市售陶瓷減水劑的復(fù)配對(duì)建筑陶瓷泥漿性能的影響

鄒苑莊，李小紅，胡 飛,，熊 偉，付夢(mèng)乾，余 浩

(1.國(guó)家日用及建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

市售陶瓷減水劑的復(fù)配對(duì)建筑陶瓷泥漿性能的影響

鄒苑莊2，李小紅1，胡 飛1,2，熊 偉1，付夢(mèng)乾2，余 浩2

(1.國(guó)家日用及建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

摘 要：以某建筑陶瓷配方料為研究對(duì)象，加入市售陶瓷減水劑五水偏硅酸鈉、三聚磷酸鈉以及低分子有機(jī)陶瓷減水劑腐植酸鈉，并對(duì)所述陶瓷減水劑進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)對(duì)泥漿的流動(dòng)性、比重、含水率、ζ電位、及觸變性的測(cè)定，評(píng)價(jià)陶瓷減水劑及其復(fù)配對(duì)陶瓷配方土的減水效果。研究發(fā)現(xiàn)，單一陶瓷減水劑五水偏硅酸鈉、三聚磷酸鈉、腐植酸鈉加入陶瓷配方土后，泥漿的性能不佳。但復(fù)配后的陶瓷減水劑可以使泥漿的性能提高，達(dá)到建筑陶瓷生產(chǎn)需求。當(dāng)0.3%五水偏硅酸鈉和0.1%腐植酸鈉復(fù)配時(shí)，流速為34 s，觸變性為1.029；當(dāng)0.5%五水偏硅酸鈉和0.15%的三聚磷酸鈉復(fù)配時(shí)，流速為52 s，觸變性為1.019；當(dāng)0.1%三聚磷酸鈉，0.3%五水偏硅酸鈉和0.2%腐植酸鈉復(fù)配時(shí)，流速達(dá)到44s，觸變性為1.023。

關(guān)鍵詞：建筑陶瓷；減水劑；復(fù)合添加；泥漿性能

E-mail:mfhufei@126.com

0　引 言

陶瓷減水劑(又稱(chēng)分散劑、稀釋劑、解凝劑)作為陶瓷生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的一類(lèi)添加劑，一直受到國(guó)內(nèi)外行業(yè)的重視。陶瓷減水劑的作用是通過(guò)靜電作用和空間位阻作用，改善坯料的流動(dòng)性，使其在水分含量減少的情況下，黏度適當(dāng)，流動(dòng)性好，防止生坯干燥時(shí)收縮和變型開(kāi)裂，減少生坯破損率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量；同時(shí)，還能減少生坯的干燥時(shí)間，降低干燥能耗，降低生產(chǎn)成本[1]。目前，陶瓷工業(yè)中一般使用噴霧干燥的方法制造粉料，入塔時(shí)泥漿平均含水率約為 33%-38%，粉料產(chǎn)品離塔時(shí)平均含水率約為7%。水分在泥漿制造過(guò)程中主要具有使物料粒子均勻分散、溶解電解質(zhì)、使泥漿有流動(dòng)性等作用[2]。 陶瓷產(chǎn)業(yè)的高能耗主要體現(xiàn)在排水過(guò)程，而其總能耗的80%以上用于干燥和燒成[3]。 因此，泥漿中的水分應(yīng)在滿(mǎn)足工藝要求的前提下越少越好。

陶瓷減水劑分為有機(jī)減水劑，無(wú)機(jī)減水劑，聚合減水劑和復(fù)合減水劑。目前，我國(guó)建筑陶瓷生產(chǎn)行業(yè)中普遍使用的是無(wú)機(jī)陶瓷減水劑和有機(jī)低分子陶瓷減水劑及其復(fù)合減水劑。因此本文研究了市售陶瓷減水劑偏硅酸鈉、三聚磷酸鈉、腐植酸鈉及其復(fù)合減水劑對(duì)某建陶廠生產(chǎn)所用泥漿性能的影響，確定適用于該配方土的減水劑配方。

1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)所用陶瓷配方土由某建筑陶瓷廠提供，陶瓷所需減水劑為工業(yè)用陶瓷減水劑，有五水偏硅酸鈉、腐植酸鈉、三聚磷酸鈉。實(shí)驗(yàn)取200 g配方土，加入水及減水劑，用快速磨球磨8-12 min，球磨之后的泥漿在涂式杯中測(cè)定其流速，評(píng)價(jià)其流動(dòng)性能；然后將泥漿倒入比重杯中稱(chēng)量泥漿比重。并用宏觀電泳儀測(cè)量泥漿的ζ電位，電壓設(shè)置200 V，通過(guò)以下公式計(jì)算泥漿電動(dòng)電位：

其中，V為電壓，D為水的介電常數(shù)，η為水的粘度，t為泥漿的溫度，l 為導(dǎo)管長(zhǎng)，S=h/m。

表1　未加陶瓷減水劑時(shí)泥漿-水系統(tǒng)性能Tab.1 The performance of the slurry - water system without the addition of deflocculants

表2　五水偏硅酸鈉對(duì)泥漿性能的影響Tab.2 The effect of sodium metasilicate pentahydrate on the performance of the slurry

2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

粘土晶粒表面上氧與氫氧基可以與靠近表面的水分子通過(guò)氫氧鍵而鍵合。粘土表面負(fù)電荷在粘土附近存在一個(gè)靜電場(chǎng)，使極性水分子定向排列，粘土表面吸附著水化陽(yáng)離子。由于以上原因使粘土表面吸附著一層定向排列的水分子，極性分子依次重疊，直至水分子的熱運(yùn)動(dòng)足以克服上述引力作用時(shí)，水分子逐漸過(guò)渡到不規(guī)則排列，從而使粘土粒子與陽(yáng)離子水分構(gòu)成粘土膠團(tuán)[12]。

(1)泥漿-水系統(tǒng)性能測(cè)定

不加陶瓷減水劑時(shí)，自由水易吸附于粘土顆粒，泥漿容易團(tuán)聚，需大量水稀釋才能使?jié){料具有流動(dòng)性。表1為泥漿-水系統(tǒng)的流速、比重、及含水量。

由表1可以看到，當(dāng)水的添加量為180 g時(shí)，泥漿的流速大于100s，比重為1.477 g/cm3，含水量約為47.4%。含水率過(guò)高，不符合工業(yè)生產(chǎn)要求。我們還發(fā)現(xiàn)，不加陶瓷減水劑時(shí)，球磨8 min的泥漿中有直徑約5 mm的大顆粒，球磨12 min后才可達(dá)到使用要求，說(shuō)明未加減水劑時(shí)，球磨效率較差。

(2)陶瓷減水劑五水偏硅酸鈉對(duì)泥漿性能的影響

在200 g配方料中添加100 g水，分別加0.25%-1%的五水偏硅酸鈉，測(cè)量其流速、比重、以及ζ電位，并計(jì)算其觸變性。

從表2可以看到，添加了五水偏硅酸鈉的泥漿，其比重比未加減水劑的泥漿顯著增加。一般認(rèn)為，五水偏硅酸鈉可以引入Na+離子，泥漿吸附Na+離子后其水化膜厚度增加，增強(qiáng)了膠粒之間的靜電效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)[11]。ζ電位表明的是顆粒間的靜電效應(yīng)，其絕對(duì)值越大，泥漿的流動(dòng)性較好。泥漿ζ電位的測(cè)試數(shù)據(jù)與流速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)相吻合，說(shuō)明，五水偏硅酸鈉對(duì)于泥漿顆粒的分散作用主要是由于靜電效應(yīng)對(duì)膠粒的分散。加入了0.25%的五水偏硅酸鈉的泥漿流動(dòng)性不理想。這可能是因?yàn)橐氲腘a+離子太少，只有少部分雙電層增厚不足以提高泥漿的流動(dòng)性。當(dāng)將其量提升至0.5%，流速提高至82s。當(dāng)五水偏硅酸鈉的含量增加至0.75%及1%，泥漿流速下降。這有可能是因?yàn)楫?dāng)五水偏硅酸鈉加入量過(guò)大，引入的Na+離子過(guò)多，使得離子擴(kuò)散困難，甚至有可能把擴(kuò)散層的離子壓縮至吸附層[4]，雙電層厚度變小使膠粒凝聚，從而影響了流動(dòng)性。

