陶瓷添加剂在陶瓷行业中的应用及发展趋势

林立 刘明华

摘 要 本文介绍了常见的陶瓷添加剂的概况、现状及其作用机理，并简述了木质素基陶瓷添加剂与陶土之间的作用机理，分析了其目前在陶瓷行业应用中存在的问题和发展趋势，最后对我国木质素基陶瓷添加剂的研究开发和工业应用提出几点建议。

关键词 陶瓷添加剂；作用机理；木质素

0 概 述

陶瓷添加剂是应用在陶瓷工业中，能满足多项工艺和性能的需求而添加的一类化学添加剂的总称，主要分为有机物质、无机物质及两者的复合物、衍生物等。其在陶瓷生产过程中添加量不大（通常为0.1%～1.0%），但起到的作用却是不可忽视的：其作为过程性添加剂，能够改善工艺流程，提高生产效率；作为功能性添加剂，能够改善陶瓷制品的质量，满足不同使用性能的需要。但陶瓷添加剂的使用也要遵循一定原则。首先要明确陶瓷添加剂所要解决的问题，并要求了解添加剂与陶土原料成分之间以及不同陶瓷添加剂之间的相互作用机理，并根据实际情况来调整添加剂的使用种类及数量来保证生产的节能高效，了解陶瓷添加剂的最佳储存条件及有效范围（温度、pH等）。

目前，国际上主要生产陶瓷添加剂的厂家有德国的司马化工、美国的罗马哈斯公司、意大利的岱德罗斯公司等。相比之下，我国在陶瓷添加剂行业上的起步较晚，故无论是品种还是质量都与国外存在较大的差距，但这几年也迅速发展，开发出更多品种、更好性能的陶瓷专用添加剂。如广东江门赫克力士甲基纤维素、重庆川东化学和宜宾天原集团的三聚磷酸钠，广东佛山的远大制釉公司的产品在国际上也有着一定的知名度。

1 常用陶瓷添加剂

陶瓷添加剂按其功能主要分为减水剂、增强剂、助磨剂、润湿剂、结合剂、除泡剂、防腐剂及干燥剂等，我们将着重介绍最常用的两种陶瓷添加剂：减水剂与增强剂。

1.1.陶瓷减水剂

陶瓷减水剂，又称为陶瓷分散剂、陶瓷稀释剂、陶瓷解胶剂、陶瓷解凝剂。其作用机理是通过水-黏土系统的电动电位来改善浆料的流动性，能使泥浆在含水量较低的情况下保持着良好的流动性、稳定性与操作性等。目前陶瓷生产中常用的减水剂主要分为无机陶瓷减水剂、有机小分子陶瓷减水剂、高分子陶瓷减水剂和复合陶瓷减水剂，一般作用于造泥、磨浆、制釉等工艺流程。其中，市场上常见的陶瓷减水剂如表1所示。

减水剂是一种表面活性剂，含有亲水基团和疏水基团，能够降低水的表面张力（水-气）与界面张力（水-固），其分散机理大致分为四种：静电斥力稳定作用；空间位阻稳定作用；静电位阻作用和稳定作用。陶土颗粒在液体介质中分散后形成的体系是属于胶体，该体系在热力学上很不稳定，颗粒会相互吸引进而发生团聚，而陶瓷添加剂就是通过与陶瓷颗粒表面发生作用而阻止其相互团聚，可以起到防止粒子团聚的作用（见图1），使陶土原料能均匀分散在液体介质中。

2.2陶瓷增强剂

目前在陶瓷生产中，普遍存在着坯体强度较差、易破损的现象，严重地影响了生产，造成了不必要的经济损失，因此提高坯体强度有着极其重要的现实意义。基于此，可以通过加入陶瓷增强剂来弥补其塑性差的缺点，改善陶瓷生坯的强度。陶瓷增强剂能在不影响浆料流动度的前提下，大大增强坯体的强度，提高粉体的结合性能，减少坯体在运输、生产线过程中造成的破损。陶瓷增强剂主要分为有机型、无机型以及复合型，具体见表2所示：

陶瓷增强剂的作用原理是其可在陶瓷颗粒之间架桥，起交联作用，并形成不规则的网状结构，同时颗粒表面被包裹还会使颗粒之间产生氢键而大大增强制品的强度（见图2）。

3 木质素基陶瓷添加剂

3.1简介

木质素磺酸盐是一种阴离子型表面活性剂，拥有良好的吸附与分散性能，应用在陶瓷浆料中能够分解成大分子阴离子和金属阳离子，其中阴离子带负电荷带负电荷的阴离子吸附在陶土颗粒表面会产生一定的静电斥力，从而使陶土颗粒分散开来；同时，木质素磺酸盐的亲水基团吸附在陶土颗粒的周围能够进一步阻碍陶土的团聚，从而提高陶瓷浆料的流动性。

