納米淀粉基復合球土增強劑的制備及應用

宋斌 黃月文 王斌

摘 要：基于納米淀粉的增強作用，開發了一款復合球土增強劑。優化了各組分的含量，優化結果依次為：納米淀粉3.15%、PVB 0.35%、腐植酸鈉1.5%和硅酸鎂鋁10%。當復合球土增強劑用量0.25%時，干坯強度由0.86MPa提高至1.19MPa，增強38.4%，具有較好的增強作用。同時復合球土增強劑具有有機含量低、成本低廉、不影響燒結等優點。

關鍵詞：納米淀粉;復合;增強劑

1 引 言

隨著環保意識的增強，陶瓷行業節能減排、綠色發展的愿望越來越迫切。陶瓷產品適量減薄、坯體強度增強的工藝具有節約原料、降低能源消耗、降低物流成本等優點，被廣泛嘗試與采用。增強劑是解決產品減薄增強的關鍵，能起到提高產品質量、降低能耗的作用[1]。企業常使用黑泥或羧甲基纖維素鈉（CMC），但黑泥受限于耕地保護政策[2]，可用量越來越少;CMC容易導致泥漿粘度過大。因此，開發使用新型增強劑對解決生產需求具有重要意義，也符合陶瓷企業綠色發展的理念。

高分子聚合物通過分子鏈的相互纏繞和交聯作用，將陶瓷顆粒緊密粘和在一起，起到增強作用[3]。腐植酸鈉具有降低泥漿粘度[4]，增強坯體干燥強度的優點[2，5-6]，可作為陶瓷坯體增強劑[1，3];但單獨使用增強作用有限，難以達到企業產品增強需求。各類植物淀粉，能形成網狀結構[7]，也可用作增強劑[1];納米淀粉顆粒可改善生物復合物的機械性能[8]，具有增強作用[9]。聚乙烯醇縮丁醛（PVB）具有高拉伸強度、沖擊性能和彈性等綜合性能[10]，有較好的增韌性。在此基礎上，本文開發一種復合型球土增強劑。

2實驗

2.1試劑與儀器

2.1.1試劑

腐植酸鈉、CMC、羧甲基淀粉鈉、（均購于阿拉丁控股集團有限公司）、聚乙烯醇縮丁醛PVB（購于廣東粵美化工有限公司）、納米淀粉（來自于蒙娜麗莎集團股份有限公司）、球土（來自于廣東東鵬控股股份有限公司，其化學組成見表1）、硅酸鎂鋁（購于河北宗潤礦產品有限公司）、高效陶瓷解膠劑CA100（來自于中科院廣州化學有限公司）。

2.1.2儀器

YJKS快速研磨機（購于佛山市業津機電設備有限公司）、微機控制電子萬能試驗機RGM-3030（購于深圳市瑞格爾儀器有限公司）。

2.2球土增強劑的制備

將球土、納米淀粉、PVB等按配方比例依次加入快速球磨罐中;其次，加入適量鋯球，球料比（質量比）為2：1，快速球磨10min;然后，過篩，將球料分離;最后，獲得均勻的球土增強劑。

2.3 干坯的制作

100g球土和0.25g球土增強劑，加入適量鋯球，初步混勻，球料比（質量比）為2：1;其次，加入0.2g CA100和49.25g水的混合溶液（即：含水率33%）;然后，行星球磨10min;接著，過篩，將球料分離;最后，獲得均勻的泥漿。

將泥漿通過塑料漏斗和橡膠管引流入石膏模具，補泥漿10ml;其次，室溫注漿成型2.5h;然后，取出濕坯，在烘箱中以105℃的條件下烘干3h;最后，獲得尺寸為Φ1.5mm×180mm的圓棒型干坯。制備流程如圖1所示。

2.4 強度測試

將制備得的干坯在微機控制電子萬能試驗機RGM-3030上測試抗壓強度。

3 結果與討論

3.1 納米淀粉和PVB的優化

組1為納米淀粉和PVB比例優化;組2為納米淀粉和PVB含量優化。

按表2中配方比例制備球土增強劑，然后依次制作干坯，最后測試干坯強度。其中，第1組納米淀粉的含量由4.9%降低至3%，當納米淀粉含量為4.5%，PVB含量為0.5%時，干坯強度最大，增強效果明顯，可能是納米淀粉和PVB共同作用的結果。優化結果是納米淀粉：PVB=9：1。

在此比例下，如表2第2組，有機含量由5%提高至20%時，當有機含量超過10%后，干坯強度增加不明顯。因此，優化的含量是10%。同時，出于燒結方面和降低成本方面的考慮，適當降低有機含量。因此，可初步確定納米淀粉和PVB總含量在5%～8%范圍。進一步優化配方，在5%含量的基礎上展開提高坯體增強效果的研究。

