摘 要

论文以改善低可塑性粘土的可塑性为目标，以低塑性粘土为基本原料，采用羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、乙基纤维素三种有机化合物为添加剂，对这三种有机添加剂的增塑效果进行了研究。通过粘土原料与有机添加剂的研磨混合、烘干、研磨过筛、压制成型等一系列操作后制成生坯样品，然后测试样品的抗折强度，通过其抗折强度的高低来反映其可塑性的改善程度。并通过实验现象及最后的数据结果等来分析探讨其增塑机理。实验结果表明：三种有机添加剂均能在不同程度上提高低塑性粘土的抗折强度及其可塑性，并在一定范围内降低粘度。其中羧甲基纤维素钠最佳添加量约为0.15wt%，乙基纤维素最佳添加量约为0.2wt%，聚乙烯醇最佳添加量约为4wt%，聚乙烯醇的增塑效果最好。同时，泥浆粘度随有机添加剂的增加呈现先降后升的趋势。

关键词：可塑性；有机添加剂；增塑剂

Abstract

The aim of the paper is to improve the plasticity of low plasticity clays. Low-plasticity clay is used as the basic raw material. Three organic compounds such as sodium carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol and ethyl cellulose are used as additives to increase the three organic additives. Plastic effects were studied. Through a series of operations such as grinding, mixing, drying, grinding, sifting, and press molding of clay raw materials and organic additives, a green sample is prepared, and then the flexural strength of the sample is tested, and the plasticity of the sample is reflected by the degree of flexural strength thereof. Improve the degree. And through the experimental phenomenon and the final data results to analyze its plasticization mechanism. The experimental results show that the three kinds of organic additives can improve the flexural strength and plasticity of low plasticity clay to varying degrees, and reduce the viscosity within a certain range. The optimum amount of sodium carboxymethylcellulose is about 0.15wt%, the best amount of ethylcellulose is about 0.2wt%, the optimal amount of polyvinyl alcohol is about 4wt%, the plasticization effect of polyvinyl alcohol the best. At the same time, the mud viscosity showed a trend of decreasing first and then increasing with the increase of organic additives.

Key words：Plasticity；organic additives；plasticizer

目 录

第1章 绪论 1

1.1 粘土的性质及作用 1

1.2 我国粘土资源现状 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究背景及意义 3

1.5 研究主要内容、方法和目标 3

第2章 实验 5

2.1 实验试剂及仪器设备 5

2.1.1 实验原料及主要试剂 5

2.1.2 主要设备 5

2.2 实验过程 5

2.2.1 空白实验 5

2.2.2 加入有机添加剂的实验 6

2.3 实验数据记录 7

2.4 实验数据处理 8

第3章 结果分析与讨论 11

3.1 实验数据分析 11

3.2 有机添加剂对粘土可塑性提高的研究 11

3.3 有机添加剂对泥浆流动性的影响 13

第4章 结论 14

参考文献 14

致谢 16

第1章 绪论

1.1粘土的性质及作用

粘土本质上是以硅铝酸盐为主要组成部分的混合体，主要成分是三氧化二铝与二氧化硅，是由长石等岩石经过长期的自然风化与腐蚀等而逐步形成的，通常含有石英砂、有机物等多种杂质。粘土是一种非可再生资源。以主要矿物类型分类，粘土可分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类三大类。粘土广泛用于陶瓷制品、耐火材料、建筑材料等各种材料物质的生产，最主要用于陶瓷的生产。生产时粘土占陶瓷原料的40%到60%，这与其性质密切相关。这里使用的术语“粘土”是指一组含水的结晶铝或镁硅酸盐，其特征在于它具有典型的层或薄膜晶格、塑性特性和非常细粒度。这些硅酸盐一直是许多技术专家广泛研究的对象。虽然大约十二种不同的矿物质构成了这种粘土矿物质组，但只有少数几种矿物质在自然界发生如此丰富的商业应用以获得经济利益。在这些矿物中，高岭石和膨润土这两类岩石由于其高可塑性性质可能具有最普遍的用途。粘土具有可塑性、结合性、离子交换性、触变性、膨化性、收缩性、烧结性等性能，这些优良的性能都是陶瓷能够成型、能进行烧成的条件。粘土与适量的减水剂、水等混合后形成泥浆，在外力压迫的作用下，泥团发生变形等形变但是具有不发生开裂的能力，在施加的外力消失后，粘土所形成的泥团仍能保持原有形态，这就是粘土的可塑性。粘土的结合性即指原料混合时粘土与各原料能结合良好并且结合体有一定的强度能力。粘土的结合性对于原料的混合、原料的初步成型、生坯的强度等存在着重要的影响。通常情况下，粘土可塑性强的话，粘土的结合能力也非常大。粘土与一些添加剂等原料形成泥团受到摇动或施加搅拌作用时，粘土泥浆的粘度会降低，然后它的流动性会增大，在将粘土泥浆静止后，其粘度大小与流动性又逐渐恢复原状。值得注意的是，粘土泥团在放置一段时间时，即使保持泥团的水分不变，它也会流动性降低，这称为粘土触变性。干燥完的泥团在烧成时，会发生一系列化学变化，原料发生分解，液体填充空隙等使整个粘土坯体收缩，这就是粘土的收缩性。粘土的可塑性使原料混合制作时容易成型，以获取想要的形状；粘土结合性使这些原料紧密结合，使做出来的半成品具有一定强度，便于进一步进行加工；粘土的离子交换性使我们能够通过加添加剂或其他化学活性物质等来改善其流动性等性能。决定粘土性能的最大因素便是其可塑性的高低，良好的可塑性粘土可大大降低原料及添加剂的使用，节省资源，并做出高性能的产品。可塑性是粘土最基本也是最重要的性质，它决定了许多工业制品等的成型方法。可塑性高的粘土通常结合能力也强，在生产过程中有利于提高生坯强度，也有利于成型等操作，但可塑性太高的话会导致粘土泥团在烧制时干燥收缩变大，会容易造成产品变形开裂；但可塑性太低便连成型都难以达到^[1]。目前粘土大多为低可塑性粘土，因此提高粘土可塑性，以达到生产标准，是一个需要研究的课题。

