製備形式陶瓷的組合物和陶瓷製品的方法
2023-05-31 00:23:56 2
專利名稱：製備形式陶瓷的組合物和陶瓷製品的方法
本申請是申請號為99105011.8申請的分案申請，99105011.8申請的申請日為1999年4月23日。
本發明涉及一種處理高嶺石粘土(kaoliniticc1ays)的方法，尤其涉及一種改進高嶺石粘土性質的方法，使這種粘土可用作陶瓷組合物，特別是用於製備陶瓷製品，例如白色陶瓷製品如餐具等等組合物的組分。
陶瓷製品，如用於家庭和公共飲食業的餐具，通常都是由溼式高含固量的組合物製成，這種組合物包含各種顆粒成分的攙和物，它包括高嶺石粘土，即含有礦物質高嶺石的粘土，如高嶺土(kaolin)或陶土和/或球土。通常在這種組合物中還含有助熔劑，如瓷石、長石、或霞石正長巖，以及含至少一種含矽物質，如石英或火燧石。如果需要生產骨瓷製品，組合物中還含有較大比例的土壤、焚燒後的動物骨組織或骨灰，尤其是牛骨灰。該組合物中還可以含有較小比例的其它成分，如碳酸鈣、白雲石和滑石。可根據燒制陶瓷製品的特點，改變組合物中各種成分的比例。世界上有許多地區生產許多不同類型的陶瓷餐具，包括精陶、半玻化瓷、半玻化瓷器、旅館用瓷、家用陶瓷、骨瓷、硬瓷和粗陶瓷。
通常陶瓷餐具製品都是用溼式陶瓷成形組合物，用古老的工藝通過在陶輪上手工拉坯製成。目前徒手拉坯技術仍被用於各別工藝品的成形，但是，當需要製造大量相同的製品時，就要在該工藝中引入一定程度的自動裝置。在後一種情況下，可將合適材料如石膏或合成樹酯的模具固定於能在水平面上高速轉動的陶輪上。然後，將適量的陶瓷組合物倒入該模具中。如果模具大體上是凸形的，用於成型例如平盤或圓盤的內側，該過程通常被稱作「拉坯」。然而，如果模具是凹形的，用於成型茶杯或水壺的外側，則經常使用術語「成型」。通常藉助於成形工具，最普通的是金屬工具，當被成形的工件在陶輪上轉動時，使成形工具與該表面相接觸，由此成形該製品不與模具相接觸的第二表面。近來由於使用了滾壓成形機，成形過程越來越快，而且越來越高效。這種成形機中用加熱轉動模頭代替了成形工具，在工件成形過程中，模頭和模具兩者以合適的速度連續轉動。
為了在上述成形過程中進行另人滿意的成形操作，需要陶瓷成形組合物有足夠的可塑性，在擠壓、拉伸和剪應力的作用下能夠流動和變形。成形後的工件在其未燒制或「生坯」狀態必須具有足夠高的強度，在不致破壞其整體性和形狀的前題下，允許有一定的加工量。通常通過測量乾燥擠壓條的斷裂模量(MOR)，來確定陶瓷成形組合物的生坯強度，上述擠壓條是在下述某一標準條件下用陶瓷組合物製成的。
用注漿成形法也可以製成某種陶瓷餐具。在這種情況下，將粘土和該組合物的其它成分用大量的水混合在一起，還可以混有一種或多種添加劑，如一種或多種分散劑，以形成懸浮液、泥漿或「釉漿」。將釉漿倒入多孔模具中，通過一個與在壓濾機中形成濾餅相似的過程，使工件成形。當組合物中的水穿過模具的多孔壁時，成形後的工件也已部分脫水，直到工件已確實製成，然後在乾燥和堅固狀態下，將工件從模具中取出。
製造陶瓷餐具製品的另一種成形方法是幹壓法。在這種方法中，呈懸浮液形式的陶瓷組合物有較高的含固量，並混有一種或多種固體分散劑，對這種陶瓷組合物進行噴霧乾燥，形成直徑大約為0.1mm量級的乾燥中空微球體。將含有適量微球體的裝填物料倒入合適的模具中，對模具施加壓力，使裝填的物料壓實，形成需要的陶瓷製品。此外，當用幹壓法成形製造陶瓷製品時，需要陶瓷組合物具有足夠的生坯強度，使成形的工件能夠被加工，不會有破裂的危險。
