衛生陶瓷工作模用石膏粉的研究

摘要文章簡述了衛生陶瓷工作模用石膏粉的生產工藝，較全面地介紹了模用石膏粉的質量檢測項目及其檢測方法;分析了制模工藝、機理及其影響因素;研究并探討了提高模具壽命和成形速率的因素與方法。

關鍵詞模用石膏粉，生產工藝，質量檢測，影響因素，模具壽命，成形速率

1前 言

衛生陶瓷造型復雜，其成形方法基本上都是采用注漿的方法。由于衛生陶瓷體積大、坯體厚、模塊多、吸漿時間長，絕大多數產品都是采用立式組合澆注成形的工藝，因此決定了衛生陶瓷工作模用石膏粉的質量和性能要求比日用陶瓷、工藝陶瓷等普通陶瓷要高得多。近十年來，我國衛生陶瓷的產量由540萬件猛增到2007年的1.5億件，增長了近28倍，產量遠居世界第一，因此，對工作模用石膏粉的需求量非常大，而市場上的石膏粉品種繁多、良莠不齊，至今還沒有一個有關衛生陶瓷工作模用石膏粉的國家(或行業)標準和檢測方法標準，這給石膏粉的生產、科研、管理、銷售以及用戶(衛生陶瓷生產廠)對石膏粉的選擇、使用等都帶來了不少麻煩。通過有關文獻檢索得知，我國關于系統研究影響石膏粉性能和研究影響石膏模具性能的因素及機理的論文甚少;而通過實際調研，提出切合衛生陶瓷生產實際的衛生陶瓷工作模用石膏粉的質量和性能要求的論文就更少。本文是在完成國家科技部科研院所技術開發項目——石膏模快速成形衛生陶瓷研究的基礎上，針對上述問題作了一些探討性研究，取得了部分成果，供同行參考。

2模用石膏粉的種類、生產工藝、性能及質量控制

2.1衛生陶瓷工作模用石膏粉的種類及生產工藝

通過對我國主要的石膏粉生產企業的實際考察得知，在市場上，用作衛生陶瓷工作模的石膏粉都屬于半水石膏(CaSO4·1/2H2O)，從晶型上可分為α-半水石膏粉、β-半水石膏粉和α-半水石膏與β-半水石膏的混合型石膏粉三種類型。不同類型的石膏粉，其生產工藝不同。

用作生產半水石膏的石膏礦石是二水石膏(CaSO4·2H2O)，二水石膏在加熱過程中會發生如下反應:

α-半水石膏粉的生產工藝為:礦石撿選→沖洗→蒸壓→冷卻→粉碎→(炒)制→包裝→入庫。

加工生產過程的關鍵工藝是蒸壓工藝過程的晶型轉化，決定晶型轉化的關鍵設備是蒸壓設備。使用不同的蒸壓設備，所生產的α-半水石膏粉的晶體形狀、大小、純度就會有所不同。山東某新型建材有限公司和甘肅某石膏粉廠，采用進口設備生產α-半水石膏粉，α-半水石膏粉的晶體形狀、大小能夠控制;湖北某外資石膏股份有限公司和某石膏化工有限公司，采用蒸壓釜生產α-半水石膏粉，α-半水石膏粉的晶型轉化率高;而國內多數廠家大都采用旋轉窯生產α-半水石膏粉，α-半水石膏粉的晶型轉化率難以控制。圖1是國外某廠的衛生陶瓷工作模用石膏粉的掃描電鏡圖。從圖1可以看出，該石膏粉由α-半水石膏和β-半水石膏兩種晶型的石膏粉組成。α-半水石膏顆粒較小，大小均勻，呈粒狀、柱狀;β-半水石膏顆粒較大，大小相差不大，呈板狀、柱狀及纖維狀。α-半水石膏約占總量的30～40%;β-半水石膏約占總量的60～70%，這是一個很好的搭配比例。

