在目前的陶瓷生产中,由于生坯体强度不足,缺边掉角现象比较严重,降低了成品率。坯料的制备是一个非常重要的环节,它直接影响到成形、修坯、上光、运输、烧成等工序。坯体干燥强度是一个重要指标,对产品的产量和质量有着重要的影响。由于当地原材料的限制,中国许多工厂,尤其是中国南部的坯料中粘土的可塑性较差。同时,由于工艺的限制,坯体的干燥强度较差,即使增大成型压力,也难以满足要求。在生产中,特别是国外先进的陶瓷生产厂家,加入强体剂是解决上述问题的有效途径。
二.坯体增强剂及其增强机理
1、坯体增强剂及其分类
坯体增强剂是指用于增强、增塑陶瓷坯体的物料。增强剂一般为有机高分子聚合物,加入后对陶瓷生产工艺各环节无不良影响,并具有良好的烧成特征。常见的坯体增强剂有变性淀粉、甲基纤维素、聚乙烯醇及丙烯酸聚合物、海藻酸钠、糊精、栲胶等。市面上商品坯体增强剂有粉体和液体两种,前者易于包装运输但易吸潮结团,后者则易于在陶瓷浆料中分散,使用更为方便,并能对浆料起到悬浮稳定作用,即使加入量高达5%也不会使料浆稠化,而且不影响浆料的流动性。
2、坯体增强剂的增强机理
坯体增强剂的增强机理大致可概括为有机高分子链增强、氢键增强、粘合增强、静电力增强和纤维增韧。
3、有机高分子链增强
在没有增强剂时,陶瓷坯体颗粒之间的结合是依靠范德华力,在加入了坯体增强剂之后,陶瓷坯体颗粒之间的结合机制则取决于增强剂分子的结构。对于有机高分子类的增强剂,具有足够链长的高分子聚合物可以在陶瓷颗粒之间架桥,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,如图1所示。坯体断裂前,施加于坯体上的一部分载荷由增强剂分子长链承担,而且由于其分子链中具有许多可以内旋转的单键驯,这种内旋转的单键使得高分子链具有较强的柔性和弹性,因而能增加坯体强度。
4、氢键增强
在坯体阶段,陶瓷颗粒之间还存在少量水分,故颗粒之间还有毛细管力。毛细管力的存在使得颗粒扩散层产生张紧力,从而将颗粒拉近。当成形压力越大,颗粒之间的距离越近,毛细管力越大,则颗粒结合力越强,坯体强度越大。增强剂存在时,除了上述的范德华力和毛细管力作用之外由于颗粒表面被高分子材料包裹,还会使颗粒之间借助于高分子而产生氢键作用,因而大大增加了坯体强度,如图2所示。氢键作用强弱取决于增强剂的分子链表面电荷密度,电荷密度越大,作用力越强。
5、粘合增强
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链合,把两个颗粒更加紧密的粘合在一起。从而在生坯成型时,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,最终使经过处理后的生坯强度提高。
6、静电力增强
粘土颗粒往往形成片状结构,从结晶学和硅酸盐理论观点可知,板面常带负电,四周棱边常带正电,由于片状厚度很薄,粒度的磨细往往是板面面积的减少,棱边变化不大,颗粒成多棱角状负电荷作用减弱,相对的止电荷作用增强。在压型过程中,颗粒以边.棱连接为主导,而边.边、棱一棱连接很少,因而带负电荷的边与带正电荷棱由于静电引力作用而相互凝聚起来,随着压型力增加,颗粒问空隙减少,颗粒间距进一步缩小,颗粒接触数目逐渐增多,静电引力再度增加,从而使坯体具有一定的强度。
7、纤维增韧
SiC纤维具有高强度模量,高温耐氧化性能,且高温下强度、模量损失又少的特点。Brennar等用连续微晶SiC纤维来补强玻璃陶瓷,与单一玻璃陶瓷相比,强度提高了4倍。Rice也有研究报道,用SiC纤维补强Zn02时强度可达450Mpa。