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粤阳化工

陶瓷坯体增强剂的增强机理与发展方向

浏览:426 发表时间:2016-03-19 14:00:00

一.前言

在目前的陶瓷生产中,因为生坯强度不足造成缺边掉角的现象较为严重,降低了成品率。坯料的制备是一个非常重要的环节,它直接影响到后续的成形、修坯、施釉、运输及烧成等工序,而坯体的干燥强度则是一个重要指标,它对产品的成品率及质量有重要的影响。受当地原料的限制,我国很多工厂特别是南方的墙地砖生产工厂的坯料中粘土的可塑性较差,同时由于受工艺限制,坯体干燥强度较差,即使增加成型压力也很难达到要求。在生产中加入坯体增强剂是解决上述问题的有效途径,尤其是国外先进的陶瓷生产厂家,生产过程中普遍使用坯体增强剂。近年来,我公司与相关学府研制了坯体增强剂YYN型号,并逐步形成了规模生产。本文对陶瓷坯体增强剂的增强机理、研究和应用状况及发展趋势进行归纳总结。

 

二.坯体增强剂及其增强机理

 2.1坯体增强剂及其分类

坯体增强剂是指用于增强、增塑陶瓷坯体的物料。增强剂一般为有机高分子聚合物,加入后对陶瓷生产工艺各环节无不良影响,并具有良好的烧成特征。常见的坯体增强剂有变性淀粉、甲基纤维素、聚乙烯醇及丙烯酸聚合物、海藻酸钠、糊精、栲胶等。市面上商品坯体增强剂有粉体和液体两种,前者易于包装运输但易吸潮结团,后者则易于在陶瓷浆料中分散,使用更为方便,并能对浆料起到悬浮稳定作用,即使加入量高达5%也不会使料浆稠化,而且不影响浆料的流动性。

 2.2坯体增强剂的增强机理

坯体增强剂的增强机理大致可概括为有机高分子链增强、氢键增强、粘合增强、静电力增强和纤维增韧。

 2.2.1有机高分子链增强

在没有增强剂时,陶瓷坯体颗粒之间的结合是依靠范德华力,在加入了坯体增强剂之后,陶瓷坯体颗粒之间的结合机制则取决于增强剂分子的结构。对于有机高分子类的增强剂,具有足够链长的高分子聚合物可以在陶瓷颗粒之间架桥,产生交联作用而形成不规则网状结构,并形成凝聚,将陶瓷颗粒紧紧包裹,如图1所示。坯体断裂前,施加于坯体上的一部分载荷由增强剂分子长链承担,而且由于其分子链中具有许多可以内旋转的单键驯,这种内旋转的单键使得高分子链具有较强的柔性和弹性,因而能增加坯体强度。

2.2.2氢键增强

在坯体阶段,陶瓷颗粒之间还存在少量水分,故颗粒之间还有毛细管力。毛细管力的存在使得颗粒扩散层产生张紧力,从而将颗粒拉近。当成形压力越大,颗粒之间的距离越近,毛细管力越大,则颗粒结合力越强,坯体强度越大。增强剂存在时,除了上述的范德华力和毛细管力作用之外由于颗粒表面被高分子材料包裹,还会使颗粒之间借助于高分子而产生氢键作用,因而大大增加了坯体强度,如图2所示。氢键作用强弱取决于增强剂的分子链表面电荷密度,电荷密度越大,作用力越强。

  2.2.3粘合增强

分子的热运动增加,使包裹在一个颗粒表面的高分子与包裹在另一个颗粒外表面的高分子缠绕或链合,把两个颗粒更加紧密的粘合在一起。从而在生坯成型时,既有外部对泥料的施加压力,形成颗粒间的机械结合,又有泥料内部的高分子粘合效应,形成三维网状体型结构,最终使经过处理后的生坯强度提高。

2.2.4静电力增强

粘土颗粒往往形成片状结构,从结晶学和硅酸盐理论观点可知,板面常带负电,四周棱边常带正电,由于片状厚度很薄,粒度的磨细往往是板面面积的减少,棱边变化不大,颗粒成多棱角状负电荷作用减弱,相对的止电荷作用增强。在压型过程中,颗粒以边.棱连接为主导,而边.边、棱一棱连接很少,因而带负电荷的边与带正电荷棱由于静电引力作用而相互凝聚起来,随着压型力增加,颗粒问空隙减少,颗粒间距进一步缩小,颗粒接触数目逐渐增多,静电引力再度增加,从而使坯体具有一定的强度。

2.2.5纤维增韧

SiC纤维具有高强度模量,高温耐氧化性能,且高温下强度、模量损失又少的特点。Brennar等用连续微晶SiC纤维来补强玻璃陶瓷,与单一玻璃陶瓷相比,强度提高了4倍。Rice也有研究报道,用SiC纤维补强Zn02时强度可达450Mpa。

 

三.坯体增强剂在陶瓷制备过程中的研究和应用状况

3.1使用坯体增强剂前需考虑的问题

3.1.1坯体增强剂的选择

陶瓷坯体增强剂的正确选择和使用是提高陶瓷产品质量的关键之一。如果坯体增强剂选择不当就会导致泥浆的流动性的降低,泥浆触变性变大。因此,在选择坯体增强剂时必须要做到以下步骤:①首先对现有增强剂的种类、性能和使用方法有一个基本的了解;②其次对要制造的陶瓷坯料也有个基本的了解:③要进行反复实验,测出增强剂加入量和干燥强度的关系曲线,要多选择几种增强剂进行试验、比较,而且尽量采用多功能型代替单一型以互相补充;④既要考虑增强效果,也要考虑经济性。最好使用普适性强、效果好和经济型增强剂。

