第６期 收稿日期：２０２１－０２－２５
基金项目：阜阳市－阜阳师范大学校地横向合作项目（ＸＤＨＸ２０１７１７）；博士科研启动项目（２０１６ＫＹＱＤ０００６）；阜阳师范大学青年人才重点基金项目（ｒｃｘｍ２０２００５，ｒｃｘｍ２０２００３）；安徽省高校自然科学研究项目（ＫＪ２０２０Ａ０５４６，ＫＪ２０２０Ａ０５２５０）
作者简介：姜广鹏（１９８０—），安徽阜阳人，博士后，讲师，研究方向：多孔陶瓷。
姜广鹏，刘雪艳，张琳，陶栋梁，罗春华，王永忠
（阜阳师范大学化学与材料工程学院，安徽阜阳 ２３６０３７）
摘要：生坯强度对于陶瓷的后续加工操作有着重要的意义，但目前对塑性成型生坯强度的研究还很少。本文以羟丙基甲基纤维素
（ＨＰＭＣ）作为陶瓷粉料的有机粘结剂，通过加入不同量ＨＰＭＣ和水进行塑性成型，对烘干后生坯气孔率，抗弯强度和断口显微形貌进行了研究。结果发现，高剪切力的轮碾可使ＨＰＭＣ和水混合
成膜覆盖在氧化铝颗粒表面。随着ＨＰＭＣ含量增加，气孔率先降低后增加，在加入量为１５％时达到最低值，气孔率为４５％。抗弯强度随ＨＰＭＣ含量增加先增加后降低，当ＨＰＭＣ添加量为２５％时，生坯强度最高为７．５ＭＰａ，是ＨＰＭＣ添加量为５％（１．６ＭＰａ）时的４．７倍。关键词：粘结剂；生坯；抗弯强度；显微结构 中图分类号：ＴＯ１７４．７５＋８．１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２１）０６－００２３－０３
ＥｆｆｅｃｔｏｆＨｙｄｒｏｘｙｐｒｏｐｙｌＭｅｔｈｙｌＣｅｌｌｕｌｏｓｅＣｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅ
ＧｒｅｅｎＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＰｌａｓｔｉｃＦｏｒｍｅｄＣｅｒａｍｉｃＢｏｄｙ
ＪｉａｎｇＧｕａｎｇｐｅｎｇ，ＬｉｕＸｕｅｙａｎ，ＺｈａｎｇＬｉｎ，ＴａｏＤｏｎｇｌｉａｎｇ，ＬｕｏＣｈｕｎｈｕａ，ＷａｎｇＹｏｎｇｚｈｏｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＭａｔｅｒｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＦｕｙａｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｙａｎｇ ２３６０３７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒｅｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎ
ｃｅｔｏｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｃｅｒａｍｉｃｓ，ｂｕｔｔｈｅｒｅａｒｅｆｅｗｓｔｕｄｉｅｓ
ｏｎｔｈｅｇｒｅｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｐｌａｓｔｉｃｆｏｒｍｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｈｙｄｒｏｘｙｐｒｏｐｙｌｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ（ＨＰＭＣ）ｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｂｉｎｄｅｒｏｆｃｅｒａｍｉｃｐｏｗｄｅｒ，ａｎｄｐｌａｓｔｉｃｍｏｌｄｉｎｇｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙａｄｄｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｏｕｎｔｓｏｆＨＰＭＣａｎｄｗａｔｅｒ，ａｎｄｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙ，ｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｇｒｅｅｎｂｏｄｙａｆｔｅｒｄｒｙｉｎｇｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｈｉｇｈ－ｓｈｅａｒｗｈｅｅｌｍｉｌｌｉｎｇｃａｎｍｉｘＨＰＭＣａｎｄｗａｔｅｒｔｏｆｏｒｍａｆｉｌｍｃｏｖｅｒｉｎｇｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆａｌｕｍｉｎａｐａｒｔｉｃｌｅｓ．ＡｓｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＨＰＭＣｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙｆｉｒｓｔｄｅｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｒｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｌｏｗｅｓｔｖａｌｕｅｗｈｅｎｔｈｅａｄｄｅｄａｍｏｕｎｔｉｓ１５％，ａｎｄｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙｉｓ４５％．Ｔｈｅｆｌｅｘｕｒａｌ
ｓｔｒｅｎｇｔｈｆｉｒｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＨＰＭＣｃｏｎｔｅｎｔ．ＷｈｅｎｔｈｅＨＰＭＣａｄｄｉｔｉｏｎａｍ
ｏｕｎｔｉｓ２５％，
ｔｈｅｇｒｅｅｎｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ７．５ＭＰａ，ｗｈｉｃｈｉｓ４．７ｔｉｍｅｓｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅＨＰＭＣａｄｄｉｔｉｏｎａｍｏｕｎｔｉｓ５％（１．６ＭＰａ）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｎｄｅｒ；ｇｒｅｅｎｂｏｄｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 在陶瓷制品的生产中，通常希望在烧结前具有尽可能高的生坯强度，因为陶瓷生坯经常在烧结前进行处理和机械加工，
生坯强度不足可能会损坏生坯［布音
2-氯-5-甲基吡啶
１－４］
。目前，研究者已经研究了不同工艺参数（例如颗粒尺寸，粘合剂，润滑剂和水分）对干压
陶瓷生坯产品的生坯强度的影响［５－８］
。近年来，凝胶浇铸作为一种相对新颖的成型方法也得到了越来越多的关注，部分原因
是其获得生坯强度较高
［２－３］
。塑性成型是陶瓷生产中应用最广的一种成型技术，例如挤压成型作为塑性成型的典型代表特别适合于杆状，管状等等截面制品的生产，具有生产效率高的突出优点；然而目前对塑性成型陶瓷生坯强度的研究还很少。
在塑性成型过程中，各种粘合剂，尤其是有机粘合剂，在制备塑料泥料中起着至关重要的作用。然而，在实际生产中，有机粘合剂的选择通常是经验性的，文献中对这方面的研究还很少。我们在以前的挤压成型配方中研究了淀粉和羟丙基甲基纤维素（ＨＰＭＣ）两种粘合剂对陶瓷生坯强度的影响，结果发现
与淀粉相比，ＨＰＭＣ可以显著提高生坯的抗弯强度［９］
。在本研究中，我们用模压法对塑性泥料进行成型，研究不同ＨＰＭＣ含量对陶瓷生坯抗弯强度的影响，通过本研究也可以比较不同塑性成型法对陶瓷生坯强度的影响。
１ 实验过程
本实验选用市售的氧化铝粉末为陶瓷原料，ＨＰＭＣ作为陶csg
瓷粉料的粘结剂。ＨＰＭＣ外观呈白粉末状。首先，将Ａｌ２Ｏ３
粉料与不同量的ＨＰＭＣ粉料干法混合（５％，０％，１５％，２５％，