圖1　流速與ζ電位比較圖Fig.1 The results of the flow velocity and ζ potential

圖2　流速與ζ電位比較圖Fig.2 The results of the flow velocity and ζ potential

表3　五水偏硅酸鈉-腐植酸鈉對(duì)泥漿性能的影響Tab.3 The effect of sodium metasilicate pentahydrate-humic acid sodium salt on the performance of the slurry

(3)腐殖酸鈉對(duì)泥漿性能的影響

實(shí)驗(yàn)取200 g配方料100 g水加入腐殖酸鈉，發(fā)現(xiàn)泥漿滯留，無(wú)法測(cè)其流速、比重、ζ電位。本實(shí)驗(yàn)從加入0.1%到1%的腐植酸鈉泥漿都沒(méi)有流動(dòng)性。這說(shuō)明單一的腐殖酸鈉對(duì)泥漿的流動(dòng)性沒(méi)有顯著提高。

(4)三聚磷酸鈉對(duì)泥漿性能的影響

實(shí)驗(yàn)取200 g配方料100 g水加入加入0.1%到1%的三聚磷酸鈉，泥漿均沒(méi)有流動(dòng)性，出現(xiàn)滯留的現(xiàn)象。這也說(shuō)明單一的三聚磷酸鈉對(duì)泥漿的流動(dòng)性沒(méi)有顯著提高。

(5)五水偏硅酸鈉和腐殖酸鈉二元復(fù)配稀釋劑

實(shí)驗(yàn)取200 g配方料100 g水分別加入一定量的五水偏硅酸鈉和腐植酸鈉，測(cè)量其流速、比重、ζ電位。

對(duì)比表2和表3，可以看到五水偏硅酸鈉和腐殖酸鈉復(fù)配后的泥漿流動(dòng)性有明顯改善，這是因?yàn)橐环矫娓乘徕c與偏硅酸鈉加入泥漿后，偏硅酸鈉水解為腐殖酸鈉提供了更多的OH-離子使腐殖酸鈉的負(fù)電基團(tuán)增多，親水性增強(qiáng)，另一方面偏硅酸根在腐殖酸存在下縮聚為多硅酸根，使其具有與粘土顆粒相似的外形結(jié)構(gòu)，容易被吸附[6]。表3中還可以看到，腐植酸含量為0.1%時(shí)，逐步減少五水偏硅酸鈉的用量，泥漿流速增加，這可能是由于Na+含量過(guò)多而導(dǎo)致雙電層的擠壓。當(dāng)偏硅酸鈉含量降至0.2%時(shí)，為平衡鈉離子的含量提高腐殖酸鈉的用量至0.2%，其流速略有增加。ζ電位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與流速的對(duì)比圖可以看到，隨著鈉離子含量的降低，ζ電位逐漸降低并趨于平緩，表明隨鈉離子含量的降低靜電效應(yīng)逐漸顯著，這也同時(shí)說(shuō)明了圖1中鈉離子含量過(guò)多或過(guò)少，都不利于靜電效應(yīng)對(duì)泥漿的影響作用。隨著五水偏硅酸鈉與腐殖酸鈉復(fù)配比例的逐漸優(yōu)化，泥漿的流速逐漸降低，說(shuō)明低分子腐植酸鈉與偏硅酸鈉的復(fù)配，不僅僅是靜電作用的影響，可能會(huì)通過(guò)吸附作用或空間位阻作用，提高泥漿的性能。

表4　三聚磷酸鈉-五水偏硅酸鈉對(duì)泥漿性能的影響Tab.4 The effect of sodium tripolyphosphate-humic acid sodium salt on the performance of the slurry

