劉艷華

（北京國(guó)建聯(lián)信認(rèn)證中心 北京 100831）

1 概述

衛(wèi)生陶瓷主要采用注漿成形，利用模具材料的多孔性，通過(guò)自吸水或外給壓力，將泥漿中的水分排出，形成坯體，經(jīng)干燥、施釉后燒結(jié)而成。

衛(wèi)生陶瓷是勞動(dòng)密集型生產(chǎn)行業(yè)，尤其是成形工序，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，手工操作環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)效率低，還要求作業(yè)人員掌握一定的技巧并有相當(dāng)?shù)氖炀毘潭纫?。近年?lái)，為了招聘到熟練的注漿作業(yè)工人，企業(yè)不斷加大用工成本，人工工資已接近衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品制造成本的40%，且呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)?，F(xiàn)代衛(wèi)生陶瓷行業(yè)因?yàn)槭艿饺斯こ杀?、生產(chǎn)效率等因素的影響，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行新生產(chǎn)工藝的改革。低壓快排水連續(xù)注漿成形技術(shù)、高壓注漿成形技術(shù)、快速干燥技術(shù)、吊籃自動(dòng)輸送技術(shù)等新技術(shù)、新裝備得以推廣應(yīng)用。另外，從人力資源的結(jié)構(gòu)變化上看，新一代的用工來(lái)源已不能適應(yīng)傳統(tǒng)衛(wèi)生陶瓷成形作業(yè)的作坊式生產(chǎn)方式，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的作業(yè)，高溫、高濕作業(yè)環(huán)境不適應(yīng)，造成工人短缺，制約著衛(wèi)生陶瓷企業(yè)的發(fā)展。為了擺脫作坊式生產(chǎn)方式，以達(dá)到高效、無(wú)粉塵、作業(yè)環(huán)境舒適、勞動(dòng)強(qiáng)度低、用工要求低的低壓快排水連續(xù)注漿成形技術(shù)及高壓成形技術(shù)開(kāi)始引起了衛(wèi)生陶瓷行業(yè)的普遍重視。因此，陶瓷機(jī)械裝備在進(jìn)化到一定程度后，相應(yīng)的泥漿技術(shù)應(yīng)該如何進(jìn)化、進(jìn)化方向怎樣、又如何穩(wěn)妥地實(shí)現(xiàn)進(jìn)化，已成為衛(wèi)生陶瓷行業(yè)一個(gè)重要的研究課題。

2 泥漿的技術(shù)性能要求

在整個(gè)衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中，成形工序至關(guān)重要，因?yàn)樽{成形的敏感性及受多因素影響是所有成形方式中影響最大的。而泥漿的適用性又是衛(wèi)生陶瓷企業(yè)對(duì)成形作業(yè)最為關(guān)注的問(wèn)題。

對(duì)泥漿性能差異的評(píng)價(jià)由于有南北氣候、工人習(xí)慣、技術(shù)方向等影響因素而不同，且成形方式由傳統(tǒng)的石膏注漿逐步發(fā)展到低壓快排水及高壓注漿成形，對(duì)泥漿性能的要求不同，因而看待泥漿的視角也需要進(jìn)化。

