石膏粉熱膨脹有關(guān)問題研究探討＊

王同言 楊齊紅

（1唐山陶瓷股份有限公司 河北 唐山 063020）（2唐山華美陶瓷有限公司 河北 唐山 063020）

石膏粉熱膨脹有關(guān)問題研究探討＊

王同言1楊齊紅2

（1唐山陶瓷股份有限公司 河北 唐山 063020）（2唐山華美陶瓷有限公司 河北 唐山 063020）

研究探討了石膏粉水化過程中熱膨脹的產(chǎn)生機(jī)理以及物理特性，研究分析了熱膨脹對(duì)模型質(zhì)量的影響以及影響石膏熱膨脹的因素，并介紹了測(cè)定石膏粉熱膨脹率的方法。

石膏粉 水膏比 熱膨脹 膨脹率

前言

石膏粉（此指熟石膏粉或半水石膏粉，下同）因其物美價(jià)廉、取用方便、使用性能優(yōu)良，目前仍然是制造陶瓷成形石膏模型的重要材料。其質(zhì)量的好壞，直接影響到模型的質(zhì)量。20世紀(jì)七、八十年代，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)由于成形工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品器型簡(jiǎn)單、品種單一，對(duì)石膏模型質(zhì)量要求不嚴(yán)格，故對(duì)石膏粉質(zhì)量的要求也不嚴(yán)格。改革開放以來，尤其是近20年來，隨著陶瓷行業(yè)的快速發(fā)展，陶瓷成形新設(shè)備的不斷采用，以及模型制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，尤其是衛(wèi)生陶瓷組合立式澆注機(jī)械化成形工藝、低壓快排水工藝以及日用陶瓷塑壓成形等工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用，使得衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品體積越來越大，器型結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對(duì)石膏模型質(zhì)量要求的越來越嚴(yán)格，對(duì)陶瓷生產(chǎn)用石膏粉的質(zhì)量也越來越重視。石膏粉與水混合反應(yīng)后產(chǎn)生微小的膨脹，這種膨脹對(duì)注模生產(chǎn)和模型的質(zhì)量是不利的。生產(chǎn)中因石膏模型的膨脹造成的模型變形、漏漿、甚至模型報(bào)廢等現(xiàn)象影響生產(chǎn)的情況時(shí)有發(fā)生。故石膏的膨脹問題才引起人們的足夠重視，一些企業(yè)將其列入了質(zhì)量控制檢測(cè)把關(guān)項(xiàng)目。

石膏粉的熱膨脹系數(shù)，因石膏粉不同、水膏比不同，會(huì)有著不同的熱膨脹率。由于半水石膏在水化過程中產(chǎn)生的熱膨脹是有害的，對(duì)模型質(zhì)量影響很大。所以，為了滿足生產(chǎn)新工藝的要求，為了確保模型質(zhì)量，有必要對(duì)石膏粉的熱膨脹率進(jìn)行研究和測(cè)定。筆者研究探討了石膏粉水化過程中熱膨脹的物理特性，分析了熱膨脹對(duì)模型質(zhì)量的影響以及影響石膏熱膨脹的因素，最后介紹了測(cè)定石膏粉熱膨脹率的方法，對(duì)陶瓷企業(yè)有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

1 石膏粉熱膨脹產(chǎn)生機(jī)理

石膏粉產(chǎn)生熱膨脹的機(jī)理有以下兩個(gè)方面：

1）在石膏粉炒制加工過程中，由于二水石膏加熱脫水的溫度控制不嚴(yán)，特別是炒制加工時(shí)的攪拌不均勻，有部分二水石膏因溫度過高繼續(xù)脫水變成了無水石膏（也叫過燒石膏或硬石膏），這些無水石膏活性大，在水化時(shí)很快由斜方晶系轉(zhuǎn)化為單斜晶系，產(chǎn)生微量的體積膨脹。

2）從石膏粉溶解凝固理論來看，在模型制造過程中，當(dāng)半水石膏與水混合時(shí)，石膏與水產(chǎn)生水化作用，同時(shí)產(chǎn)生一種放熱反應(yīng)，它隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。這是因?yàn)樵诎胨嗟娘柡腿芤褐杏芯а坎粩嗌?，最后晶芽持續(xù)生長(zhǎng)成二水石膏晶體，同時(shí)隨之放出水化熱而產(chǎn)生膨脹。

2 石膏粉熱膨脹特性

1）石膏粉水化熱膨脹的大小與注模時(shí)水和石膏的比例（即水膏比）有關(guān)。石膏粉的用量越大，膨脹率也越大。另外，熱膨脹率隨水化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大（見表1、表2）。