β-半水石膏的生產工藝為:礦石撿選→沖洗→粉碎→炒制→包裝→入庫

有些工廠在包裝前還要進行一次均化工藝，這樣產品的性能就會更加穩定。

據資料報道，陳化工藝對石膏粉性能有較大影響。圖2是山東某廠的衛生陶瓷工作模用石膏粉的掃描電鏡圖。從圖2可以看出，該石膏粉基本上是由β-半水石膏粉組成，顆粒大小不一，成針狀、板狀及纖維狀，基本上保持了二水石膏晶型的原貌。

2.2 衛生陶瓷工作模用石膏粉的性能檢測

在我國，衛生瓷工作模具用石膏粉的性能檢測項目、檢測方法等至今還沒有一個統一的標準，下面介紹各企業常用的幾種性能檢測項目及檢測方法:

2.2.1細度測定

大部分企業采用120目篩進行檢測;也有用140目篩余≤2%進行檢測的。QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》中規定的產品標準為:0.15mm篩余為零，0.090mm篩余≤1.0%(一等品)。有的企業不測細度，而測殘渣量，有的外資企業不但測細度而且還測顆粒級配。

2.2.2初凝時間的測定

初凝時間是指從石膏粉撒入水中至其漿體失去流動性開始變稠時所經過的時間，以小刀割試餅，切口兩端不再合攏的時間來表示。

日本某石膏粉生產企業初凝時間的測定方法為:向流入金屬圓筒型(尺寸)的漿中慢慢插入荷重為300g、直徑為2mm的針，該針停止到距金屬模具底面高1mm處所需的時間即為初凝時間。

QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》要求α-石膏粉的初凝時間>8min、β-石膏粉的初凝時間>6min。衛生陶瓷模用石膏粉的初凝時間一般要求>10min;日本某企業要求石膏粉的初凝時間>15min，但時間太長也不好。

2.2.3終凝時間的測定

終凝時間可用捺按法或維卡儀法進行測定。

捺按法:直接在測定初凝時間后的三塊試餅上，用大拇指以約5kg的力連續捺按兩次，通過對第一塊和第三塊試餅的試驗判斷接近終凝的時間，以第二塊為準，捺按至印痕邊緣沒有水分出現即為終凝。記錄從試樣投入水中至終凝的時間間隔即為終凝時間。

維卡儀法:儀器須符合QB/T1640-1992的規定。記錄試樣投入水中到試針插入漿體的深度不大于1mm時所經過的時間，此時間即為試樣的終凝時間。

也有企業用漿體溫度達到最高時與試樣投入水中的時間間隔作為終凝時間，這種測試方法更準確、更科學。

QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》產品標準規定陶瓷模用石膏粉的終凝時間<30min，終凝時間太長會影響工作效率。筆者通過實際考察認為， 衛生陶瓷模用石膏粉的終凝時間在20～25min左右為宜。

2.2.4 強度的測定

模具強度的高低與模具壽命成正比關系。模具強度測定的項目有2h濕抗折強度、干抗折強度、抗壓強度和抗張強度幾類。一般企業只做2h濕抗折強度，其測定方法按QB/T1640-1992《陶瓷模用石膏粉物理性能測試方法》進行。即從石膏粉投入水中開始算起，2h后，在抗折儀上測量試樣的抗折強度即為濕抗折強度。干抗折強度是在試樣脫模后，放入電熱鼓風干燥箱內，以40±4℃的溫度干燥至恒重，在烘箱(或干燥器)中自然冷卻后測試。

2.2.5吸水率的測定

吸水率對于注漿用工作模特別重要，它是模具吃漿能力的反映。我們知道，半水石膏加水后，又會變成二水石膏，其反應式為:

CaSO4·1/2H2O+3/2H2O=CaSO4·2H2O+熱量

半水石膏加水生成二水石膏的理論用水量是18.6%，但我門澆注模型時實際加水量為70～80%，這些過量的水填充在再生二水石膏晶體間，水分蒸發后就會形成具有一定強度和一定吸水能力的石膏模型。