1.2我国粘土资源现状

作为制作陶瓷的主要原料，我国开发利用粘土资源已有上千年历史。我国被称为陶瓷大国，在几千年前就开始有制作陶器瓷器的记录，陶瓷的发展与中国的发展如两条丝带般互相缠绕，不分彼此。我们的审美观与古代传承下来的瑰宝便是这一论点的铁证，众多有悠久历史的陶、瓷器被保护、流传下来，且绝大多数都具有高深的技术。作为主要原料的粘土资源也被开发利用了上千年，具有悠久的历史。而且从根本上来说，我国粘土资源储量丰富，粘土原料矿点遍布全国，这也是我国是陶瓷大国的决定性原因。

经统计，我国粘土矿床有180多座，储量之高难以统计，其高岭石类矿床仅在湖南省就占全国的29%，福建的高岭土之多无法统计，其储量更是达到了5400万吨之多。在我们广阔的国土上，高岭土资源最为丰富。不完全统计下我国仅高岭土矿已有过两百余座，储量超十几亿吨。我国有上百座超一千万吨的超大储量矿地，不少矿点储量超几十亿吨。世界上的膨润土资源主要存在于美国及加拿大等地，其储量大约在1.3Gt左右；高岭土矿则分布主要在中国等地方，我国所拥有的高岭土产量约占世界产量的78%，但是同时我国高岭土矿点在分布上较为分散，大约统计有700多处地方，其中200多处矿点其储量达到了30亿吨以上。我国粘土矿石广泛用于陶瓷制品、耐火材料、建筑材料、化工石油等行业，但在陶瓷行业的消耗量占比50%以上。但作为一种非可再生资源，千年之久的开发利用再加上近百年的工业革命与社会的飞速发展，我国目前可供开采的高可塑性粘土已逐渐见底，将近枯竭；而大量的低可塑性粘土由于其性能的不足而无法作为生产原料进行生产，“食之不可，弃之可惜”。

1.3国内外研究现状

在缺乏高可塑性粘土的大背景下，如何利用低可塑性粘土进行生产成为了世界共同研究的课题。若能通过工艺改善、少量的药物添加等操作来提高不可直接用于工业生产的低可塑性粘土的可塑性，将大大缓解我国以及世界的优质粘土资源匮乏的现状，进而可以改善世界优质粘土资源短缺情况。改善粘土可塑性的方法多种多样，从选料的去除杂质，到原料处理的磨细增加分散度，再到增塑剂的添加，以及对泥料的真空挤出及放置时间的把握，这些细节的改善都能增加粘土可塑性。通过查阅相关文献与相关的科学期刊报道，目前世界上学术界内对粘土可塑性改善的研究已经有不少成果与研究结果。如O.V.Turlova通过自己的实验研究发明的增塑剂Litop last.M，其增塑效果比较明显，且通过测试得到了最佳使用量，并已应用于实际工业的建筑产业中^[2]；又如V.U.Z潜心研究的微生物改善粘土塑性实验，其研究成果表现出巨大的研究潜力。国内研究学术界对于低塑性粘土的可塑性改善的研究也有不少，也取得了不少成果可供参考。如通过在低塑性粘土原料中添加部分高可塑性的优质膨润土，可大大改善其可塑性；也有不少通过物理方法改善其可塑性的，如通过水碓淘洗原料对其可塑性提高有明显改善，或通过对坯料施以长期陈腐来提高其可塑性等。但是纵观整个学界，均还没有很成熟完美的增塑方法，也没有比较完美的投入到工业生产中的方法。而且上述提到的这些物理方法并不是从根本上改善了低塑性粘土的可塑性，并不能缓解资源短缺的问题，因此，通过添加少量的增塑剂来改善低塑性粘土的性能，从分子层面、从本质上改善坯料性能，从而使不达标的低塑性粘土经过增塑处理后也能符合工业上的成型及各项程序的要求^[3]。这样便能从根本上解决问题，得到更多资源。

