新型坯體增強(qiáng)劑的應(yīng)用

歐贊彬　　毛元信

摘 要：本文主要研究了新型坯體增強(qiáng)劑的應(yīng)用及其作用機(jī)理，并橫向?qū)Ρ攘耸忻嫔嫌写硇缘呐黧w添加劑。實(shí)踐證明，新型合成的添加劑可以有針對(duì)性解決陶瓷生產(chǎn)中的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：新型；坯體增強(qiáng)劑；墻地磚；應(yīng)用

1 前言

近年來(lái)，由于原料、人力成本的不斷上漲，以及環(huán)保要求的不斷提高，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法生產(chǎn)墻地磚的利潤(rùn)率下降，企業(yè)的生存壓力驟增。如果把墻地磚做薄，不僅可以使原料、能源和排放等大幅度降低，而且還會(huì)使建筑負(fù)荷降低。因此，大規(guī)格超薄磚的研究開(kāi)發(fā)對(duì)建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。然而，大規(guī)格超薄瓷質(zhì)磚因其面積大、厚度薄等原因使得在加工與使用過(guò)程中還存在不少的技術(shù)難題。相對(duì)于傳統(tǒng)的厚磚而言，新型的薄磚在生坯強(qiáng)度上必然更低，所以新型的坯體增強(qiáng)劑的使用對(duì)于制造大規(guī)模的超薄磚具有有力的推動(dòng)作用。

2 一般坯體開(kāi)裂原因

陶瓷坯體開(kāi)裂一般在兩個(gè)階段容易產(chǎn)生，一是在壓機(jī)成型時(shí)；二是在坯體干燥中。在壓機(jī)成型模壓成型過(guò)程中，粉體填進(jìn)陰模型腔后，在壓力的作用下，粉末顆粒之間發(fā)生位移，填充孔隙，被迅速壓實(shí)，坯體的密度也迅速增加。當(dāng)瘠性原料經(jīng)初步壓制基本密實(shí)后，因粘結(jié)劑的粘合作用和粉體顆粒之間的嚙合作用使得原本分散的粉末結(jié)合成一個(gè)完整的生坯整體。如果造粒粉受壓后，不能很好地傳遞壓力和流動(dòng)，而是在受壓表面處很快被壓縮致密，則其封閉了坯體內(nèi)部的排氣通道，使內(nèi)部氣體很難排出。并且隨著施加壓力的升高，內(nèi)部氣壓也隨之升高。在坯體被推出模腔后，因失去了外壓力，內(nèi)部高氣壓就釋放，當(dāng)坯體顆粒間的結(jié)合力不足以抵抗氣體的壓力時(shí)，即造成了坯體的開(kāi)裂。開(kāi)裂現(xiàn)象嚴(yán)重的坯體，剛出模腔就會(huì)開(kāi)裂。這就要求造粒粉顆粒在模腔中初受壓的前期，不應(yīng)很快破碎。它應(yīng)保持一定的強(qiáng)度，能夠在壓力的驅(qū)動(dòng)下，由密度高的地方向密度低的地方流動(dòng)，使顆粒間保持一定的排氣間隙。到一定程度，它就會(huì)產(chǎn)生破碎。

坯體干燥開(kāi)裂的原因?yàn)椋号黧w在干操過(guò)程中，隨著水分的排出，坯體不斷發(fā)生收縮，如坯體干燥過(guò)快或不均勻，坯體內(nèi)外層或各部位收縮不一致而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于塑性狀態(tài)坯體的屈服值時(shí)，就能使坯體發(fā)生變形。當(dāng)內(nèi)引力超過(guò)塑性狀態(tài)坯體的破裂點(diǎn)或超過(guò)彈性狀態(tài)坯體的強(qiáng)度時(shí)，坯體就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。

3 增強(qiáng)劑的增強(qiáng)機(jī)理

3.1 有機(jī)高分子鏈增強(qiáng)

可用作坯體增強(qiáng)的有機(jī)物都是高分子。一般由有機(jī)小分子通過(guò)一定條件下聚合而成，一般具有鏈狀結(jié)構(gòu)。具有足夠鏈長(zhǎng)的高分子聚合物可在陶瓷顆粒之間橋接，產(chǎn)生交聯(lián)作用而形成不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并形成凝聚，將陶瓷顆粒緊緊包裹。在坯體斷裂前，附加于坯體上的一部分載荷由增強(qiáng)劑分子長(zhǎng)鏈承擔(dān)。同時(shí)分子鏈中具有許多可以?xún)?nèi)旋轉(zhuǎn)的單鍵，這種內(nèi)旋轉(zhuǎn)的單鍵使得高分子具有較強(qiáng)的柔性和彈性，因而坯體的強(qiáng)度增加較大。

3.2 氫鍵增強(qiáng)

在不加增強(qiáng)劑的情況下，陶瓷顆粒僅僅依靠范德華力（分子間作用力）結(jié)合。 增強(qiáng)劑的加入使顆粒表面被高分子材料包裹（包裹程度視增強(qiáng)劑加入量不同而異）。同時(shí)，增強(qiáng)劑上的支鏈上的極性基團(tuán)會(huì)產(chǎn)生比范德華力大得多的氫鍵力，使陶瓷顆粒間吸引力更大，結(jié)構(gòu)更緊密。從而磚坯的強(qiáng)度相應(yīng)變大。