加水過多，水蒸發后留下的空隙就多，吸水率就大，但強度相應會降低。不同企業對吸水率的要求和測試方法不盡相同。

吸水率的測試方法通常有以下兩種:

一種方法為:試樣在40±5℃下烘至恒重(g0)，然后在水中再泡至恒重(g1)，再按吸水率的計算公式[(g1- g0)/g0×100%]求出該試樣的吸水率。

另一種方法為:將試樣在40±5℃下烘至恒重，然后放入水中，測試不同時間段(1min、3min、5min、1h、3h……直到不吸水為止)的吸水率。

2.2.6 吸水速度的測定

比較常用的吸水速度測定方法有三種:

第一種方法為:將一直徑為30㎜的圓環，放在被測試樣上，在圓環內注入10mL水，同時開始計時，直至水被試樣完全吸收所用的時間，即該試樣的吸水速度。

第二種方法為:將試樣周圍密封，高度不超過5cm，放入2cm深的水中并開始計時，直至試樣吸水高度達到5cm時所用的時間。

第三種方法與第二種方法較相似，不同的是，測試項目為試樣放入水中后1min的吸水高度。為了便于觀察，在水中可加入顯色劑。

2.2.7化學分析

化學分析的分析項目主要有結晶水的百分含量和酸不溶物的百分含量，還有CaO、SO2、Fe2O3的百分含量。有的企業在測出SO2的百分含量后，再按半水石膏的理論值反算出半水石膏的含量，這是沒有實際意義的，因為天然石膏礦石中一般不會含100%的二水石膏，通常含有無水石膏和各種雜質，即便有100%的二水石膏，也很難炒制出100%的半水石膏。

2.2.8 標準稠度的測定

標準稠度是指在QB/T1640-1992規定的條件下，石膏料漿自由擴展到直徑達(220±5)mm時，加水量占石膏粉量的百分數。

測定方法按照QB/T1640-1992《陶瓷模用石膏粉物理性能測試方法》的要求進行測定。

在生產、銷售、研究的過程中，我們經常會提到石膏粉的初凝、終凝時間、2h濕抗折強度、吸水率和吸水速度等重要性能指標，而這些指標均與混水量有直接關系。如果不講清楚是在標準稠度條件下，還是在其它混水量的條件下，這些指標就沒有實際意義，也無法對比。因為不同的石膏粉有不同的標準稠度，這都是由石膏粉本身性能所決定的，如果不做標準稠度是無法對比其性能的。表1是同一個樣品在不同混水量條件下所測的性能。

2.2.9 膨脹系數

該性能對模用石膏粉非常重要。由于衛生陶瓷模具體積大且重，在注模時，若石膏粉的膨脹系數過大，終凝后很難從母模中取出，這是和日用陶瓷模用石膏粉要求所不同的地方。表2是筆者了解到的四個石膏粉生產企業所生產的石膏粉的膨脹系數。

2.2.10 酸不溶物的測定

酸不溶物的測定，其主要目的就是測試石膏粉中的雜質含量。雜質含量的多寡對模具表面性能和使用壽命有直接影響，雜質中危害最大的當數硅質。

2.2.11白度的測定

石膏粉的白度在某種程度上反映了石膏粉的純度。雜質含量高，白度就差;但反過來，白度差，不一定石膏粉的質量就一定差。大部分南方衛生瓷企業對石膏粉的白度均有要求，其指標多規定為白度≥85度。

3與石膏粉性能相關的因素的研究

3.1 混水量對石膏粉性能的影響

石膏粉廠一般提供的是在標準稠度條件下檢測的各種石膏粉產品的性能，但衛生陶瓷廠在制模時的實際加水量要比標準稠度時大得多，一般在70～85%。為了弄清混水量對石膏粉性能的影響，我們選擇了湖北某廠的產品試樣，應用與標準稠度相同的條件和相同的檢測方法，測試不同混水量條件下的石膏粉性能，研究其變化規律，所測結果見表3及圖3、圖4和圖5。