３５％，５０％，本实验中所加的百分比值均以Ａｌ２Ｏ３的质量为基础），振荡混匀１０ｍｉｎ，使两种粉料充分混合均匀后，加入一定量的蒸馏水配成适合的塑性成型泥料。根据ＨＰＭＣ的添加量，不同配方中，配制成塑性泥料所需水的添加量变化不大，在３１ ５％～３５．５％之间。然后将得到的混合物用杵在氧化铝研钵中碾４０ｍｉｎ提供剪切混合，得到均匀的泥料。最后放好脱模纸，将泥料填充到模具，上下两面各放好压片板，将其放入压片机，在２０℃下加压并保压２ｍｉｎ。然后取出压好的长方体形状的样品在６０℃下烘干１０ｈ。
样品表征
干燥后的生坯试样具有一定的强度，根据试样的重量和尺寸计算体积密度，气孔率由体积密度和理论密度计算得出，其中理论密度根据混合法则计算。为了评价生坯试样的力学性能，采用ＷＤＷ－１０微机控制电子万能试验机，在跨度为１６ｍｍ、加载速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ下，对干燥后的生坯进行三点弯曲强度测试。抗弯强度按下式计算：
σ＝３ＦＬ／２ｂｈ２
其中，Ｆ为最大破坏载荷（单位：Ｎ）；Ｌ为跨距（单位：ｍｍ）；ｂ为试样宽度（单位：ｍｍ），ｈ为试样厚度（单位：ｍｍ）。每一个最终的三点弯曲强度的值，都是测六次的平均值。
采用扫描电镜（ＳＥＭ）对喷金后的原料和弯曲实验后样品的断口进行表征。
２ 结果与讨论
为了更好地了解ＨＰＭＣ作粘结剂对Ａｌ２Ｏ３陶瓷生坯强度
·
福州雾霾３２·姜广鹏，等：羟丙基甲基纤维素含量对塑性成型陶瓷生坯强度的影响
山 东 化 工
的影响，需要了解实验所用的Ａｌ２Ｏ３粉料和Ｈ
ＰＭＣ颗粒的尺寸和形貌。图１分别给出了低倍和高倍扫描电镜下的Ａｌ２Ｏ３和ＨＰＭＣ的形貌，两者区别明显。如图１（ａ）所示Ａｌ２Ｏ３颗粒近似为等轴状，颗粒较大，大部分粒径在６０～１２０μｍ范围内，这些
颗粒由众多小颗粒组成。在图１（ｂ）中，ＨＰＭＣ颗粒外观上类似
于柔性短纤维，表面较粗糙，直径约为２０μｍ，长度大多为几百
微米。
图１ 不同原料的显微照片（ａ，ｂ分别为氧化铝和ＨＰＭＣ）
２．１ 体积密度及气孔率
图２给出了烘干后生坯试样的体积密度及气孔率随ＨＰＭＣ添加量的变化情况。可以看出，试样的体积密度在ＨＰＭＣ添加
量为１５％时达到最大，为１．７１ｇ／ｃｍ３
，其他添加量的试样体积密
度在１．０５到１．２５ｇ／ｃｍ３
。体积密度由两方面决定，一个试样中的气孔率，二是两种原料之间的比例，这两方面都与ＨＰＭＣ添加量密切相关。氧化铝颗粒明显较大，在坯体中氧化铝颗粒间形成的孔隙也较大；颗粒尺寸较小的ＨＰＭＣ在轮碾后会和水一起进
入这些孔隙，所以开始随着Ｈ
ＰＭＣ加入量的增加，生坯的气孔率先逐渐降低，在加入量为１５％时达到最低值，气孔率为４５％，当填满这些孔隙后，气孔率会有所增加，这可能因为此时配制塑性泥料所需的加水量增多，
烘干后的气孔率也随之增加。
图２ 不同ＨＰＭＣ添加量的生坯试样的体积密度和气孔率
２．２ 显微结构分析
图３（ａ）－（ｆ）分别给出了不同ＨＰＭＣ添加量的生坯试样断口的ＳＥＭ形貌。在ＨＰＭＣ添加量为５％和１０％时，可以清晰看到大量氧化铝颗粒，另外一部分氧化铝颗粒上覆盖有一层薄膜状物质，这时因为在高剪切混料时，ＨＰＭＣ颗粒和水形成了一种粘稠状粘结剂分布于氧化铝颗粒间，有的包裹在氧化铝颗粒表面，经过之后的烘干和力学测试后，这些薄膜会从氧化铝颗粒表面断裂并附在颗粒表面。随着ＨＰＭＣ含量的增加，特别是ＨＰＭＣ达到１５％以上时，ＨＰＭＣ已经能填充满氧化铝颗粒间留下的间隙，这时多余的ＨＰＭＣ包裹在氧化铝颗粒表面，形成一定厚度的薄膜，事实上也正是这些粘性薄膜赋予了泥料良好的塑性和成型能力。也正是因为这些薄膜的存在，这些试样在烘干后断裂后形成的凹坑也越来越多（如图３（ｃ）和（ｄ）所示）。但是当生坯中ＨＰＭＣ添加量超过３５％时，除了包裹着氧化铝颗粒的薄膜外，还可以看到有纤维状物质出现，根据图１可知，这些是Ｈ