3.3 粘合強(qiáng)度

分子的熱運(yùn)動(dòng)增加，使包裹在一個(gè)顆粒表面的高分子與包裹在另一個(gè)顆粒外表面的高分子纏繞或者鏈合，把兩個(gè)顆粒更加緊密地粘合在一起。從而在生坯成形時(shí)，既有外部對(duì)泥料的施加壓力，形成顆粒間的機(jī)械結(jié)合，又有泥料內(nèi)部的高分子粘合效應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)，最終使經(jīng)過(guò)處理的生坯強(qiáng)度提高。

3.4 靜電力

土顆粒往往形成片狀結(jié)構(gòu)，板面帶負(fù)電，四棱邊常帶正電，由于片狀很薄，粒度的磨細(xì)往往使板面面積減少，棱邊變化不大，顆粒成多棱角狀，負(fù)電荷作用減弱，相對(duì)的正電荷作用增強(qiáng)。在成形過(guò)程中，顆粒以面—棱連接為主導(dǎo)，而邊—邊、棱—棱連接很少。因而帶負(fù)電荷的面與帶正電荷的邊，由于靜電引力作用而相互凝聚起來(lái)，隨著成形壓力增加，顆粒間空隙減少，顆粒間距離進(jìn)一步縮小，顆粒接觸數(shù)目增多，靜電引力再度增加，從而使坯體具有一定的強(qiáng)度。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

4.1 試劑及原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料及產(chǎn)地為羥甲基纖維素鈉（CMC）——山東任丘、膨潤(rùn)土——河北靈壽、聚丙烯酸鈉（PAAS）——廣東江門(mén)、聚乙烯醇（PVA）——中石化、VDT-1——佛山遠(yuǎn)大、（LC-2、T-20）——上海、某陶瓷公司提供坯體泥漿料。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

將某陶瓷公司提供的坯體泥漿料置臥式球磨機(jī)內(nèi)球磨8 h，放漿待用。將球磨好的坯體泥漿加入配比稱(chēng)量的增強(qiáng)劑，球磨3 min，并作空白實(shí)驗(yàn)。放漿干燥至水分達(dá)到7.5%，造粒、壓磚，置于200 ℃烘4 h。然后在PSK電動(dòng)坯料抗折試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

不同增強(qiáng)劑對(duì)干坯強(qiáng)度的影響如表1所示。

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，高分子類(lèi)有機(jī)增強(qiáng)劑效果與無(wú)機(jī)類(lèi)的膨潤(rùn)土相比，增強(qiáng)效果明顯。同時(shí)，膨潤(rùn)土屬于高塑性的泥料，加入量升高，對(duì)坯料配方設(shè)計(jì)存在影響，會(huì)對(duì)燒成溫度造成影響。有機(jī)類(lèi)的增強(qiáng)劑在加入坯體內(nèi)燒成后一般不會(huì)有殘留，對(duì)坯體的設(shè)計(jì)不會(huì)存在影響。故有機(jī)類(lèi)的添加劑會(huì)是生產(chǎn)中的首選。

在增強(qiáng)效果上，合成的聚乙烯醇和聚丙烯酸鈉效果比現(xiàn)在大規(guī)模使用的甲基要好，但存在加入后流速大，觸變較大的問(wèn)題，是由于前二者的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)更緊密，支鏈端的極性基團(tuán)更多，電荷更密集，使其產(chǎn)生較強(qiáng)的氫鍵，吸水性更強(qiáng)，在泥漿中容易吸水，坯體顆粒粘附于溶脹的分子鏈中。使泥漿難以流動(dòng)。而甲基其固有的纖維素結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其比較同意發(fā)生腐敗變質(zhì)，在陳腐的過(guò)程中不斷衰減，失去原有的作用。

現(xiàn)在新型的坯體增強(qiáng)劑相對(duì)于傳統(tǒng)的增強(qiáng)劑具有一定的解膠效能，并不會(huì)對(duì)泥漿的流動(dòng)性產(chǎn)生較大的影響。T-20和VDT-1都只是輕微的增加了泥漿的流速，通過(guò)合理的配比，增加減水劑的用量，完全可以達(dá)到生產(chǎn)的要求，同時(shí)新型的增強(qiáng)劑在增強(qiáng)效果上有明顯的優(yōu)勢(shì)。VDT-1為新研發(fā)的坯體添加劑，是用羥基纖維素與丙烯酸酯的功能性單體共聚合成，其丙烯酸和纖維素支鏈可以通過(guò)橋聯(lián)，氫鍵力等形成一定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其丙烯酸酯的功能性基團(tuán)形成靜電空間穩(wěn)定機(jī)制，達(dá)到穩(wěn)定分散作用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述的分析，單一類(lèi)的坯體增強(qiáng)劑會(huì)存在一定的缺陷，如：泥漿黏度增大，容易發(fā)生觸變。而通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型增強(qiáng)劑有一定的針對(duì)性，可很好地解決黏度、觸變和強(qiáng)度之間的平衡。新型的高分子增強(qiáng)劑可以很好取代傳統(tǒng)的單一型增強(qiáng)劑，同時(shí)，在企業(yè)研發(fā)大規(guī)模超薄磚中提供了一個(gè)思路。