汪永清+胡學(xué)兵+高穎+羅民華

摘 要：采用外加坯體增強(qiáng)劑的方法，提高以稀土尾砂為原料制備的陶瓷坯體強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)探究了聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、膨潤土及其復(fù)合添加劑的添加量對(duì)坯體強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：添加0.3 wt%聚丙烯酸鈉，可使坯體干燥強(qiáng)度增強(qiáng)60.6%；添加0.2 wt%羧甲基纖維素鈉，坯體的干燥強(qiáng)度增加33.3%；添加2 wt%膨潤土，坯體干燥強(qiáng)度增加22%；而添加2 wt%膨潤土、0.3 wt%復(fù)合添加劑（三聚磷酸鈉和聚丙烯酸鈉配比為3：1），坯體強(qiáng)度可增加110.5%。本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可為陶瓷生坯強(qiáng)度的增強(qiáng)提供技術(shù)手段，也有利于促進(jìn)稀土尾砂的再利用。

關(guān)健詞：稀土尾砂；陶瓷坯體；添加劑；干燥強(qiáng)度

1 前言

我國稀土資源儲(chǔ)量豐富，但品位偏低，每開采1噸稀土產(chǎn)品將產(chǎn)生約1800噸左右的尾砂，這對(duì)當(dāng)?shù)匾约案浇鼌^(qū)域的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[1， 2]。當(dāng)前，通過技術(shù)創(chuàng)新，將稀土尾砂加以開發(fā)利用、變廢為寶，具有十分重要的意義。

就稀土工業(yè)而言，雖然稀土尾砂是一種廢料，但由于其組成中含有大量的硅酸鹽類礦物，從而使得其在陶瓷生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)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，如果將其直接大量使用，會(huì)使得相應(yīng)的生坯強(qiáng)度偏低。而在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中，生坯強(qiáng)度直接影響著后續(xù)的成形、修坯、施釉、運(yùn)輸及燒成等工序，它對(duì)產(chǎn)品的成品率及質(zhì)量有著重要的影響 [5]。因此，亟需采用技術(shù)手段，提高陶瓷生坯強(qiáng)度。目前，在陶瓷漿料中外加增強(qiáng)劑以提高坯體強(qiáng)度，是陶瓷生產(chǎn)過程中，常見且行之有效的方法之一 [6]。

由此，本實(shí)驗(yàn)采用贛南稀土尾砂為原料，制備陶瓷生坯。為提高該坯體強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)考察了聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、膨潤土及其復(fù)合添加劑對(duì)陶瓷坯體強(qiáng)度的影響規(guī)律。通過優(yōu)化其添加配比，獲得了具有較高生坯干燥強(qiáng)度的陶瓷坯體，形成了新型有效的陶瓷坯體增強(qiáng)技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果對(duì)于拓寬稀土尾砂在陶瓷生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，緩解稀土礦區(qū)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)壓力，具有重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原料

采用贛南稀土尾砂制備陶瓷生坯，尾砂化學(xué)成分列于表1。采用聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、膨潤土及其復(fù)合劑作為提高生坯強(qiáng)度的增強(qiáng)劑。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

將適量的水加入稀土尾砂中，球磨20 min，然后加入增強(qiáng)劑，繼續(xù)混磨5 min。再將球磨后的料漿干燥，得到的原料經(jīng)30目篩網(wǎng)造粒后，陳腐24 h，再在15 MPa下壓制成形，最后將樣品在100 ℃下干燥6 h。

2.3測(cè)試表征

采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定生坯試樣干燥強(qiáng)度，測(cè)試設(shè)備為西安力創(chuàng)材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WDW-10型多功能材料試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸為50 mm × 15 mm × 10 mm。

3 結(jié)果分析與討論

3.1聚丙烯酸鈉添加量對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

在陶瓷生產(chǎn)中，適量的聚丙烯酸鈉（中等分子量）對(duì)坯體強(qiáng)度具有一定的改善作用 [7]。因此，實(shí)驗(yàn)首先選用分子量為9.14×105的聚丙烯酸鈉作為坯體增強(qiáng)劑，探討其添加量對(duì)坯體強(qiáng)度的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1表明：加入適量的聚丙烯酸鈉，可顯著提高坯體干燥強(qiáng)度。當(dāng)聚丙烯酸鈉的添加量由0.1 wt%增加到0.3 wt%時(shí)，坯體干燥強(qiáng)度由原來的1.5 MPa分別增加到1.83 MPa和2.41 MPa，強(qiáng)度增幅由21.81%提高到60.6%。隨后繼續(xù)增加至0.5 wt%，坯體干燥強(qiáng)度達(dá)到2.44 MPa，強(qiáng)度提高幅度趨于平緩。這是由于未添加聚丙烯酸鈉時(shí)，坯體原料顆粒間僅存在毛細(xì)管力和范德華力，因此坯體強(qiáng)度偏低；而當(dāng)加入適量的聚丙烯酸鈉后，聚丙烯酸鈉和水的混合液會(huì)包覆在坯體原料顆粒表面，從而在顆粒之間形成新的粘附力，由此，坯體強(qiáng)度得以提升。但當(dāng)其添加量超過0.3 wt%后，由于坯體原料顆粒表面存在較多的聚丙烯酸鈉和水的混合液，由此導(dǎo)致顆粒間距增大，引起顆粒間毛細(xì)管力和范德華力減弱，坯體強(qiáng)度增幅減緩。因此，聚丙烯酸鈉的較佳加入量為0.3 wt%。