從表3和圖3、圖4、圖5中，我們可以明顯地看出，隨著混水量的加大，石膏粉的初凝、終凝時間延長，吸水能力提高，但強度卻降低。這是因為，半水石膏加入水中的反應，是一個溶解-析晶-再溶解-再析晶的過程。當混水量增加時，半水石膏的濃度相對于二水石膏就低，二水石膏相互聯結﹑凝固的時間便延長，也就是延長了初凝﹑終凝時間;至于強度降低的原因則是在混水量增加的情況下，多余的水分蒸發后，留在模具中的空隙必然增加，在其它條件不變時，強度必然降低。所以，在模具制作前，對混水量的多少要作綜合考慮，以便得到一個技術和經濟上較合理的結果。一般來講，α-半水石膏的混水量低，β-半水石膏的混水量高。同時，在判斷石膏粉性能時，首先要弄清楚混水量究竟為多少，否則不具可比性。

3.2 攪拌時間對石膏粉性能的影響

石膏粉加到水中后，在制漿時要進行充分攪拌，攪拌時間的長短對石膏粉的性能有很大的影響。

表4及圖6﹑圖7﹑圖8是同一石膏粉加入水中后，在不同的攪拌時間下，石膏粉的性能變化情況。

從表4和圖6、圖7、圖8可知，制漿過程的攪拌時間要適宜，隨著攪拌時間的加長，凝結時間縮短、吸水率減小、強度減小，而吸水速度則在2min時達到最小，之后再變大。

圖9是同一石膏粉在相同混水量的條件下，不同攪拌時間的二水石膏晶體的生長狀況SEM圖。從圖中可以看出，由于攪拌時間不同，二水石膏晶體的大小﹑排列順序就會有所不同，從而影響到石膏粉的凝結時間﹑所制成模具的吸水率﹑強度以及吸水速度等性能。攪拌時間過長，二水石膏晶體正常生長的環境被破壞，模具的性能變差。根據經驗，以攪拌4min為宜，當然各廠可根據自身的實際情況而定。

3.3 干燥溫度對模具性能的影響

干燥溫度對模具性能的影響試驗為:將試樣分別在60℃、80℃和100℃三個溫度下烘至恒重后進行檢測，其結果列于表5中。從表5可以看出，在100℃條件下烘干，模具會直接粉化;在80℃條件下烘干，其強度會出現下降情況。因此，模具的烘干溫度以60℃左右為宜，不能超過80℃。根據經驗，即使烘干溫度設定為60℃，如果烘干的室溫不夠均勻，被烘模具固定不動，模具對著風口的部位照樣會出現粉化現象。

3.4 石膏粉細度對其性能的影響

通過對同一種石膏粉不同細度的產品進行性能檢測，結果表明，細度細的產品強度高，吸水率略有下降但下降幅度不大，且模具表面細膩。通過實測發現，國外衛生陶瓷工作模用石膏粉的顯著特點之一，就是顆粒細、粒度均勻。

4衛生陶瓷工作模用石膏粉的性能要求

4.1 品種的要求

對于衛生陶瓷工作模用石膏粉的三種類型，由于其晶型不同，所以其物理性能也不同，主要表現在強度和吸水性能方面，反映在衛生陶瓷的生產上，就是成形速率和模具使用壽命的不同。α-半水石膏標準稠度小，制模時需要加的水量少、強度大，模具使用壽命長，但成形時吸漿速度慢，這樣就不能滿足快速成形的需要，國內市場上的α-半水石膏由于設備和技術的原因，不可能制得純的α-半水石膏，只有少數企業在制作母模時使用純α-半水石膏。而β-半水石膏與α-半水石膏的性能正好相反，更換模具頻繁、勞動效率低，工人的勞動強度大，也不是一種理想的產品，由于其價格低，所以國內有不少做中低檔產品的企業還在使用。制作高檔衛生陶瓷，最為理想的石膏粉是α-半水石膏與β-半水石膏的混合型石膏粉。α-半水石膏與β-半水石膏的混合比例，沒有一個固定的模式，視各企業的要求而定。一般來說，要求模具使用時間長，α-半水石膏的比例需適當提高，反之亦然。通常情況，α-半水石膏與β-半水石膏的混合比例為1:1.3。

