高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂的研制与应用
摘要：笔者设计、合成和配制出一种由改性腐植酸、聚羧酸钠和无机盐组成的高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂。通过实验和工厂的生产结果表明，所研制的减水助磨剂可使球磨时间减少25%，浆料含水率低于31%，节能*。
1引言
目前我国墙地砖生产通常采用湿法工艺，即陶瓷原料先球磨成泥浆，再喷雾干燥成粉料，这个过程所消耗的能量约占生产总能耗的一半，因此，提高原料细磨效率和降低喷雾干燥塔中泥浆含水率对陶瓷厂的节能降耗和生产效率的提高有着重要的现实意义。陶瓷原料的球磨是一个高能耗、低效率的工艺过程，通过调整球磨介质、球磨机内衬和料球水比例等操作可提高球磨效率，但其效果有限，且增加磨材的费用1。许多研究和生产的结果表明，陶瓷浆料制备中外加适量化学添加剂能有效改善矿物颗粒的表面性质，获得流变性好、分散均匀、固含量高且稳定的浆料，因此能大幅减少球磨和料浆喷雾干燥的能耗2345。本研究设计、合成和配制出一种低成本高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂，通过实验和工厂应用结果表明，该陶瓷助剂减水和助磨*。
2实验部分
2.1主要原料
本研究所用泥料为闽清某陶瓷公司生产用的粘土，60目;改性腐植酸钠和低成本聚羧酸类高聚物均由闽清金石陶瓷化工有限公司提供;偏硅酸钠和三聚磷酸钠均为市售品，工业一级。
2.2减水率的测定
将80g的水和不同量的减水助磨剂加入到100g的粘土中，用高速研磨机研磨10min后，用涂-4杯测泥浆的流动时间，以泥浆流动时间减少的幅度来确定复合减水助磨剂的减水效果。
2.3减水助磨剂的生产应用
高分子型陶瓷浆料减水助磨剂的作用效果的测定在闽清某陶瓷公司的25吨球磨机上进行，不改变生产中磨料的配方，按表1设计的方案改变球磨时间和加水量，研磨后用重量法在110℃下烘干测定泥浆的含水率和过200目筛的筛余量。
3结果与讨论
3.1高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂的设计
陶瓷原料的主要成份为石英、长石、高岭土、绢云母等，高岭土等粘土矿物颗粒属于胶粒范畴，具有胶体的一般特性，而石英等瘠性原料不属于胶粒范畴。在未加入化学添加剂的浆料中，自由水吸附在粘土颗粒表面，需加大量水稀释来使浆料具有流动性，这样磨球才能通过有效冲击、挤压等作用使矿物颗粒磨细。外加化学添加剂还能起到降低矿物颗粒表面自由能与硬度以及稳定分散的作用。因此所设计的泥浆减水助磨剂应具有优良的使矿物颗粒自由水脱附、降低矿物颗粒表面自由能及硬度和使矿物颗粒分散的功能。
国内陶瓷生产中一般使用水玻璃、碳酸钠、三聚磷酸钠、腐植酸钠等传统减水剂，其主要能起到使矿物颗粒自由水脱附的作用，添加量较大，但作用效果差，不过价格偏低。*陶瓷生产工艺中基本不使用单一组分的化学添加剂，一般使用聚羧酸类高聚物为主的复合陶瓷浆料助剂。这种复合陶瓷浆料助剂具有上述的多种功能，但其价格高，目前国内还主要用于特种陶瓷等陶瓷的生产中。为了研制低成本多功能的陶瓷浆料助剂，本研究首先对天然高聚物的腐植酸进行了低成本改性，将更多的亲水基团引入腐植酸分子中，大幅提高其取代矿物颗粒表面吸附的自由水和分散矿物颗粒的能力。其次设计了负电荷密度和空间位阻大的聚羧酸类高聚物，选用多种性价比高的单体，并改进了合成工艺，使聚羧酸类高聚物的生产成本降低一半以上。zui后比较了无机盐减水剂在陶瓷浆料生产中的性价比，选择低成本的无机盐与改性腐植酸、聚羧酸类高聚物进行复配，进一步降低了高分子型复合陶瓷泥浆减水助磨剂的成本。
3.2高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂的减水作用