表1 β半水石膏的水膏比為1∶1.2時(shí)膨脹情況

表2 α半水石膏的水膏比為1∶1.3時(shí)膨脹情況

2）石膏粉水化熱膨脹的大小與石膏粉的種類有關(guān)。據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，單獨(dú)用α半水石膏澆注的模型強(qiáng)度雖然高，但其膨脹率大，模型易出現(xiàn)變形、開縫和裂紋，其主要原因是水和石膏的比例大。實(shí)際生產(chǎn)中使用α半水石膏時(shí)，水和石膏的比例一般以1∶1.3～1∶1.4為宜。

采用β半水石膏澆注模型時(shí)，水和石膏的比例為1∶1.16～1∶1.2，膨脹率較小，但模型強(qiáng)度偏低。生產(chǎn)實(shí)踐中，一般要求模型強(qiáng)度高，同時(shí)要求膨脹率低。如果將α和β2種半水石膏混合使用，就有較好的效果。當(dāng)α和β2種半水石膏以各50%混合使用，水和石膏比例為1∶1.25時(shí)，其干抗壓強(qiáng)度可達(dá)到12MPa，膨脹率有了明顯減小（見表3）?？梢?，為了提高模型質(zhì)量，α和β2種半水石膏混合使用最為理想。

表3 α和β混合粉的水膏比為1∶1.25時(shí)膨脹情況

3）石膏粉水化熱膨脹的大小與是否使用緩凝劑有關(guān)。在沒有加緩凝劑的情況下，水與石膏的水化反應(yīng)快，所有半水石膏在2h內(nèi)一般都轉(zhuǎn)變?yōu)槎啵瑫r(shí)伴隨著熱量的產(chǎn)生，造成熱膨脹；使用緩凝劑后，水與石膏的水化反應(yīng)變慢，降低了半水石膏的溶解速度，半水石膏轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗟臅r(shí)間就長(zhǎng)，石膏熱量的產(chǎn)生也變慢，石膏的熱膨脹就小。同時(shí)，加入緩凝劑有利于增加結(jié)晶溶液的密度，對(duì)提高模型強(qiáng)度和質(zhì)量有很好的作用。

目前，在陶瓷生產(chǎn)中，無論是日用陶瓷塑壓成形，還是衛(wèi)生陶瓷的組合澆注一次成形，由于對(duì)模型質(zhì)量（膨脹率和尺寸）要求的很嚴(yán)格，要求石膏模型有很小的膨脹率和微小的尺寸變化，故對(duì)石膏粉提出了更加嚴(yán)格的要求。國(guó)內(nèi)一些先進(jìn)的石膏粉廠家，通過潛心研究，性能優(yōu)良的高強(qiáng)度石膏粉、超高強(qiáng)度樹脂石膏粉和K型粉應(yīng)運(yùn)而生，用于制作原模、母模以及復(fù)雜的石膏模型。國(guó)內(nèi)先進(jìn)廠家生產(chǎn)的石膏粉，可替代進(jìn)口產(chǎn)品，且價(jià)格僅為進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格的二分之一。最主要的是這些石膏粉的膨脹率很低，一般模型用石膏粉的膨脹率在0.2%以下，原模、母模用石膏粉的膨脹率控制在0.06%以下，滿足了目前陶瓷成形生產(chǎn)新工藝的要求。

3 石膏膨脹對(duì)模型的危害

我們?cè)谥谱髂Ｐ秃吞バ蜁r(shí)，所使用的石膏粉都要求有較低的膨脹率，但實(shí)際情況不是這樣。實(shí)際生產(chǎn)表明，由于在制作模型和胎型中為了增加強(qiáng)度，往往采用提高石膏粉加入量的方法。這種方法確實(shí)提高了模型強(qiáng)度，但同時(shí)也增大了石膏水化熱膨脹率。在這種情況下，澆注模型時(shí)，很容易把母模脹壞，模型掉角，模型不能順利從母模中取出，或者做出的模型不易安裝、變形等，使用中漏漿，嚴(yán)重時(shí)造成模型報(bào)廢。以衛(wèi)生陶瓷模型為例，熱膨脹對(duì)模型造成以下具體危害：

1）坐便器類幫模、底模對(duì)口縫不嚴(yán)密，使模型制造中合模困難，模型從中間部位斷裂，或者出現(xiàn)弓形開縫，成形注漿時(shí)漏漿。

2）坐便器模型圈翹起，對(duì)縫不嚴(yán)密，弓形開縫，內(nèi)表面棱角處有裂縫。

3）箱、蓋模型對(duì)口不嚴(yán)密，面具類模型內(nèi)表面有裂縫。

4）注模時(shí)易把母模脹壞，或者模型不易從母模中取出，損壞模型、胎型。

因此，在澆注模型或制作母模胎型時(shí)，石膏粉的水化熱膨脹特性不容忽視，對(duì)所用石膏粉的熱膨脹率必須及時(shí)取樣檢測(cè)，掌握參數(shù)情況，確保所用石膏粉產(chǎn)地和質(zhì)量的穩(wěn)定，才能保證胎型、模型的質(zhì)量。

