衛(wèi)生潔具泥漿性能的優(yōu)化*

范金嶺 吳廣鵬 李新伍

(1 唐山中陶實業(yè)有限公司 河北 唐山 063021) (2 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333000) (3 咸陽陶瓷研究設(shè)計院 陜西 咸陽 712000)

前言

由于衛(wèi)生潔具產(chǎn)品的壁較厚、體積大、形狀復(fù)雜，且采用注漿成形，因而在成形過程中易出現(xiàn)變形、開裂等缺陷。提高和改善衛(wèi)生潔具泥漿性能是注漿成形陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，泥漿質(zhì)量的關(guān)鍵在于泥漿的流動性、觸變性、厚化系數(shù)和成坯后的坯體強度，所以調(diào)整泥漿的性能和穩(wěn)定尤為重要。添加劑的加入能調(diào)節(jié)泥漿使泥漿性能更穩(wěn)定并符合生產(chǎn)要求，并且還可以減少水的用量。筆者通過實驗選用不同種類的添加劑和用量來對漿料進行全面優(yōu)化，通過實驗來探索添加劑對泥漿性能影響的規(guī)律，尋找出效果最好的幾種添加劑進行復(fù)合以及最佳用量的控制來實現(xiàn)進一步的優(yōu)化。最終使泥漿的流動性、觸變性、厚化系數(shù)等能滿足實際生產(chǎn)要求。

1 實驗

1.1 實驗的目的及方法

我們旨在通過加入適量的添加劑來改善泥漿的工藝性能，保證泥漿在生產(chǎn)上穩(wěn)定，提高半成品率等。實驗中，我們將價格適宜的添加劑引入到泥漿中，通過調(diào)節(jié)添加劑的用量以及改變不同添加劑的組合的方式試驗?zāi)酀{。實驗中再根據(jù)其流動性、觸變性、空漿和脫模難易程度等情況，通過數(shù)據(jù)對比分析，得出最佳方案。本實驗是在符合廠家實際生產(chǎn)為前提的基礎(chǔ)上進行改進優(yōu)化。

1.2 實驗工藝流程

實驗采用的工藝流程見圖1。

確定基礎(chǔ)配方→烘料→配料→球磨→過篩→陳腐→攪拌→測試

圖1實驗工藝流程

由圖1可以看出,先要確定實驗的基礎(chǔ)配方(從衛(wèi)生陶瓷企業(yè)獲得)，然后根據(jù)廠家要求的顆粒細度進行實驗，來確定最佳球磨時間，球磨，過80目篩，陳腐至少24 h，實驗前攪拌30 min以上，有利于泥漿充分的分散和均勻。

1.3 實驗所用原料

實驗用主要原料的規(guī)格產(chǎn)地如表1所示。

表1 實驗用原料規(guī)格產(chǎn)地

表2 原料的工藝參數(shù)

配方所用原料中主要泥料的工藝參數(shù)如表2所示。從表2可以看出，含水率為21%左右時，吉安泥與高鋁石的可塑性最高，黑泥與花泥次之，咖啡泥、高嶺土較差。同樣，原料的結(jié)合性以吉安泥的結(jié)合性最好，黑泥次之，咖啡泥和花泥較差。原料的線性收縮，大部分原料基本相同，高嶺土收縮較小。

1.4 實驗用儀器

實驗所使用的主要儀器與設(shè)備如表3所示。

表3 實驗用儀器與設(shè)備

1.5 最佳球磨時間的確定

泥料的球磨時間決定了泥料的最終顆粒細度，而顆粒細度又與泥漿的流動性、觸變性、生坯的強度和干燥收縮等有很大的關(guān)系,所以確定球磨時間很關(guān)鍵。

先按照基礎(chǔ)配方稱量3份基料，每份為150 g，外加0.6%的水玻璃，再按照料∶水∶球磨子=1.00∶0.43∶2.00的比例放入球磨罐，在行星式球磨機上以400 r/min的轉(zhuǎn)速分別球磨20 min、30 min、40 min，分別做粒度分布測試并與廠里生產(chǎn)用泥漿粒度分布做比較。根據(jù)測試結(jié)果確定最佳球磨時間。

