我国建筑陶瓷行业减水剂使用现状及其解胶原理

我国建筑陶瓷行业减水剂使用现状及其解胶原理作者：胡飞熊伟付梦乾来源：《佛山陶瓷》2013年第02期摘要：本文介绍了我国建筑陶瓷行业常规使用的无机减水剂、有机减水剂、聚合减水剂及其复配产品，阐述并总结了陶瓷减水剂对粘土一水系统的解胶作用，如离子水化效应、离子络合效应、静电斥力效应、静电稳定效应、空间位阻效应、润湿润滑效应、表面活性效应等。

为选择和研发陶瓷减水剂提供了思路。

关键词：陶瓷减水剂；静电作用；空间位阻；润湿润滑；表面活性1 陶瓷减水剂的作用陶瓷是以粘土等无机非金属矿物为原料，经过配料加水后球磨成泥浆，再经过喷雾干燥、压制成形、高温煅烧而制成的产品。

喷雾干燥制造出的粉料要具有良好的流动性，压制的坯体强度要高，适合流水线生产的要求。

人塔时泥浆平均含水率约为33%～38%，粉料产品离塔时平均含水率约为7%。

水分在泥浆制造过程中主要具有使物料粒子均匀分散、溶解电解质、使泥浆有流动性等作用。

陶瓷产业的高能耗主要体现在排水过程。

而其总能耗的80%以上用于干燥和烧成。

因此，泥浆中的水分应在满足lT艺要求的前提下越少越好。

陶瓷工业中通常使用陶瓷减水剂，又称为陶瓷解凝剂、陶瓷稀释剂。

通过粘土一水系统的ζ电位（电动电位），改善浆料的流动性，用于造泥、磨浆、制釉等工艺过程能使泥浆釉料含水量低的同时具有良好流动性、稳定性和操作性。

坯体中水分含量越低，干燥和烧成所需的时间越少，消耗能量越少，柱塞泵和球磨机的生产效率越高，陶瓷产品生产的成本越低。

在喷雾干燥过程中，泥浆含水量降低，促使干燥时能耗减小，并增加粉料输出量。

降低泥浆中的含水量1%，粉料输出率可增加5%：降低3%～5%时，可节约8～10kg/T粉料阎。

具有表面活性的减水剂。

还可以在泥浆中颗粒问起到润滑助磨作用，提高球磨效率，达到节能的目的。

随着陶瓷工业的发展，陶瓷减水剂也在不断发展，主要体现在以下三个方面：一是适应范围更加广阔；二是功能更加齐全；三是产品的科技含量不断提高，与精细化工、纳米科技相结合。

2 我国陶瓷行业减水剂的现状我国陶瓷行业现有的陶瓷减水剂大致可以分为无机、有机、聚合和复合减水剂四类。

其中常用的陶瓷减水剂主要是无机减水剂，一般为含有钠离子的无机盐。

如：氯化钠、水玻璃、偏硅酸钠、碳酸钠、硅酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠等。

无机减水剂对改善泥浆的性能起到了一定的作用，但无机减水剂由于受分子结构、相对分子质量等因素的影响，其减水效果不佳，解胶范围窄，一般加入量大于0.5%时，才能获得较好的流动性，但加入量超过0.5%时，又会造成产品的流动性下降，影响浆料性能。

世界陶瓷生产发达国家，如德国Zsehimmer&Sehwarz公司、Basf公司、意大利Lamberti公司等，均十分注重新型减水剂的开发和应用，传统减水剂现已基本淘汰使用，如水玻璃等。

有机减水剂主要是低分子有机电解质类分散剂和表面活性剂分散剂，前者主要有柠檬酸钠、腐植酸钠、乙二胺四乙酸钠、亚氨基三乙酸钠、羧乙基乙二胺三乙酸钠等。

后者作为分散剂的多为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂，而阳离子表面活性剂和两性表面活性剂使用较少。

阴离子表面活性剂较多使用的主要有木质素磺酸盐、密胺树脂、羧酸盐、磺酸盐、硫酸盐等。

非离子表面活性剂可分为氧乙烯型、多元醇型和聚醚型类。

有机减水剂一般是与无机减水剂以复合形式加入。

建筑陶瓷企业常用的有机减水剂是腐植酸钠和木质素磺酸盐。

聚合减水剂主要是水溶性高分子，如：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸及其钠盐、轻甲基纤维素等。

