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。
《冠亞牌》WL-20系列液晶觸摸屏快速水分測(cè)定儀是由深圳市冠亞公司研發(fā)并生產(chǎn)，WL系列型在繼承了冠亞以往設(shè)備優(yōu)異性能的同時(shí)，更多是集合了現(xiàn)代化的科技亮點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高智能化的設(shè)計(jì)理念。在設(shè)備顯示部分采用了高分辨率的7寸液晶大屏幕，可直接通過(guò)全屏觸控的模式在液晶屏上直接進(jìn)行測(cè)試參數(shù)、條件設(shè)定等，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)一體化的操作模式，改變了一往水份儀設(shè)備不能實(shí)時(shí)觀看數(shù)據(jù)過(guò)程變化的弊端，分析完畢后，儀器屏幕自動(dòng)鎖定終的數(shù)據(jù)。無(wú)需人員看護(hù)、維護(hù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。操作人員不需要進(jìn)行培訓(xùn)，看說(shuō)明書(shū)或者產(chǎn)品操作流程即可全面掌握并操作，同時(shí)根據(jù)說(shuō)明書(shū)上的提示，即可簡(jiǎn)單處理設(shè)備工作中出現(xiàn)的各類現(xiàn)象。
WL系列液晶水分儀采用率的烘干加熱器-高品質(zhì)的環(huán)狀燈管，對(duì)樣品進(jìn)行快速、均勻的加熱，樣品的水份持續(xù)不斷的被烘干。整個(gè)測(cè)量過(guò)程，儀器全自動(dòng)的實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果：樣品重量、含水量、測(cè)定時(shí)間、加熱溫度等；應(yīng)用了烘箱干燥法原理，測(cè)定結(jié)果與烘箱法水分測(cè)定具有良好的一致性，工作效率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于烘箱法水分測(cè)定，一般樣品只需要幾分鐘即可測(cè)量完畢，因此受到廣大用戶的青睞與好評(píng)。
技術(shù)參數(shù)：
1、稱重范圍：0-90g
●SFY商標(biāo)8931081
水分測(cè)定范圍：0.01-100%
★干重測(cè)定范圍：100-0.00%
3、稱重小讀數(shù)：0.001g
●JQR稱重系統(tǒng)傳感器
●CMC計(jì)量許可證00000018號(hào)(生產(chǎn)許可證)
4、樣品質(zhì)量：0.5-90g
5、★加熱溫度范圍：當(dāng)前環(huán)境溫度-205℃
溫度誤差：±0.5℃
●加熱方式：應(yīng)變式混合氣體加熱器
●6、水分含量可讀性：0.01%
顯示8種參數(shù)：
● 水分值，干重，樣品初值，樣品終值，測(cè)定時(shí)間，溫度初值，終值，恒重值
● 顯示：彩色7寸液晶觸摸屏
● 操作模式：全屏幕觸控式
● 屏幕分辨率：800x480
8、外型尺寸：380×205×325(mm)
9、電源：220V±10%
10、凈重：3.7Kg
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