高效節(jié)能可再生高壓注漿開孔樹脂模具的研究

黃月文++王斌++鄭周++張偉

摘 要：本文以乙烯基單體、聚合物樹脂粉料、引發(fā)和乳化助劑為原料，水為致孔劑，混合形成可澆注的懸浮乳液，室溫下通過自由基引發(fā)聚合成型得到多孔樹脂模具。主要研究了初始混合溫度對操作工藝的影響和聚合固化過程中的熱效應(yīng)，檢測了成型模具的力學(xué)性能、熱性能和多孔透氣透水性能，并總結(jié)了其在陶瓷高壓注漿生產(chǎn)線上的實際使用效果。結(jié)果表明，成型模具具有可再生性、良好的透氣透水性、高的強度和韌性、生產(chǎn)效率高、使用壽命長、綜合節(jié)能效果比傳統(tǒng)技術(shù)高30%以上等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：高壓注漿；高效節(jié)能；多孔樹脂模具；可再生

1 前言

陶瓷產(chǎn)業(yè)是我國的支柱建材產(chǎn)業(yè)，陶瓷節(jié)能減排是國家節(jié)能工作的重點領(lǐng)域。傳統(tǒng)以石膏模具為核心的常壓或低壓注漿成型工序耗能高、使用壽命很短、效率低下、工人工作環(huán)境差、石膏廢棄物大量堆積、產(chǎn)品質(zhì)量低，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。實踐證明，現(xiàn)代高壓注漿技術(shù)自動化程度高、可連續(xù)作業(yè)、無需干燥、效率高、生產(chǎn)線占地面積小、操作環(huán)境好、環(huán)境廢棄物少等，不僅能大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量、檔次和提高生產(chǎn)效率，大幅度降低勞動力成本、勞動強度和節(jié)約勞動場所，還可以大量節(jié)省傳統(tǒng)石膏模具干燥所需的能源。同時，還因具有壓出的坯體密度高、質(zhì)量好、強度高、表面光潔度高、不必修坯，坯體含水率低、無需干燥等優(yōu)點，可大幅度節(jié)約傳統(tǒng)石膏模注漿成型坯體的干燥能耗[1-2]。高壓注漿技術(shù)是目前國內(nèi)陶瓷企業(yè)急需轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文以乙烯基單體、聚合物樹脂粉料、引發(fā)和乳化助劑為原料，依據(jù)自主專利技術(shù)[3-5]，制備出高強度可再生模具，并研究和總結(jié)其在國內(nèi)陶瓷企業(yè)中的高壓注漿生產(chǎn)線上的應(yīng)用狀況。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料有乙烯基單體（LR）、聚合物樹脂粉料（SR1、SR2）、引發(fā)和乳化助劑，為市售工業(yè)品。

2.2 工藝流程

乙烯基聚合物多孔樹脂模具制備工藝流程示意圖如圖1所示。

2.3 檢測方法

多孔樹脂模具的抗壓強度、抗折強度按照GB/T17671-1999進行測試；模具固化過程的溫度測定及模具孔隙率和透氣透水性按空隙法[5]進行測試。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 成型工藝與聚合過程

乙烯基單體、聚合物樹脂粉料和水在乳化助劑的作用下形成油包水的懸浮穩(wěn)定的聚合體系，在混合過程中隨著時間的延長，體系黏度很快上升，幾分鐘后失去流動性，使得體系中的粒子分散均勻而不至于沉降，保持最終固化成型模具孔隙的均勻性。聚合體系的初始溫度對整個體系的流動性有決定性的影響。

表1是不同混合初始溫度下體系失去流動性的時間，整體體系的攪拌時間為35 s、速度900 r/min。

由表1可知，隨著初始混合溫度的上升，懸浮體系失去流動性的時間迅速降低。因此，混合溫度不宜過高，過高則造成操作時間短，影響漿液的流平性能。實踐發(fā)現(xiàn)，應(yīng)選擇23 ℃以下的初始混合溫度。但溫度也不宜過低，過低則引發(fā)聚合反應(yīng)過慢而導(dǎo)致產(chǎn)品不均勻。

