纳米淀粉基复合球土增强剂的制备及应用

宋斌 黄月文 王斌

摘 要：基于纳米淀粉的增强作用，开发了一款复合球土增强剂。优化了各组分的含量，优化结果依次为：纳米淀粉3.15%、PVB 0.35%、腐植酸钠1.5%和硅酸镁铝10%。当复合球土增强剂用量0.25%时，干坯强度由0.86MPa提高至1.19MPa，增强38.4%，具有较好的增强作用。同时复合球土增强剂具有有机含量低、成本低廉、不影响烧结等优点。

关键词：纳米淀粉;复合;增强剂

1 引 言

随着环保意识的增强，陶瓷行业节能减排、绿色发展的愿望越来越迫切。陶瓷产品适量减薄、坯体强度增强的工艺具有节约原料、降低能源消耗、降低物流成本等优点，被广泛尝试与采用。增强剂是解决产品减薄增强的关键，能起到提高产品质量、降低能耗的作用[1]。企业常使用黑泥或羧甲基纤维素钠（CMC），但黑泥受限于耕地保护政策[2]，可用量越来越少;CMC容易导致泥浆粘度过大。因此，开发使用新型增强剂对解决生产需求具有重要意义，也符合陶瓷企业绿色发展的理念。

高分子聚合物通过分子链的相互缠绕和交联作用，将陶瓷颗粒紧密粘和在一起，起到增强作用[3]。腐植酸钠具有降低泥浆粘度[4]，增强坯体干燥强度的优点[2，5-6]，可作为陶瓷坯体增强剂[1，3];但单独使用增强作用有限，难以达到企业产品增强需求。各类植物淀粉，能形成网状结构[7]，也可用作增强剂[1];纳米淀粉颗粒可改善生物复合物的机械性能[8]，具有增强作用[9]。聚乙烯醇缩丁醛（PVB）具有高拉伸强度、冲击性能和弹性等综合性能[10]，有较好的增韧性。在此基础上，本文开发一种复合型球土增强剂。

2实验

2.1试剂与仪器

2.1.1试剂

腐植酸钠、CMC、羧甲基淀粉钠、（均购于阿拉丁控股集团有限公司）、聚乙烯醇缩丁醛PVB（购于广东粤美化工有限公司）、纳米淀粉（来自于蒙娜丽莎集团股份有限公司）、球土（来自于广东东鹏控股股份有限公司，其化学组成见表1）、硅酸镁铝（购于河北宗润矿产品有限公司）、高效陶瓷解胶剂CA100（来自于中科院广州化学有限公司）。

2.1.2仪器

YJKS快速研磨机（购于佛山市业津机电设备有限公司）、微机控制电子万能试验机RGM-3030（购于深圳市瑞格尔仪器有限公司）。

2.2球土增强剂的制备

将球土、纳米淀粉、PVB等按配方比例依次加入快速球磨罐中;其次，加入适量锆球，球料比（质量比）为2：1，快速球磨10min;然后，过筛，将球料分离;最后，获得均匀的球土增强剂。

2.3 干坯的制作

100g球土和0.25g球土增强剂，加入适量锆球，初步混匀，球料比（质量比）为2：1;其次，加入0.2g CA100和49.25g水的混合溶液（即：含水率33%）;然后，行星球磨10min;接着，过筛，将球料分离;最后，获得均匀的泥浆。

将泥浆通过塑料漏斗和橡胶管引流入石膏模具，补泥浆10ml;其次，室温注浆成型2.5h;然后，取出湿坯，在烘箱中以105℃的条件下烘干3h;最后，获得尺寸为Φ1.5mm×180mm的圆棒型干坯。制备流程如图1所示。

2.4 强度测试

将制备得的干坯在微机控制电子万能试验机RGM-3030上测试抗压强度。

3 结果与讨论

3.1 纳米淀粉和PVB的优化

组1为纳米淀粉和PVB比例优化;组2为纳米淀粉和PVB含量优化。

按表2中配方比例制备球土增强剂，然后依次制作干坯，最后测试干坯强度。其中，第1组纳米淀粉的含量由4.9%降低至3%，当纳米淀粉含量为4.5%，PVB含量为0.5%时，干坯强度最大，增强效果明显，可能是纳米淀粉和PVB共同作用的结果。优化结果是纳米淀粉：PVB=9：1。

在此比例下，如表2第2组，有机含量由5%提高至20%时，当有机含量超过10%后，干坯强度增加不明显。因此，优化的含量是10%。同时，出于烧结方面和降低成本方面的考虑，适当降低有机含量。因此，可初步确定纳米淀粉和PVB总含量在5%～8%范围。进一步优化配方，在5%含量的基础上展开提高坯体增强效果的研究。

3.2 有机增强剂的优化

按95份球土（质量比）、3.6份纳米淀粉、0.4份PVB以及1份添加物比例制备球土增强剂，添加物依次为CMC、羧甲基淀粉钠、PVP、腐植酸钠、木质素磺酸钠;然后测试球土增强剂增强效果。当添加物为腐植酸钠时，坯体强度最大，如表3所示。可能是由于腐植酸钠有一定的分散性，有利于纳米淀粉和PVB对球土颗粒的包裹以及空间网络的形成，起到较好的协同作用。因此，優化的添加物为腐植酸钠。