泥漿是用水將粘土及各種粉碎原料混合攪拌而成的，是具有一定穩(wěn)定性的懸浮溶體，表征泥漿性能主要有以下項(xiàng)目：

1）基本性能。濃度、溫度、粒度、屈服值。

2）成形性能。粘性、吃漿速度、可塑性、開(kāi)裂時(shí)間，透水性。

3）干燥性能。干燥強(qiáng)度、內(nèi)外水分差、干燥收縮。

4）燒成性能。燒成收縮、燒成彎曲、燒成強(qiáng)度、坯釉結(jié)合性。

其中，吃漿速度、可塑性、干燥強(qiáng)度是注漿成形最為重要的3大性能。

吃漿速度是指泥漿在模型中失去水分由懸浮溶體生成固相、凝聚成坯體的速度。在傳統(tǒng)成形工藝中，泥漿注入石膏模型后在毛細(xì)管的作用下，泥漿中的水分沿著毛細(xì)管排出。新成形工藝中的低壓快排水工藝吃漿過(guò)程與傳統(tǒng)工藝是一樣的，而高壓注漿成形除了少許的毛細(xì)管作用外，主要是依靠泥漿的高壓與模型常壓的壓差形成動(dòng)力，將水分排出。當(dāng)模型內(nèi)表面形成一層坯體后，水分要繼續(xù)排出時(shí)，必須要先通過(guò)坯體的毛細(xì)孔，然后再進(jìn)入模型的毛細(xì)孔中。這時(shí)注漿過(guò)程的阻力來(lái)自于模型和坯體兩方面。注漿開(kāi)始時(shí)，模型的阻力起主要作用，隨著吸漿過(guò)程的不斷進(jìn)行，坯體厚度繼續(xù)增加，坯體所產(chǎn)生的阻力越來(lái)越大，直到最后起主導(dǎo)作用，成為影響吃漿速度的主要因素。調(diào)整泥漿的吃漿速度主要考慮的是坯體阻力，通常情況下泥漿中塑性原料含量多則吃漿速度慢，瘠性原料含量多則吃漿速度快。泥漿的顆粒愈細(xì)，其比表面積愈大，越易形成致密的坯體，導(dǎo)致其疏水性差，吃漿速度降低。

可塑性是指物體在外力作用下，可塑造成各種形狀，并且在外力去除后仍能保持這形狀而不失去物料顆粒之間聯(lián)系的性能。泥漿在注漿過(guò)程中失去水分，變成含適量水分的泥團(tuán)，在一定外力作用下產(chǎn)生形變而不開(kāi)裂的能力就來(lái)自于可塑性。可塑性主要來(lái)自粘土的細(xì)顆粒成分，簡(jiǎn)單地講，泥漿可塑性好與吃漿速度在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中是一種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。

衛(wèi)生陶瓷坯料的可塑性主要來(lái)源于粘土原料，實(shí)際應(yīng)用的原料通常有高嶺土、球土、絹云母瓷土、蒙脫石粘土等。要調(diào)整到適宜的坯體可塑性，需要在這幾種粘土原料中作選擇。其實(shí)，粘土的可塑性主要由粘土的細(xì)顆粒（粒徑小于或等于2μm）數(shù)量多少以及粘土的陽(yáng)離子交換量的大小來(lái)控制，細(xì)顆粒多、陽(yáng)離子交換量大的粘土其可塑性就強(qiáng)。就顆粒粒度而言，以蒙脫石細(xì)顆粒含量最高，高嶺土的細(xì)顆粒相對(duì)較少（尤其是結(jié)晶完備的高嶺土）、絹云母瓷土次之、最后是球土。

在離子交換能力上，研究泥漿的粘土－水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以幫助理解一些現(xiàn)象的。粘土——水系統(tǒng)中的粘土形成如下一種膠團(tuán)結(jié)構(gòu)：

在粘土膠團(tuán)內(nèi)，粘土質(zhì)點(diǎn)本身稱(chēng)為膠核，該膠核是帶負(fù)電的。緊靠膠核周?chē)街恍┒ㄏ蚺紭O水分子和一些水化的陽(yáng)離子。這部分構(gòu)成了圍繞膠核的吸附層，它們能隨著膠核在介質(zhì)中一起移動(dòng)。

膠核與吸附層內(nèi)的陽(yáng)離子不足以補(bǔ)償膠核的負(fù)電荷。因此，隨著與膠核距離的增加。分布逐漸減少的陽(yáng)離子，形成一個(gè)陽(yáng)離子濃度逐漸遞減的擴(kuò)散層。

膠粒加上擴(kuò)散層總稱(chēng)為膠團(tuán)。膠團(tuán)整體是電中性的。由于隨著離膠核的距離增加，陽(yáng)離子水化程度增加，陽(yáng)離子所帶電水分子也增加，形成了水化的外殼從而使膠團(tuán)穩(wěn)定。