在陶瓷浆料中添加的高分子分散剂一般分为两类，一类是聚电解质。

在水中可电离，呈现不同的离子状态，如：聚丙烯酸钠；另一类是非离子型高分子表面活性剂，如：聚乙烯醇。

高分子陶瓷减水剂由于疏水基、亲水基的位置和大小可调，分子结构可呈梳状，又可呈现多支链化，因而对分散微粒表面覆盖及包封效果要比前者强，加之其分散体系更易趋于稳定、流动。

因此，高分子陶瓷减水剂已成为很有前途的一类高效减水剂，但其成本比无机减水剂要高。

复合减水剂一般为有机一无机复合物。

如：腐植酸盐一硅酸盐合成物、磷酸盐一硅酸盐合成物、腐植酸盐一磷酸盐合成物。

通过有效复合，使其中各成份协同作用最佳，从而其减水效果较显著。

无机减水剂与表面活性剂复合，可帮助降低表面活性剂的临界胶束浓度，改善分散效果。

高分子聚合物（如聚丙烯酸钠）一般以单一形式加入，加入量为0.1%～0.5%，与坯料或浆料一起球磨，加入聚丙烯酸钠与加入等量的水玻璃、碱面相比可提高泥浆的流动性、降低泥浆的触变性、增强泥浆的稳定性。

3 陶瓷减水剂的解胶作用静电斥力和空间位阻作用是减水剂对颗粒分散的两种最基本的作用。

空间位阻学说以Mackor熵效应理论为基础，认为空间位阻作用取决于高效减水剂的结构和吸附形态，或者吸附层厚度等。

空间位阻理论认为，减水剂吸附在浆料颗粒表面，形成一层有一定厚度的聚合物分子吸附层，当浆料颗粒相互靠近时，吸附层开始重叠，在浆料颗粒之间就会产生斥力作用，重叠越多，斥力越大，称之为空间位阻斥力。

静电斥力是由于粘土胶团粒子表面吸附电荷形成双电层，在粒子间产生静电斥力，克服粒子间的范德华力，且随着扩散层增厚，粒子问产生的静电斥力增加，泥浆的流动性变好。

基于静电斥力和空间位阻机理，本文分别讨论了不同减水剂对粘土一水系统的解胶作用。

3.1无机减水剂对粘土一水系统的解胶作用常用的无机减水剂是水玻璃、碳酸钠、磷酸盐，水玻璃是用量最大的物质，偏硅酸钠是由水玻璃和烧碱深加工而成的模数不同（nSiO2/nNa2O）的白色粉未状结晶体，按分子内含结晶水的不同，可分为无水、五水、七水、九水偏硅酸钠。

三聚磷酸钠也是常用的无机减水剂，但是价格高。

无机减水剂的用量多，且解胶范围窄。

这是因为无机减水剂的解胶机理主要在于利用静电斥力效应和静电稳定效应。

小分子量、离子带电量高的电解质。

可以提高胶粒表面电势能，增加了双电层斥力势能，使粒子之间的排斥力加大，防止颗粒相互接近。

电解质中阳离子的水化能力：M+>M2+>M3+，而吸附能力则相反，即：M+>M2+>M3+。

因此。

陶瓷行业一般添加含钠电解质，这主要有以下几方面的原因：第一，静电斥力效应。

当电解质加入浆料后，则金属阳离子进入胶团的吸附层离子较少，粘土粒子表面的电荷密度增大，胶体的双电层厚度增加，系统的ζ电位增加，粒子之间排斥力增大，会使泥浆的粘度减小而流动性增加。

第二，离子水化效应。

减水剂中的阳离子Na～置换粘土吸附的Ca2+、Mg2+等离子，不同离子在溶液中水化膜分子数不同，如表1所示。

Na2+水化能力较强，置换后使水化层分子数多的阳离子，如：ca2+、Mg2+等吸附的水释放出来，增加泥浆中自由水的含量，达到减水效果。

但是当减水剂加入到一定量时，钠离子达到一定浓度而使扩散层压缩，ζ电位呈下降趋势，颗粒间斥力减小，泥浆粘度增大。

第三，离子络合效应。

偏硅酸钠所含的硅酸根阴离子，以及三聚磷酸钠中的磷酸根离子能同泥浆中的Caz+、Mg2+生成难溶物，促进Na+的交换作用，使泥浆的粘度减小，流动性增加。

3.2低分子有机减水剂对粘土一水系统的解胶作用建筑陶瓷企业常用的低分子有机减水剂是腐植酸钠。

国产腐植酸钠单独使用时，减水效果最差，一般是与无机减水剂以复合形式加入。

腐植酸是由植物残骸经过微生物的分解和转化，以及化学反应等一系列过程造成和积累起来的一类有机物质。

腐植酸分子是由几个相似的结构单元所组成的复合体，每个结构单元由核、桥键和活性基团所组成，含有酚羟基、羧基、羟基、羟基醌、烯醇基、醌基、半醌基、醌氢基、甲氧基、羰基等。

