陶瓷模具石膏粉的性能研究

1中國(guó)陶瓷模具石膏粉技術(shù)指標(biāo)陶瓷建模石膏粉是我國(guó)應(yīng)用石膏的重要品種。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,日用瓷、衛(wèi)生潔具陶瓷的市場(chǎng)逐步擴(kuò)大,對(duì)陶瓷模具石膏粉的需求量更多、質(zhì)量要求更高。陶瓷模具因其制作過(guò)程、用途及制模方式等的不同,性能各異,對(duì)陶瓷模具石膏粉性能要求也就不同。表1～3分別示出了德國(guó)、日本陶瓷模具石膏粉的指標(biāo);表4示出了中國(guó)陶瓷模具石膏粉的技術(shù)指標(biāo)。目前國(guó)產(chǎn)陶瓷模具石膏粉受設(shè)備、工藝技術(shù)及控制技術(shù)限制,多為品種單一的中低檔型產(chǎn)品,雖然國(guó)內(nèi)外在陶瓷模具粉物理性能描述方面所采用的技術(shù)指標(biāo)表述形式不盡相同,但從表1～4可以看出,國(guó)產(chǎn)陶瓷模具石膏粉與國(guó)外同行業(yè)的差距主要表現(xiàn)在強(qiáng)度低,關(guān)鍵指標(biāo)凝結(jié)時(shí)間及抗折強(qiáng)度不能有效控制且不穩(wěn)定。結(jié)合我廠多年從事生產(chǎn)開發(fā)陶瓷模具石膏粉的經(jīng)驗(yàn),針對(duì)目前陶瓷模具石膏粉的質(zhì)量現(xiàn)狀,在達(dá)到其綜合性能指標(biāo)的前提下,就影響陶瓷模具粉主要物理性能(凝結(jié)時(shí)間、抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度等)的因素進(jìn)行了大量比對(duì)試驗(yàn),以期獲得優(yōu)良的高強(qiáng)度陶瓷模具石膏粉。2陶瓷坯體模型熟石膏粉(有α型半水石膏粉、β型半水石膏粉)加水拌和后,具有凝結(jié)硬化快,尺寸精度好,且這種石膏模具內(nèi)部形成氣孔,當(dāng)干燥時(shí),這些空隙連接成毛細(xì)管,具有吸水性,因此這種石膏模型被用于陶瓷坯體的工作模。熟石膏粉有α型半水石膏粉(簡(jiǎn)稱α粉)和β型半水石膏粉(β粉)兩種。α粉因晶體粗大,比表面積小,需水量小,其水和硬化體的強(qiáng)度高,吸水率小;β粉因晶體不規(guī)則,比表面積大,其水和硬化體的強(qiáng)度低,吸水率大。目前國(guó)產(chǎn)陶瓷模具粉多為以β石膏粉制取低檔次陶瓷模具,其物理性能差,使用次數(shù)少,本研究從國(guó)內(nèi)這一現(xiàn)狀出發(fā),首先從制取強(qiáng)度高的熟石膏基料(α粉、β粉)入手,結(jié)合石膏礦石種類、品位、晶體結(jié)構(gòu)及熟石膏粉工藝參數(shù)對(duì)熟石膏物理性能的影響,進(jìn)一步根據(jù)陶瓷模具粉的指標(biāo)要求,研究配制綜合性能優(yōu)良的陶瓷模具石膏粉。2.1粉、粉、粉生產(chǎn)工藝流程石膏礦石:分別為內(nèi)蒙產(chǎn)雪花石膏(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí))、寧夏產(chǎn)透明纖維石膏(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí))、寧夏產(chǎn)泥石膏(Ⅱ、Ⅲ級(jí))。熟石膏粉(α粉、β粉):分別采用寧夏石嘴山新型建材實(shí)驗(yàn)廠α粉及β粉石膏生產(chǎn)線制取。其中α粉采用蒸壓烘干一體化α型高強(qiáng)石膏生產(chǎn)技術(shù)(立式蒸壓釜),β粉采用間歇式回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)。生產(chǎn)工藝流程如下:α粉:石膏礦石→顎破→提升至料倉(cāng)→蒸壓釜→粉磨→料倉(cāng)→包裝;β粉:石膏礦石→顎破→錘破→料倉(cāng)→回轉(zhuǎn)窯→粉磨→料倉(cāng)→包裝。2.2石膏、粉標(biāo)準(zhǔn)膨脹儀:采用英國(guó)石膏膨脹儀標(biāo)準(zhǔn)自制。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn):β粉依據(jù)GB9776-88建筑石膏標(biāo)準(zhǔn);α粉依據(jù)寧Q419-87α型高強(qiáng)石膏標(biāo)準(zhǔn);陶瓷模具粉依據(jù)GB/T1639-92陶瓷模用石膏粉、GB/T1640-92陶瓷模用石膏粉物理性能測(cè)試方法。