3.2 有機增強劑的優化

按95份球土（質量比）、3.6份納米淀粉、0.4份PVB以及1份添加物比例制備球土增強劑，添加物依次為CMC、羧甲基淀粉鈉、PVP、腐植酸鈉、木質素磺酸鈉;然后測試球土增強劑增強效果。當添加物為腐植酸鈉時，坯體強度最大，如表3所示。可能是由于腐植酸鈉有一定的分散性，有利于納米淀粉和PVB對球土顆粒的包裹以及空間網絡的形成，起到較好的協同作用。因此，優化的添加物為腐植酸鈉。

3.3 腐植酸鈉含量的優化

按表4中配方比例制備球土增強劑，然后依次制作干坯，最后測試干坯強度。當腐植酸鈉含量由0增加至1.0%時，坯體強度由1MPa逐漸增大至1.19MPa，如圖2所示，可能是腐植酸鈉起到協同增效作用;當腐植酸鈉含量由1.0%增加至1.5%時，坯體強度趨于平穩，且坯體斷裂強度有所增加;當腐植酸鈉含量由1.5%增加至2.5%時，坯體強度降低，可能是由于納米淀粉和PVB總含量降低較多導致增強效果降低。因此，優化的腐植酸鈉含量為1.5%

3.4硅酸鎂鋁含量的優化

按3.15份納米淀粉、0.35份PVB以及1.5份腐植酸鈉、總和為95份的球土和硅酸鎂鋁的比例制備球土增強劑，其中硅酸鎂鋁含量依次為0、5%、10%、20%和30%;然后依次制作干坯，最后測試干坯強度。當硅酸鎂鋁含量由0增加至10%時，坯體強度由1.14MPa逐漸增大至2.87MPa如圖3所示，可能是硅酸鎂鋁有明顯的增強作用;當硅酸鎂鋁含量由10%增加至30%時，坯體強度由2.87MPa降低至0.71MPa，可能是由于硅酸鎂鋁含量過多時，增大了體系的粘度，對于納米淀粉等有機組分的分布與空間網絡增強作用產生不利。因此，優化的硅酸鎂鋁含量為10%。

3.5 球土增強劑組分的對比

按95份球土中分別添加5份其他組分的比例制備球土增強劑，其他組分依次為球土（空白組）、PVB、納米淀粉、腐植酸鈉、復合組分（復合組分為3.15份納米淀粉、0.35份PVB以及1.5份腐植酸鈉）;然后依次制作干坯，最后測試干坯強度。復合組分增強（1.19MPa，增強38.4%）明顯優于單一組分空白組（0.86MPa）、PVB（0.86MPa）和腐植酸鈉（0.93MPa），如圖4所示，可能是復合型球土增強劑有較好的協同增強作用;復合組分增強雖然低于單一組分的納米淀粉，但從降低有機含量、體系粘度、成本等方面，均有較好提升。因此，復合組分有較好的增強效果和綜合性能。

4 結論

（1）作為復合型球土增強劑，優化了有機組分的含量，優化的結果依次為：納米淀粉3.15%、PVB 0.35%、腐植酸鈉1.5%。同時引入硅酸鎂鋁，并優化含量，優化的結果為：硅酸鎂鋁10%

（2）對球土增強劑的增強機理進行了研究，復合組分的增強效果優于腐植酸鈉、PVB，表明復合組分有較好的增強效果和分散性能等。

參考文獻

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Preparation and Application of Nano-starch Composite Ball Clay Enhancer

SONG Bin1，2，3， HUANG Yue-wen1，2，3，WANG Bin1，2，3

（1. Guangzhou Chemistry Co. Ltd.， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510650， China;

2. CAS Engineering Labratory for Special Fine Chemicals， Guangzhou 510650， China;

3.Provincial Engineering & Technology Research Center for Fine Chemicals of Ceramic Industry， Guangzhou 510650， China ）

Abstract： A composite ball clay enhancer was developed basing on the enhancement effect of nano-starch. The contents of each component were optimized， and the optimization contents were as follows ： nano-starch 3.15%， PVB 0.35%， sodium humate 1.5% and magnesium aluminum silicate 10 %. When the content of composite ball clay enhancer is 0.25%， the dry strength increased from 0.86MPa to 1.19MPa， increasing 38.4% and showing a good strengthening effect. Moreover， the composite ball clay enhancer has the advantages of low organic content， low cost and no effect on sintering.

Keywords： ?Nano-starch; Composite; Ball clay enhancer