實型鑄造用模樣板材與制備技術

馮海奎 劉明坤 王紅宇* 趙環宇 胡志鵬 趙雨晴 崔 勇姜喜亮 耿春杰 姜興田 周艷艷 Murugesan Priya

（1：吉林省新英海節能減排科技有限公司，吉林 長春 130114；2：吉林建筑大學，吉林 長春 130118；3：長春理工大學，吉林 長春 130022；4：印度莎維沙工程學院，印度 泰米爾納德邦 629175）

0 引言

實型鑄造用模樣板材即消失模板材，這一概念最早是在鑄造領域提出來的，指的是在消失模鑄造工藝中的一種鑄造模型。消失模鑄造法中主要使用可發性消失模板材原材料，包括可發性聚苯乙烯（EPS），苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂共聚物（STMMA）和可發性聚丙烯（EPMMA）。消失模板材廣泛用于實型鑄造建筑、冷凍冷藏等低溫環境、保溫隔熱及家電等物品設備的包裝等用途。近年來，全球知名公司如德國BASF、美國陶氏化學等先后用不同的工藝技術，在各自領域中大力開展對消失模板材的應用研究[1-2]。

本文對基于實際生產的基礎上，針對EPS消失模板材設備與制備工藝進行了詳細的介紹，對產品的結構性能進行了系統的研究，并對于生產過程中實際出現的問題，提出了解決方案。

1 制備技術

1.1 原料選擇與處理

在制造消失模板材時，要重視原始珠粒的選擇。這種選擇主要是指對原始珠粒尺寸規格的選擇。選擇時所依據的標準是生產鑄件的規格，壁厚等要求。同時，在選擇珠粒時，要考慮到在預發泡過程中，珠粒直徑隨發泡倍率的變化。

1.2 主要設備與技術路線

1.2.1 生產過程中的主要設備

模樣板材制作生產第1步是對珠粒進行預發泡操作。預發泡操作具體實施方法是通過蒸汽加熱使珠粒膨脹，最終表現為體積的增加，進而使珠粒密度發生相應的變化，達到生產要求的密度值。預發泡原理是在一定的蒸汽壓力及加熱時間下，珠粒內部發泡劑發生汽化，進而發生膨脹，使珠粒的體積變大[1，3]。生產過程中使用的發泡機設備見圖1。

預發泡過程結束后，經常會伴隨著珠粒中液體蒸汽（如水和發泡劑）遇冷液化情況。這是在實際生產過程中應注意并避免的。因為當液化現象發生時，會使珠粒表現為其內部壓力低于標準大氣壓，且含有一定的水分。為防止這種情況的出現，引入了熟化操作。熟化過程是將預發后的珠粒轉移到熟化料倉中，放置一段時間，并保證環境通風、干燥。在熟化料倉中，珠粒內外壓力會逐漸恢復一致、并且使珠粒內部的干燥程度得到提升。需要注意的是，對于不同規格的珠粒，其熟化料倉的溫度，濕度及熟化時間的設置也不盡相同[2-4]。生產過程中的熟化倉見圖2。

熟化操作完成后，使用真空泵將珠粒轉移至板材成型機型腔里面，通過蒸汽加熱、冷卻成型，制成消失模板材。常用的制板設備見圖3。

1.2.2 技術路線與工藝參數

消失模板材生產的技術路線可以總結如下：選料→預發泡→熟化→板材成型。

預發泡過程一般選用間歇式發泡機（W-140）見圖1，在實際生產過程中，蒸汽工作壓力范圍為0.65 MPa～0.75 MPa，壓縮空氣的工作壓力范圍為0.65 MPa～0.75 MPa。將發泡機筒體溫度加熱至80℃～95℃。根據所需要板材容重，投放原料25 kg～28 kg，打入蒸汽，穿透時間為 16 s～18 s，保壓時間 2 s，出料時間25 s～35 s。調整穿透時間，使每次發泡的體積一定，根據發泡密度要求定量稱取珠粒。

預發泡完成后，需要對珠粒進行稱重。稱重后通過原料輸送管道將珠粒轉移到預發泡桶，向發泡桶中通以一定壓力的干燥飽和蒸汽，使珠粒發生膨脹，當珠粒的體積增大至目標體積后停止通氣，最后在流化床對珠粒進行干燥處理，最后由輸送管道將珠粒轉移送至熟化料倉進行熟化操作。熟化過程是將預發后珠粒放置在熟化倉中，在通風及干燥環境作用下使珠粒內外壓力值趨于平衡、珠粒內部干燥。其過程對環境的溫濕度都有一定的要求，不同密度的珠粒熟化時間要求也不相同。

板材成型的過程一般包括模具預熱、加料、加熱、冷卻、脫模等幾個主要步驟,其中關鍵步驟是加熱和冷卻。常見的加熱方式有一次蒸汽加熱和二次蒸汽加熱。冷卻過程可分為真空冷卻和水冷冷卻2種[1，4-5]。水冷冷卻時，進水閥始終打開，模具冷卻孔進水，靠水流帶走熱量，直接達到板材模具所需要的脫模溫度。這種方法可以使板材表面光滑，使其具有很好的產品強度，缺點是水冷時間過長，不能達到節約能源的目的，并且不能達到干燥成型的目的；真空冷卻是通過真空泵抽真空的形式帶走模具型腔內的殘余蒸汽、發泡劑，從而帶走熱量。這種方法的冷卻時間比水冷時間要短[4-5]。