3.2羧甲基纖維素鈉對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

在陶瓷生產(chǎn)中，羧甲基纖維素鈉（CMC）也有利于坯體增強(qiáng) [8]。由此，實(shí)驗(yàn)在坯體配方中加入0.1 ～ 0.5 wt%的羧甲基纖維素鈉，探究相應(yīng)的坯體強(qiáng)度變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2表明：羧甲基纖維素鈉的添加，可較大幅度地提高坯體強(qiáng)度。添加0.1 wt%羧甲基纖維素鈉，坯體強(qiáng)度增幅為12.1%；當(dāng)其添加量達(dá)到0.2 wt%時(shí)，強(qiáng)度增幅可達(dá)33.3%，當(dāng)繼續(xù)增大添加量時(shí)，坯體強(qiáng)度增幅減弱。其作用機(jī)理與聚丙烯酸鈉類似，羧甲基纖維素鈉也會(huì)包覆在原料顆粒表面，增加坯體內(nèi)部粘附力，進(jìn)而改善坯體強(qiáng)度。但當(dāng)添加較多的羧甲基纖維素鈉時(shí)，會(huì)引起坯體燒成收縮增大，同時(shí)引發(fā)其他缺陷等。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，羧甲基纖維素鈉的較佳加入量為0.2 wt%。

3.3膨潤土對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

膨潤土具有良好的濕壓強(qiáng)度和可塑性，在陶瓷行業(yè)中，作為坯體增強(qiáng)劑被廣泛使用。本實(shí)驗(yàn)通過加入膨潤土，研究其對(duì)坯體干燥強(qiáng)度的作用規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3表明，膨潤土的添加，較明顯地提高了坯體干燥強(qiáng)度。當(dāng)添加2 wt%膨潤土?xí)r，坯體干燥強(qiáng)度增幅達(dá)到22%，隨著添加量的繼續(xù)增加，坯體干燥強(qiáng)度提高幅度減慢。究其原因，可解釋為：由于具有優(yōu)良的可塑性，膨潤土添加到坯體中，坯體可塑性得以改善，進(jìn)而提高坯體結(jié)合力，并促使坯體干燥強(qiáng)度得到增加。但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，其坯體增強(qiáng)能力范圍有限，膨潤土的最佳添加量為2 wt%。

3.4復(fù)合添加劑對(duì)坯體強(qiáng)度的影響

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)在坯體配方中添加2 wt%膨潤土的基礎(chǔ)上，采用聚丙烯酸鈉和三聚磷酸鈉組成復(fù)合添加劑，考察相應(yīng)的坯體強(qiáng)度變化規(guī)律。復(fù)合添加劑配方組成見表2，坯體強(qiáng)度結(jié)果見圖4。endprint

圖4表明：在坯體中，引入0.1～0.5 wt%復(fù)合添加劑，坯體干燥強(qiáng)度均得到明顯改善；特別是，相對(duì)于其他復(fù)合添加劑，以5#復(fù)合添加劑對(duì)坯體干燥強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最為明顯。添加0.3 wt%的5#復(fù)合添加劑，坯體干燥強(qiáng)度提升幅度高達(dá)110.5%。

上述結(jié)果表明，相對(duì)于采用單一添加劑（如：聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉和膨潤土等），復(fù)合添加劑的坯體增強(qiáng)效果更佳。這是由于采用聚丙烯酸鈉和三聚磷酸鈉作為復(fù)合添加劑時(shí)，聚丙烯酸鈉和三聚磷酸鈉會(huì)同時(shí)包覆在原料顆粒表面，增加坯體內(nèi)部粘附力；同時(shí)，由于聚丙烯酸鈉具有長分子鏈，其會(huì)與三聚磷酸鈉形成緊湊的網(wǎng)狀骨架，在固化過程中，會(huì)阻止水分子對(duì)氫鍵的破壞作用，從而提高坯體強(qiáng)度 [9]。在此基礎(chǔ)上，再加上膨潤土的坯體增強(qiáng)作用，使坯體干燥強(qiáng)度得到大幅度改善。因此，復(fù)合添加劑的增強(qiáng)效果優(yōu)于單一添加劑的增強(qiáng)效果。

4 結(jié)論

添加不同的坯體增強(qiáng)劑均有利于提高以稀土尾砂為原料制備的陶瓷坯體干燥強(qiáng)度，而復(fù)合添加劑的坯體增強(qiáng)作用優(yōu)于單一添加劑。采用單一的聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉或膨潤土作為添加劑，可使坯體干燥強(qiáng)度產(chǎn)生不同幅度的增加；而采用2 wt%膨潤土、三聚磷酸鈉和聚丙烯酸鈉配比為3：1的復(fù)合添加劑，添加量為0.3 wt%時(shí)，坯體強(qiáng)度增加110.5%，坯體增強(qiáng)效果最明顯。

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