添加剂种类对以稀土尾砂为原料制备的陶瓷坯体强度的影响
汪永清+胡学兵+高颖+罗民华
摘 要：采用外加坯体增强剂的方法，提高以稀土尾砂为原料制备的陶瓷坯体强度。实验探究了聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、膨润土及其复合添加剂的添加量对坯体强度的影响规律。结果表明：添加0.3 wt%聚丙烯酸钠，可使坯体干燥强度增强60.6%；添加0.2 wt%羧甲基纤维素钠，坯体的干燥强度增加33.3%；添加2 wt%膨润土，坯体干燥强度增加22%；而添加2 wt%膨润土、0.3 wt%复合添加剂（三聚磷酸钠和聚丙烯酸钠配比为3：1），坯体强度可增加110.5%。本实验研究结果可为陶瓷生坯强度的增强提供技术手段，也有利于促进稀土尾砂的再利用。
关健词：稀土尾砂；陶瓷坯体；添加剂；干燥强度
1 前言
我国稀土资源储量丰富，但品位偏低，每开采1吨稀土产品将产生约1800吨左右的尾砂，这对当地以及附近区域的生态环境与经济发展产生了严重影响[1， 2]。当前，通过技术创新，将稀土尾砂加以开发利用、变废为宝，具有十分重要的意义。
就稀土工业而言，虽然稀土尾砂是一种废料，但由于其组成中含有大量的硅酸盐类矿物，从而使得其在陶瓷生产中具有广阔的应用前景 [3， 4]。然而，由于稀土尾砂中可塑性粘土含量偏少，而瘠性料含量偏多，因此，如果将其直接大量使用，会使得相应的生坯强度偏低。而在陶瓷工业生产中，生坯强度直接影响着后续的成形、修坯、施釉、运输及烧成等工序，它对产品的成品率及质量有着重要的影响 [5]。因此，亟需采用技术手段，提高陶瓷生坯强度。目前，在陶瓷浆料中外加增强剂以提高坯体强度，是陶瓷生产过程中，常见且行之有效的方法之一 [6]。
由此，本实验采用赣南稀土尾砂为原料，制备陶瓷生坯。为提高该坯体强度，实验考察了聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、膨润土及其复合添加剂对陶瓷坯体强度的影响规律。通过优化其添加配比，获得了具有较高生坯干燥强度的陶瓷坯体，形成了新型有效的陶瓷坯体增强技术。本实验的研究结果对于拓宽稀土尾砂在陶瓷生产中的广泛应用，缓解稀土矿区的环境和经济压力，具有重要的意义。
2 实验
2.1实验原料
采用赣南稀土尾砂制备陶瓷生坯，尾砂化学成分列于表1。采用聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、膨润土及其复合剂作为提高生坯强度的增强剂。
2.2实验过程
将适量的水加入稀土尾砂中，球磨20 min，然后加入增强剂，继续混磨5 min。再将球磨后的料浆干燥，得到的原料经30目筛网造粒后，陈腐24 h，再在15 MPa下压制成形，最后将样品在100 ℃下干燥6 h。
2.3测试表征
采用三点弯曲法测定生坯试样干燥强度，测试设备为西安力创材料技术有限公司生产的WDW-10型多功能材料试验机，试样尺寸为50 mm × 15 mm × 10 mm。
3 结果分析与讨论
3.1聚丙烯酸钠添加量对坯体强度的影响
在陶瓷生产中，适量的聚丙烯酸钠（中等分子量）对坯体强度具有一定的改善作用 [7]。因此，实验首先选用分子量为9.14×105的聚丙烯酸钠作为坯体增强剂，探讨其添加量对坯体强度的影响规律，实验结果见图1。
图1表明：加入适量的聚丙烯酸钠，可显著提高坯体干燥强度。当聚丙烯酸钠的添加量由0.1 wt%增加到0.3 wt%时，坯体干燥强度由原来的1.5 MPa分别增加到1.83 MPa和2.41 MPa，强度增幅由21.81%提高到60.6%。随后继续增加至0.5 wt%，坯体干燥强度达到2.44 MPa，强度提高幅度趋于平缓。这是由于未添加聚丙烯酸钠时，坯体原料颗粒间仅存在毛细管力和范德华力，因此坯体强度偏低；而当加入适量的聚丙烯酸钠后，聚丙烯酸钠和水的混合液会包覆在坯体原料颗粒表面，从而在颗粒之间形成新的粘附力，由此，坯体强度得以提升。但当其添加量超过0.3 wt%后，由于坯体原料颗粒表面存在较多的聚丙烯酸钠和水的混合液，由此导致颗粒间距增大，引起颗粒间毛细管力和范德华力减弱，坯体强度增幅减缓。因此，聚丙烯酸钠的较佳加入量为0.3 wt%。