從一些現(xiàn)象可以看出，粘土的陽(yáng)離子交換容量及吸附的陽(yáng)離子種類(lèi)對(duì)粘土的膠體活性影響很大。例如，蒙脫石的陽(yáng)離子交換容量大，膨脹性也大，在低濃度下可形成稠的懸浮體，特別是鈉蒙脫石，水化膨脹性更強(qiáng)；而高嶺石的陽(yáng)離子交換容量低，惰性較強(qiáng)。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，粘土膠團(tuán)的陽(yáng)離子會(huì)發(fā)生替換，使吸附層、擴(kuò)散層發(fā)生變化，由此帶來(lái)泥漿性能的變化，尤其是流動(dòng)性的變化比較明顯。

表1 部分粘土的離子交換容量

離子交換是指可以用一種離子取代原先吸附于粘土上的另一種離子。按粘土原先吸附的離子所帶電荷的不同，可分為陽(yáng)離子交換和陰離子交換。以高嶺土為例，正常不加入化學(xué)電解質(zhì)時(shí)，邊角緣面帶正電荷，會(huì)發(fā)生陰離子交換，這一部分邊角緣面正電荷對(duì)未解膠前的高嶺土形成卡片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是有理論意義的。但陰離子交換量?jī)H為陽(yáng)離子交換量的十分之一。

在實(shí)際的衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)條件下，泥漿都是帶負(fù)電荷，所以，衛(wèi)生陶瓷的泥漿通常討論的離子交換一般指陽(yáng)離子交換，離子交換容量通常用來(lái)表示離子交換能力，粘土品種對(duì)離子交換的能力影響很大，部分粘土的離子交換容量見(jiàn)表1。

1）高嶺石。高嶺石結(jié)構(gòu)為單網(wǎng)層，同晶取代少，破鍵會(huì)帶來(lái)一些電荷，但總體上，結(jié)晶完整的高嶺石相對(duì)惰性大，離子交換量??；一些結(jié)晶較差的高嶺石除破鍵引起粘土荷電外，晶格內(nèi)離子替代的也有一定比率。如球土的離子交換能力就要大很多，從應(yīng)用的角度看，球土的交換能力應(yīng)該介于高嶺石與埃洛石之間，一些被稱(chēng)為黑粘土的球土表現(xiàn)出的交換量更大。

2）絹云母瓷土。絹云母瓷土的晶格置換比蒙脫石嚴(yán)重，單位面積板面的負(fù)電量應(yīng)該比蒙脫石多，但伊利石結(jié)構(gòu)中復(fù)網(wǎng)層之間是鉀離子，而且鉀離子可以牢固地把2個(gè)復(fù)網(wǎng)層連接在一起，不易解理，分散度小，成為板面的層面少，比表面積小，所以相同質(zhì)量的伊利石帶負(fù)電量比蒙脫石少，其陽(yáng)離子交換量介于高嶺石與蒙脫石之間。

3）蒙脫石。多層復(fù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同晶取代多，層間束縛小，分散度大，離子吸附活躍，解理面帶較多負(fù)電荷。

干燥強(qiáng)度是指坯體干燥后具有的強(qiáng)度，它與泥漿成分中的細(xì)顆粒、顆粒的膠體性能有直接關(guān)系。下面以細(xì)顆粒數(shù)量的控制為例：

瘠性原料細(xì)顆粒度的提高絕大多數(shù)來(lái)自物理破碎，主要是來(lái)自球磨機(jī)內(nèi)球石的撞擊、研磨以及原料之間的擠壓、研磨作用，這些物理作用到一定程度后，細(xì)顆粒的產(chǎn)生就很少，而高嶺土等粘土原料除了上述的球磨機(jī)物理作用外，本身的水化分解作用更為顯著，晶格本身的大小經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的球磨會(huì)充分體現(xiàn)出來(lái)，它們是構(gòu)成坯體干燥強(qiáng)度高低的關(guān)鍵。但是，原料中細(xì)顆粒越多，坯體形成的阻力就越大；但從另一個(gè)角度來(lái)講，它與吃漿速度也是有沖突的。

