張曉林 夏光華 譚訓(xùn)彥 曹玥晗

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

前言

改革開放以來，我國(guó)衛(wèi)生陶瓷行業(yè)突飛猛進(jìn)，產(chǎn)量、質(zhì)量逐年提高，出口量也在不斷提高。自1993年以來，我國(guó)衛(wèi)生陶瓷總產(chǎn)量多年位居世界第一，成為世界衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)大國(guó)。而隨著衛(wèi)生陶瓷行業(yè)的不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)原料日趨枯竭，對(duì)陶瓷生產(chǎn)質(zhì)量造成很大的影響，故開發(fā)利用新原料顯得尤為重要。衛(wèi)生陶瓷由于其本身的特點(diǎn)，使用的是乳濁釉，對(duì)坯體的白度要求不是很嚴(yán)格，故可使用一些劣質(zhì)低價(jià)原料[1]。衛(wèi)生陶瓷由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，坯體不同部位厚薄不一，生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生變形，衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)過程中的變形缺陷是造成產(chǎn)品合格率下降的主要原因之一[2]。利用一些低質(zhì)原料來改善衛(wèi)生陶瓷變形這一缺陷成為衛(wèi)生陶瓷行業(yè)亟待解決的問題。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

在某潔具廠現(xiàn)有生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，調(diào)整基礎(chǔ)配方，引入部分煤矸石和廢瓷粉，輔以可塑性強(qiáng)的南豐泥，確定最優(yōu)配方組成。針對(duì)各配方的收縮率、彎曲度變化進(jìn)行了XRD、SEM等相關(guān)檢測(cè)，分析影響變形的因素，并通過陶瓷坯泥添加劑優(yōu)化試驗(yàn)，使泥漿性能穩(wěn)定，提高了成坯率，最終達(dá)到克服產(chǎn)品變形缺陷、穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

1.2 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用的主要原料有長(zhǎng)石、咖啡泥、瓷石、高嶺土、廢瓷粉、煤矸石等，試驗(yàn)所使用的原料的化學(xué)組成見表1。

表1 原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)Tab.1 The chemical composition of raw material(wt%)

試驗(yàn)中所使用的廢瓷粉是本廠廢瓷，使用的煤矸石采自鄰近礦區(qū)，兩者均經(jīng)過機(jī)械破碎至合適粒徑得以使用。

1.3 配方調(diào)試

根據(jù)變形度的影響因素選取主要影響因素，按正交設(shè)計(jì)確定若干組配方，進(jìn)行試驗(yàn)、驗(yàn)證，最終獲得適宜的配方組成。已確定的試驗(yàn)的坯體配方組成范圍見表2。

表2 試驗(yàn)的坯體配方組成(質(zhì)量%)Tab.2 The composition test body formula(wt%)

1.4 泥漿性能的優(yōu)化

按照配方配比準(zhǔn)確稱量原料，加入適量水、電解質(zhì)，球磨至泥漿的250目篩余為 1.2%～1.4%。過篩后制備成注漿成形用泥漿。

試驗(yàn)通過對(duì)比水玻璃、六偏磷酸鈉、腐植酸鈉、聚丙烯酸鈉以及他們的組合使用對(duì)泥漿的性能的影響，優(yōu)選出可以使泥漿性能穩(wěn)定、流動(dòng)性良好的添加劑組合。最終確定合適的添加劑加入量為0.45%的水玻璃和0.10%的聚丙烯酸鈉。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

表3 兩種配方的生產(chǎn)結(jié)果Tab.3 The two different production results

利用生產(chǎn)配方和試驗(yàn)配方分別生產(chǎn)的389AT柜盆變形結(jié)果見表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 泥漿性能分析

由表4可以看出，前3種添加劑單獨(dú)使用時(shí)，六偏磷酸鈉的解膠效果最好，水玻璃，腐植酸鈉次之，當(dāng)加入一定量時(shí)都有助于提高泥漿的流動(dòng)性，但是都無益于改善泥漿的觸變性，無法使用單一解膠劑將泥漿調(diào)至合適的觸變性(該企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)泥漿的觸變性維持在1.7左右)。而使用3種復(fù)合的解膠劑可以將泥漿調(diào)至合適的流動(dòng)性和觸變性。但是泥漿久置以后觸變性會(huì)有變大的趨勢(shì)，泥漿性能不夠穩(wěn)定。最終選擇水玻璃和聚丙烯酸鈉復(fù)合使用，可以將泥漿調(diào)至合適的流動(dòng)性和觸變性，并且泥漿性能足夠穩(wěn)定。

聚丙烯酸鈉對(duì)泥漿的作用機(jī)理為[3]：聚丙烯酸鈉獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)決定了高負(fù)電荷密度的特點(diǎn)，使其吸附在粘土顆粒邊角上的帶正電荷部位，導(dǎo)致粘土顆粒的凈電荷增加，擴(kuò)散層增厚，顆粒間斥力明顯增強(qiáng)。同時(shí)，由于聚丙烯酸鈉有機(jī)烷基的憎水性，使得聚合陰離子能夠物理吸附在粘土邊面上；其親水基指向水介質(zhì)并形成單分子保護(hù)膜。又由于聚丙烯酸鈉電離度很大，保護(hù)膜與水中的Na+吸引力很小，使得每個(gè)粘土顆粒完全被負(fù)電荷包圍，阻礙了顆粒間相互聚集和重力沉降，因而大大提高了粘土泥漿的流動(dòng)性。