3影響石膏粉的物理性能因素和分析3.1石膏礦石及致密程度對(duì)熟石膏巖石及充填材料的影響在自然界中,石膏礦石(CaSO4·2H2O)因其成因和產(chǎn)地的不同,其原礦晶體形態(tài)、結(jié)構(gòu)致密程度、種類及品位均不同。在熟石膏粉的制備工藝中,熟石膏粉物理性能主要取決于熟石膏中的活性成分(有效成分)半水硫酸鈣的含量,石膏礦石的品位越高,熟石膏中的有效成分半水硫酸鈣(α型、β型)含量也越高。表5～7分別示出了石膏礦石種類、品位(礦石等級(jí))、致密程度等因素與熟石膏粉(α粉、β粉)主要物理性能的關(guān)系。從表5～7可看出,不同種類(雪花石膏、纖維石膏、泥石膏)石膏,品位越高(即CaSO4·2H2O含量越高),熟石膏(α、β粉)強(qiáng)度也越高;相同類型的石膏礦石,其晶體結(jié)構(gòu)的致密程度的不同,對(duì)物理性能的影響也不同,晶體致密的高品位雪花石膏,其強(qiáng)度最高;從上述原料分析可以看出,高品位原生狀致密的雪花石膏是制取陶瓷模型熟石膏粉的最佳原料。制粉工藝參數(shù)試驗(yàn)中采用的石膏礦石為內(nèi)蒙產(chǎn)雪花石膏,CaSO4·2H2O含量為90%。3.2石膏塊度對(duì)型半水石膏晶體制備的影響多年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐,筆者發(fā)現(xiàn)石膏礦石的塊度(石膏礦石顆粒大小)是影響熟石膏粉物理性能的一個(gè)重要因素,在α粉生產(chǎn)過(guò)程中,為確保蒸壓過(guò)程中二水硫酸鈣的溶解再結(jié)晶過(guò)程,即石膏的脫水反應(yīng),必須要求蒸壓釜中石膏礦石之間有一定的空隙,以確保蒸汽溫度易于傳至顆粒內(nèi)部,因此必須選擇適宜的石膏礦石塊度,塊度太大,二水硫酸鈣再結(jié)晶過(guò)程只能在表面發(fā)生,試驗(yàn)表明石膏塊度在6～12cm時(shí),石膏脫水反應(yīng)完全,可獲取物理性能優(yōu)良的α型半水石膏晶體,并且通過(guò)適當(dāng)石膏塊度的調(diào)整,可有效控制熟石膏漿體的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性。在α型石膏粉生產(chǎn)實(shí)踐中就石膏塊大小與蒸壓壓力、蒸汽溫度、蒸壓時(shí)間、烘干溫度、烘干時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了大量試驗(yàn),并通過(guò)顯微鏡觀察熟石膏晶體結(jié)構(gòu),不斷調(diào)整蒸壓工藝參數(shù),結(jié)果表明:石膏塊度大,蒸汽溫度高,烘干時(shí)間長(zhǎng),產(chǎn)生無(wú)水石膏相多;通過(guò)顯微鏡下對(duì)獲得的α型石膏晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,采用低壓(0.13～0.18MPa)蒸壓脫水,制取的熟石膏晶體為短柱狀,晶體結(jié)構(gòu)完整(需水量小),強(qiáng)度高(見表8)。在β粉炒制過(guò)程中,我廠采用“先炒后磨”工藝,試驗(yàn)結(jié)果表明,將石膏礦石粉碎至5～20mm范圍內(nèi),適當(dāng)控制溫度(150～170℃)及脫水速度,可制取物理性能優(yōu)良的β型半水石膏粉,見表9。3.3熟石膏粉細(xì)度通過(guò)以上研究,筆者進(jìn)一步對(duì)制得的熟石膏粉的產(chǎn)品細(xì)度與強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了研究。試驗(yàn)表明:熟石膏粉細(xì)度越細(xì),其在水中的分散度越大,溶解度也越大,水化反應(yīng)速度加快且充分完整,硬化體強(qiáng)度高。筆者在實(shí)際生產(chǎn)中,適當(dāng)對(duì)粉磨設(shè)備進(jìn)行調(diào)整以提高熟石膏粉產(chǎn)品細(xì)度,可提高產(chǎn)品強(qiáng)度,表10示出了不同細(xì)度對(duì)產(chǎn)品物理性能的影響。4國(guó)外的模型生產(chǎn)參數(shù)對(duì)陶瓷表面材料的影響4.1模具石膏粉的制備吸水率是模具粉的一個(gè)重要指標(biāo),陶瓷泥漿注漿成型,依靠石膏模具吸收泥漿中的水分,而在其表面形成一層致密的坯體,通過(guò)進(jìn)一步吸水,使坯體得以脫模。