ＰＭＣ颗粒，这也说明了当ＨＰＭＣ超过３５％时，４０ｍｉｎ的轮碾已经不足以使ＨＰＭＣ全部碾成薄膜。这在ＨＰＭＣ添加量为５０％时尤为明显，这时出现大量的未碾好的ＨＰＭＣ。通过上述分析可知，为了配制均匀的泥料，轮碾时间一定要根据ＨＰＭＣ的添加量合理确定。此外，还可以注意
到这些未碾开的ＨＰＭＣ颗粒取向是任意的，这一点和我们以前在挤压成型中的研究截然不同，未碾开的Ｈ
ＰＭＣ在挤压成型后会平行于挤压方向定向分布的［９］
。当然，值得注意的是纤维状ＨＰＭＣ颗粒的任意取向
会造成生坯强度的各向同性。
·
４２·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０２１年第５０卷
第６
期图３ 不同ＨＰＭＣ含量对断口显微形貌的影响
２．３
力学性能分析
图４ 不同ＨＰＭＣ添加量的Ａｌ２Ｏ３生坯抗弯强度变化
图４给出了不同ＨＰＭＣ添加量的Ａｌ２Ｏ３生坯试样的抗弯强
度。可以看出，当Ｈ
ＰＭＣ的加入量从５％增加到２５％时，抗弯强度从１．６ＭＰａ提高到７．５ＭＰａ，提高了大约４．７倍。；添加量大于２５％时，生坯抗弯强度有所降低后基本趋于稳定。ＨＰＭＣ为２５％时，试样的抗弯强度都明显高于其他类型的试样。众所周知，试样的强度与气孔率密切相关，同等条件下，气孔率越低，强度越高，从这方面来说，１５％ＨＰＭＣ试样的强度似乎应该最高，然而事实并非如此。根据以上对显微结构的分析可以得到合理的解释。这是因为试样的强度其实在很大程度上来源于ＨＰＭＣ粘结剂互相交联形成的空间网状结构（尤其是包裹在氧化铝表面的壳状薄膜的厚度），ＨＰＭＣ超过１５％后，随着ＨＰＭＣ
的增多，壳状薄膜的厚度也越大，所以这时在气孔率增加的情
况强度依然会继续提高。当Ｈ
ＰＭＣ添加量增加到３５％和５０％时，根据以上分析，此时大量ＨＰＭＣ未能完全得到碾开，这些未碾开的ＨＰＭＣ也就不会使强度得到进一步的提高。 此外，图５给出了不同ＨＰＭＣ添加量的生坯
样品的典型力－位移曲线。可以看出，虽然添加３５％和５０％的样品抗弯强度有所降低，但从最大应力到最终失效后两者之间的位移比其他试样更大，说明了断裂类型属于明显的韧性断裂，这主要也是因为有未碾开ＨＰＭＣ的存在，这些纤维状颗粒均匀分布在生坯中，
可以明显起到增韧的作用。
图５ 不同ＨＰＭＣ添加量的生坯样品的典型力－位移曲线
（下转第２９页）
·
５２·姜广鹏，等：羟丙基甲基纤维素含量对塑性成型陶瓷生坯强度的影响
第６期基，羟丙基上的羟基可以与海藻酸钠大分子呋喃环或糖苷基上的氧原子之间形成氢键。Ｈ
ＰＭＣ的加入不仅可以扩大海藻酸钠大分子的间隙，而且可以使得分子链的运动能力增加［１７］
。
此外，在复配薄膜中添加纳米功能材料，能够进一步的提
高薄膜对于多源复杂的恶臭气体的去除［１８］
。
另外，下一步研究将对所制备的薄膜的机械性能等进行测试，以期制备出性能良好的工程用物理覆盖薄膜。
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（上接第２５页）
３ 结论
本实验以Ａｌ２Ｏ３为陶瓷原料、ＨＰＭＣ为粘结剂，通过对塑性泥料的模压成型法制备了一系列不同ＨＰＭＣ添加量的Ａｌ２Ｏ３
陶瓷生坯，并通过ＳＥＭ、微机控制电子万能试验机等测试手段，对生坯的性能及微观结构进行了研究。实验结论如下：
（１）本实验制得的生坯气孔率在４５％～６７％之间，ＨＰＭＣ添加量为１５％时，气孔率最低，为４５％。
（
２）ＳＥＭ结果显示，高剪切力的轮碾可使ＨＰＭＣ和水的混合成膜覆盖在氧化铝颗粒表面，ＨＰＭＣ越多，膜就越厚。
（３）从三点弯曲强度测试结果得出，当粘结剂ＨＰＭＣ添加量为２５％时，Ａｌ２Ｏ３陶瓷生坯强度最高为７．５ＭＰａ，是ＨＰＭＣ添加量为５％（１．６ＭＰａ）时的４．７倍。
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９２·郭婕，等：靶向去除恶臭气体硫化氢和氨气的喷膜制备及性能研究
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