無論採用哪種成形方法，在成形之後，都要對得到的呈生坯狀態的成形體進行乾燥，然後在爐中在合適的溫度下燒制一次或多次，由此生產出所需種類的陶瓷製品。在這一生產階段還可以上釉和施彩。
本發明的目的是改進陶瓷成形組合物中高嶺石粘土的成分的性質，以便增加由該組合物製成的生坯成形工件的強度。
根據本發明，提供了一種處理用作陶瓷成形組合物中組成成分的高嶺石粘土的方法，該方法包括步驟(a)使以高嶺石粘土乾重計為0.1重量％-15.0重量％的綠土與高嶺石粘土相混合；以及(b)在以乾重計對溼式塑態混合物每公斤粘土混合物消耗至少5kJ能量的條件下，對步驟(a)製成的溼式塑態混合物進行機械加工。
步驟(b)中的耗能量可以是以乾重計每公斤粘土混合物5kJ-300kJ。
步驟(a)所用的高嶺石粘土可經過公知的預處理或精處理，如選自除砂、洗滌、磁分離雜質以及一種或多種粒徑的分級步驟。
在步驟(b)中機械加工處理的溼式塑態物料最好含有20重量％-30重量％的水。
步驟(a)生產的粘土混合物的含水量可達適合步驟(b)的加工需要。另一方面，還可以在生產後調節粘土的含水量，提供一種合適的溼式塑態可加工物料。可通過添加液體或通過濃縮調節含水量，這取決於步驟(a)所生產的混合物的含水量。
當步驟(a)生產的粘土混合物是乾粉末時，通過簡單地加水並攪拌調節需要的含水量。
當步驟(a)生產的粘土混合物是稀泥漿或懸浮液時，可用一種或多種公知脫水法得到需要的含水量，如過濾和/或擠壓和/或部分乾燥和/或添加乾燥物質，即使乾物料回流或乾物料從後續乾燥器出口返回進料管路。
步驟(a)所用的高嶺石粘土可含有一種或多種原生或次生高嶺土。高嶺石粘土是在地質時期通過花崗巖長石組分的風化而形成的。原生高嶺土是那些在其形成地發現的高嶺石粘土，並通常存在於未分解花崗巖的基體中，在粘土的精處理過程中，必須將其從粘土中分離掉。次生高嶺土還被稱作沉積高嶺土，它們是那些在地質時期從其形成的花崗巖基體中衝刷出來的高嶺石粘土，並沉積在遠離形成地的地區，通常位於周圍巖層形成的盆地中。高嶺石粘土通常含有少量的雜質，如雲母、長石、石英、鈦化合物等等，還包含痕量綠土。高嶺石粘土另外還含有一種或多種球土，或一種或多種球土與一種或多種高嶺土的混合物。球土是非常細的沉積粘土，它們的粒徑分布以等效球體直徑小於2μm的顆粒為主。然而，往往球土所含的雜質比例高於高嶺土所含的雜質比例，並且顏色不是太白。球土中的雜質包括大比例的細矽石，與少量的鐵和鈦化合物，還含有有機物如褐煤。
綠土主要是由綠土礦物質顆粒形成的，這些綠土礦物質顆粒是具有強陽離子交換能力的層狀矽酸鹽，其強陽離子交換能力是由於晶格內的取代造成電荷不平衡而引起的。這種電荷的不平衡由從溶液中吸收的陽離子補償，因為這種離子容易與不同種類的離子進行交換，稱作可交換離子。儘管發現少數綠土帶有一價可交換離子，主要是鈉，如著名的來自美國懷俄明的綠土，但對大多數天然綠土來說，可交換離子是二價陽離子，主要是鈣。
在水中，帶有二價鈣離子的綠土比那些帶有一價陽離子的綠土的分散程度要小。這是由於與一價陽離子相比，二價陽離子在壓縮顆粒周圍的所謂雙靜電層的作用較大，由此使得它們相互排斥。
帶有一價可交換離子的綠土比較容易分散在水中，產生單個片或晶粒，而帶有二價可交換離子的綠土往往只能分散成「小團」或三個或四個晶粒。通常帶有一價可交換離子的綠土尤其是鈉綠土在使用時非常有效。