1.6 對照試驗

按照基礎(chǔ)配方，依照圖1實驗工藝流程制備泥漿，基本實驗步驟如下：

1)先將塑性原料進行烘干處理。

2)將烘干料，按基礎(chǔ)配方進行配比稱料，稱取150 g干料，備用。

3)按料∶水∶球磨子=1.00∶0.43∶2.00加入0.45%水玻璃和0.11%聚丙烯酸鈉在行星式球磨機以400 r/min球磨0.5 h，制得所需的泥漿，過80目篩，陳腐24 h。

4)用電動攪拌器將泥漿攪拌0.5 h，測量其流動性和觸變性。

1.7 單一電解質(zhì)的添加量對泥漿流動性的影響

初步選定水玻璃、聚丙烯酸鈉、腐植酸鈉、六偏磷酸鈉和碳酸鈉做減水劑，固定含水率為35%。根據(jù)公司要求，容重必須控制在1.760 g/cm3左右。分別做不同添加量的實驗，按1‰、3‰、5‰、7‰添加量添加上述電解質(zhì)，按工藝流程制得泥漿，并測其流動性。單一電解質(zhì)對泥漿流動性影響如表4所示。

表4 單一電解質(zhì)對泥漿流動性影響

續(xù)表4

由實驗結(jié)果可知，使用聚丙烯酸鈉做減水劑減水效果最好，六偏磷酸鈉、水玻璃、腐值酸鈉次之，碳酸鈉效果最差，將其排除。

1.8 復(fù)合電解質(zhì)對泥漿流動性的影響

因經(jīng)濟原因，所以采用以水玻璃為主，聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉、腐植酸鈉為輔的搭配方案，組成復(fù)合電解進行實驗，探討復(fù)合電解質(zhì)對泥漿流動性的影響。復(fù)合電解質(zhì)的實驗安排見表5。

表5 復(fù)合電解質(zhì)的實驗安排

通過實驗數(shù)據(jù)可知，在容重一定(即含水率一定)的情況下，復(fù)合添加劑在水玻璃添加0.5%，聚丙烯酸鈉添加0.75%時，泥漿的流動性最好。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 泥漿細度對坯體性能的影響

泥漿的細度對坯體的收縮、彎曲度、坯體強度有很大的影響，對泥漿的流動性和觸變性也有一定的影響。泥漿的細度是通過球磨時間來控制的，宏觀上用篩余表示，微觀上用顆粒級配表示。實驗通過控制基礎(chǔ)配方篩余的大小，探討不同細度對坯體性能的影響。當實驗用泥漿的篩余分別為0.46%、0.73%、1.20%、1.38%和1.51%時，坯體的性能見表6，不同泥漿顆粒級配見圖2～圖5。

表6 泥漿細度對坯體性能的影響

從表6可知，篩余控制在1.20%～1.40%時，坯體的彎曲度最符合理想指標。隨著泥漿篩余的增加，坯體的吸漿厚度也會增加，這是由于泥漿的篩余越大，泥漿顆粒間的通道也越大，有利于內(nèi)部水分向外輸送，石膏模吸收水分越大，坯體厚度越大；坯體的收縮、生坯強度、彎曲度隨篩余的增加而減小，泥漿中粗顆粒越多，導(dǎo)致坯體與坯體之間的結(jié)合力減弱，使得坯體強度降低，而粗顆粒有利于坯體減小高溫下的彎曲度，這是因為在高溫下燒結(jié)顆粒粗大的坯體較顆粒小的坯體需要更多的能量。因此，粗顆粒有利于改善坯體變形，坯體的吸水率隨篩余增加而增大。

采用Mastersizer 2000粒度分析儀進行分析，通過圖2～圖5泥漿的粒度分布統(tǒng)計出各粒度范圍內(nèi)的百分含量，可得出各泥漿篩余的顆粒分布范圍，其結(jié)果見表7。

圖2 篩余為0.73%泥漿的粒度分布

圖3 篩余為1.20%泥漿的粒度分布

圖4 篩余為1.30%泥漿的粒度分布

圖5 篩余為1.51%泥漿的粒度分布

粒度分布(μm)篩余量(%)0.460.731.201.381.51≤15.213.682.692.682.681～1041.3148.1545.4945.4646.5710～2024.1819.3224.9320.3818.2520～4018.5317.4715.2717.16717.1040～638.297.989.8410.0210.04≥633.163.393.744.975.86