如下图比较了偏硅酸钠、三聚磷酸钠和复合减水助磨剂对浆料粘度的影响。随用量由0.1%增大至0.3%，三种化学添加剂都使浆料的流动时间减小，即浆料的粘度减小，但降幅大不相同。0.2%的复合减水助磨剂的添加使浆料的流动时间减为18.7s，而相同用量的偏硅酸钠或三聚磷酸钠，其浆料的流动时间分别为40.6s和24.6s，表明复合减水助磨剂的减水效果远大于偏硅酸钠。当化学添加剂的用量超过0.3%后，添加偏硅酸钠或三聚磷酸钠的浆料其流动时间反而增加，而添加复合减水助磨剂的浆料的流动时间变化较小。这是由于泥浆中钠离子浓度随偏硅酸钠和三聚磷酸钠用量增加而增大，浆料胶粒的双电层厚度变小，产生凝聚，从而使浆料粘度变大。而复合减水助磨剂主要由高聚物组成，它的作用机理与偏硅酸钠和三聚磷酸钠不同，主要通过其在泥浆胶粒表面的吸附、静电斥力和空间位阻作用使泥浆分散，从而使粘度减小。上述实验结果表明，复合减水助磨剂的减水、分散作用比传统的偏硅酸钠、三聚磷酸钠大，且其适用用量范围更大，便于生产操作。
3.3高分子型复合减水助磨剂的生产应用
复合减水助磨剂的作用效果测定在闽清某陶瓷公司的25吨球磨机上进行，结果如表1所示。当磨料与水的质量比为25∶14.6时，添加0.35%的复合减水助磨剂，研磨9h后，浆料的细度达到9%，其含水率为33%;而用相同用量的偏硅酸钠需研磨12h才能使浆料的细度达到9%，且其含水率为35%。将磨料与水的质量比改为25:13.3时，用0.40%的复合减水助磨剂研磨10h可使浆料的细度达到9%，且其含水率减少为31%。这些生产应用的结果表明，所研制的复合陶瓷泥浆减水助磨剂具有非常显著的减水、助磨效果。
3.4高分子型复合减水助磨剂的经济效益分析
由表2的经济效益分析可知，复合减水助磨剂的使用在节能、提高生产效率和降低生产成本方面具有显著的效益。在磨料与水的质量比相同时，使用复合减水助磨剂的研磨时间是9h，比使用偏硅酸钠减少3h，每次球磨机用电量降低了225kwh，生产成本减少了108.7元，同时研磨时间的减少也减少了磨球的损耗。
对于喷雾干燥料，含水量的降低使干燥时的能耗减小，并相应增加粉料输出量。据文献报道，降低泥浆中含水量的1%，粉料输出率可增加5%。本研究中泥浆含水量zui高减少了4个百分点，即加水量减少了1300kg，后续的浆料喷雾干燥中可减少蒸发这些水分的能耗。
此外泥浆含水量的降低对注浆料也十分重要。注浆泥料中低的含水量可降低坯体的收缩，减小石膏模的吸水量，缩短模型的干燥时间，提高生产效率。
4结论
（1）高分子型复合减水助磨剂的减水、分散作用比偏硅酸钠和三聚磷酸钠大，且其适用用量范围大，便于生产操作。
（2）工厂生产结果表明，复合减水助磨剂的使用可使球磨时间减少25%，泥浆含水率低于31%。
（文章来源：深圳市莱纳克科技有限公司）
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2实验部分
2.1主要原料
本研究所用泥料为闽清某陶瓷公司生产用的粘土，60目;改性腐植酸钠和低成本聚羧酸类高聚物均由闽清金石陶瓷化工有限公司提供;偏硅酸钠和三聚磷酸钠均为市售品，工业一级。
2.2减水率的测定
将80g的水和不同量的减水助磨剂加入到100g的粘土中，用高速研磨机研磨10min后，用涂-4杯测泥浆的流动时间，以泥浆流动时间减少的幅度来确定复合减水助磨剂的减水效果。
2.3减水助磨剂的生产应用
高分子型陶瓷浆料减水助磨剂的作用效果的测定在闽清某陶瓷公司的25吨球磨机上进行，不改变生产中磨料的配方，按表1设计的方案改变球磨时间和加水量，研磨后用重量法在110℃下烘干测定泥浆的含水率和过200目筛的筛余量。
3结果与讨论
3.1高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂的设计