將鈣綠土轉變成鈉綠土是件較簡單的事，通常只需加入少量的大約4重量％-5重量％的含鈉離子的溶液，如碳酸鈉。當將綠土分散在水中時，可交換的鈣離子會作為碳酸鈣沉澱出來，鈉離子變成可交換離子。這種綠土被稱作「鈉活化」。然而，術語「活化」應小心使用，因為有時綠土還可以是「酸活化」，用於使植物油脫色，這是一種完全不同的活化過程。
在本發明的方法中，優選地綠土是蒙脫石粘土，如膨潤土，並且優選地有以如鈉離子為主要交換陽離子的一價離子。這種粘土可通過例如用碳酸鈉活化鈣型膨潤土製備。其它綠土如水輝石、滑石粉和貝得石也可以用於本發明的方法。
在本發明的方法中，優選地與高嶺石粘土混合的綠土量在以高嶺石粘土的乾重計0.5-7.0重量％範圍內。
當在高嶺石粘土中加入綠土時，綠土可以是粉末或泥漿，即懸浮液。同樣，高嶺石粘土也可以是粉末或泥漿。在將這些粘土加到一起後，最好使它們充分混合一段時間，例如至少1分鐘，優選地至少2分鐘。當將兩種粘土混合在一起時，如果需要，兩種粘土的混合物可以是溼的，例如含有至少10重量％的水，在某種情況下，還可以含有10-90重量％的水。
步驟(a)中的粘土混合物可以是泥漿形式。在這種情況下，粘土混合物可以適合地是稀水懸浮液，在步驟(b)加工之前，可以對該稀水懸浮液進行脫水。脫水可以通過一種或多種過濾、擠壓、部分乾燥和添加來自後續乾燥器出口的乾燥物質來進行。
這些粘土還可以呈溼式狀態在混合器或配料器中混合在一起。將各種粘土一起加在上述設備傳送機的入口處，或分別傳送到上述設備中並在該設備中進行混合。
在本發明方法的步驟(b)中，處理後的溼式塑態物料的含水量優選地是在總的粘土和水的23重量％-28重量％範圍內。
在步驟(b)之前，除需要調節含水量以外，還可用一種或多種附加工藝處理粘土混合物。例如，可通過用一塊永磁體，在步驟(b)之前，除去所謂的「散雜鐵塊」或大塊鐵。
在本發明方法的步驟(b)中，可藉助於擠壓設備，如螺旋式粘土拌合機、曲拐式拌合機、雙輥式碾碎機或加工溼式塑態顆粒物料公知的類似設備，對溼式塑態物料進行機械加工。優選的設備是公知的螺旋式拌合機，例如在GB1,194,866中所描述的螺旋式拌合機，其內容引用在此作為參考，該設備為調節出口噴嘴的尺寸提供了一種方便的公知手段，以便控制物料穿過設備的生產速率，以及設備內部產生的壓力，從而控制消耗在塑態粘土混合物中的能量。消耗於塑態物料中的能量以乾重計，優選地每公斤處理的粘土混合物為10kJ-250kJ範圍內，更優選地是20kJ-175kJ。
在用本發明方法的步驟(a)和(b)處理後，還可對由此得到的粘土混合物進行一種或多種精處理。
將得到的產物(經過或不經過進一步處理)以溼泥漿形式或乾粉形式輸送到用戶，例如可在輸送之前對得到的產物進行熱乾燥。得到的產物還可以以公知方式用於製造陶瓷製品的組合物生產中，例如，採用一種上述已有技術的方法。
當用標準方式擠壓和乾燥時，用本發明方法得到的產物顯示出改進的斷裂模量，同時還能提供改進的可塑性和較高含固量的注漿組合物，當將該產物用於成形陶瓷製品的組合物時，所有這些性質都是極有益的特性。下述實施例中將闡明這些特性。
下面通過實施例描述本發明的實施方案。
實施例1得到用於陶瓷餐具工業的英國高嶺土，這種粘土的粒徑分布是佔重量60％的顆粒的等效球體直徑小於5μm，佔重量38％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。使該粘土與足夠的水相混合，用一個高速混合器使之形成含水量為25重量％的坯泥，在粘土拌合機中進行處理，製備該高嶺土的樣品。