1.2.3 產品性能

成型產品見圖4。產品性能：EPS屬超輕型高分子合成材料，EPS消失模板材的主要特點見表1。

表1 EPS特點簡介

2 結果與討論

2.1 工藝參數對產品質量性能的影響

在模板材的實際生產中，預發泡操作是其中一個關鍵的環節。在預發泡過程中，戊烷量，蒸汽壓力和攪拌速率都會影響發泡密度。根據在生產過程中總結出的實際經驗，當其他參數不變時，戊烷量越小，珠粒的發泡密度越大。實際生產過程中發現，將戊烷量調整至5.5%時，預發泡的效果最佳。在模板材的實際生產中，EPS的預發蒸汽壓力為0.1 Mpa～0.2 Mpa，攪拌主軸轉速為65轉～70轉。固定攪拌器速率時，在相同發泡時間下，蒸汽壓力越低，發泡密度越高。但在模板材的實際生產中發現，當對EPS發泡時間超過6 min時，發泡密度和蒸汽壓力會變為正相關關系，即蒸汽壓力越低，發泡密度越低[6-7]。

在實際生產中，熟化操作對產品的質量和性能起到了至關重要的作用。板材融合度與熟化時間表現為正相關關系，但隨熟化時間的繼續增加，二者呈現為負相關關系；因為當熟化時間過長時，會導致珠粒內的發泡劑過量揮發，在板材成型與加工過程中珠粒不能充分融解。溫度偏低時要達到理想熟化程度需增加熟化時間。要獲得優良的熟化珠粒，需制定嚴格的熟化時間、溫度、濕度標準。不同密度的珠粒熟化時間也不相同，一般大密度的熟化時間應當長于小密度的預發珠粒[6]。

2.2 工藝參數對產品性能的影響規律

預發泡過程是產品生產過程中至關重要的一個環節。在預發泡過程中，戊烷量的選取，蒸汽壓力的調節和攪拌器速度的控制都會影響發泡密度[2]。我們通過大量的實踐和經驗規律的總結，歸納出戊烷量及發泡時間與發泡密度之間的關系圖，見圖5。需要注意的是，預發密度和各參數之間的關系在生產中確定工藝條件時可供參考使用。

由圖5可知，當蒸汽壓力、攪拌器速度及戊烷量不變時，預發過程中發泡密度和發泡時間呈負相關關系，隨著發泡時間的增加，發泡密度不斷降低。

2.3 生產過程中常見的實際問題與技術分析

預發珠粒質量與后續的板材成型質量息息相關。通過實際生產中發現的問題及積累的經驗，將生產中可能遇到的問題和注意事項總結如下。

1）在預發泡過程中，如果環境中水分或水蒸氣含量過多，會導致預發泡潮濕或結塊，這一情況可通過蒸汽管加強保溫并設疏水器來解決[1-3，6]。同時，若發泡機轉速快，進料速度快或發泡溫度太低，預發泡中有死料塊，這種問題可通過對發泡機轉速，進料速度及發泡溫度進行合理調控來解決。

2）熟化過程中，若熟化倉中溫度過低，會導致熟化效果變差。若熟化時間調控不合理，會導致珠粒的發泡劑含量偏低。另外熟化倉的結構不合理或帶靜電，會導致熟化倉放料不徹底[1]。

3）板材成型過程中，板材成形應遵循“低壓大流量原理”。如果壓力過高或者溫度值很高時，只有少量的蒸汽能夠進入板材內部，而導致板材無法融解，融合度降低且會引起板材表面燒焦、模板材之間發生粘連。若壓力保持適宜，而流量不夠時，同樣無法實現板材的較好融合，會導致板材融合度過低。并且如果板材型腔密封不嚴，漏氣嚴重，同樣會導致板材融合度不好。因此在板材成型過程中，必須對加熱蒸汽壓力、流量進行嚴格的把控。同時，若預發泡熟化程度不好或冷卻時間不足，會導致板材成型時變形[1-2，6]。

3 結語

1）模板材制造要重視原始珠粒的選取，在選擇原始珠粒的粒度時，必須先了解目標板材的規格，表面的質量要求等。同時考慮到夏季運輸工廠的儲存因素，一般不建議使用太細的珠粒。在實際生產過程中，原始珠粒粒徑的選擇要根據鑄件材質及鑄件的壁厚來決定。另外在預發泡時，40倍～50倍的發泡倍率，對應要選擇的原珠粒的珠粒直徑是目標直徑的1/3倍左右。同時在成型時要在鑄件最小壁厚方向排列珠粒。

2）根據在生產過程中的實際經驗，將預發泡過程中的戊烷量調整至5.5%時，預發泡的效果最佳。當蒸汽壓力、攪拌器速度及戊烷量等參量不變時，預發過程中的發泡密度和發泡時間呈負相關關系，隨著發泡時間的增加，發泡密度不斷降低。

3）在熟化操作中，熟化時間，熟化環境對熟化效果都存在一定的影響。要獲得合格甚至優質的熟化珠粒，需對熟化時間、溫度、濕度標準嚴格把控。

4）對消失模板材生產工藝的研究，對于提高消失模板材質量具有重要的意義。在發泡珠粒確定的情況下，通過改進工藝能夠最大可能地提升消失模板材的質量。本文從生產中的各個環節入手，從預發、熟化、板材成型等方面的蒸汽壓力、溫度、濕度等進行了研究。為消失模板材的生產提供工藝指導，為消失模板鑄造提供有力的保障。