4 影響石膏粉熱膨脹的相關(guān)因素

影響石膏熱膨脹的因素很多，主要有石膏粉的種類、水膏比例、攪拌方法、轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、水溫等。

4.1 石膏粉種類

我們選用普通β石膏粉、α高強(qiáng)石膏粉以及α與β混合粉（各50%），采用混水量80%（水膏比1∶1.25）不變，其它外部環(huán)境條件相同，測(cè)得石膏粉膨脹率見表4。

表4 石膏粉的種類及其膨脹率

4.2 水膏比

保持?jǐn)嚢钑r(shí)間以及其它外部環(huán)境條件不變。當(dāng)混合水量增加，即當(dāng)水膏比增大時(shí)，石膏的膨脹率降低；反之，當(dāng)混合水量減少，即當(dāng)水膏比變小時(shí)，石膏的膨脹率增大（見表5）。

4.3 攪拌方法

石膏的攪拌方法有手工攪拌、機(jī)械攪拌和真空攪拌3種。保持混水量為75%（水膏比1∶1.33）以及其它外部條件不變時(shí)，手工攪拌膨脹率最大，機(jī)械攪拌次之，真空攪拌最小（見表6）。

表6 攪拌方法及其膨脹率

4.4 攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速

在混水量為80%（水膏比1∶1.25）以及其它外部環(huán)境條件不變時(shí)，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速越高，則膨脹率越大（見表7）。其原因是由于隨著攪拌速度的加快，石膏與水的反應(yīng)加快，導(dǎo)致膨脹率增大。

表7 轉(zhuǎn)速與膨脹率的關(guān)系

4.5 攪拌時(shí)間

在混水量為75%（水膏比1∶1.33）及其它外部環(huán)境條件不變時(shí)，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，膨脹率增大（見表8）。

4.6 水溫

在混水量為60%（水膏比1∶1.67）及其它外部環(huán)境條件不變時(shí)，隨著水溫的升高，膨脹率降低（見表9）。

表8 攪拌時(shí)間與膨脹率的關(guān)系

表9 水溫與膨脹率的關(guān)系

除以上影響因素外，如前面所述，石膏粉熱膨脹率的大小還與是否使用緩凝劑有關(guān)。在其它外部環(huán)境條件不變時(shí)，未使用緩凝劑時(shí)，石膏粉的熱膨脹大；反之，使用緩凝劑時(shí)，石膏的熱膨脹就變小。另外，石膏粉含雜質(zhì)越多，熱膨脹系數(shù)越??；石膏粉越純凈，熱膨脹系數(shù)越大。

5 測(cè)定石膏粉熱膨脹系數(shù)的方法

為準(zhǔn)確測(cè)定出半水石膏粉在水化過程中的熱膨脹系數(shù)，我們采用的儀器是汞池測(cè)試儀。

5.1 使用的工器具

秒表一塊；0.01mm長(zhǎng)度表（百分表）；制樣模一套（模型尺寸：120mm×20mm×20mm）；1/100天平一臺(tái)；汞500g。

5.2 測(cè)定方法

1）準(zhǔn)備好汞池，并用水平尺找好水平。

2）注入4mm厚汞液于汞池中，裝好百分表。

3）按比例制好石膏漿，攪拌30s，倒入制樣模型內(nèi)。

4）當(dāng)石膏漿接近初凝時(shí)（可以開模時(shí)），立即開模輕輕取出試樣。此時(shí)試樣很軟，要注意不要損壞，迅速放入汞池中，并將試樣一端與百分表頂杠接觸，將另一端汞池緊定螺栓輕輕擰緊。試樣進(jìn)入測(cè)試過程。

5）開啟秒表，記錄每5s的膨脹系數(shù)，直至停止膨脹為止。停止秒表，記錄整個(gè)膨脹過程。

整個(gè)測(cè)試過程約50min。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，要求記錄準(zhǔn)確、迅速，試樣工作臺(tái)無震動(dòng)。裝試樣要輕拿輕放，固定試樣不要用力過大或過猛，以免頂壞試樣。因?yàn)榇藭r(shí)試樣還沒有完全進(jìn)入初凝期，強(qiáng)度很低。當(dāng)試樣進(jìn)入初凝期，開始收縮（約0.05mm）；當(dāng)初凝開始放熱時(shí)，膨脹較快，應(yīng)特別注意做好記錄，不可移動(dòng)或震動(dòng)汞池，以防出現(xiàn)誤差。

1 傅培貴，王樹棨.陶瓷用模具制造.北京：輕工業(yè)出版社，1984

2 劉禧齡.相關(guān)使用條件對(duì)熟石膏粉物理性能的影響.全國(guó)性建材科技期刊——陶瓷，1993（4）：52～55

T177.3

A

1002－2872－（2011）06－0028－03

王同言（1963－），本科，高級(jí)工程師；研究方向?yàn)樘沾尚庐a(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)工藝、石膏模型技術(shù)、陶瓷便器節(jié)水技術(shù)。E－mail：tswty631108@sina.com