1、陶瓷的區別及其水分的組成
陶與瓷的區別在于它的質地，而判斷質地的標準正是含水率。陶瓷坯體的含水率一般在5%－25%之間，坯體與水分的結合形式，物料在干燥過程中的變化以及影響干燥速率的因素是分析和改進干燥器的理論依據。陶瓷坯體內含有的水分可以分為物理水與化學水，干燥過程只涉及物理水，物理水又分為結合水與游離水。游離水存在于坯體的大毛細管內，與坯體結合松弛。坯體中游離水的蒸發就像自由液面上水的蒸發一樣，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，物料的顆粒彼此靠攏，因此發生體積收縮，故游離水又稱為收縮水。干燥是陶瓷成型中的關鍵工藝之一, 將直接決定陶瓷材料的性能。干燥是一個多階段過程, 涉及毛細管力驅動的水分流動、陶瓷生坯的粘滯形變, 陶瓷生坯內水分的蒸發與擴散等過程。有效控制干燥過程中的含水率對解決尺寸控制困難、組成不均勻及裂紋的產生與擴展等問題有重要意義。
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, 如熱對流形式、干燥介質等。在該階段中, 水分在毛細管力作用下由坯體內部遷移至坯體外表面, 然后蒸發掉。隨著干燥的進行, 大尺寸氣孔收縮而液體進入具有較高引力勢能的小氣孔內。一般而言, 當水分在毛細管力作用下重新分布的速率高于在表面的蒸發速率, 這些小氣孔有可能滲透并留在坯體內部。
勻速干燥階段, 當水分由坯體內部遷移至表面的內擴散速度與表面水分蒸發速度不相等時, 干燥進入第1次降速干燥階段(FRP1)。在第1次降速干燥階段, 水分在凹液面處開始蒸發, 使得水分退回至坯體內部。第1次降速干燥進行到一定階段時, 隨著蒸發時間的延長, 水分停留在坯體內部的空穴處, 標志著反應進行到第2次降速干燥階段(FRP2)。在FRP2階段, 水分以氣相擴散的方式從坯體內部擴散至空氣中。
3、毛細管力作用下的水分流動
干燥階段, 水分通過多孔介質進行遷移主要取決于毛細管力作用(Pcap)產生的壓力梯度 :
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數;As為比表面積;ρ為漿料的密度。根據Darcy定律, 液體流通量(J)
與液體中壓力梯度 p
x具有如下關系:
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, 可由式(4)確定 :
D=(1 - )3
5(As ρs)2 (4)
這樣, 在干燥過程中發生毛細管力作用的遷移長度(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為蒸發速率, ΔP是由式(1)估算的壓力降。由式(5)可知, 可以通過降低蒸發速率VE或增加漿料固含量或降低液體黏度從而增大lcap。
對比lcap與坯體的特征尺寸, 即能看出毛細管力在液體遷移中的重要性。當lcap >H時, 液氣界面將以不規則面的方式進入到坯體層。而當lcap H時, 液氣界面以平面形式進入坯體, 這種情況會產生較大的應力梯度, 促進裂紋生長, 因此應該避免。
4、檢測陶瓷中水分的必要性
綜上所述：胚體入窯時、水分太大就會造成開裂，因此，引起干燥開裂的主要原因就在于毛細力大于胚體自身的強度。此外，毛細力的大小與水（胚體內的溶劑）表面張力等相關。解決干燥變形及開裂，主要在于控制好（降低）兩個降速階段的氣液傳質速率。提高了外部環境濕度、降低了環境溫度、減少胚體內部的水分的表面張力。
5、關于陶瓷水分控制的解決方案
針對于檢測陶瓷內部和胚體的含水率情況，深圳冠亞自主研發生產了新一代陶瓷水分快速檢測儀。