將樣品分成兩組「A」和「B」。在用粘土拌合機處理之前，在溼式A組樣品中，加入以高嶺土的乾重計為1.5重量％的懷俄明鈉型膨潤土，而在B組樣品中不加入膨潤土。
然後在GB1,194,866所述類型的粘土拌合機中，對A組和B組樣品進行機械加工，上述粘土拌合機中還裝有壓感傳感器和積分器，以便計算粘土消耗的能量。可通過選擇較大或較小的粘土拌合機的出口噴嘴，或者通過使粘土分幾次穿過粘土拌合機，改變粘土的耗能量。
A組和B組每組都留有未經粘土拌合機機械處理的樣品，用於測試。
使A組和B組樣品進入粘土拌合機進行處理，樣品有不同的耗能量。
然後在80％的相對溼度下，用下述方法測量每一樣品的斷裂模量。
為了測量高嶺石粘土的斷裂模量或生坯強度，藉助於一個活塞式擠壓機，將呈塑態的每組粘土樣品從圓孔中擠出，形成直徑為6mm的圓柱體棒條。然後將擠出的棒條切割成長度為150mm的小棒。使小棒在空氣中乾燥，然後在爐中在60℃的溫度下乾燥過夜。然後再將小棒切成兩半，在可控的80％相對溼度的環境中放置幾小時，然後放置在通用試驗機或類似設備中間距為50mm的三點扭曲卡具上，進行粉碎。在斷裂點測量小棒的直徑，並根據直徑計算斷裂模量和使該小棒斷裂所需的力。用這種方法對每組粘土樣品至少測量10個小棒，並計算平均斷裂模量。
結果如下表1所示，根據樣品所在的A組或B組，各個樣品的標號依次為A1……，B1……。
表1
表1的結果表明，機械加工適當增加了A組和B組高嶺石粘土的斷裂模量。然而，意想不到且非常有益的是，加入1.5重量％鈉型膨潤土的A組粘土樣品的斷裂模量卻有明顯增加。表1的結果顯示出，斷裂模量隨機械加工中粘土耗能量的增大而持續增加，直到能量達到大約175kJ.kg-1。該表還表明，當機械加工過程中高嶺石粘土的耗能量大於大約175kJ.kg-1後，斷裂模量增加很少。
實施例2得到第二種用於陶瓷餐具工業的英國高嶺土，其粒徑分布是佔重量52％的顆粒的等效球體直徑小於5μm，佔重量32％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。在與實施例1相同的粘土拌合機中對該高嶺土樣品進行處理。使該粘土與足夠的水相混合，用一個高速混合器使之形成含水量為25重量％的坯泥，在粘土拌合機中進行處理，製備該高嶺土樣品。
將樣品分成兩組「C」和「D」。在用粘土拌合機處理之前，在C組樣品中，加入以高嶺土乾重計為0.9重量％的懷俄明鈉型膨潤土，而在D組樣品中不加入膨潤土。C組和D組每組樣品都留有未經粘土拌合機機械處理的樣品，用於測試。在變化的條件下，使其餘的C組和D組樣品穿過粘土拌合機，每組樣品有不同範圍的耗能量。
然後如實施例1所述，測量每一樣品的斷裂模量，結果如下表2所示，根據樣品所在的C組或D組，各個樣品的標號依次為C1……，D1……。
表2
表2的結果表明，其趨勢與實施例1(見表1)相同。
實施例3得到一種混合高嶺石粘土(E組)，該粘土由兩種來自高嶺土精加工廠的中間產品的混合物組成，即粗組分來自粒徑分級過程，細組分來自高嶺土中間產品。該混合物的粒徑分布是佔重量23％的顆粒的等效球體直徑大於10μm，佔重量25％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。該混合物的製備方法是，使每一種組分懸浮在足夠的水中，形成一種含10重量％幹粘土的懸浮液，並按需要的比例使懸浮液相混合，由此得到所需的混合物。將由此得到的懸浮液分成6個樣品。在其中的2個樣品中加入1重量％的來自英國Cornwall高嶺土產區的蒙脫石。6個樣品中的另外2個樣品中加入2重量％相同的蒙脫石。而在剩下的2個懸浮液樣品中不加入蒙脫石。