綜上所述，衛(wèi)生陶瓷注漿成形的理想狀態(tài)就是泥漿盡快地形成坯體，并且坯體具有優(yōu)良的可塑性及較高的干燥強(qiáng)度。

3 傳統(tǒng)泥漿的局限性和新泥漿的進(jìn)化視角

在衛(wèi)生陶瓷注漿成形中，吃漿速度和干燥強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系，在生產(chǎn)過(guò)程中必須兼顧且要找到良好的平衡點(diǎn)，只片面追求吃漿速度或干燥強(qiáng)度都是不可取的。傳統(tǒng)石膏注漿更偏重于泥漿的可塑性，希望脫模時(shí)坯體不會(huì)開(kāi)裂，也因一天就注模一次，有充足的時(shí)間去處理坯體，久而久之，為追求泥漿的可塑性，配方中大量使用粘土，導(dǎo)致吃漿速度偏慢。而低壓快排水及高壓注漿成形工藝是24h連續(xù)生產(chǎn)，不論是注漿、修坯，還是干燥，都要求高效率，這就帶來(lái)不同的視角，也帶來(lái)了對(duì)泥漿的進(jìn)化的要求。

提高吃漿速度，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，以連體虹吸式坐便器的低壓快排水工藝來(lái)說(shuō)，若直接采用普通泥漿，一天只能注漿3次，而使用經(jīng)過(guò)調(diào)整后的新泥漿，一天最少可以注漿5次。但是這種利用新泥漿提高注漿速度的做法，無(wú)疑是以犧牲泥漿的可塑性及坯體的干燥強(qiáng)度為代價(jià)的，這在實(shí)際生產(chǎn)中是不可取的。

從國(guó)內(nèi)運(yùn)用新泥漿注漿成形的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看，這個(gè)問(wèn)題在一定限度內(nèi)是允許存在的，不僅成形合格率沒(méi)有降低，而且干燥合格率還有所上升。

衛(wèi)生陶瓷的器形復(fù)雜，各種曲度、各種厚度混雜在一起，坯體收縮形成的應(yīng)力極易造成坯體開(kāi)裂。傳統(tǒng)的泥漿是依靠提高泥漿的可塑性來(lái)對(duì)抗應(yīng)力的，坯體會(huì)在石膏模型內(nèi)存留較長(zhǎng)時(shí)間，坯體的收縮傾向與模型的阻擋形成剛性阻礙，需要很好的可塑性來(lái)抵消這種阻礙應(yīng)力，才能達(dá)到脫模時(shí)不開(kāi)裂的目的。但是，追求可塑性、使用含有較多粘土、吃漿速度偏慢的泥漿在注漿成形后，導(dǎo)致坯體硬度低，排水慢，坯體早期硬度低，隨之帶來(lái)不能及時(shí)濕修坯的問(wèn)題，影響工作效率。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間吃漿帶來(lái)吃漿面與排漿面的水分梯度較大，雖然可塑性抵消了大部分的剛性應(yīng)力，但內(nèi)外水分差帶來(lái)的應(yīng)力在干燥階段會(huì)明顯增大，有增加干燥內(nèi)部開(kāi)裂的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)進(jìn)化后的新泥漿具有快速吃漿的性能，可以縮短坯體在模具內(nèi)存留時(shí)間約1h。而這段時(shí)間恰恰是坯體收縮的重要階段，早脫模，沒(méi)有模型的剛性阻擋，必定可以減少開(kāi)裂。同時(shí)，吃漿面與排漿面的水分梯度會(huì)縮少，由此帶來(lái)的內(nèi)部應(yīng)力很小，為坯體的順利干燥創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，因新泥漿本身的透水性能優(yōu)良，能減少濕坯的內(nèi)外水分梯度，所以可以進(jìn)行早脫模，進(jìn)而達(dá)到完全濕修坯。因此可以這樣認(rèn)為，用可塑性來(lái)解決開(kāi)裂是被動(dòng)的，而提高吃漿速度、縮短坯體在模型內(nèi)存留時(shí)間以解決開(kāi)裂問(wèn)題。

