市售陶瓷减水剂的复配对建筑陶瓷泥浆性能的影响

邹苑庄，李小红，胡 飞,，熊 伟，付梦乾，余 浩

(1.国家日用及建筑陶瓷工程技术研究中心，江西 景德镇 333001；2.景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403)

市售陶瓷减水剂的复配对建筑陶瓷泥浆性能的影响

邹苑庄2，李小红1，胡 飞1,2，熊 伟1，付梦乾2，余 浩2

(1.国家日用及建筑陶瓷工程技术研究中心，江西 景德镇 333001；2.景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403)

摘 要：以某建筑陶瓷配方料为研究对象，加入市售陶瓷减水剂五水偏硅酸钠、三聚磷酸钠以及低分子有机陶瓷减水剂腐植酸钠，并对所述陶瓷减水剂进行复配，通过对泥浆的流动性、比重、含水率、ζ电位、及触变性的测定，评价陶瓷减水剂及其复配对陶瓷配方土的减水效果。研究发现，单一陶瓷减水剂五水偏硅酸钠、三聚磷酸钠、腐植酸钠加入陶瓷配方土后，泥浆的性能不佳。但复配后的陶瓷减水剂可以使泥浆的性能提高，达到建筑陶瓷生产需求。当0.3%五水偏硅酸钠和0.1%腐植酸钠复配时，流速为34 s，触变性为1.029；当0.5%五水偏硅酸钠和0.15%的三聚磷酸钠复配时，流速为52 s，触变性为1.019；当0.1%三聚磷酸钠，0.3%五水偏硅酸钠和0.2%腐植酸钠复配时，流速达到44s，触变性为1.023。

关键词：建筑陶瓷；减水剂；复合添加；泥浆性能

E-mail:mfhufei@126.com

0　引 言

陶瓷减水剂(又称分散剂、稀释剂、解凝剂)作为陶瓷生产中应用广泛的一类添加剂，一直受到国内外行业的重视。陶瓷减水剂的作用是通过静电作用和空间位阻作用，改善坯料的流动性，使其在水分含量减少的情况下，黏度适当，流动性好，防止生坯干燥时收缩和变型开裂，减少生坯破损率，提高产品的质量；同时，还能减少生坯的干燥时间，降低干燥能耗，降低生产成本[1]。目前，陶瓷工业中一般使用喷雾干燥的方法制造粉料，入塔时泥浆平均含水率约为 33%-38%，粉料产品离塔时平均含水率约为7%。水分在泥浆制造过程中主要具有使物料粒子均匀分散、溶解电解质、使泥浆有流动性等作用[2]。 陶瓷产业的高能耗主要体现在排水过程，而其总能耗的80%以上用于干燥和烧成[3]。 因此，泥浆中的水分应在满足工艺要求的前提下越少越好。

陶瓷减水剂分为有机减水剂，无机减水剂，聚合减水剂和复合减水剂。目前，我国建筑陶瓷生产行业中普遍使用的是无机陶瓷减水剂和有机低分子陶瓷减水剂及其复合减水剂。因此本文研究了市售陶瓷减水剂偏硅酸钠、三聚磷酸钠、腐植酸钠及其复合减水剂对某建陶厂生产所用泥浆性能的影响，确定适用于该配方土的减水剂配方。

1　实验内容

试验所用陶瓷配方土由某建筑陶瓷厂提供，陶瓷所需减水剂为工业用陶瓷减水剂，有五水偏硅酸钠、腐植酸钠、三聚磷酸钠。实验取200 g配方土，加入水及减水剂，用快速磨球磨8-12 min，球磨之后的泥浆在涂式杯中测定其流速，评价其流动性能；然后将泥浆倒入比重杯中称量泥浆比重。并用宏观电泳仪测量泥浆的ζ电位，电压设置200 V，通过以下公式计算泥浆电动电位：

其中，V为电压，D为水的介电常数，η为水的粘度，t为泥浆的温度，l 为导管长，S=h/m。

表1　未加陶瓷减水剂时泥浆-水系统性能Tab.1 The performance of the slurry - water system without the addition of deflocculants

表2　五水偏硅酸钠对泥浆性能的影响Tab.2 The effect of sodium metasilicate pentahydrate on the performance of the slurry

2　实验数据及分析

粘土晶粒表面上氧与氢氧基可以与靠近表面的水分子通过氢氧键而键合。粘土表面负电荷在粘土附近存在一个静电场，使极性水分子定向排列，粘土表面吸附着水化阳离子。由于以上原因使粘土表面吸附着一层定向排列的水分子，极性分子依次重叠，直至水分子的热运动足以克服上述引力作用时，水分子逐渐过渡到不规则排列，从而使粘土粒子与阳离子水分构成粘土胶团[12]。