然後通過過濾使每一個懸浮液樣品脫水，由此形成含水量大約為25重量％的濾餅。留出每對樣品中的一個樣品(樣品E1、E2和E3)，以便如實施例1所述測量斷裂模量。在實施例1所述的粘土拌合機中，對每對樣品中的另一個樣品(樣品E4、E5和E6)進行機械加工，條件是粘土混合物的耗能量在大約每公斤粘土(以乾重計)165kJ範圍內。測量經過機械加工的樣品的斷裂模量。
結果如下表3所示。
表3
結果表明，在高嶺石粘土中添加少量的蒙脫石可增加粘土的生坯強度。當對高嶺石粘土進行機械加工時，生坯強度還能進一步顯著增加。
實施例4出自高嶺土精加工廠中間產品的高嶺石粘土(樣品F)，其粒徑分布是佔重量9％的顆粒的等效球體直徑大於10μm，佔重量57％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。該粘土曾以較稀的懸浮液得到。將該粘土懸浮液分成四部分。在其中的3部分中分別加入1重量％、2重量％和3重量％的產自德克薩斯的膨潤土。在剩餘的另一部分粘土中不加入膨潤土。
然後通過過濾使懸浮液的每一部分脫水，由此形成含水量大約為30重量％的濾餅。掰掉一小部分溼濾餅，對其進行熱乾燥，然後將它與剩餘的溼濾餅相混合，以便將含水量降低到22重量％。然後將每一濾餅分成兩半部分。留出每部分的一半(樣品F1-F4)，如實施例1所述，測量斷裂模量。在實施例1所述的粘土拌合機中，對每一部分的另一半濾餅(樣品F5-F8)進行機械加工。粘土拌合機中的加工條件是，對加入膨潤土的樣品F6-F8，高嶺石粘土的混合物的耗能量為大約每公斤粘土(以乾重計)40kJ，對不加膨潤土的樣品F5，高嶺石粘土的混合物的耗能量為大約每公斤粘土(以乾重計)100kJ。在每公斤粘土大約消耗230kJ能量的條件下，在粘土拌合機中，對用沒有經膨潤土處理的懸浮液形成的濾餅的另一樣品(樣品F9)進行機械加工。測量經過機械加工的粘土樣品的斷裂模量。
結果如下表4所示。
表4
希望陶瓷餐具中高嶺石粘土的最小斷裂模量大約為0.6MPa，從表4的結果中可以看到，當以高嶺石粘土的乾重計，在初始高嶺石粘土中混入1重量％的膨潤土，然後在混合物中每公斤幹粘土混合物消耗大約40kJ能量的條件下，對該混合物進行機械加工時，可得到具有可接受生坯強度的粘土產物。在不進行機械加工的條件下，需要加入兩倍的膨潤土才能得到類似結果。如果不加入膨潤土，即使每公斤幹粘土的耗能量達到230kJ，也不能得到可接受的產品。
實施例5高嶺石粘土G是來自高嶺土精加工廠的產品，其粒徑分布是佔重量1.1％的顆粒的等效球體直徑大於10μm，佔重量73％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。該粘土常以較稀的懸浮液得到。在壓濾機中使懸浮液脫水，通過使溼濾餅與適量的經過熱乾燥的幹濾餅相混合，將濾餅的含水量調節到28重量％。將由此形成的濾餅分成四部分，使這四部分濾餅分別混有以高嶺石粘土的乾重計為0重量％、1重量％、2重量％和3重量％的膨潤土。該膨潤土與實施例4所用的膨潤土相同。將未混有膨潤土的濾餅再分成4個樣品。對其中的一個樣品(樣品G1)進行乾燥，並如實施例1所述，在80％的相對溼度下測量其斷裂模量。對該濾餅的其餘三個樣品(樣品G2-G4)在逐漸增加濾餅耗能量的條件下進行機械加工。然後乾燥這些樣品，並在80％的相對溼度下測量斷裂模量。