4.2 純度的要求

這里所指的純度是半水石膏和雜質的百分含量。再好的工作模用石膏粉，都不可能是百分之百的半水石膏，根據手頭資料進行分析，國內較好的工作模用石膏粉半水石膏的含量為90%，工作模用石膏粉純度的檢測方法有兩種:一種方法是化學分析的方法，測結晶水的含量和酸不溶物的含量。半水石膏的理論含水量是6.2%，所以檢測半水石膏的含水量，大致就可以判斷出半水石膏的純度。

QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》產品標準要求模用石膏粉的結晶水>5.6%，國內有的企業要求結晶水>5%，筆者對某國外半水石膏進行了測試，發現其含水量為6.02%。酸不溶物的含量主要是指雜質的含量，雜質含量的多寡對模具的表面性能和使用壽命都有直接影響。雜質中危害最大的當數硅質和Fe2O3;另一種方法就是測篩余的多少，這種方法較簡單。

4.3 細度的要求

細度對模具質量有重要影響，好的石膏粉一般都很細，石膏粉細的話，所制得模具表面光滑、細膩，但細的石膏粉，生產成本高、價格貴，所以須確定一個合適的細度，比較合適的細度要求應該是120目篩余為零。

4.4 初凝時間和終凝時間的要求

初凝時間和終凝時間的長短，對模具制作工藝、制作質量和制作效率有重要影響。初凝時間太短，制模工藝不能充分完成，必然造成所制的模具內部結構不均勻，以及出現氣泡、邊角缺失等缺陷，致使模具吸漿不均勻、強度降低。QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》產品標準要求α-石膏粉的初凝時間>8min、β-石膏粉的初凝時間>6min。衛生陶瓷模用石膏粉的初凝時間一般要求>10min，而日本某企業要求石膏粉的初凝時間>15min。也不是說初凝時間越長就越好，各個衛生瓷廠要結合自己的實際情況，如產品大小、設備的機械化程度、工人的操作水平和混水量的大小等進行綜合考慮。因為半水石膏的初凝、終凝時間都是有關聯的，初凝時間長了，終凝時間也會變長。根據筆者的經驗，衛生陶瓷工作模用石膏粉的初凝時間在12～15min較為合適。QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》產品標準要求模用石膏粉的終凝時間<30min，終凝時間太長會影響工作效率，筆者通過考查認為，終凝時間以25min左右為宜。

4.5 強度的要求

強度從大類上可分為2h濕抗折強度和干抗折強度。從施力方式上可分為抗折強度、抗壓強度和抗張強度三類。由于受時間和設備的限制，大部分企業只測2h濕抗折強度，因為知道了2h濕抗折強度，基本上也就可以估算出該試樣的干抗折強度。據筆者的實測經驗，一般情況下，半水石膏粉的干抗折強度是2h濕抗折強度的1.5～1.8倍。我們知道，衛生陶瓷工作模用的半水石膏粉有三種類型，不同類型的石膏粉強度不同，純的α-半水石膏的干抗折強度有的能達到8MPa以上，這種石膏粉一般不能用于制作衛生陶瓷工作模，其吸水能力太低;普通β-半水石膏2h濕抗折強度約為2MPa左右。根據高檔衛生陶瓷工作模用石膏粉的要求，在標準稠度情況下，2h濕抗折強度不應小于4MPa。

