1、陶瓷的區(qū)別及其水分的組成
陶與瓷的區(qū)別在于它的質(zhì)地，而判斷質(zhì)地的標(biāo)準(zhǔn)正是含水率。陶瓷坯體的含水率一般在5%－25%之間，坯體與水分的結(jié)合形式，物料在干燥過(guò)程中的變化以及影響干燥速率的因素是分析和改進(jìn)干燥器的理論依據(jù)。陶瓷坯體內(nèi)含有的水分可以分為物理水與化學(xué)水，干燥過(guò)程只涉及物理水，物理水又分為結(jié)合水與游離水。游離水存在于坯體的大毛細(xì)管內(nèi)，與坯體結(jié)合松弛。坯體中游離水的蒸發(fā)就像自由液面上水的蒸發(fā)一樣，坯體表面水蒸汽的分壓力，等于其表面溫度下的飽和水蒸汽分壓力。坯體中游離水排出時(shí)，物料的顆粒彼此靠攏，因此發(fā)生體積收縮，故游離水又稱(chēng)為收縮水。干燥是陶瓷成型中的關(guān)鍵工藝之一, 將直接決定陶瓷材料的性能。干燥是一個(gè)多階段過(guò)程, 涉及毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)的水分流動(dòng)、陶瓷生坯的粘滯形變, 陶瓷生坯內(nèi)水分的蒸發(fā)與擴(kuò)散等過(guò)程。有效控制干燥過(guò)程中的含水率對(duì)解決尺寸控制困難、組成不均勻及裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展等問(wèn)題有重要意義。
2、干燥的基本步驟
陶瓷生坯的干燥主要分為3個(gè)階段:勻速干燥階段(constant-rateperiod, CRP), 第1 次降速干燥階段(firstfalling-rateperiod, FRP1)以及第2次降速干燥階段(secondfalling-rateperiod, FRP2)。在勻速干燥階段, 干燥速率主要由外部條件決定, 如熱對(duì)流形式、干燥介質(zhì)等。在該階段中, 水分在毛細(xì)管力作用下由坯體內(nèi)部遷移至坯體外表面, 然后蒸發(fā)掉。隨著干燥的進(jìn)行, 大尺寸氣孔收縮而液體進(jìn)入具有較高引力勢(shì)能的小氣孔內(nèi)。一般而言, 當(dāng)水分在毛細(xì)管力作用下重新分布的速率高于在表面的蒸發(fā)速率, 這些小氣孔有可能滲透并留在坯體內(nèi)部。
勻速干燥階段, 當(dāng)水分由坯體內(nèi)部遷移至表面的內(nèi)擴(kuò)散速度與表面水分蒸發(fā)速度不相等時(shí), 干燥進(jìn)入第1次降速干燥階段(FRP1)。在第1次降速干燥階段, 水分在凹液面處開(kāi)始蒸發(fā), 使得水分退回至坯體內(nèi)部。第1次降速干燥進(jìn)行到一定階段時(shí), 隨著蒸發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng), 水分停留在坯體內(nèi)部的空穴處, 標(biāo)志著反應(yīng)進(jìn)行到第2次降速干燥階段(FRP2)。在FRP2階段, 水分以氣相擴(kuò)散的方式從坯體內(nèi)部擴(kuò)散至空氣中。
3、毛細(xì)管力作用下的水分流動(dòng)
干燥階段, 水分通過(guò)多孔介質(zhì)進(jìn)行遷移主要取決于毛細(xì)管力作用(Pcap)產(chǎn)生的壓力梯度 :
Pcap =2γLV
rp
(1)
其中, γLV為液-氣表面張力;而rp為氣孔的特征尺寸, 可由水力半徑rh估算[ 22] :
rh =2(1 - )
As ρ (2)
其中, 為陶瓷漿料中顆粒的體積分?jǐn)?shù);As為比表面積;ρ為漿料的密度。根據(jù)Darcy定律, 液體流通量(J)
與液體中壓力梯度 p
x具有如下關(guān)系:
J=-D
η0
p
x (3)
其中, ρs為顆粒的密度, η0 為溶液黏度, D為滲透系數(shù), 可由式(4)確定 :
D=(1 - )3
5(As ρs)2 (4)
這樣, 在干燥過(guò)程中發(fā)生毛細(xì)管力作用的遷移長(zhǎng)度(lcap)可由式(5)確定:
lcap = 2H(ΔP)(1 - )2
5VEη0(As ρs) (5)
其中, H為陶瓷漿料層的層厚, VE為蒸發(fā)速率, ΔP是由式(1)估算的壓力降。由式(5)可知, 可以通過(guò)降低蒸發(fā)速率VE或增加漿料固含量或降低液體黏度從而增大lcap。
對(duì)比lcap與坯體的特征尺寸, 即能看出毛細(xì)管力在液體遷移中的重要性。當(dāng)lcap >H時(shí), 液氣界面將以不規(guī)則面的方式進(jìn)入到坯體層。而當(dāng)lcap H時(shí), 液氣界面以平面形式進(jìn)入坯體, 這種情況會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度, 促進(jìn)裂紋生長(zhǎng), 因此應(yīng)該避免。
4、檢測(cè)陶瓷中水分的必要性
綜上所述：胚體入窯時(shí)、水分太大就會(huì)造成開(kāi)裂，因此，引起干燥開(kāi)裂的主要原因就在于毛細(xì)力大于胚體自身的強(qiáng)度。此外，毛細(xì)力的大小與水（胚體內(nèi)的溶劑）表面張力等相關(guān)。解決干燥變形及開(kāi)裂，主要在于控制好（降低）兩個(gè)降速階段的氣液傳質(zhì)速率。提高了外部環(huán)境濕度、降低了環(huán)境溫度、減少胚體內(nèi)部的水分的表面張力。
5、關(guān)于陶瓷水分控制的解決方案
針對(duì)于檢測(cè)陶瓷內(nèi)部和胚體的含水率情況，深圳冠亞自主研發(fā)生產(chǎn)了新一代陶瓷水分快速檢測(cè)儀。
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