表4 不同添加劑組合對(duì)泥漿性能的影響Tab.4 The effects of different combinations of mud performance water reducing agent

而普通的無機(jī)減水劑對(duì)泥漿的減水機(jī)制只有靜電穩(wěn)定機(jī)制[4]。因此，通過水玻璃和聚丙烯酸鈉的配合使用可以使泥漿性能更加穩(wěn)定，同時(shí)也具有一定的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

2.2 試樣的主要性能

生產(chǎn)配方和試驗(yàn)配方的主要的性能指標(biāo)見表5。

表5 兩種配方的主要性能比較Tab.5 The two different main performance comparison

由表5可知，與試驗(yàn)配方相比，生產(chǎn)配方彎曲度有明顯的降低。這是由于廢瓷粉作為燒成后產(chǎn)物，其熱穩(wěn)定性能較好，在陶瓷生產(chǎn)配方中引入廢瓷對(duì)坯體高溫性能有所改善。并且廢瓷粉礦物及化學(xué)組成與普通陶瓷組成一致，對(duì)坯體組成不會(huì)造成太大影響。此外，廢瓷粉和煤矸石作為瘠性原料，在干燥和燒成的過程中收縮較小，在燒成過程中起著骨架的作用，減少了變形，便于控制產(chǎn)品的尺寸[5～6]。而其他主要的參數(shù)并沒有很大的波動(dòng)，這有利于盡快適應(yīng)工廠原有的生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

2.3 試樣的化學(xué)組成

生產(chǎn)配方和試驗(yàn)配方的化學(xué)組成見表6。

由表6可知，試驗(yàn)配方中的Al2O3和K2O含量略有提高。Al2O3含量高，有利于坯體中莫來石的生成，提高了產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度，減小變形。K2O含量高，在燒結(jié)過程中液相緩慢增加，而Na2O液相是急劇增加的，因此K2O含量高有利于防止產(chǎn)品變形，且使坯體的燒結(jié)范圍較寬。

表6 化學(xué)組成比較(質(zhì)量%)Tab.6 Comparison of the chemical composition(wt%)

2.4 XRD分析

采用德國(guó)BRUKER/AXS公司生產(chǎn)的X射線衍射儀(D8 ADVANCE)對(duì)生產(chǎn)坯體和試驗(yàn)坯體進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖1。

圖1 坯體X衍射圖譜

由圖1可知，試驗(yàn)坯體的莫來石和石英晶相衍射峰強(qiáng)于生產(chǎn)坯體的，即在配方中引入南豐泥和煤矸石有利于坯體中莫來石晶相的生成，這是由于南豐泥和鋁質(zhì)矸石中氧化鋁含量較高，結(jié)晶程度低，且顆粒細(xì)，在高溫下熔融玻璃相中更容易生成莫來石晶相。

2.5 顯微形貌分析

采用JEOL-JXA6400掃描電子顯微鏡對(duì)生產(chǎn)坯體和試驗(yàn)坯體斷面進(jìn)行顯微形貌觀察，結(jié)果見圖2。

圖2 坯體SEM圖

由圖2可知，生產(chǎn)坯體和試驗(yàn)坯體中玻璃相量較多，莫來石被包裹在玻璃相中，掃描電鏡照片中未見明顯莫來石晶相。此外明顯可以看到生產(chǎn)坯體比試驗(yàn)坯體的氣孔率要高，反映其顆粒細(xì)度及級(jí)配不合理，這也從側(cè)面論證了生產(chǎn)坯體的吸水率和彎曲度要大于試驗(yàn)坯體。

3 結(jié)論

1)通過無機(jī)添加劑和有機(jī)高分子添加劑聚丙烯酸鈉的組合使用可以使泥漿具有良好、穩(wěn)定的性能，有利于正常生產(chǎn)。試驗(yàn)確定合適的添加量為0.45%的水玻璃和0.10%的聚丙烯酸鈉。

2)衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品的變形在本質(zhì)上取決于坯體的礦物組成與顯微結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)配方比生產(chǎn)配方的彎曲度低的根本原因在于試驗(yàn)配方中莫來石、石英晶相量的增加以及玻璃相的減少。

3)在影響試驗(yàn)配方變形的各因素中，廢瓷粉和煤矸石提供了陶瓷燒成過程中坯體的骨架。

4)經(jīng)過對(duì)配方的調(diào)整，測(cè)試的彎曲度由生產(chǎn)配方的37.12 mm降低到試驗(yàn)配方的34.76 mm。小試生產(chǎn)的389AT柜盆表面變形率由生產(chǎn)配方的4～5 mm降低到試驗(yàn)配方的1.5 mm。該配方可以用于制造規(guī)整度要求極高的大規(guī)格衛(wèi)生陶瓷制品。