將分別含有1重量％和3重量％膨潤土的濾餅每一個分成兩部分。對每一樣品(樣品G5和G11)的一部分進行乾燥，然後不進行進一步處理，在80％的相對溼度下測量斷裂模量，而對每一樣品(樣品G6和G12)的其它部分，在濾餅中以每公斤幹粘土大約消耗80-95kJ能量的條件下，對其進行機械加工。然後對這些樣品進行乾燥，並在80％的相對溼度下測量斷裂模量。進一步將含有2重量％膨潤土的濾餅分成4個樣品，對其中的一個樣品(樣品G7)進行乾燥，並不經進一步處理，在80％的相對溼度下測量其斷裂模量。對該濾餅的其餘三個樣品(樣品G8-G10)在逐漸增加濾餅耗能量的條件下進行機械加工。然後乾燥這些樣品，並在80％的相對溼度下測量斷裂模量。
結果如下表5所示。
表5
這些實施例的目的是提供具有可接受的、斷裂模量高達約1.27MPa的高嶺石粘土。從表5的結果可以看出，如果使2重量％的膨潤土與高嶺石粘土相混合，並在以粘土的乾重計，粘土濾餅中每公斤粘土混合物至少消耗100kJ能量條件下，對混合物進行機械加工，就可以達到該斷裂模量。另外對高嶺石粘土中混有3重量％膨潤土的情況來說，可減少濾餅的最小耗能量。
實施例6得到一種低含固量(水中的含固量＜30重量％)的高嶺土注漿組合物的泥漿。標號S1。在一部分物料S1中加入0.3重量％呈懸浮液的膨潤土(BTM)(以粘土的乾重計)。在高嶺土注漿懸浮液中充分混合該膨潤土。對得到的物料進行濃縮，以便得到一種由溼式塑態物料組成的物料S3。同時還要濃縮相同量的不加膨潤土的初始物料，得到物料S2。
在不同耗能率的條件下，在實施例1所用的粘土拌合機中對物料S2和S3進行處理。然後如實施例1所述，在80％的相對溼度下測量斷裂模量(MOR)。結果示於下表6和7中。
表6物料S2的結果(不加膨潤土)
表7物料S3的結果(加入0.3％的膨潤土)
這些結果表明，它們的趨勢與上述實施例相同。
實施例7用部分精加工的高嶺石粘土H作初始物料，其粒徑分布是佔重量36％的顆粒的等效球體直徑大於10μm，佔重量26％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。在壓濾機中使含有部分精加工高嶺土的稀懸浮液脫水，通過使溼濾餅與適量的經過熱乾燥的幹濾餅相混合，將濾餅的含水量調節到25重量％。將由此形成的濾餅分成四部分，使這四部分濾餅分別混有以高嶺石粘土的乾重計為0重量％、3重量％、6重量％和1 0重量％的膨潤土。該膨潤土與實施例4所用的膨潤土相同。將未混有膨潤土的濾餅再分成4部分。對其中的一部分(樣品H1)進行乾燥，並如實施例1所述，在80％的相對溼度下測量其斷裂模量。對該濾餅的其餘三部分(樣品H2、H3和H4)在逐漸增加濾餅耗能量的條件下進行機械加工。然後乾燥這些樣品，並在80％的相對溼度下測量斷裂模量。
在濾餅中以每公斤粘土(以乾重計)大約消耗195-220kJ能量的條件下，對分別含有3重量％、6重量％和10重量％膨潤土的濾餅(樣品H5、H6和H7)進行機械加工。然後對這些樣品進行乾燥，並在80％的相對溼度下測量斷裂模量。
結果如下表8所示。
表8
表8的結果表明，在使用這種特殊高嶺土的情況下，當在高嶺石粘土中混合大約6重量％的膨潤土，然後在塑態對混合物進行機械加工時，可達到最大生坯強度。在不加膨潤土的情況下，機械加工只能不相稱地少量增加斷裂模量。
