一、引言
中华民族的文明, 自古就与陶瓷的发展在一起的。陶瓷是我国古代劳动人民的伟大发明之一。瓷砖是一种陶瓷，但许多人并不知道，陶是陶而瓷是瓷，陶瓷是对它们的合称，实际上指的是两回事。
1、陶瓷的区别及其水分的组成
陶与瓷的区别在于它的质地，而判断质地的标准正是含水率。陶瓷坯体的含水率一般在5%－25%之间，坯体与水分的结合形式，物料在干燥过程中的变化以及影响干燥速率的因素是分析和改进干燥器的理论依据。陶瓷坯体内含有的水分可以分为物理水与化学水，干燥过程只涉及物理水，物理水又分为结合水与游离水。
游离水存在于坯体的大毛细管内，与坯体结合松弛。坯体中游离水的蒸发就像自由液面上水的蒸发一样，坯体表面水蒸汽的分压力，等于其表面温度下的饱和水蒸汽分压力。坯体中游离水排出时，物料的颗粒彼此靠拢，因此发生体积收缩，故游离水又称为收缩水。干燥是陶瓷成型中的关键工艺之一, 将直接决定陶瓷材料的性能。干燥是一个多阶段过程, 涉及毛细管力驱动的水分流动、陶瓷生坯的粘滞形变, 陶瓷生坯内水分的蒸发与扩散等过程。有效控制干燥过程中的含水率对解决尺寸控制困难、组成不均匀及裂纹的产生与扩展等问题有重要意义。
2、干燥的基本步骤
陶瓷生坯的干燥主要分为3个阶段:匀速干燥阶段(constant-rateperiod, CRP), 第1 次降速干燥阶段(firstfalling-rateperiod, FRP1)以及第2次降速干燥阶段(secondfalling-rateperiod, FRP2)。
在匀速干燥阶段, 干燥速率主要由外部条件决定, 如热对流形式、干燥介质等。在该阶段中, 水分在毛细管力作用下由坯体内部迁移至坯体外表面, 然后蒸发掉。随着干燥的进行, 大尺寸气孔收缩而液体进入具有较高引力势能的小气孔内。一般而言, 当水分在毛细管力作用下重新分布的速率高于在表面的蒸发速率, 这些小气孔有可能渗透并留在坯体内部。
匀速干燥阶段, 当水分由坯体内部迁移至表面的内扩散速度与表面水分蒸发速度不相等时, 干燥进入第1次降速干燥阶段(FRP1)。在第1次降速干燥阶段, 水分在凹液面处开始蒸发, 使得水分退回至坯体内部。第1次降速干燥进行到一定阶段时, 随着蒸发时间的延长, 水分停留在坯体内部的空穴处, 标志着反应进行到第2次降速干燥阶段(FRP2)。在FRP2阶段, 水分以气相扩散的方式从坯体内部扩散至空气中。
3、毛细管力作用下的水分流动
干燥阶段, 水分通过多孔介质进行迁移主要取决于毛细管力作用(Pcap)产生的压力梯度 :
Pcap =2γLV
rp
(1)
其中, γLV为液-气表面张力;而rp为气孔的特征尺寸, 可由水力半径rh估算[ 22] :
rh =2(1 - )
As ρ (2)
其中, 为陶瓷浆料中颗粒的体积分数;As为比表面积;ρ为浆料的密度。根据Darcy定律, 液体流通量(J)
与液体中压力梯度 p
x具有如下关系:
J=-D
η0
p
x (3)
其中, ρs为颗粒的密度, η0 为溶液黏度, D为渗透系数, 可由式(4)确定 :
D=(1 - )3
5(As ρs)2 (4)
这样, 在干燥过程中发生毛细管力作用的迁移长度(lcap)可由式(5)确定:
lcap = 2H(ΔP)(1 - )2
5VEη0(As ρs) (5)
其中, H为陶瓷浆料层的层厚, VE为蒸发速率, ΔP是由式(1)估算的压力降。由式(5)可知, 可以通过降低蒸发速率VE或增加浆料固含量或降低液体黏度从而增大lcap。
对比lcap与坯体的特征尺寸, 即能看出毛细管力在液体迁移中的重要性。当lcap >H时, 液气界面将以不规则面的方式进入到坯体层。而当lcap H时, 液气界面以平面形式进入坯体, 这种情况会产生较大的应力梯度, 促进裂纹生长, 因此应该避免。
4、检测陶瓷中水分的必要性
综上所述：胚体入窑时、水分太大就会造成开裂，因此，引起干燥开裂的主要原因就在于毛细力大于胚体自身的强度。此外，毛细力的大小与水（胚体内的溶剂）表面张力等相关。解决干燥变形及开裂，主要在于控制好（降低）两个降速阶段的气液传质速率。提高了外部环境湿度、降低了环境温度、减少胚体内部的水分的表面张力。
5、关于陶瓷水分控制的解决方案
针对于检测陶瓷内部和胚体的含水率情况，深圳冠亚自主研发生产了新一代陶瓷水分快速检测仪。
《冠亚牌》陶瓷水分检测仪应用范围：
目前《冠亚牌》陶瓷水分快速检测仪已被企业、大专院校、科研机构等行业广泛引用于各种生产与实验过程中：陶瓷粉、云母粉、纳米碳酸钙、重钙粉、轻钙粉、*、硅粉、金刚石粉、纳米钙、玻璃粉、PVC粉、金刚石粉、高岭土、*、玻璃原料等粉体样品的水份检测。等粉体样品的水份检测。
