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
时间：2021-01-06 16:03:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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。