關(guān)于干燥強(qiáng)度是新泥漿在這方面存在先天不足，不能達(dá)到使用傳統(tǒng)泥漿成形坯體的多次搬運(yùn)無(wú)磕碰的狀態(tài)，但是，新成形工藝可達(dá)到濕修坯的效果，大大減少對(duì)干坯的翻轉(zhuǎn)移動(dòng)，同時(shí)采用的是連續(xù)注漿生產(chǎn)工藝，在較短的工藝距離內(nèi)不用進(jìn)行多次、長(zhǎng)距離搬運(yùn)，從而減少了坯體人為損壞和破損的可能。

在上述的粘土原料對(duì)可塑性及干燥強(qiáng)度的影響中，可以看出新泥漿與傳統(tǒng)泥漿的使用差別。首先，盡量摒棄使用蒙脫石粘土，因?yàn)槠淞髯冃阅軜O差，極少量的蒙脫石就會(huì)奪取大量泥漿有限的自由水量；其次要相對(duì)提高高嶺土及絹云母瓷土的使用量，置換一部分球土的使用量，同時(shí)輔以硬質(zhì)料中具有高吃漿速度還兼具一些可塑性的原料，如葉臘石、地開(kāi)石等，不能以單純地減少粘土的使用量來(lái)提高吃漿速度，而是應(yīng)充分了解各種原料的基本性能，從中尋找到兼顧泥漿各種性能的原料及配方，這是新泥漿調(diào)整的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

綜上所述，在調(diào)整泥漿可塑性和干坯強(qiáng)度在條件容許時(shí)，把提高吃漿速度作為泥漿進(jìn)化的視角，給衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)技術(shù)提升帶來(lái)更多的可能和空間，在確保干燥產(chǎn)品合格率的前提下，將泥漿技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)從可塑性轉(zhuǎn)到吃漿速度上是可行的，也是很有意義的。這不僅僅是針對(duì)低壓快排水或高壓注漿成形這些新的生產(chǎn)工藝，對(duì)傳統(tǒng)石膏注漿方式也是有借鑒作用的，隨著生產(chǎn)工藝方法的進(jìn)步，泥漿也需要進(jìn)化。

現(xiàn)借助衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)中泥漿參數(shù)模型將傳統(tǒng)泥漿與新泥漿性能進(jìn)行比較，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 傳統(tǒng)泥漿與新泥漿性能對(duì)比

當(dāng)然，新泥漿的試制要做大量的基礎(chǔ)試驗(yàn)，從開(kāi)始選用適用原料的調(diào)查及試驗(yàn)開(kāi)始，直至完備的成形、修坯、干燥、施釉、燒成等工藝試驗(yàn)，至少需要6～8個(gè)月時(shí)間，還要選擇出能反映出泥漿性能優(yōu)劣的產(chǎn)品，最好用連體坐便和大尺寸洗面器分別做中型試驗(yàn)，然后再分步驟從原料車(chē)間開(kāi)始，逐步替代原有泥漿使用新泥漿，這個(gè)周期也需要6個(gè)月以上。

致力于以盡可能小地可塑性犧牲帶來(lái)盡可能快的吃漿速度的泥漿進(jìn)化視角，對(duì)提高衛(wèi)生陶瓷的生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。目前在國(guó)內(nèi)的衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)中雖已有應(yīng)用并取得了一定成效，但進(jìn)一步配合低壓快排水及高壓注漿成形等新工藝，進(jìn)行穩(wěn)定、持久的新泥漿改良探索仍然很有必要的。

1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB／T 5000－1985.日用陶瓷名詞術(shù)語(yǔ).北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1985

2 李家駒.日用陶瓷工藝學(xué)（第一版）.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1992

3 曹茂盛，等.材料合成與制備方法（第一版）.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001