(1)泥浆-水系统性能测定

不加陶瓷减水剂时，自由水易吸附于粘土颗粒，泥浆容易团聚，需大量水稀释才能使浆料具有流动性。表1为泥浆-水系统的流速、比重、及含水量。

由表1可以看到，当水的添加量为180 g时，泥浆的流速大于100s，比重为1.477 g/cm3，含水量约为47.4%。含水率过高，不符合工业生产要求。我们还发现，不加陶瓷减水剂时，球磨8 min的泥浆中有直径约5 mm的大颗粒，球磨12 min后才可达到使用要求，说明未加减水剂时，球磨效率较差。

(2)陶瓷减水剂五水偏硅酸钠对泥浆性能的影响

在200 g配方料中添加100 g水，分别加0.25%-1%的五水偏硅酸钠，测量其流速、比重、以及ζ电位，并计算其触变性。

从表2可以看到，添加了五水偏硅酸钠的泥浆，其比重比未加减水剂的泥浆显著增加。一般认为，五水偏硅酸钠可以引入Na+离子，泥浆吸附Na+离子后其水化膜厚度增加，增强了胶粒之间的静电效应和空间位阻效应[11]。ζ电位表明的是颗粒间的静电效应，其绝对值越大，泥浆的流动性较好。泥浆ζ电位的测试数据与流速的实验数据的趋势相吻合，说明，五水偏硅酸钠对于泥浆颗粒的分散作用主要是由于静电效应对胶粒的分散。加入了0.25%的五水偏硅酸钠的泥浆流动性不理想。这可能是因为引入的Na+离子太少，只有少部分双电层增厚不足以提高泥浆的流动性。当将其量提升至0.5%，流速提高至82s。当五水偏硅酸钠的含量增加至0.75%及1%，泥浆流速下降。这有可能是因为当五水偏硅酸钠加入量过大，引入的Na+离子过多，使得离子扩散困难，甚至有可能把扩散层的离子压缩至吸附层[4]，双电层厚度变小使胶粒凝聚，从而影响了流动性。

图1　流速与ζ电位比较图Fig.1 The results of the flow velocity and ζ potential

图2　流速与ζ电位比较图Fig.2 The results of the flow velocity and ζ potential

表3　五水偏硅酸钠-腐植酸钠对泥浆性能的影响Tab.3 The effect of sodium metasilicate pentahydrate-humic acid sodium salt on the performance of the slurry

(3)腐殖酸钠对泥浆性能的影响

实验取200 g配方料100 g水加入腐殖酸钠，发现泥浆滞留，无法测其流速、比重、ζ电位。本实验从加入0.1%到1%的腐植酸钠泥浆都没有流动性。这说明单一的腐殖酸钠对泥浆的流动性没有显著提高。

(4)三聚磷酸钠对泥浆性能的影响

实验取200 g配方料100 g水加入加入0.1%到1%的三聚磷酸钠，泥浆均没有流动性，出现滞留的现象。这也说明单一的三聚磷酸钠对泥浆的流动性没有显著提高。

(5)五水偏硅酸钠和腐殖酸钠二元复配稀释剂

实验取200 g配方料100 g水分别加入一定量的五水偏硅酸钠和腐植酸钠，测量其流速、比重、ζ电位。

对比表2和表3，可以看到五水偏硅酸钠和腐殖酸钠复配后的泥浆流动性有明显改善，这是因为一方面腐殖酸钠与偏硅酸钠加入泥浆后，偏硅酸钠水解为腐殖酸钠提供了更多的OH-离子使腐殖酸钠的负电基团增多，亲水性增强，另一方面偏硅酸根在腐殖酸存在下缩聚为多硅酸根，使其具有与粘土颗粒相似的外形结构，容易被吸附[6]。表3中还可以看到，腐植酸含量为0.1%时，逐步减少五水偏硅酸钠的用量，泥浆流速增加，这可能是由于Na+含量过多而导致双电层的挤压。当偏硅酸钠含量降至0.2%时，为平衡钠离子的含量提高腐殖酸钠的用量至0.2%，其流速略有增加。ζ电位的实验结果与流速的对比图可以看到，随着钠离子含量的降低，ζ电位逐渐降低并趋于平缓，表明随钠离子含量的降低静电效应逐渐显著，这也同时说明了图1中钠离子含量过多或过少，都不利于静电效应对泥浆的影响作用。随着五水偏硅酸钠与腐殖酸钠复配比例的逐渐优化，泥浆的流速逐渐降低，说明低分子腐植酸钠与偏硅酸钠的复配，不仅仅是静电作用的影响，可能会通过吸附作用或空间位阻作用，提高泥浆的性能。

表4　三聚磷酸钠-五水偏硅酸钠对泥浆性能的影响Tab.4 The effect of sodium tripolyphosphate-humic acid sodium salt on the performance of the slurry

图3　流速与ζ电位比较图Fig.3 The results of the flow velocity and ζ potential

图4　流速与ζ电位比较图Fig.4 The results of the flow velocity and ζ potential

(6)五水偏硅酸钠和三聚磷酸钠二元复配稀释剂

实验取200 g配方料100 g水分别加入一定量的五水偏硅酸钠和三聚磷酸钠，测量其流速、比重、ζ电位。但由于三聚磷酸钠价格较贵，工业生产中加入量一般不超过0.3%。