1.4研究背景及意义

资源的合理开发与开采与资源的可持续发展对我国以至世界的经济未来发展具有极为重要的意义。当今世界各地矿物能源开采严重透支，是影响制约世界各地经济发展的最主要因素。合理开发利用能源、并且最大程度上的节能降耗是全世界共同研究的主题。在这种大背景下，粘土作为一种非可再生资源在近年来被严重开采，优质粘土资源也越来越少^[4]。只剩下大量的低塑性粘土由于性能不达标而无法使用。因此，研究如何采用最有效、最节能的方法来提高低可塑性粘土的可塑性，进而能在工业上大量使用低可塑性粘土进行生产，是一个迫在眉睫的研究课题，对于资源的节省与更长的可持续发展具有重要意义。本课题就是在此基础上作出了相关实验研究。

1.5研究主要内容、方法和目标

生产过程中，提高粘土可塑性措施多种多样，大致有如下几类：（1）将原料进行风化、水碓淘洗等操作，进而剔除其中的杂质；（2）将粘土与适量水混合均匀后置于合适的环境进行陈腐；（3）通过在低塑性粘土原料中添加少量的一些优质的高可塑性粘土，如膨润土优质粘土等；（4）真空中对原料进行炼泥；（5）向低可塑性粘土原料中添加增塑剂这些辅助药剂，如羧甲基纤维素钠等。本实验就是在以提高低塑性粘土的可塑性为目的的基础上，采用第五种方法，通过添加不同的添加剂以达到增塑目的。具体的添加剂根据本次实验目的以及现有的实验室的条件选用了聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、乙基纤维素这三种有机添加剂。方法即通过在粘土原料中添加不同添加剂制作泥浆坯料，然后烘干研磨后压制成型，通过测试样品的抗折强度来确定添加剂的作用大小，并通过测得数据中的抗折强度的变化来确定添加剂的最佳加入量并在此基础上进一步探讨分析增塑剂对低可塑性粘土的流动性能影响、以及其增塑机理。通过数据分析对比不同增塑剂提高低可塑性粘土可塑性的能力，并以此分析探讨差异原因。

主要研究内容是在实验室采用低可塑性粘土为原料，使用不同有机添加剂对其可塑性性能的提高进行研究；并研究不同的添加剂、不同的添加量对粘土可塑性、坯料流动性等性能的影响。

研究方法如下：采用聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、乙基纤维素三种有机化合物为添加剂，通过加入不同剂量与低塑性粘土原料加水混合后用搅拌机进行搅拌，然后在烘干后取出研磨，过筛后用压样机压制成型，最后用坯料抗折仪测试样品的抗折强度。通过抗折强度的大小变化反映其可塑性的高低，并确定增塑剂的最佳添加量。

研究目标：通过实验得到坯料抗折强度数据，以此判断其可塑性的变化，进而对粘土加入添加剂后的性能提高进行研究，分析出不同的添加剂、不同的用量对粘土可塑性、坯料流动性等性能的影响，并得到最佳添加量。

对不同的添加剂的实验现象的差异做出分析解释，并分析其增塑机理。

第2章 实验

2.1实验试剂及仪器设备

2.1.1实验原料及主要试剂

原料：实验室用低塑性粘土；

主要试剂如下：

三聚磷酸钠，化学纯；

聚乙烯醇，化学纯，醇解度大小99%，聚合度为1750±50万；

羧甲基纤维素钠，化学纯；

乙基纤维素，化学纯，粘度3w。

2.1.2主要设备

KY-1快速研磨机

PCE-3000电热鼓风干燥箱

FA1003电子天平

湘潭华丰仪器制造有限公司生产的坯料抗折仪

KSF003测力控制仪

手动液压制样机

实验室标准筛一套

2.2实验过程

2.2.1空白实验

首先，用电子天平称量低塑性粘土原料600g，再称取50%的水（300g），并称取0.5%的三聚磷酸钠（3g）备用。因KY-1快速研磨机的球磨罐较小，故将原料分成两批研磨。在球磨罐中加入300g粘土、150g水、以及1.5g的三聚磷酸钠后，将球磨罐放入研磨机中固定紧密，然后启动按钮球磨10分钟，完成后取出将球磨罐中泥浆缓慢倒入不锈钢钵中，记录泥浆流速大小。然后采用同样的过程将另一半原料研磨倒出。得到约800g泥浆。