圖3　流速與ζ電位比較圖Fig.3 The results of the flow velocity and ζ potential

圖4　流速與ζ電位比較圖Fig.4 The results of the flow velocity and ζ potential

(6)五水偏硅酸鈉和三聚磷酸鈉二元復(fù)配稀釋劑

實(shí)驗(yàn)取200 g配方料100 g水分別加入一定量的五水偏硅酸鈉和三聚磷酸鈉，測(cè)量其流速、比重、ζ電位。但由于三聚磷酸鈉價(jià)格較貴，工業(yè)生產(chǎn)中加入量一般不超過(guò)0.3%。

在本組實(shí)驗(yàn)中，固定偏硅酸鈉的含量為0.5%，逐步提高三聚磷酸鈉的含量，發(fā)現(xiàn)泥漿的流動(dòng)性增加，從ζ電位與流速對(duì)比圖中看到隨著三聚磷酸鈉用量的增加ζ電位穩(wěn)步增加，這可能是因?yàn)槿哿姿徕c作為電解質(zhì)加入漿料增強(qiáng)了靜電作用且其中的磷酸根離子能同泥漿中的Ca2+、Mg2+生成難溶物，促進(jìn)Na+的交換作用，增強(qiáng)的靜電效應(yīng)[7]。經(jīng)計(jì)算，在質(zhì)量相等的情況下，三聚磷酸鈉中Na+離子的摩爾含量是五水偏硅酸鈉的1.44倍，而鈉離子用量過(guò)多會(huì)降低泥漿的流動(dòng)性。同時(shí)考慮到三聚磷酸鈉的價(jià)格成本。因此我們?cè)O(shè)定三聚磷酸鈉為0.10%時(shí)，逐步減少五水偏硅酸鈉的含量為0.40%和0.30%，發(fā)現(xiàn)隨著鈉離子含量的降低，有利于靜電效應(yīng)的增加。在價(jià)格成本降低的情況下，可以保持流速為52 s。

(7)五水偏硅酸鈉-三聚磷酸鈉-腐殖酸鈉三元復(fù)配稀釋劑

由于前期的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了建筑陶瓷廠的泥漿操作要求，為了達(dá)到更好的減水效果，我們?cè)偃?00 g配方料和95 g水，分別加入一定量的五水偏硅酸鈉，三聚磷酸鈉和腐植酸鈉三元復(fù)配稀釋劑，測(cè)定泥漿比重提高之后稀釋劑對(duì)于泥漿性能的影響。其中，由上述數(shù)據(jù)可知，對(duì)于泥漿的減水效果最好的范圍是：五水偏硅酸鈉的含量為0.3-0.5%，腐殖酸鈉的含量為0.10-0.20%，三聚磷酸鈉的含量為0.10-0.15%。控制三元復(fù)配稀釋劑的比例，鈉離子的含量，以及減水劑的價(jià)格成本，可以獲得最佳三元復(fù)配稀釋劑。

調(diào)整五水偏硅酸鈉、三聚磷酸鈉、腐殖酸鈉的含量，發(fā)現(xiàn)增加三聚磷酸鈉含量并且減少五水偏硅酸鈉的含量有助于提高泥漿的流速。對(duì)比圖4中ζ電位的數(shù)據(jù)，可以看到隨著五水偏硅酸鈉的減少，ζ電位逐漸降低，說(shuō)明配方中鈉離子含量過(guò)量。而三聚磷酸鈉對(duì)泥漿流動(dòng)性的增加在五水偏硅酸含量降低到0.3 g時(shí)發(fā)揮了作用。因此，鈉離子含量與三聚磷酸鈉的作用相互影響，又因?yàn)槌杀疽蛩匚覀冎饾u降低三聚磷酸鈉的含量，并調(diào)整腐殖酸鈉的含量，獲得了流速44 s的泥漿。腐殖酸鈉的增加不利于泥漿的減水，這可能是因?yàn)楦乘岣g會(huì)彼此粘合而提高了泥漿的相對(duì)粘度[8]。