在本组实验中，固定偏硅酸钠的含量为0.5%，逐步提高三聚磷酸钠的含量，发现泥浆的流动性增加，从ζ电位与流速对比图中看到随着三聚磷酸钠用量的增加ζ电位稳步增加，这可能是因为三聚磷酸钠作为电解质加入浆料增强了静电作用且其中的磷酸根离子能同泥浆中的Ca2+、Mg2+生成难溶物，促进Na+的交换作用，增强的静电效应[7]。经计算，在质量相等的情况下，三聚磷酸钠中Na+离子的摩尔含量是五水偏硅酸钠的1.44倍，而钠离子用量过多会降低泥浆的流动性。同时考虑到三聚磷酸钠的价格成本。因此我们设定三聚磷酸钠为0.10%时，逐步减少五水偏硅酸钠的含量为0.40%和0.30%，发现随着钠离子含量的降低，有利于静电效应的增加。在价格成本降低的情况下，可以保持流速为52 s。

(7)五水偏硅酸钠-三聚磷酸钠-腐殖酸钠三元复配稀释剂

由于前期的实验已经达到了建筑陶瓷厂的泥浆操作要求，为了达到更好的减水效果，我们再取200 g配方料和95 g水，分别加入一定量的五水偏硅酸钠，三聚磷酸钠和腐植酸钠三元复配稀释剂，测定泥浆比重提高之后稀释剂对于泥浆性能的影响。其中，由上述数据可知，对于泥浆的减水效果最好的范围是：五水偏硅酸钠的含量为0.3-0.5%，腐殖酸钠的含量为0.10-0.20%，三聚磷酸钠的含量为0.10-0.15%。控制三元复配稀释剂的比例，钠离子的含量，以及减水剂的价格成本，可以获得最佳三元复配稀释剂。

调整五水偏硅酸钠、三聚磷酸钠、腐殖酸钠的含量，发现增加三聚磷酸钠含量并且减少五水偏硅酸钠的含量有助于提高泥浆的流速。对比图4中ζ电位的数据，可以看到随着五水偏硅酸钠的减少，ζ电位逐渐降低，说明配方中钠离子含量过量。而三聚磷酸钠对泥浆流动性的增加在五水偏硅酸含量降低到0.3 g时发挥了作用。因此，钠离子含量与三聚磷酸钠的作用相互影响，又因为成本因素我们逐渐降低三聚磷酸钠的含量，并调整腐殖酸钠的含量，获得了流速44 s的泥浆。腐殖酸钠的增加不利于泥浆的减水，这可能是因为腐殖酸根之间会彼此粘合而提高了泥浆的相对粘度[8]。

将单一减水剂和复合减水剂实验数据对比得出复合减水剂减水效果显著，这是因为当加入复合减水剂后，减水剂中的大量具有表面活性的聚合阴离子在粘土颗粒的边-面上发生吸附或键合。中和粘土颗粒的正电荷或增大负电性，使其与减水剂中水化能力较强的Na+构成扩散双电层，从而有效地增加了胶体的稳定性，降低了泥浆粘度，同时“卡片结构”的破坏，颗粒充分分散，粘土颗粒外围吸附水化膜增厚，多余的自由水被释放出来[5]。故可减少研磨时的加水量，而且良好的水化膜使粘土颗粒间增加了流动性，因此，复合减水剂减水效果显著。

表5　五水偏硅酸钠-三聚磷酸钠-腐植酸钠对泥浆性能的影响Tab.5 The effect of sodium metasilicate pentahydrate-sodium tripolyphosphate-humic acid sodium salt on the performance of the slurry

3　结 论

(1)加入减水剂后该配方土的球磨时间从12 min缩短到8 min，减水剂可以增加球磨效率，减少生产能耗。

(2)单一的五水偏硅酸钠、腐殖酸钠、三聚磷酸钠减水剂加入到该配方土中泥浆流动性提高，但效果不显著。

(3)五水偏硅酸钠与腐植酸钠按照0.3%和0.1%比例复合加入到该配方土中泥浆含水率约33.3%，流速为34s，比重为1.713 g/cm3，触变性为1.029。

(4)三聚磷酸钠与五水偏硅酸钠两种减水剂复配，加入量分别为0.15%和0.5%时泥浆含水率为33.3%，流速为52 s，比重为1.713 g/cm3，触变性为1.019。

(5)五水偏硅酸钠，三聚磷酸钠与腐殖酸钠三种减水剂复配，加入量分别为0.3%、0.1%与0.2%时泥浆含水率约31.7%，流速为44s，比重为1.727 g/cm3，触变性为1.023。

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通信联系人：胡飞(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

中图分类号：TQ174.4

文献标志码：A

文章编号：1000-2278(2015)01-0052-06

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.012

收稿日期：2014-07-10。

修订日期：2014-08-25。

基金项目：江西省高等学校科技落地计划(编号：KJLD13074)。