實施例8使樣品H穿過一直徑為50mm的水力旋轉分粒機，並選擇溢流粒級，由此製備精加工的高嶺石粘土I，其粒徑分布是佔重量10％的顆粒的等效球體直徑大於10μm，佔重量43％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。在壓濾機中使含有部分精加工高嶺土的稀懸浮液脫水，通過使溼濾餅與適量的經過熱乾燥的幹濾餅相混合，將濾餅的含水量調節到2 5重量％，將由此形成的濾餅分成四部分，使這四部分濾餅分別混有以高嶺石粘土的乾重計為0重量％、3重量％、6重量％和10重量％的膨潤土。該膨潤土與實施例4所用的膨潤土相同。將未混有膨潤土的濾餅再分成4部分。對其中的一部分(樣品I1)進行乾燥，並如實施例1所述，在80％的相對溼度下測量其斷裂模量。對該組樣品的其餘三個樣品(樣品I2、I3和I4)在逐漸增加濾餅耗能量的條件下進行機械加工。然後乾燥這些樣品，並在80％的相對溼度下測量斷裂模量。
在處理後的濾餅中以每公斤粘土(以乾重計)大約消耗195-220kJ能量的條件下，對分別含有3重量％、6重量％和10重量％膨潤土的濾餅(樣品I5、I6和I7)進行機械加工。然後對這些樣品進行乾燥，並在80％的相對溼度下測量斷裂模量。
結果如下表9所示。
表9
表9的結果表明，在使用這種特殊高嶺土的情況下，即使當以高嶺石粘土的乾重計，加入高達10重量％的膨潤土，生坯強度仍然隨著所加膨潤土重量百分比的增加而增大。此外，在不加膨潤土的情況下，機械加工只能少量地增加斷裂模量。
實施例9得到含有部分精加工高嶺土的粘土物料。該粘土物料的粒徑分布為佔重量39％的顆粒的等效球體直徑(esd)大於10μm，佔重量26％的顆粒的等效球體直徑小於2μm。該粘土中Fe2O3雜質含量為0.21重量％，K2O雜質含量為1.69重量％。
試驗按下述方式進行以研究其效果在粘土物料中加入3重量％(以高嶺土的乾重計)粉末狀的已經過鈉活化處理的德克薩斯膨潤土，對該粘土物料進行和不進行機械加工。在加入膨潤土之前，將粘土物料的含水量調節到10重量％。當加入膨潤土時，使其與溼粘土物料充分混合5分鐘。在進行機械加工的情況下，通過加入水將含水量調節到大約25重量％，並在粘土拌合機中用55kJ.kg-1的輸入能量擠壓處理得到的塑態物料。對得到的三個粘土樣品(即粘土物料樣品X，粘土物料加膨潤土樣品Y，以及粘土物料加膨潤土加在粘土拌合機中機械加工樣品Z)的下列性質進行觀察或測量可塑性、斷裂模量(MOR)(測量同實施例1)以及最大可注漿固體濃度。對於MOR的測量，將擠壓條在60℃溫度下的爐中乾燥後，要麼放置在調節箱中相對溼度為80％(80％RH)的環境中，直到達到水分平衡，要麼放在110℃的爐中完全乾燥。然後如實施例1所述，測量這兩組「達到所要求狀態的」擠壓條的斷裂模量。同時還要測量可塑性和注漿濃度。可塑性根據試驗操作者觀察到的樣品的無裂縫彎曲能力的等級來定級。可通過採用本申請人的測量陶瓷注漿組合物中高嶺石粘土的注漿濃度的標準方法來測量注漿濃度。該方法如下將250克已經在60℃溫度下乾燥至含水量小於1重量％，並粉碎到能穿過2mm孔徑篩網的高嶺石粘土加到去離子水中。根據希望的注漿濃度估算所用的水量，用手慢慢攪拌，由此製備混合物。隨著在水中不斷加入粘土，混合物最終變得太粘稠，以致於無法攪拌，用滴定管將已經稀釋到50％wt/vol的作為分散劑的P84矽酸鈉加到該混合物中。矽酸鈉的滴加量是每次0.2ml，每次滴加後用手攪拌混合物。在每次滴加後5分鐘，用Brookfield迴轉式粘度計，在20rpm下採用3號Spindle確定混合物的粘度。重複滴加矽酸鈉和測量混合物粘度的過程，直到得到最小粘度值，如果最初估算的用水量正確的話，該值應當大於500mPa.s。然後加入去離子水，直到測量粘度為500mPa.s。然後從粘土懸浮液中取出樣品，稱重，乾燥並再稱重，以確定懸浮液中幹粘土的重量百分比。記錄下該重量百分比以作為懸浮液的注漿濃度。結果示於下表10中。
