脫模，進而達到完全濕修坯。因此可以這樣認為，用可塑性來解決開裂是被動的，而提高吃漿速度、縮短坯體在模型內(nèi)存留時間以解決開裂問題。

關(guān)于干燥強度是新泥漿在這方面存在先天不足，不能達到使用傳統(tǒng)泥漿成形坯體的多次搬運無磕碰的狀態(tài)，但是，新成形工藝可達到濕修坯的效果，大大減少對干坯的翻轉(zhuǎn)移動，同時采用的是連續(xù)注漿生產(chǎn)工藝，在較短的工藝距離內(nèi)不用進行多次、長距離搬運，從而減少了坯體人為損壞和破損的可能。

在上述的粘土原料對可塑性及干燥強度的影響中，可以看出新泥漿與傳統(tǒng)泥漿的使用差別。首先，盡量摒棄使用蒙脫石粘土，因為其流變性能極差，極少量的蒙脫石就會奪取大量泥漿有限的自由水量；其次要相對提高高嶺土及絹云母瓷土的使用量，置換一部分球土的使用量，同時輔以硬質(zhì)料中具有高吃漿速度還兼具一些可塑性的原料，如葉臘石、地開石等，不能以單純地減少粘土的使用量來提高吃漿速度，而是應(yīng)充分了解各種原料的基本性能，從中尋找到兼顧泥漿各種性能的原料及配方，這是新泥漿調(diào)整的重點。

4 結(jié)論

綜上所述，在調(diào)整泥漿可塑性和干坯強度在條件容許時，把提高吃漿速度作為泥漿進化的視角，給衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)技術(shù)提升帶來更多的可能和空間，在確保干燥產(chǎn)品合格率的前提下，將泥漿技術(shù)的側(cè)重點從可塑性轉(zhuǎn)到吃漿速度上是可行的，也是很有意義的。這不僅僅是針對低壓快排水或高壓注漿成形這些新的生產(chǎn)工藝，對傳統(tǒng)石膏注漿方式也是有借鑒作用的，隨著生產(chǎn)工藝方法的進步，泥漿也需要進化。

現(xiàn)借助衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)中泥漿參數(shù)模型將傳統(tǒng)泥漿與新泥漿性能進行比較，其對比結(jié)果見表2。

表2 傳統(tǒng)泥漿與新泥漿性能對比

當(dāng)然，新泥漿的試制要做大量的基礎(chǔ)試驗，從開始選用適用原料的調(diào)查及試驗開始，直至完備的成形、修坯、干燥、施釉、燒成等工藝試驗，至少需要6～8個月時間，還要選擇出能反映出泥漿性能優(yōu)劣的產(chǎn)品，最好用連體坐便和大尺寸洗面器分別做中型試驗，然后再分步驟從原料車間開始，逐步替代原有泥漿使用新泥漿，這個周期也需要6個月以上。

致力于以盡可能小地可塑性犧牲帶來盡可能快的吃漿速度的泥漿進化視角，對提高衛(wèi)生陶瓷的生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。目前在國內(nèi)的衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)中雖已有應(yīng)用并取得了一定成效，但進一步配合低壓快排水及高壓注漿成形等新工藝，進行穩(wěn)定、持久的新泥漿改良探索仍然很有必要的。

1 國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB／T 5000－1985.日用陶瓷名詞術(shù)語.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1985

2 李家駒.日用陶瓷工藝學(xué)（第一版）.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1992

3 曹茂盛，等.材料合成與制備方法（第一版）.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001