陶瓷原料的主要成份为石英、长石、高岭土、绢云母等，高岭土等粘土矿物颗粒属于胶粒范畴，具有胶体的一般特性，而石英等瘠性原料不属于胶粒范畴。在未加入化学添加剂的浆料中，自由水吸附在粘土颗粒表面，需加大量水稀释来使浆料具有流动性，这样磨球才能通过有效冲击、挤压等作用使矿物颗粒磨细。外加化学添加剂还能起到降低矿物颗粒表面自由能与硬度以及稳定分散的作用。因此所设计的泥浆减水助磨剂应具有优良的使矿物颗粒自由水脱附、降低矿物颗粒表面自由能及硬度和使矿物颗粒分散的功能。
国内陶瓷生产中一般使用水玻璃、碳酸钠、三聚磷酸钠、腐植酸钠等传统减水剂，其主要能起到使矿物颗粒自由水脱附的作用，添加量较大，但作用效果差，不过价格偏低。*陶瓷生产工艺中基本不使用单一组分的化学添加剂，一般使用聚羧酸类高聚物为主的复合陶瓷浆料助剂。这种复合陶瓷浆料助剂具有上述的多种功能，但其价格高，目前国内还主要用于特种陶瓷等陶瓷的生产中。为了研制低成本多功能的陶瓷浆料助剂，本研究首先对天然高聚物的腐植酸进行了低成本改性，将更多的亲水基团引入腐植酸分子中，大幅提高其取代矿物颗粒表面吸附的自由水和分散矿物颗粒的能力。其次设计了负电荷密度和空间位阻大的聚羧酸类高聚物，选用多种性价比高的单体，并改进了合成工艺，使聚羧酸类高聚物的生产成本降低一半以上。zui后比较了无机盐减水剂在陶瓷浆料生产中的性价比，选择低成本的无机盐与改性腐植酸、聚羧酸类高聚物进行复配，进一步降低了高分子型复合陶瓷泥浆减水助磨剂的成本。
3.2高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂的减水作用
如下图比较了偏硅酸钠、三聚磷酸钠和复合减水助磨剂对浆料粘度的影响。随用量由0.1%增大至0.3%，三种化学添加剂都使浆料的流动时间减小，即浆料的粘度减小，但降幅大不相同。0.2%的复合减水助磨剂的添加使浆料的流动时间减为18.7s，而相同用量的偏硅酸钠或三聚磷酸钠，其浆料的流动时间分别为40.6s和24.6s，表明复合减水助磨剂的减水效果远大于偏硅酸钠。当化学添加剂的用量超过0.3%后，添加偏硅酸钠或三聚磷酸钠的浆料其流动时间反而增加，而添加复合减水助磨剂的浆料的流动时间变化较小。这是由于泥浆中钠离子浓度随偏硅酸钠和三聚磷酸钠用量增加而增大，浆料胶粒的双电层厚度变小，产生凝聚，从而使浆料粘度变大。而复合减水助磨剂主要由高聚物组成，它的作用机理与偏硅酸钠和三聚磷酸钠不同，主要通过其在泥浆胶粒表面的吸附、静电斥力和空间位阻作用使泥浆分散，从而使粘度减小。上述实验结果表明，复合减水助磨剂的减水、分散作用比传统的偏硅酸钠、三聚磷酸钠大，且其适用用量范围更大，便于生产操作。
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3.4高分子型复合减水助磨剂的经济效益分析
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对于喷雾干燥料，含水量的降低使干燥时的能耗减小，并相应增加粉料输出量。据文献报道，降低泥浆中含水量的1%，粉料输出率可增加5%。本研究中泥浆含水量zui高减少了4个百分点，即加水量减少了1300kg，后续的浆料喷雾干燥中可减少蒸发这些水分的能耗。
此外泥浆含水量的降低对注浆料也十分重要。注浆泥料中低的含水量可降低坯体的收缩，减小石膏模的吸水量，缩短模型的干燥时间，提高生产效率。
4结论
（1）高分子型复合减水助磨剂的减水、分散作用比偏硅酸钠和三聚磷酸钠大，且其适用用量范围大，便于生产操作。
（2）工厂生产结果表明，复合减水助磨剂的使用可使球磨时间减少25%，泥浆含水率低于31%。
（文章来源：深圳市莱纳克科技有限公司）
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