相关资料表明，木质素磺酸盐在陶瓷浆料的应用中，加入量约为干料的0.30wt%时，可以增加装料量约30%，降低球磨水分约10%，缩短球磨时间20%以上，提高球磨效率25%左右。作为增强剂时，加入量在0.30wt%～0.50wt%时，可以增强坯体强度30%～50%。

3.2改性与应用

目前很多对木质素基添加剂的应用，只是单纯地将碱木素磺化，或者将亚硫酸盐法制浆过程中生成的黑液直接喷雾干燥后制成减水剂产品，但由于黑液中含杂质多，制浆缩合反应严重，导致其活性基团减少，减水效果较差，限制了其在建筑陶瓷领域的应用。可从分子角度来设计进行有目的的改性以提高其反应活性，增强减水效果。其中，通过化学手段进行改性的方法主要有氧化、羟甲基化、磺化和接枝共聚等。

木质素可与多种氧化剂发生氧化反应，例如过氧化氢、二氧化氯、臭氧、过氧乙酸等，碱木素发生氧化反应能减小其分子量，增加酚羟基、脱甲氧基、开放环形成羧基等，从而提高碱木素的表面活性。木质素溶于碱性介质，当pH≥9时，其苯环上的游离酚羟基可发生离子化。同时，酚羟基的邻、对位两个反应点活化，可与甲醛发生反应进而引入羟甲基；还可以通过磺化剂与羟甲基化的木质素进行进一步的磺化反应，即两步磺甲基化。木质素接枝改性是使木质素和烯类单体在引发剂作用下，發生接枝共聚反应，引入功能性基团。

Chang Ye等人探讨了四种不同减水剂（木质素磺酸盐减水剂、钠偏硅酸钠、萘磺酸盐甲醛缩合物与无机复合还原剂）对陶瓷浆料的流动性、悬浮性、触变性和粒径大小的影响并进行了相应的机理分析。Cerrutti B.M.等人对甘蔗渣中提取的木质素进行了羟甲基化，发现其在陶瓷浆料中有较好的分散效果。Konduri M.K.等人得出了羟甲基化的的最佳条件并通过多项检测手段对比进行表征。刘青等人探讨了甲醛、亚硫酸钠用量及缩聚时间对磺化产品性能下降的影响，优化了竹浆黑液高效减水剂的合成工艺。吴宜锴等人通过微波辐射制备木质素基陶瓷添加剂，结果表明当产品的添加量为0.6%（占陶瓷粉料质量分数）时，陶瓷浆料的流出时间为20s，比重为1.705g/mL，生坯强度为2.618MPa。张健等人对各类陶瓷添加剂进行了探讨，发现木质素磺酸钠对石英砂有较好的助磨效果。

目前，木质素磺酸盐减水剂主要应用在混凝土工业或者建筑陶瓷工业，原因是由于其作用功能比较单一，分散效果不佳，主要用作助磨剂，在陶瓷生产中，大部分是与其它种类减水剂复配使用以满足不同需求。

3.3展望

目前，陶瓷成型工艺主要面临的挑战在于制备低黏度、高固含量的陶瓷浆料，而高分子陶瓷减水剂是解决该问题的关键，其能在黏土-水体系中发挥空间未阻效应和静电效应，使陶瓷浆料具有更稳定的分散体系。

木质素磺酸盐添加剂以造纸废液为原料生产，既能变废为宝，减轻污染，应用在陶瓷浆体的制备中又能显著提高球磨效率，节能效果良好，这对于日益重视环境保护的陶瓷行业有着积极的意义。针对上述提到的木质素基陶瓷添加剂存在的一些不足，我们应着重研究木质素基陶瓷添加剂的作用机理，尝试对木质素进行化学改性，使其能够满足更好的分散、增强与稳定等各种不同性能要求，最终使得木质素基陶瓷添加剂能被更广泛应用于陶瓷工业。

4 结 语

我国现有建筑陶瓷生产企业4300余家，其中年产700万平方米以上的大中型企业较多，最大的企业年产量突破1亿平方米。2012年，我国建筑陶瓷年产量就已经超过78亿平方米，现在我国建筑陶瓷年产量已超过全球总量的2/5，成为世界上最大的建筑陶瓷生产国以及消费国。但目前我国建筑陶瓷工业的能耗是世界平均水平的3.1倍，高耗能也必将带来粉尘污染、烟气污染以及水污染等。在陶瓷这种“三高”行业中，研发制备合适的助剂显得十分重要，陶瓷添加剂的合理应用会直接增进产品的性能、提高产品的质量，并能够改善工艺流程、降低能耗。

作为陶瓷行业节能降耗的关键性技术之一，高效、经济、性能稳定、无副产物的环境友好型陶瓷添加剂的研发意义重大。基于此，以制浆黑液中木质素这种农林可再生资源为原料，研究不同来源的木质素基陶瓷添加剂在结构性能上的差异性，从原理上探讨其作为陶瓷添加剂的可行性，通过化学改性引入各种活性官能团，从而制备出兼具分散性、增强性、助磨性等功能于一体的木质素基陶瓷添加剂就很有意义。

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