圖2是初始混合溫度為19 ℃時的混合體系中溫度隨時間變化的曲線。

由圖2可知，隨著時間的推移，剛開始時，由于聚合體系存在誘導(dǎo)期，溫度基本不上升，一段時間后在引發(fā)助劑的作用下開始引發(fā)，溫度開始逐漸上升。當(dāng)溫度升到30 ℃時，體系反應(yīng)放熱加速，存在自動加速現(xiàn)象；在40 ℃附近則迅速加速，體系溫度1～2 min內(nèi)升到60 ℃，并且表面有水析出，此時已經(jīng)聚合成型通孔結(jié)構(gòu)的聚合體。當(dāng)溫度升高到70.3 ℃后，體系在此溫度停留幾分鐘后開始緩慢下降，此時聚合已經(jīng)大部分完成，模具強度已經(jīng)形成，可以拆模進行下一步處理。

3.2 多孔樹脂模具的性能分析

3.2.1力學(xué)性能

按照標(biāo)準(zhǔn)方法，制作相應(yīng)的成型模具，測得模具固化3天后的抗壓強度（壓縮應(yīng)力）與其壓縮應(yīng)變的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，在開始時，壓縮強度隨壓縮應(yīng)變增加而直線增加，當(dāng)壓縮應(yīng)變達到15%以后，壓縮應(yīng)力增加程度逐漸變緩。壓縮應(yīng)變繼續(xù)增加，模具并沒有受到破壞，可見模具具有很高的壓縮形變。當(dāng)壓縮形變大于40%時，模具仍然沒有受到破壞，這也說明了模具具有很高的抵御外界壓縮的能力。這是多孔材料的孔隙形成的緩沖作用的結(jié)果。

3.2.2孔隙結(jié)構(gòu)分析

聚合成型后的模具經(jīng)水和壓縮空氣交替沖洗干凈后，在室溫自然干燥，在掃描電鏡下觀察其孔隙情況，如圖4所示。

由圖4可看出，成型模具具有較高的孔隙率。模具在通氣或通水后均表現(xiàn)出優(yōu)異的透氣透水性能，進一步表明模具具有開孔（或稱通孔）孔隙結(jié)構(gòu)。

3.2.3綜合性能

成型模具不僅具有高的強度韌性和通孔孔隙結(jié)構(gòu)，經(jīng)進一步測量得到其通孔孔隙率可達20%～30%，并且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達95～110 ℃，具有可再生性能。表2是多孔樹脂模具材料及成型模具的主要性能。

4 多孔樹脂模具胚體的成型工藝及與傳統(tǒng)石膏模具的對比

4.1 多孔樹脂模具胚體的成型工藝

在陶瓷工業(yè)上，多孔樹脂模具可代替石膏模具，可用于高壓注漿中。制得的多孔樹脂模具胚體經(jīng)過燒成后可得到質(zhì)量比傳統(tǒng)石膏模具更高的陶瓷制品。多孔樹脂模具胚體的成型工藝流程如圖5所示。

4.2 多孔樹脂模具與傳統(tǒng)石膏模具的對比

圖6是本項目組與陶瓷廠家合作制得的模具之一。但是，目前高壓注漿在模型復(fù)雜的陶瓷制品上尚有較大的困難，需要進一步深入研究探索。經(jīng)過反復(fù)多次使用此模具，歸納了傳統(tǒng)石膏模具與多孔樹脂模具的性能對比如表3所示。

5 結(jié)論

可再生高壓注漿樹脂模具與傳統(tǒng)的石膏模具相比具有很多優(yōu)點，如：可再生性、良好的透氣透水性、高的強度和韌性、生產(chǎn)效率高、使用壽命長、綜合節(jié)能效果比傳統(tǒng)技術(shù)高30%以上等。因此，可再生高壓注漿樹脂模具是陶企轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。但目前可再生高壓注漿樹脂模具在復(fù)雜的陶瓷制品應(yīng)用上尚有困難，仍需進一步研發(fā)。

參考文獻

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