由于它具有上述基团，所以就决定了HA具有酸性、亲水性、阳离子交换性、络合能力及较高的吸附能力。

陶瓷泥料中加入腐植酸钠后，具有如下作用：（1）流变性变好，屈服应力减少，粘度降低；（2）水化性能变好，沉降稳定性增加：（3）粘土颗粒间的聚集力减弱，分散性能变好：（4）ζ电位绝对值增加，双电层变厚。

腐植酸钠的解胶机理主要有以下三个方面：第一，润湿润滑效应。

在未加腐植酸钠的悬浮液中，细管状的晶粒互相缔合成网状结构，加入腐植酸钠后，这种网状结构基本被拆散，导致粘土聚集体分散得很细，多余的自由水被释放出来。

这样粘土间的距离虽然近了，但像涂了一层润滑油一样，自由移动能力增强了，塑性流动性增强，颗粒越细胶体稳定性越好，粘度越低，在失去自由水后，泥团的塑性越好。

第二，空间位阻效应。

腐植酸钠与粘土颗粒的作用主要是化学吸附，腐植酸中的部分COO-阴离子首先被吸附于正电性的粘土颗粒边缘上或与边缘上的多价阳离子结合，腐植酸中的另一部分COO-阴离子与溶液中的Na+离子构成双电层，粘土外围的双电层增厚，有效的增加了胶体的稳定性，降低了粘度。

第三，离子络合效应。

腐植酸钠的阴离子能与粘土颗粒上的絮凝离子（Ca2+、Mg2+）作用生成难溶的盐或稳定的结合物，则有利于阳离子的交换，有利于发挥Na2+作用。

除此之外，在粉碎泥料的球磨加工过程中，腐植酸钠可自动地渗入到泥料颗粒的微细裂缝中，起劈裂作用。

在球磨机旋转的外力作用和球石的打击作用下，其裂缝变大，或将其分解成更小的颗粒，提高球磨效率。

某些低分子有机物，如：木质素磺酸盐，特别是钙盐的加入，泥浆流动性变差、厚化系数增大、触变性增大。

使固体颗粒间吸引力加大，系统稳定性变差。

3.3聚合减水剂对粘土—水系统的解胶作用聚合减水剂能使泥浆具有良好的流动性，在较低的温度下，减水剂的加入量不需要很大。

它具有强度高、解胶范围宽、减水效率高等优点，有广泛的应用前景和显著的经济效益，但成本比前两者减水剂要高得多。

德国Zschimmer&Schwarz公司的PC-67减水剂在佛山不少厂家试验表明，当加入量为0.1%～0.2%时，其料浆流动性便会有明显地改善。

目前，建筑陶瓷企业对聚合减水剂的研发和使用较少。

聚羧酸盐减水剂加入泥浆后，泥浆表面电位绝对值增大，导致静电排斥力增大，其主要的解胶作用如下：第一，静电稳定作用。

聚羧酸盐卷曲链状，长度在100～800um，而一般粘土胶体粒子长度在0.1～1.0um之间。

当聚羧酸盐用量较少时，一个聚羧酸盐长链上粘着较多的分散在水中的陶瓷坯体胶粒，引起重力沉降而聚沉，使泥浆粘度增大，降低聚羧酸盐分子链的长度（相对分子质量小、粘度小），则这种重力加和作用较弱。

而当聚羧酸盐加入量增加时，线型分子会在水溶液中形成网络结构，其本身的骨架结构阻碍相邻粒子通过布朗运动靠近，减弱粒子间的吸引，从而达到分散和提高泥浆流动性、稳定性的作用。

第二，空间位阻效应。

聚合减水剂的阴离子在水中是以多个阴离子的缔合形式存在的，因其结构特征很容易被粘土颗粒上吸附的阳离子通过静电引力相结合，聚合减水剂吸附于质点表面，亲水基向里，憎水基向外，借助于亲水基团和水分子中氢键的缔合，使颗粒间形成一层稳定的溶剂化水膜，降低粘土一水体系界面能，提高分散体系的热力学稳定性，有利于分散粒子聚集体。