新型坯体增强剂的应用
欧赞彬 毛元信
摘 要：本文主要研究了新型坯体增强剂的应用及其作用机理，并横向对比了市面上有代表性的坯体添加剂。实践证明，新型合成的添加剂可以有针对性解决陶瓷生产中的问题。
关键词：新型；坯体增强剂；墙地砖；应用
1 前言
近年来，由于原料、人力成本的不断上涨，以及环保要求的不断提高，导致传统方法生产墙地砖的利润率下降，企业的生存压力骤增。如果把墙地砖做薄，不仅可以使原料、能源和排放等大幅度降低，而且还会使建筑负荷降低。因此，大规格超薄砖的研究开发对建筑陶瓷行业的发展具有举足轻重的作用。然而，大规格超薄瓷质砖因其面积大、厚度薄等原因使得在加工与使用过程中还存在不少的技术难题。相对于传统的厚砖而言，新型的薄砖在生坯强度上必然更低，所以新型的坯体增强剂的使用对于制造大规模的超薄砖具有有力的推动作用。
2 一般坯体开裂原因
陶瓷坯体开裂一般在两个阶段容易产生，一是在压机成型时；二是在坯体干燥中。在压机成型模压成型过程中，粉体填进阴模型腔后，在压力的作用下，粉末颗粒之间发生位移，填充孔隙，被迅速压实，坯体的密度也迅速增加。当瘠性原料经初步压制基本密实后，因粘结剂的粘合作用和粉体颗粒之间的啮合作用使得原本分散的粉末结合成一个完整的生坯整体。如果造粒粉受压后，不能很好地传递压力和流动，而是在受压表面处很快被压缩致密，则其封闭了坯体内部的排气通道，使内部气体很难排出。并且随着施加压力的升高，内部气压也随之升高。在坯体被推出模腔后，因失去了外压力，内部高气压就释放，当坯体颗粒间的结合力不足以抵抗气体的压力时，即造成了坯体的开裂。开裂现象严重的坯体，刚出模腔就会开裂。这就要求造粒粉颗粒在模腔中初受压的前期，不应很快破碎。它应保持一定的强度，能够在压力的驱动下，由密度高的地方向密度低的地方流动，使颗粒间保持一定的排气间隙。到一定程度，它就会产生破碎。
坯体干燥开裂的原因为：坯体在干操过程中，随着水分的排出，坯体不断发生收缩，如坯体干燥过快或不均匀，坯体内外层或各部位收缩不一致而产生内应力。当内应力大于塑性状态坯体的屈服值时，就能使坯体发生变形。当内引力超过塑性状态坯体的破裂点或超过弹性状态坯体的强度时，坯体就会发生开裂。
3 增强剂的增强机理
3.1 有机高分子链增强
可用作坯体增强的有机物都是高分子。一般由有机小分子通过一定条件下聚合而成，一般具有链状结构。具有足够链长的高分子聚合物可在陶瓷颗粒之间桥接，产生交联作用而形成不规则网状结构，并形成凝聚，将陶瓷颗粒紧紧包裹。在坯体断裂前，附加于坯体上的一部分载荷由增强剂分子长链承担。同时分子链中具有许多可以内旋转的单键，这种内旋转的单键使得高分子具有较强的柔性和弹性，因而坯体的强度增加较大。
3.2 氢键增强
在不加增强剂的情况下，陶瓷颗粒仅仅依靠范德华力（分子间作用力）结合。 增强剂的加入使颗粒表面被高分子材料包裹（包裹程度视增强剂加入量不同而异）。同时，增强剂上的支链上的极性基团会产生比范德华力大得多的氢键力，使陶瓷颗粒间吸引力更大，结构更紧密。从而砖坯的强度相应变大。
3.3 粘合强度
分子的热运动增加，使包裹在一个颗粒表面的高分子与包裹在另一个颗粒外表面的高分子缠绕或者链合，把两个颗粒更加紧密地粘合在一起。从而在生坯成形时，既有外部对泥料的施加压力，形成颗粒间的机械结合，又有泥料内部的高分子粘合效应，形成三维网状体型结构，最终使经过处理的生坯强度提高。
3.4 静电力
土颗粒往往形成片状结构，板面带负电，四棱边常带正电，由于片状很薄，粒度的磨细往往使板面面积减少，棱边变化不大，颗粒成多棱角状，负电荷作用减弱，相对的正电荷作用增强。在成形过程中，颗粒以面—棱连接为主导，而边—边、棱—棱连接很少。因而带负电荷的面与带正电荷的边，由于静电引力作用而相互凝聚起来，随着成形压力增加，颗粒间空隙减少，颗粒间距离进一步缩小，颗粒接触数目增多，静电引力再度增加，从而使坯体具有一定的强度。
4 实验内容及结果分析
4.1 试剂及原料
本实验所采用的原料及产地为羟甲基纤维素钠（CMC）——山东任丘、膨润土——河北灵寿、聚丙烯酸钠（PAAS）——广东江门、聚乙烯醇（PVA）——中石化、VDT-1——佛山远大、（LC-2、T-20）——上海、某陶瓷公司提供坯体泥浆料。
4.2 实验方法
将某陶瓷公司提供的坯体泥浆料置卧式球磨机内球磨8 h，放浆待用。将球磨好的坯体泥浆加入配比称量的增强剂，球磨3 min，并作空白实验。放浆干燥至水分达到7.5%，造粒、压砖，置于200 ℃烘4 h。然后在PSK电动坯料抗折试验机上测试其强度，并记录数据。
4.3 实验数据及分析
不同增强剂对干坯强度的影响如表1所示。
由表1实验数据可知，高分子类有机增强剂效果与无机类的膨润土相比，增强效果明显。同时，膨润土属于高塑性的泥料，加入量升高，对坯料配方设计存在影响，会对烧成温度造成影响。有机类的增强剂在加入坯体内烧成后一般不会有残留，对坯体的设计不会存在影响。故有机类的添加剂会是生产中的首选。
在增强效果上，合成的聚乙烯醇和聚丙烯酸钠效果比现在大规模使用的甲基要好，但存在加入后流速大，触变较大的问题，是由于前二者的链式结构更紧密，支链端的极性基团更多，电荷更密集，使其产生较强的氢键，吸水性更强，在泥浆中容易吸水，坯体颗粒粘附于溶胀的分子链中。使泥浆难以流动。而甲基其固有的纤维素结构特点，使其比较同意发生腐败变质，在陈腐的过程中不断衰减，失去原有的作用。
现在新型的坯体增强剂相对于传统的增强剂具有一定的解胶效能，并不会对泥浆的流动性产生较大的影响。T-20和VDT-1都只是轻微的增加了泥浆的流速，通过合理的配比，增加减水剂的用量，完全可以达到生产的要求，同时新型的增强剂在增强效果上有明显的优势。VDT-1为新研发的坯体添加剂，是用羟基纤维素与丙烯酸酯的功能性单体共聚合成，其丙烯酸和纤维素支链可以通过桥联，氢键力等形成一定网状结构，其丙烯酸酯的功能性基团形成静电空间稳定机制，达到稳定分散作用。
5 结语
通过上述的分析，单一类的坯体增强剂会存在一定的缺陷，如：泥浆黏度增大，容易发生触变。而通过结构设计的新型增强剂有一定的针对性，可很好地解决黏度、触变和强度之间的平衡。新型的高分子增强剂可以很好取代传统的单一型增强剂，同时，在企业研发大规模超薄砖中提供了一个思路。
