利用外加劑改善陶瓷用石膏模性能的研究

摘 要：本文研究了促凝劑、緩凝劑、表面增強劑、保水劑、高效減水劑等石膏外加劑對陶瓷母模石膏粉和工作模用石膏粉性能的提升作用。試驗表明，加入一定的外加劑可提高石膏的表面強度，降低膨脹率，提高吸水速率，對提高陶瓷產品質量和降低生產成本具有重要意義。

關鍵詞：陶瓷模具；石膏；外加劑

1 前 言

我國石膏工業較國外發展起步比較晚，經過四十多年的不斷發展，目前已形成了以β型石膏粉和α型石膏粉為主體的產品生產體系。目前，我國多數陶瓷模具石膏粉大生產企業都是通過直接塊狀蒸壓法或直接炒制法生產的，其生產設備簡單、工藝技術落后、控制自動化程度低，產品還存在如強度低、膨脹率大、吸水率差等問題。而且生產出來的石膏粉大多是直接利用，很少通過添加外加劑來調整和改善性能。

近年來，隨著陶瓷工業的迅速發展，對不同種類和性能的石膏模具產品的需求日益增長，因此研究開發石膏改性技術為主導的高檔陶瓷模具勢在必行。本文通過利用促凝劑、緩凝劑、表面增強劑、保水劑、高效減水劑等添加石膏外加劑的方法，來提高陶瓷母模石膏粉和工作模具石膏粉的表面強度，降低膨脹率，提高吸水速率。

2 改善陶瓷模具石膏性能的研究

2.1改善母模石膏粉性能的研究

2.1.1母模石膏粉的性能要求

陶瓷模具制作按照下列次序進行：胎型→種模→母模→工作模。母模是用來復制工作模的，因而要求表面光滑，便于脫模；表面強度高，便于定型產品長期存放。母模石膏粉要求其表面強度要高，膨脹系數要小于0.10%。一般母模石膏粉的組成是β型石膏粉和α型高強石膏粉混合而成的（具體配比要按照母模石膏粉的要求）。總體要求是具有高的強度、吃漿性能良好、使用壽命長，β型石膏粉和α型石膏粉原料的特性見表1。

由表1可見，α型石膏強度高，但吸水率低；β型石膏吸水率高，但強度低。強度越高，模型越致密，模型氣孔率小，吸水率越小；反之，強度越低，模型越疏松，模型氣孔率大，吸水率越大。母模石膏粉要求其表面強度要高，以提高光滑度、增加使用次數；同時要求模型氣孔率大，依靠這些氣孔使母模具有一定的吸水性，使坯體得以硬化。本試驗選用盡量少的α型石膏和盡量多的β型石膏混合，這就要求α型石膏強度要高。

本實驗用的母模石膏中的α型高強石膏粉是采用液相法生產出來的。其基本過程：是將天然石膏經過細磨后與水在預混合罐內混合成一定濃度的料漿，在轉晶劑的作用下，在高溫高壓的密閉反應釜內反應轉化成半水石膏，后經離心脫水，造粒機高溫烘干而成，其主要性能指標如表2所示。

由表2可以看出，采用液相法生產出來的α型石膏強度比普通干法α型石膏高出一倍。用此α型石膏粉來調配母模石膏粉，可以保證產品的強度。

通過試驗得出母模石膏粉配合比例：母模石膏粉標準用水量要求在38%~40%。一般α型高強石膏粉要占比例的60%~70%左右，其中比例量多少，是通過調整產品的直徑來確定的(即母模石膏在標準用水量的操作下，產品的直徑要求控制在215~225mm）。

2.1.2利用外加劑對母模石膏粉的性能調整

母模石膏的表面硬度大小及膨脹率直接影響其產品的質量及使用壽命，我們設法提高母模石膏的表面強度，降低膨脹率。一般情況下，調整石膏粉的強度可以加入減水劑、緩凝劑、增強劑等各種外加劑。本文主要針對陶瓷母模的表面強度及其膨脹系數進行了實驗研究。

磷酸鹽可以提高石膏產品的強度，但是一般都會對產品產生一定的緩凝效果。它的加入量對模具石膏粉的影響是個變化的曲線：當加入的量少于0.02%時，能起到輕微的緩凝作用，并且使強度增加最大。但是當超過這一數值后其性能又急劇下降，而且會嚴重影響二水石膏的習性，使晶體之間不能互相長入、互相連接。經過反復的試驗比對，得到了較適合的添加量為0.02%。