將單一減水劑和復(fù)合減水劑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得出復(fù)合減水劑減水效果顯著，這是因?yàn)楫?dāng)加入復(fù)合減水劑后，減水劑中的大量具有表面活性的聚合陰離子在粘土顆粒的邊-面上發(fā)生吸附或鍵合。中和粘土顆粒的正電荷或增大負(fù)電性，使其與減水劑中水化能力較強(qiáng)的Na+構(gòu)成擴(kuò)散雙電層，從而有效地增加了膠體的穩(wěn)定性，降低了泥漿粘度，同時(shí)“卡片結(jié)構(gòu)”的破壞，顆粒充分分散，粘土顆粒外圍吸附水化膜增厚，多余的自由水被釋放出來(lái)[5]。故可減少研磨時(shí)的加水量，而且良好的水化膜使粘土顆粒間增加了流動(dòng)性，因此，復(fù)合減水劑減水效果顯著。

表5　五水偏硅酸鈉-三聚磷酸鈉-腐植酸鈉對(duì)泥漿性能的影響Tab.5 The effect of sodium metasilicate pentahydrate-sodium tripolyphosphate-humic acid sodium salt on the performance of the slurry

3　結(jié) 論

(1)加入減水劑后該配方土的球磨時(shí)間從12 min縮短到8 min，減水劑可以增加球磨效率，減少生產(chǎn)能耗。

(2)單一的五水偏硅酸鈉、腐殖酸鈉、三聚磷酸鈉減水劑加入到該配方土中泥漿流動(dòng)性提高，但效果不顯著。

(3)五水偏硅酸鈉與腐植酸鈉按照0.3%和0.1%比例復(fù)合加入到該配方土中泥漿含水率約33.3%，流速為34s，比重為1.713 g/cm3，觸變性為1.029。

(4)三聚磷酸鈉與五水偏硅酸鈉兩種減水劑復(fù)配，加入量分別為0.15%和0.5%時(shí)泥漿含水率為33.3%，流速為52 s，比重為1.713 g/cm3，觸變性為1.019。

(5)五水偏硅酸鈉，三聚磷酸鈉與腐殖酸鈉三種減水劑復(fù)配，加入量分別為0.3%、0.1%與0.2%時(shí)泥漿含水率約31.7%，流速為44s，比重為1.727 g/cm3，觸變性為1.023。

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通信聯(lián)系人：胡飛(1978-)，女，博士，教授。

Received date: 2014-07-10. Revised date: 2014-08-25.

Correspondent author:HU Fei(1978-), female, Doc., Professor.

The Improved Performance of a Building Ceramic Slurry by Commercial Ceramic Deflocculates

ZOU Yuanzhuang1,2, LI Xiaohong1,2, HU Fei1,2, XIONG Wei1, FU Mengqian2,YU Hao2
(1. The National Engineering Research Center for Domestic and Building Ceramics, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Abstract:The dispersive effect of commercial ceramic deflocculates and their mixtures, such as sodium metasilicate pentahydrate, sodium tripolyphosphate, humic acid sodium salt, on a building ceramic slurry has been evaluated through the observation of the slurry’s fluidity, density, water content, zeta potential, and thixotropy. It has been shown that a single deflocculate has inadequate dispersive effect on the building ceramic slurry, but their mixture could improve their performance and make the slurry meet the industrial requirements. With the addition of 0.3% sodium metasilicate pentahydrate and 0.1% humic acid sodium salt, the flow rate is 34 s, and the thixotropy is 1.029. When 0.5% sodium metasilicate pentahydrate and 0.15% sodium tripolyphosphate have been added, the flow rate reaches 52 s, and the thixotropy is 1.019. When 0.1% sodium tripolyphosphate, 0.3% sodium metasilicate pentahydrate and 0.2% humic acid sodium salt have been added, the flow rate is 44 s, and the thixotropy is 1.023.

Key words:building ceramics; deflocculant; combined addition; slurry performance

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ174.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-2278(2015)01-0052-06

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.012

收稿日期：2014-07-10。

修訂日期：2014-08-25。

基金項(xiàng)目：江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃(編號(hào)：KJLD13074)。