3.2羧甲基纤维素钠对坯体强度的影响
在陶瓷生产中，羧甲基纤维素钠（CMC）也有利于坯体增强 [8]。由此，实验在坯体配方中加入0.1 ～ 0.5 wt%的羧甲基纤维素钠，探究相应的坯体强度变化规律，实验结果见图2。
图2表明：羧甲基纤维素钠的添加，可较大幅度地提高坯体强度。添加0.1 wt%羧甲基纤维素钠，坯体强度增幅为12.1%；当其添加量达到0.2 wt%时，强度增幅可达33.3%，当继续增大添加量时，坯体强度增幅减弱。其作用机理与聚丙烯酸钠类似，羧甲基纤维素钠也会包覆在原料颗粒表面，增加坯体内部粘附力，进而改善坯体强度。但当添加较多的羧甲基纤维素钠时，会引起坯体烧成收缩增大，同时引发其他缺陷等。结合实验结果可知，羧甲基纤维素钠的较佳加入量为0.2 wt%。
3.3膨润土对坯体强度的影响
膨润土具有良好的湿压强度和可塑性，在陶瓷行业中，作为坯体增强剂被广泛使用。本实验通过加入膨润土，研究其对坯体干燥强度的作用規律，实验结果见图3。
图3表明，膨润土的添加，较明显地提高了坯体干燥强度。当添加2 wt%膨润土时，坯体干燥强度增幅达到22%，随着添加量的继续增加，坯体干燥强度提高幅度减慢。究其原因，可解释为：由于具有优良的可塑性，膨润土添加到坯体中，坯体可塑性得以改善，进而提高坯体结合力，并促使坯体干燥强度得到增加。但本实验结果也表明，其坯体增强能力范围有限，膨润土的最佳添加量为2 wt%。
3.4复合添加剂对坯体强度的影响
结合上述实验结果，实验在坯体配方中添加2 wt%膨润土的基础上，采用聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠组成复合添加剂，考察相应的坯体强度变化规律。复合添加剂配方组成见表2，坯体强度结果见图4。
图4表明：在坯体中，引入0.1～0.5 wt%复合添加剂，坯体干燥强度均得到明显改善；特别是，相对于其他复合添加剂，以5#复合添加剂对坯体干燥强度的增强效果最为明显。添加0.3 wt%的5#复合添加剂，坯体干燥强度提升幅度高达110.5%。
上述结果表明，相对于采用单一添加剂（如：聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠和膨润土等），复合添加剂的坯体增强效果更佳。这是由于采用聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠作为复合添加剂时，聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠会同时包覆在原料颗粒表面，增加坯体内部粘附力；同时，由于聚丙烯酸钠具有长分子链，其会与三聚磷酸钠形成紧凑的网状骨架，在固化过程中，会阻止水分子對氢键的破坏作用，从而提高坯体强度 [9]。在此基础上，再加上膨润土的坯体增强作用，使坯体干燥强度得到大幅度改善。因此，复合添加剂的增强效果优于单一添加剂的增强效果。
4 结论
添加不同的坯体增强剂均有利于提高以稀土尾砂为原料制备的陶瓷坯体干燥强度，而复合添加剂的坯体增强作用优于单一添加剂。采用单一的聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠或膨润土作为添加剂，可使坯体干燥强度产生不同幅度的增加；而采用2 wt%膨润土、三聚磷酸钠和聚丙烯酸钠配比为3：1的复合添加剂，添加量为0.3 wt%时，坯体强度增加110.5%，坯体增强效果最明显。
参考文献
[1] 刘昆， 周健儿， 汪永清， 等. 南方稀土尾砂制备低温烧结玻化砖变形缺陷的研究[J]. 陶瓷学报， 2015， 36（6）：628-633.
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