結(jié)合坯體性能可以得出，泥漿顆粒分布的最佳范圍為：1 μm顆粒含量約占2.6%；1～10 μm顆粒含量約占46%；10～20 μm顆粒含量約占20%；20～40 μm顆粒含量約占17%；40～63 μm顆粒含量約占10%；63 μm顆粒含量約占5.0%；中粒粒徑尺寸為11～12 μm最佳，其對應(yīng)的篩余為1.2%～1.4%，即球磨時間應(yīng)控制在30 min左右。

2.2 單一添加劑對泥漿工藝性能的影響

2.2.1 水玻璃體系對泥漿性能的影響

表8 水玻璃對泥漿相對粘度與觸變性的影響

水玻璃對泥漿性能的影響見表8。由表8可知，當水玻璃的添加量低于3.5‰時泥漿靜置30 min，泥漿粘度大無法測量出T2，但當水玻璃添加量超過6‰時相對粘度會增加，故水玻璃的最佳添加量為6‰時，泥漿性能良好。

2.2.2 六偏磷酸鈉體系對泥漿性能的影響

六偏磷酸鈉體系對泥漿性能的影響見表9。

表9 六偏磷酸鈉對泥漿相對粘度與觸變性的影響

當六偏磷酸鈉的用量低于3.5‰時，泥漿靜置30 min后，泥漿粘度大,T2無法測量，但當六偏磷酸鈉用量超過4.8‰時相對粘度又增加，故水玻璃的最佳用量為4.8‰，且泥漿性能可以滿足生產(chǎn)要求。

2.2.3 腐植酸鈉體系對泥漿性能的影響

腐植酸鈉體系對泥漿性能的影響見表10。

表10 腐植酸鈉對泥漿相對粘度與觸變性的影響

腐植酸鈉的最佳用量為6.5‰，當六偏磷酸鈉的用量低于4.5‰時泥漿靜置30 min后，泥漿粘度大T2無法測量，但當六偏磷酸鈉用量超過6.5‰時相對粘度又增加。

2.2.4 聚丙烯酸鈉對泥漿性能的影響

聚丙烯酸鈉體系對泥漿性能的影響見表11。

表11 聚丙烯酸鈉對泥漿相對粘度與觸變性的影響

當聚丙烯酸鈉的用量低于3‰時，泥漿靜置30 min后，泥漿粘度大T2無法測量，但當聚丙烯酸鈉用量超過4.5‰時相對粘度又增加，故水玻璃的最佳用量為4.5‰，泥漿性能可以滿足生產(chǎn)要求。

2.2.5 碳酸鈉對泥漿性能的影響

碳酸鈉體系對泥漿性能的影響見表12。

表12 碳酸鈉對泥漿相對粘度與觸變性的影響

碳酸鈉的減水效果較差，泥漿的相對粘度無法測量，后續(xù)得到的數(shù)據(jù)也比較少，故不宜采用。

2.2.6 添加劑的種類及數(shù)量與相對粘度變化關(guān)系

根據(jù)實驗結(jié)果，添加劑相對粘度變化關(guān)系如圖6所示。

2.2.7 使用單一添加劑結(jié)果分析

由上實驗數(shù)據(jù)分析可以得出：使用聚丙烯酸鈉解膠效果最佳，六偏磷酸鈉、碳酸鈉和水玻璃次之。當聚丙烯酸鈉添加量為4.5‰，六偏磷酸鈉為4.8‰左右，水玻璃為6‰左右，腐植酸鈉為6.5‰左右時，各自的減水效果最佳，泥漿的相對粘度最低。由于碳酸鈉的效果不明顯，減水效果較差，故棄用。

圖6 添加劑加入量對粘度的影響

從理論上講，隨著電解質(zhì)加入量越多，顆粒表ζ電位越大，靜電斥力越強，泥漿分散性能越好。但實際上，若加入量過高，其陽離子濃度就相應(yīng)過高，此時由于離子擴散困難，會將擴散的離子壓縮至吸附層，雙電層厚度變小，使膠粒產(chǎn)生凝聚，從而粘度變大，效果反之。所以每種添加劑都有各自的最佳添加量，具體添加量需通過多次實驗獲得。