表10
表10表明，在粘土物料中添加膨潤土，能顯著增加在80％RH以及乾燥到110℃時的MOR。
添加膨潤土並隨後在粘土拌合機中機械加工既可顯著增加在80％RH和乾燥到110℃時的MOR，又可以顯著增加可塑性。同時還可以改進注漿濃度。
權利要求
1.一種製備形成陶瓷的組合物的方法，該方法包括以下步驟(a)使以高嶺石粘土乾重計為0.1重量％-15.0重量％的綠土與高嶺石粘土相混合；(b)在以乾重計對溼式塑態混合物每公斤粘土混合物消耗至少5 kJ能量的條件下，對步驟(a)製成的溼式塑態粘土進行機械加工以形成處理的高嶺石粘土，和(c)將所述的處理的高嶺石粘土加入到形成陶瓷的組合物中。
2.如權利要求1所述的方法，其中在步驟(b)中處理的塑態物料的含水量佔粘土混合物乾重的20重量％-30重量％。
3.如權利要求2所述的方法，其中在步驟(b)中處理的塑態物料的含水量以粘土混合物的乾重計為23重量％-28重量％範圍內。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其中在步驟(b)處理之前，調節步驟(a)生產的粘土混合物的含水量。
5.如上述任一權利要求所述的方法，其中在步驟(b)中的耗能量以乾重計每公斤粘土混合物為5kJ-300kJ。
6.如上述任一權利要求所述的方法，其中高嶺石粘土含有一種或多種高嶺土和/或一種或多種球土。
7.如上述任一權利要求所述的方法，其中綠土包括蒙脫石粘土。
8.如權利要求7所述的方法，其中蒙脫石粘土包括一價離子活化的膨潤土。
9.如上述任一權利要求所述的方法，其中在步驟(a)中加入的綠土量以存在的高嶺石粘土的乾重計為0.5-7.0重量％範圍內。
10.如上述任一權利要求所述的方法，其中在步驟(a)中，高嶺石粘土和/或綠土呈泥漿形式。
11.如權利要求10所述的方法，其中在步驟(a)形成的粘土混合物是稀含水懸浮液，在步驟(b)加工之前，對該稀含水懸浮液進行脫水。
12.如權利要求11所述的方法，其中通過一種或多種過濾、擠壓、部分乾燥和添加來自後續乾燥器出口的乾燥物質進行脫水。
13.如上述任一權利要求所述的方法，其中採用擠壓設備進行步驟(b)的加工。
14.如權利要求13所述的方法，其中擠壓設備包括螺旋式粘土拌合機。
15.製備陶瓷製品的方法，包括權利要求1-14任何一項的製備形成陶瓷的組合物的步驟和其中該組合物隨後成形、乾燥和燒制。
全文摘要
本發明涉及一種製備形成陶瓷的組合物的方法，該方法包括以下步驟(a)使以高嶺石粘土乾重計為0.1重量％－15.0重量％的綠土與高嶺石粘土相混合；(b)在以乾重計對溼式塑態混合物每公斤粘土混合物消耗至少5kJ能量的條件下，對步驟(a)製成的溼式塑態粘土進行機械加工以形成處理的高嶺石粘土，和(c)將所述的處理的高嶺石粘土加入到形成陶瓷的組合物中。本發明還涉及製備陶瓷製品的方法。
文檔編號C04B33/04GK1519215SQ200310124360
公開日2004年8月11日 申請日期1999年4月23日 優先權日1999年2月26日
發明者C·S·霍格, C S 霍格 申請人:英默裡斯礦物有限公司