同樣，加入以纖維素為主要成分的增強劑來調整石膏模具表面的強度，其產生的效果是隨著加入量的增加而增加，但是隨著加入量的增多，也會對產品的其它性能產生一定的影響，例如產品的流動度和操作時間等。通過反復試驗，當增強劑的加入量為0.30%時，母模石膏的機械強度較好，且抗堿侵蝕能力強。

表3為加入不同量的表面增稠劑和緩凝劑以及兩種酸鹽后，在這幾種外加劑的共同作用下，模具石膏粉的表面強度和膨脹率。

通過實驗數據可以看出，加入適量的外加劑后，3#樣在抗折、抗壓和膨脹系數各方面比沒有加外加劑的對照樣有顯著提高。

2.2 改善工作模石膏粉性能的研究

2.2.1 工作模石膏粉的性能要求

模型石膏中應用最多的是工作模石膏粉。對工作模的要求是脫模快速，以利于陶瓷產量的提高；第二是強度高，以增加模具的使用次數、降低生產成本。

由于陶瓷企業的成本要求和工作模的性能要求，目前國內配制工作模用石膏粉一般是普通干法塊狀蒸壓的石膏粉。干法塊狀蒸壓法是將二水石膏在飽和水蒸氣介質中加熱處理，自然脫水后干燥處理，由于蒸壓與脫水分兩步靜態進行，首先要將蒸煮好的半水石膏進行降壓、降溫處理，方可取出物料，然后再進入干燥器加熱干燥。由于此工藝采用的原料是塊狀，塊狀表面受壓大的部分轉化為α半水石膏，塊狀內受壓小的部分仍然是β型石膏；而且由于溫度不易控制、部分半水石膏被進一步脫水成無水石膏，最終產品是以α半水石膏為主的與半水石膏與無水石膏的混合體。這種干法塊狀蒸壓的石膏粉適合直接用作工作模。

但是這種干法塊狀蒸壓的石膏粉強度較低，一般干燥至恒溫后的平均抗折強度僅為3.0~5.0MPa之間，且耐溶蝕性差、表面硬度低、耐磨性差，所以這種石膏模具的使用次數不高，要進一步調整工作模石膏粉的強度和吸水速率。

2.2.2利用外加劑對工作模石膏粉的性能調整

石膏粉填料表面改性有兩種方法：干法和濕法，本文采用的是干法改性。之前的試驗已經證實，如單純提高石膏粉的強度，加入適量的磷酸鹽即可，且加入量在0.02%效果較為理想。

石膏的膨脹速度，是在初凝開始后的20min內，可以完成整個膨脹的95%以上，這主要是在初凝開始時，正是半水石膏相大量生成二水石膏相的開始，且在隨后的30 min內大量生成。為此一定要控制好其膨脹的最佳添加劑數值。

加入的促凝劑，摻量在0.8%以下時強度很好，但是吸水速率較低。當超過1.0%之后，會影響操作時間，由于凝結時間變短，晶體沒有得到充分生長，而使強度降低，吸水率也會變得很不穩定。

本文研究了3種添加劑對工作模石膏粉性能的影響，結果如表4所示。通過表4可以看出，在促凝劑以及固定量的磷酸鹽、酒石酸鹽的共同作用下，其產品性能有了較明顯的提高。緩凝劑用量在0.80%時，產品性能較佳。

3 改性陶瓷模具石膏產品的應用前景

目前，陶瓷模具石膏產品的生產已基本上形成了一個較為完善的體系，僅靠改進技術設備和生產工藝已很難使石膏產品的性能指標產生較大的飛躍。

隨著新型陶瓷成形技術的不斷出現，石膏行業也要進一步適應和緊跟陶瓷行業新的成形工藝和方法，以滿足高致密度、形狀復雜、尺寸精準等產品的工藝要求。為此，石膏產品應向多品種、多功能以及復合型材料的方向發展。必須改進陶瓷模具石膏產品的性能，研究利用添加一定的外加劑來改良石膏自身的某種性能；研究添加聚酯短纖維、碳纖維等增強材料提高石膏模具機械強度，使石膏模具具有更廣的適用范圍和發展前景。（英文摘要下轉第51頁）

參考文獻

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