4.6 吸水率和吸水速度的要求

吸水率和吸水速度是注漿用石膏工作模的最基本功能之一。注漿用石膏工作模吸水率和吸水速度的大小，與石膏粉的細度、晶型，特別是混水量的多少關系密切。表6列出了不同混水量時吸漿速度的實驗結果。從前面的論述及表6可知，隨著混水量的增加，吸水率和吸水速度也隨之增加。從該結果可知，并不是吸水率越大，吸水速度及吸漿速度也越大。這是因為，吸水太快，會在成形一開始便在模具表面形成一層相對的致密層，給后續吃漿造成更大的阻力，反而使吸漿速度減慢。另外，石膏工作模的吸水率和吸水速度增大的副作用便是降低模具強度，減少模具壽命。所以，衛生陶瓷石膏工作模的吸水率和吸水速度大小的選擇要合適。根據筆者的研究，吸水率以不小于35%、吸水速度以不小于3～4mm/min為宜。

4.7 膨脹系數的要求

半水石膏加水后又變成二水石膏，這個結晶過程伴隨著有放熱效應和體積膨脹的現象。石膏粉膨脹系數太大的主要壞處有三點:第一是損壞母模;第二是翻制工作模時，不易脫模;第三是所翻制的工作模精度會越來越差。所以，衛生陶瓷廠在購買石膏粉時會提出膨脹系數的要求。石膏粉膨脹系數的主要影響因素是石膏粉本身的性能，其次是制模工藝的影響。石膏粉的膨脹系數越小越好，一般要求石膏粉的膨脹系數<0.1%，而QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》沒有列出膨脹系數的要求。

4.8 白度的要求

大部分企業對石膏粉的白度不作要求，我國南方的衛生瓷廠要求石膏粉的白度>85%。需要注意的是，石膏粉的白度大致反映了石膏粉的純度，但也有石膏粉純度不低，而白度卻不高的情況出現，這與所選用的石膏礦石的種類有關。

5結論

(1) 衛生陶瓷體積大、坯體厚、模塊多、吸漿時間長，而且絕大多數產品都采用立式組合澆注成形的工藝，所以衛生陶瓷工作模用石膏粉的質量和性能要比其它普通陶瓷的要求高得多。

(2) 衛生陶瓷工作模用石膏粉有三種類型，作高檔衛生陶瓷最為理想的石膏粉是α-半水石膏與β-半水石膏的混合型石膏粉，α-半水石膏與β-半水石膏的混合比例，視各企業的要求而定。要求模具使用時間長，那么α-半水石膏的比例就要適當提高，反之亦然。

(3) 影響衛生陶瓷工作模用石膏粉質量的主要因素有石膏粉的晶型、純度、細度和生產工藝。檢測控制石膏粉質量的主要項目有石膏粉的結晶水含量、酸不溶物、初凝時間和終凝時間、2h濕抗折強度、抗張強度、吸水率和吸水速度等。

(4) 影響衛生陶瓷工作模具性能的因素主要有石膏粉的質量、制模時的混水量、攪拌時間、水溫、母模質量、制作工藝、干燥制度和成形環境及成形操作等。

參考文獻

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[4] 中國硅酸鹽學會陶瓷分會建筑衛生陶瓷專業委員會.現代衛生陶瓷工程師手冊[M].北京:中國建材工業出 版社，1998.

Study on Gypsum Powder in Sanitary Ceramic Working Mold

Ma YangzhiCheng ZhiwenCai XiumingZhao Changqing

(Xianyang Research and Design Institute of CeramicsXianyangShannxi712000)

Abstract: The article elaborated the production technology of gypsum powder used in sanitary ceramic working mold， introduced comprehensively the gypsum powder used in mold quality test items and test methods; analysis of the tooling technology， mechanism and influencing factors; studyed and discussed the factors and methods to improve the life of mold and the rate of forming.

Keywords: gypsum powder used in mold， production technology， quality detection， influencing factors， die life， forming rate