将盛有泥浆的不锈钢钵放入电热鼓风干燥箱中，上下四周保留一定空间，保持工作室内空气流通，关闭锁上箱门。打开电源及风机开关，按下SET键，PV屏显示5P，调节↑↓按钮使SV屏上显示温度值为175℃，再按下SET键设定时间，PV屏显示5T，调节↑↓按钮使SV屏上显示时间为480分钟。设置完成，按下SET键，使泥浆原料在干燥箱中高温干燥8小时去除水分。完成后取出，击碎，用研钵研磨成细粉，并用规格为20方孔，0.9毫米的筛子过筛，得到约500g的粉末。

用天平准确称量45g得到的粉末，使用手动液压制样机制样。将45g粉料放入模况框内，将压头放入模框中，将模框放到压力台上。旋紧主体油缸上止回阀的放油螺钉，然后上下往复移动压力手柄，使压力机下平台上升，当模框上升到与机器上顶板接触时，就产生了压力。此时缓慢均匀的移动手柄对其加压，观察压力计，使坯料粉末中的气体充分排出，以减小误差。缓慢均匀加压至35Mpa时停止加压，保持3分钟后卸载，将主体油缸上的止回阀螺钉拧松，使油泵活塞向下运动。然后将模具倒置，取下下模板，将脱模环套在模筒上部，放到工作台上，将止回阀拧紧，在上下往复移动压力手柄，直到脱模环与上顶板产生压力，缓慢加压直至压出试样。如此重复压出十个试样，注意保持一致以减小误差。

通过上述方法得到规格为100毫米×40毫米×8毫米的十个方形试样，再放入到电热鼓风干燥箱中，设置115摄氏度下干燥6小时，得到实验成品。

最后使用坯料抗折仪对得到的坯体进行其抗折强度性能的测量，测试其抗折强度。首先，调整两支承杆之间的距离为60毫米，然后将成型并干燥的坯料试样按要求置于两支承杆上，接通电源，检查传感器保持通畅。打开开关，，按下清零键，使其显示器显示“0000”N。然后按下加载按钮，使电动加载操作柄朝坯体移动，接触后开始加压，直到坯体被破坏后停止加压。此时显示屏上显示极限载荷，将数据记录。然后采用同样操作测试剩下九组坯体的极限载荷，记录数据。空白实验完成。

2.2.2加入有机添加剂的实验

根据参考文献与查阅资料后确定添加剂的大致范围后，确定实验中添加剂的用量分别为：乙基纤维素用量为0.1%，0.2%，0.3%；羧甲基纤维素钠用量为0.1%，0.15%，0.2%；聚乙烯醇用量为1%，2%，3%，4%，5%。实验进行的过程与空白实验保持一致，分别测试不同添加剂的不同用量下的坯料的抗折强度。如在用0.1%乙基纤维素作为添加剂时，用电子天平称量低塑性粘土原料600g，再称取50%的水（300g），并称取0.5%的三聚磷酸钠（3g），再加上0.1%的乙基纤维素（0.6g），然后放入球磨罐中球磨十分钟后，将得到的泥浆倒入不锈钢钵内，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥8小时，然后取出研磨过筛，将粉末压制成型后放入干燥箱中干燥6小时，最后用坯料抗折仪测其抗折强度，记录数据。以此类推，如此重复进行不同添加剂不同用量的实验。

由于实验所用的聚乙烯醇聚合度为1750±50万，醇解度为99%，这种聚乙烯醇是属于高聚合度同时完全醇解的类型，当聚乙烯醇的聚合度越大时，在溶解后它的水溶液的粘度就越大，会趋向成膜，并且它的耐溶剂性也会越来越大，在水中的溶解度下降。当聚乙烯醇的醇解度越来越大时，聚乙烯醇将无法溶解于冷水中，但是它在热水中时，溶解度会有所提高。因此实验时无法直接将聚乙烯醇固体与粘土原料进行混合研磨，而是得先将聚乙烯醇溶解后，在按比例加入。具体操作如下：取500毫升容量的烧杯一个，称量其质量，然后加入约270毫升的水，将称量好的24克的聚乙烯醇缓缓加入烧杯中并充分搅拌后，放在磁力搅拌加热器上进行加热搅拌。控制温度在95℃到98℃之间，注意保持不沸腾。保持搅拌进行约30分钟后，观察溶液清亮无可见溶质，溶解成功。在保持高温下加入适量的热水调节溶液质量为300克，制成质量分数为8%的聚乙烯醇溶液。然后保持溶液在较高温度下取不同的量与粘土原料进行研磨混合等实验操作，确保聚乙烯醇分子颗粒完全作用于粘土颗粒上发挥作用。用同样方法测试剩下几个聚乙烯醇含量的实验。

2.3实验数据记录