3.3 腐植酸钠含量的优化

按表4中配方比例制备球土增强剂，然后依次制作干坯，最后测试干坯强度。当腐植酸钠含量由0增加至1.0%时，坯体强度由1MPa逐渐增大至1.19MPa，如图2所示，可能是腐植酸钠起到协同增效作用;当腐植酸钠含量由1.0%增加至1.5%时，坯体强度趋于平稳，且坯体断裂强度有所增加;当腐植酸钠含量由1.5%增加至2.5%时，坯体强度降低，可能是由于纳米淀粉和PVB总含量降低较多导致增强效果降低。因此，优化的腐植酸钠含量为1.5%

3.4硅酸镁铝含量的优化

按3.15份纳米淀粉、0.35份PVB以及1.5份腐植酸钠、总和为95份的球土和硅酸镁铝的比例制备球土增强剂，其中硅酸镁铝含量依次为0、5%、10%、20%和30%;然后依次制作干坯，最后测试干坯强度。当硅酸镁铝含量由0增加至10%时，坯体强度由1.14MPa逐渐增大至2.87MPa如图3所示，可能是硅酸镁铝有明显的增强作用;当硅酸镁铝含量由10%增加至30%时，坯体强度由2.87MPa降低至0.71MPa，可能是由于硅酸镁铝含量过多时，增大了体系的粘度，对于纳米淀粉等有机组分的分布与空间网络增强作用产生不利。因此，优化的硅酸镁铝含量为10%。

3.5 球土增強剂组分的对比

按95份球土中分别添加5份其他组分的比例制备球土增强剂，其他组分依次为球土（空白组）、PVB、纳米淀粉、腐植酸钠、复合组分（复合组分为3.15份纳米淀粉、0.35份PVB以及1.5份腐植酸钠）;然后依次制作干坯，最后测试干坯强度。复合组分增强（1.19MPa，增强38.4%）明显优于单一组分空白组（0.86MPa）、PVB（0.86MPa）和腐植酸钠（0.93MPa），如图4所示，可能是复合型球土增强剂有较好的协同增强作用;复合组分增强虽然低于单一组分的纳米淀粉，但从降低有机含量、体系粘度、成本等方面，均有较好提升。因此，复合组分有较好的增强效果和综合性能。

4 结论

（1）作为复合型球土增强剂，优化了有机组分的含量，优化的结果依次为：纳米淀粉3.15%、PVB 0.35%、腐植酸钠1.5%。同时引入硅酸镁铝，并优化含量，优化的结果为：硅酸镁铝10%

（2）对球土增强剂的增强机理进行了研究，复合组分的增强效果优于腐植酸钠、PVB，表明复合组分有较好的增强效果和分散性能等。

参考文献

[1] 张东升， 袁富详， 彭滨. 陶瓷坯体增强剂的研究应用[J]. 佛山陶瓷， 2016，26（8）：25-30.

[2] 张国涛， 黄惠宁， 戴永刚， 等. 陶瓷砖坯体增强剂的研究进展及前景分析[J]. 陶瓷， 2013（1）：13-20.

[3] 刘畅. 浅谈陶瓷常用增强剂的检测验收方法[J]. 佛山陶瓷， 2016，26（6）：41-42.

[4] 杨旭华. 腐植酸钠在建筑陶瓷生产中的应用[J]. 腐植酸， 1997（4）：29-31.

[5] 潘蕾， 孙晓然. 多功能陶瓷添加剂及腐植酸钠应用[J]. 江苏陶瓷， 2005，38（5）：31-34.

[6] 孙晓然. 腐植酸作为陶瓷添加剂魅力无限[J]. 腐植酸， 2009（02）：9-13.

[7] 张德佑， 张俊峰. 不增加粘度的新型陶瓷增强剂[J]. 佛山陶瓷， 2016，26（10）：39-42.

[8] 王超， 高海龙， 陈晓倩， 等.纳米淀粉的制备与应用性能研究[J]. 齐鲁工业大学学报， 2020，34（4）：28-34.

[9] 刘璐婕， 黄立新， 张彩虹， 等. 纳米淀粉的制备、性质及应用的研究进展[J]. 材料导报（A）， 2020，34（10）：19027-19033.

[10] 谭正德， 胡金平， 李俊芝. 改性聚乙烯醇缩丁醛胶粘剂的研制[J]. 粘接， 2004，25（3）：28-30.

[11] 宋斌， 黄月文， 王斌. 高效陶瓷坯体增强剂的研制及应用[C]. 2019年广东材料发展论坛论文摘要集， 东莞：广东省材料研究学会， 2019：96-98.

Preparation and Application of Nano-starch Composite Ball Clay Enhancer

SONG Bin1，2，3， HUANG Yue-wen1，2，3，WANG Bin1，2，3

（1. Guangzhou Chemistry Co. Ltd.， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510650， China;

2. CAS Engineering Labratory for Special Fine Chemicals， Guangzhou 510650， China;

3.Provincial Engineering & Technology Research Center for Fine Chemicals of Ceramic Industry， Guangzhou 510650， China ）

Abstract： A composite ball clay enhancer was developed basing on the enhancement effect of nano-starch. The contents of each component were optimized， and the optimization contents were as follows ： nano-starch 3.15%， PVB 0.35%， sodium humate 1.5% and magnesium aluminum silicate 10 %. When the content of composite ball clay enhancer is 0.25%， the dry strength increased from 0.86MPa to 1.19MPa， increasing 38.4% and showing a good strengthening effect. Moreover， the composite ball clay enhancer has the advantages of low organic content， low cost and no effect on sintering.

Keywords：  Nano-starch; Composite; Ball clay enhancer