在石膏模具制作過(guò)程中,熟石膏粉與適量水均勻混合攪拌成型,為了滿足注漿成型所要求的石膏漿體的流動(dòng)性,而加入了大量的水(比半水石膏水化轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈枰睦碚撍?8.6%高得多,α粉40%～60%,β粉60%～80%),過(guò)量的水分干燥后,在模具中留下許多氣孔,正是這些氣孔使模具有了一定的吸水性能,但這些氣孔又影響了模具的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性,因此制備模具時(shí),在滿足吸水率的前提下,應(yīng)進(jìn)一步提高其物理性能,試驗(yàn)中筆者采用了以下兩種熟石膏(α粉、β粉)基料,在制備模具石膏粉中,綜合平衡熟石膏粉(α粉、β粉)強(qiáng)度與吸水率的關(guān)系,充分利用α粉高強(qiáng)度和β粉優(yōu)良吸水性能,分別按一定比例(α粉、β粉)配制了吸水性能及強(qiáng)度均優(yōu)良的陶瓷模具石膏粉,試驗(yàn)結(jié)果見表11。從表11可以看出,當(dāng)α粉:β粉為(30～50):(50～70)(注總混合物以100份重量計(jì)),模具吸水率為31.4%～40.2%,硬度為48～60N/mm2,可滿足壓力注漿陶瓷模具石膏粉指標(biāo)要求(參照表1～3德國(guó)、日本有關(guān)指標(biāo))。當(dāng)α粉比例高于上述比例范圍時(shí),模具吸水率變小,不能滿足注漿模具的性能要求,當(dāng)α粉比例小于上述范圍時(shí),雖吸水率達(dá)到了要求,但強(qiáng)度低,模具使用次數(shù)少,壽命低。4.2半水石膏加工過(guò)程凝結(jié)膨脹率是陶瓷模具粉的一個(gè)非常重要的指標(biāo),適宜的凝結(jié)膨脹率是獲取高精度模具及清晰地復(fù)制模型的必要條件。國(guó)外如法國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家,在其模具石膏產(chǎn)品說(shuō)明書中均注有該項(xiàng)指標(biāo),而我國(guó)“陶瓷模具石膏”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此項(xiàng)指標(biāo)無(wú)規(guī)定,也無(wú)檢測(cè)方法,因此通過(guò)對(duì)凝結(jié)膨脹率的研究,對(duì)今后陶瓷模具石膏粉生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。石膏加水調(diào)和形成二水石膏硬化體的同時(shí),體積發(fā)生變化,其主要原因是由于水化作用造成固體和液體絕對(duì)體積縮小,從而使?jié){體早期收縮,而調(diào)制半水石膏時(shí),需要比理論值(18.6%)大得多的過(guò)量拌和水,這些水造成硬化體積孔隙率大幅度增加,導(dǎo)致比半水石膏加水時(shí)縮小體積要高出5倍,大量試驗(yàn)結(jié)果表明:α型半水石膏粉凝結(jié)膨脹率0.3%～0.8%,β型半水石膏凝結(jié)膨脹率0.1%～0.2%,因此通過(guò)將α粉與β粉以適當(dāng)比例配制后,加入適量調(diào)節(jié)劑,來(lái)制取凝結(jié)膨脹率適宜的注漿陶瓷模具石膏粉(見表11)。從表11可以看出,利用β粉較小的凝結(jié)膨脹率和α粉的高強(qiáng)度,可配制出性能優(yōu)良的注漿陶瓷模具石膏粉,當(dāng)α粉:β粉為(10～50):(50～90)時(shí)(總混合物以100份重量計(jì)),凝結(jié)膨脹率可有效控制在0.2%以下,可滿足注漿陶瓷模具粉的指標(biāo)要求;當(dāng)α粉比例高于上述范圍時(shí),凝結(jié)膨脹率過(guò)大,不能滿足模具使用要求,當(dāng)α粉比例小于上述范圍時(shí),吸水率達(dá)到了要求,但卻導(dǎo)致強(qiáng)度過(guò)低,模具使用次數(shù)少,壽命低。5陶瓷模具粉在產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)和應(yīng)用中的應(yīng)用綜上所述,通過(guò)對(duì)原料種類、品位、晶體結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝參數(shù)(蒸壓溫度、蒸壓壓力、烘干溫度等)對(duì)陶瓷模具石膏粉物理性能的影響關(guān)系,以及制模工藝參數(shù)吸水率、凝結(jié)膨脹率對(duì)陶瓷模具粉物理性能的影響的研究,從原料、生產(chǎn)工藝、制模應(yīng)用等方面,提出了獲得物理性能優(yōu)良的陶瓷模具粉的解決方案,并制得具有吸水性能好(吸水率30%～41%),凝結(jié)膨脹率適宜(0.2%以下),表面硬度高(40～60N/mm2)的陶瓷模具粉,該產(chǎn)品