2.3 復(fù)合添加劑對泥漿性能的影響

2.3.1 水玻璃跟腐植酸鈉體系對泥漿性能的影響

水玻璃跟腐植酸鈉體系對泥漿性能的影響如表13所示。由表13可知，水玻璃跟腐植酸鈉體系對于泥漿性能的調(diào)節(jié)效果不明顯，且根據(jù)實際試驗中，用腐植酸鈉泥漿調(diào)節(jié)穩(wěn)定性差，第一天調(diào)制好的泥漿，等到第二天測量時誤差較大，且易造成坯體脫模困難。

表13 聚丙烯酸鈉與水玻璃體系對泥漿性能的影響

2.3.2 水玻璃與六偏磷酸鈉體系對泥漿的性能影響

水玻璃與六偏磷酸鈉復(fù)配體系具體實驗安排跟結(jié)果如表14所示。

表14 六偏磷酸鈉與水玻璃體系對泥漿性能的影響

由表14可知,水玻璃跟六偏磷酸鈉體系能夠顯著改善并提高泥漿的流動性，降低泥漿的觸變，效果明顯，解膠范圍廣。但是，實驗結(jié)果表明，用此體系調(diào)節(jié)的泥漿穩(wěn)定性差，且容易粘模和出現(xiàn)裂紋等缺陷。

2.3.3 水玻璃與聚丙烯酸鈉體系對泥漿性能的影響

水玻璃與聚丙烯酸鈉體系對泥漿性能的影響如表15所示。

表15 聚丙烯酸鈉與水玻璃體系對泥漿性能的影響

從表13可以看出，解膠劑水玻璃與聚丙烯酸鈉的復(fù)合，能夠顯著改善并提高泥漿的流動性，降低泥漿的觸變性，解膠范圍寬，泥漿的穩(wěn)定性好，極大地改善并彌補了六偏磷酸鈉和腐植酸鈉的差別。通過實驗發(fā)現(xiàn)，水玻璃加入量為0.25%，聚丙烯酸鈉加入量為0.26%和水玻璃入量為0.45%，聚丙烯酸鈉加入量為0.10%左右時，泥漿的流變性均能夠滿足生產(chǎn)要求，考慮到經(jīng)濟效益，選取后者為宜。

2.3.4 使用復(fù)合添加劑結(jié)果分析

由數(shù)據(jù)分析可知，水玻璃與聚丙烯酸鈉的組合效果最佳，水玻璃與六偏磷酸鈉組合效果次之，水玻璃與腐植酸鈉組合效果最差。

1)經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，使用水玻璃跟腐植酸鈉組合的漿料穩(wěn)定性差,泥漿的觸變性較大，吸漿速度慢，故不宜采用。

2)經(jīng)水玻璃和六偏磷酸鈉組合稀釋的泥漿,其吸漿速度較慢,坯體脫模困難，故不宜采用。

3)采用水玻璃與聚丙烯酸鈉組合最佳，且泥漿性能能夠滿足生產(chǎn)要求，泥漿性能穩(wěn)定。實驗表明當水玻璃的加入量為0.45%，聚丙烯酸鈉加入量為0.10%時，泥漿性能符合生產(chǎn)要求，漿料穩(wěn)定，流動性好，排漿脫模容易，排漿流暢，單面漿內(nèi)外濕度差符合生產(chǎn)要求，吸漿厚度符合要求。

3 結(jié)論

1)從單一電解質(zhì)對泥漿流動性的影響實驗可知，六偏磷酸鈉和聚丙烯酸鈉的減水效果最佳，但在相同條件下復(fù)合電解質(zhì)效果優(yōu)于單一電解質(zhì)的效果。

2)從復(fù)合電解質(zhì)對泥漿流動性影響實驗可知，復(fù)合電解質(zhì)的最佳搭配為：聚丙烯酸鈉為0.10%，水玻璃為0.45%時，減水效果優(yōu)于單一電解質(zhì)。

3)由顆粒分布圖可以得出，最佳球磨時間對應(yīng)的篩余為1.2%～1.4%，即球磨30 min為最佳。綜合實驗結(jié)果顯示，最終將泥漿的含水率降至29%時，也可達到生產(chǎn)要求，比實際生產(chǎn)上的泥漿的含水率降低了2%～4%，坯體在注漿脫模后幾天內(nèi)，出現(xiàn)爛坯、裂紋、硬裂等產(chǎn)品缺陷明顯減少，有利于提高產(chǎn)品合格率。