新型陶瓷坯体增强剂的应用研究

余爱民 夏昌奎 张 勇 赵 明 曾为民 樊叶利 郭程长 李德发

（杭州诺贝尔集团有限公司，浙江杭州311122）

0 引言

在陶瓷墙地砖生产中，为满足各工艺要求常需要加入不同的添加剂，虽然用量不大，但却起着重要的作用。其中，由于采用干压成型，随着产品规格的增大，对陶瓷砖坯体强度提出了更高要求。如果坯体强度不足，造成坯体在成形、输送、干燥、施釉等工艺过程中产生破损，破损率可达10％～20％，严重制约了生产效率和产品质量的提高。若要增加陶瓷坯体的强度，一是在坯体中提高塑性好的粘土含量，使坯体强度提高，但同时也增大了坯体的干燥收缩、烧成收缩以及提高了烧成温度等；二是在配方中加入适量的增强剂（增强剂又称临时性粘合剂）。增强剂多为有机高分子聚合物或溶液，主要是利用分子长链的交联作用，将陶瓷颗粒包围并连接起来，阻止颗粒在受力条件下产生位移，从而起到增强效果。使用增强剂后的陶瓷坯体在烧成过程中，当温度达到400～500℃时，增强剂碳化、烧失，留下少量灰分，对烧成制品的理化性能没有不良影响。

由于高分子类的增强剂分子量较大、结构链较长，在将泥浆中各种微细的原料颗粒聚集在一起时，也会形成网状结构包裹住泥浆中的自由水，使泥浆的流动性变差，加入越多，泥浆的流动性也越差。生产中为了解决上述问题只有在泥浆增加额外的水量，这样泥浆的比重降低，含水量增加，喷雾造粒的能耗也随之增加，因此需要加入解凝剂来降低泥浆的粘度，减少泥浆的含水率以降低喷雾塔造粒工序中干燥泥浆水分所消耗的燃料。目前陶瓷生产厂家所用的解凝剂主要为水玻璃和三聚磷酸钠，要求添加在配方中只能起降低放浆流速的作用而对坯体的强度无任何影响。

本文以自制的木质素衍生物类的坯体增强剂[1]为研究对象，研究了不同浓度、不同原料的增塑剂对泥浆流动性，生坯强度，以及烧成后瓷砖黑心现象的影响。

1 实验

1.1 增强剂

采用调控分子量、磺化度等工艺，自制了木质素基的增强剂。1#，2#，3#样品为自制增强剂，为微棕黄透明液体，其中1#和2#采用S－木质素为原料，固含量分别为30w t％和50w t％；3#以S＆G-木质素为原料，固含量50w t％。

1.2 性能测试

1.2.1 抗絮凝性能

取生产现场泥浆，化学组成见表1。加入自制增强剂溶液（添加量0.5w t％），使用50m l流速杯测试泥浆流速。

1.2.2 坯体强度增强性能

将泥浆置于搪瓷盘中于110℃烘箱中干燥，干燥后的泥块采用干法球磨，全部过30目筛；按6％比例喷水、造粒，再过20目筛，装袋、混合、陈腐，然后压制成型条形小试样，在德国产401-3型抗折强度仪上测试强度。强度的计算采用如下公式：Gf=3PL/2bh2。具体压制参数见表2。

1.2.3 烧成黑心现象

烧成温度为1177℃，环温为1088℃，烧成周期为65min，目测有无黑心现象。

表1 普通瓷质砖高温烧成产品配方化学组成（％）Tab.1 Chem ical com position of ordinary high-fired ceram ic tile

表2 压制试验参数Tab.2 Parameters for dry-pressing experiment

表3 不同浓度和原料的增强剂对肧体强度和抗絮凝的影响Tab.3 Effects of binders w ith different concentrations and prepared w ith different raw materials on green body strength and deflocculation

2 结果与讨论

2.1 浓度和原料对坯体强度和抗絮凝的影响

如表3所示，采用S-木质素为原料，随着增强剂含量的增加，生坯强度得到增强，30％浓度和50％浓度的样品分别由不加增强剂时的2.47MPa增加到2.68MPa和3.23MPa。

浆料的流动性在配料量为1300g条件下比较。虽然加入浓度30％的#1增强剂后，浆料的流速会变低，但是增强剂浓度增加到50％后，#2流速明显增加，说明自制增强剂在高浓度起到增强的同时可以起到抗絮凝的作用。这是由于木质素基的增塑剂分子量较大，具有较长的结构链，在坯体泥浆中加入后会在最后的瓷砖坯体压延成型中形成网状结构，从而显著增加其断裂强度[2]。同时，它电离出的特征离子吸附在原料颗粒表面，增强颗粒表面溶剂化膜，产生位阻效应，使泥浆颗粒之间的排斥力增加，将泥浆水化过程中形成的空间网状结构中的束缚水释放出来，从而增加泥浆的流动性。使它在增塑的同时起到抗絮凝的作用。

相同50％浓度下，2#和3#分别采用不同原料的木质素，比较发现3#增强作用不明显，但浆料流动性尚可，含水量最低。说明如果要同时达到增强和解凝的作用，需要对木质素原料进行严格的实验比对。

2.2 坯体增强效果的均一性

从图1同次实验中，9个样品的生坯强度测试结果看出，随使用浓度增加，自制增强剂增强效果越明显，且增强均一性越好。综合考虑原料处理后的使用成本，样品2＃，50％固含量的增强剂，0.5w t％添加量为比较合适的选择。

图1 同次实验九个样品空间的增强效果比对Fig.1 Strengthening effects on nine specimens in the same experiment

图2 三次实验九个样品增强效果平均比对Fig.2 Strengthenging effects on nine speciments in 3 experiments

从三次实验中（如图2），9个样品的生坯强度测试结果的平均值看出，自制增强剂#2样品增强效果稳定。

2.3 烧成后黑心现象

在1177℃，60min烧结后，所有样品均瓷化，无黑心现象。说明自制陶瓷增强剂中的碳会在陶瓷坯体烧成过程中碳化、烧失，留下少量灰分，对烧成制品的性能没有不良影响。

3结论

从整个实验可以看出，自制木质素衍生物基的增强剂引入到建筑陶瓷坯体配方中，不仅提高了坯体强度，而且具有一定的解凝效果，对泥浆流动性影响不大，减少了生产中的裂砖，对提高半成品成品率有很大裨益，对今后的陶瓷墙地砖的薄型化有一定帮助。但值得注意的是木质素是单体间以碳-碳键和醚键随机聚合的极其复杂的网状高分子，没有严格的固定结构，其中的活性基团在分离、提取时很容易造成结构的变化[2]，使用不同厂家的原料时，必须严格调控分子量、磺化度等工艺参数，保证产品质量稳定。

1蒋挺大，木质素.北京：化学工业出版社，2009