3.1.2坯体增强剂的用量

大量实践证明,坯体增强剂存在一个最佳用量的问题,并不是增强剂用的越多增强效果就越好。随着增强剂的加入量增加,坯体的干燥强度逐渐增大,但当超过一定量后,其增强效果逐渐趋于平稳甚至下降。其主要原因是当所加入的增强剂过量时,颗粒表面完全给增强剂分子包裹,而且包裹层较厚,颗粒之间的距离将会大大加大,反而降低了颗粒问的毛细管力,从而使强度增加趋于平缓甚至略有下降。

3.2坯体增强剂的应用

3.2.1现状

目前,国外发达国家这方面的研究已经有了较大的进展,如德国司马公司和意大利帝国公司生产的增强剂,其增强效果明显优于其它同类产品。而我国在这方面的研究落后于其他先进国家。如国内某厂在压制300x300mm瓷砖时,使用了坯体增强剂,当加入量为0.3%时,生坯强度提高到O.98mpa,高于没有使用增强剂时,采用1500t压机的压坯强度。而有些国家要求陶瓷生坯强度超过2.2mpa。近年来,我国在增强剂方面等研究开发力度明显增强。周志烽报道了广州粤阳化工有限公司(http//:www.gzyyhg.com)一种增强剂YYN已经投入生产3年,并广泛使用于华南片区陶瓷厂,该增强剂属于水溶性的复合有机盐和非水溶性无机结合的新型陶瓷坯体增强剂,它是在参照国外先进技术的基础上,针对我国的具体情况,利用国产资源生产的一种新型陶瓷添加剂。该种坯体增强剂对陶瓷墙地砖、卫生陶瓷、日用陶瓷以及特种陶瓷坯体有显著的增强效果。与进口同类产品相比,使用性能毫不逊色,与其它如本素磺酸钙、淀粉、CMC和腐植酸钠等增强剂相比,具有更高的性射价格比。

3.2.2应用状况举例

(1)YYN-1型陶瓷坯体增强剂

该增强剂主要适用于特种陶瓷(氧化物,氮化物和碳化物等)、耐火材料、涂料以及水泥等。其特点是分散性好,粘合强度高,不发霉变质,同时不含金属杂质。因此其使用性能优于羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙烯醇(PVA)和变性淀粉等。当温度高于400℃时则烧失有机物、无机物继续留在坯体里面组成稳定架构,不影响烧成产品的性能。如加入量一般为0.2%,可使坯体强度提高30~200%。

(2)YYN-2型陶瓷坯体增强剂

该增强剂具有广泛的适用性,可用于陶瓷墙地砖,卫生洁具,日用陶瓷,美术陶瓷,釉料,特种陶瓷和耐火材料等。当加入量为0.05~0.15%,可使坯体强度提高30—60%,有效的减少坯体的破损率,提高产品质量。增强剂加入后对浆料性能一般没有不良影响,并可提高坯料可塑性以及浆料的悬浮稳定性。当温度高于400℃时有机物完全烧失,不影响产品的性能.由于良好的烧失特性,特别适用于快速烧成陶瓷墙地砖。

(3)YYN-3型陶瓷坯体增强剂“”

该增强剂主要适用于压制成型陶瓷墙地砖和耐火材料,当加入量为0.3~1.0%时,可提高墙地砖或耐火材料的干坯强度30一100%。另外,还可提高坯料的可塑性,增加浆料的悬浮稳定性,浆料可长期存放不变质,与其它物料一起研磨时可提高研磨效率10—30%,经喷舞干燥造粒后,粉料流动性提高。使用增强剂后,还可减少配方中可塑粘土的用量,降低烧成温度。

(4)聚乙烯醇聚乙烯醇,简称PVA,属高分子化合物,外观为白色粉末絮状,可溶于水,乙醇,乙二醇,甘油等有机溶剂内,具有粘性及弹性,使用时,一般需要加热到80℃左右。不过如果在坯料中含有较多CaO,ZnO,BaO,MgO及硼酸盐,磷酸时,PVA将难以发挥增塑作用。另外,由于有效作用时间短,有可能烧后会或多或少留有残灰或气孔,影响瓷料电性能和力学性能,需要引起注意。

(5)腐植酸钠腐植酸钠俗称胡敏酸钠,属腐植酸的钠盐。其外观呈胶状或黑色粉末状,一般采用泥炭,褐煤或某些土壤与烧碱溶液作用而制成的,腐植酸钠在陶瓷坯料中主要作用是增加泥料的可塑性,泥浆流动性,悬浮性,并可增加坯体的干燥强度,增加釉的附着力和釉的干燥速度,减少釉面气孔和釉坯开裂,此外,腐植酸钠对于石膏模具也有显著的增强,增韧作用,提高石膏的使用寿命。腐植酸钠在坯料中的用量一般为1—3%,在釉中的用量一般为0.1~0.5%,同时坯釉中应减少磨水量。

 

四. 发展趋势

4.1变废为宝

近十年来,全球大力提倡变废为宝。现阶段研究人员已经发现纸浆废液可以增强成形坯体的强度,且对坯体烧成过程无不利影响。但它对陶瓷坯料的生产有一定影响。因此利用纸浆废液作为增强剂的生产技术还需要进行进一步的研究。

4 .2向复合材料方向发展

陶瓷基复合材料是20世纪80年代逐渐发展起来的新型材料。由于它具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数低等特点,在陶瓷生产中的应用越来越广泛,特别是坯体增强剂的生产。但是由于其研究的历史较短,加之其所涉及的学科领域和专业知识面很广,有许多理论问题和工艺问题尚需深入研究,到目前为止远没有理想的陶瓷坯体增强剂产生。复合坯体增强剂不但能够满足生产需要,还能够大幅度的提高效益,因此在这方面进行研究是有必要的。

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