陶瓷模具石膏增強(qiáng)研究現(xiàn)狀

劉俊杰 謝艷亭 李彩霞 郝文姝 陳燕

摘 要：簡要介紹了陶瓷模具石膏的增強(qiáng)機(jī)理，根據(jù)國內(nèi)外對(duì)模具石膏增強(qiáng)的研究情況，分別對(duì)模具石膏摻入外加劑、纖維、耐磨填料和無機(jī)凝膠材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并對(duì)改善模具石膏綜合性能，提高石膏模具使用壽命提出了期望。

關(guān)鍵詞：模具石膏; 石膏增強(qiáng)方法; 石膏增強(qiáng)機(jī)理

1 前 言

陶瓷石膏模具，作為陶瓷成形過程中的重要組成部分，其凝結(jié)硬化快，生產(chǎn)周期短，模具周轉(zhuǎn)快，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于注漿成形、旋壓成形、滾壓成形和半干壓成形等陶瓷生產(chǎn)工序中[1]。石膏，作為陶瓷石膏模具的主要原料，其礦產(chǎn)儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，用其加工的陶瓷模具棱角分明，尺寸穩(wěn)定，變形小，綠色環(huán)保可回收[2]。由于陶瓷坯料和漿料水分較大，在成形過程中要將其水分排除，因此對(duì)石膏模具的氣孔率和吸水性提出較高要求，其顯氣孔率一般要達(dá)到30%-40%[3]。石膏模具膠凝、干燥后氣孔率高，導(dǎo)致模具強(qiáng)度降低，同時(shí)在搬運(yùn)與成形過程中的磕碰、摩擦、擠壓等物理變化和模具與坯料、漿料之間的化學(xué)變化，嚴(yán)重影響模具的耐磨性和耐溶蝕性，進(jìn)而影響模具使用壽命[4]。目前，注漿成形石膏模具使用壽命小于100次，產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高[4]。因此，部分廠家嘗試用塑料模、木模、鋼膜和樹脂模作為石膏模的替代品，但由于其吸水性差、成形工藝復(fù)雜、成本較高等因素，只應(yīng)用于一些特殊產(chǎn)品，而無法大力推廣普及[5]。

隨著陶瓷產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，石膏原料日趨減少，質(zhì)量有所下降，但價(jià)格日益上漲，石膏模具質(zhì)量下降，導(dǎo)致陶瓷產(chǎn)品成本提高。目前，國內(nèi)陶瓷模具石膏大多采用β-半水石膏，其價(jià)格低廉，但強(qiáng)度低，耐水性和耐磨性差，大大降低石膏模具的使用壽命。同時(shí)，隨著機(jī)械化的進(jìn)一步發(fā)展，在陶瓷成形過程中，對(duì)石膏模具的強(qiáng)度提出更高的要求。如何延長陶瓷石膏模具的使用壽命，關(guān)鍵在于對(duì)陶瓷模具β-半水石膏進(jìn)行增強(qiáng)，提高其強(qiáng)度、耐磨性和耐溶蝕性，改善其綜合性能。

2 增強(qiáng)方法及機(jī)理

2.1 增強(qiáng)方法

目前，一般采用摻入外加劑（如緩凝劑、減水劑、消泡劑、增強(qiáng)劑、塑化劑等）、纖維（如聚丙烯纖維、玻璃纖維等）、耐磨填料（如石英砂、石墨、二硫化鉬等）和無機(jī)膠凝材料（如水泥、高爐礦渣等）來提高陶瓷模具石膏的強(qiáng)度、耐磨性和耐溶蝕性。

2.2 增強(qiáng)機(jī)理

2.2.1 緩凝機(jī)理

在模具石膏中摻入緩凝劑，緩凝劑與石膏發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的絡(luò)合物或沉淀膜覆蓋在石膏晶核表面，抑制晶核的長大，達(dá)到緩凝目的。摻入緩凝劑，可改善模具石膏的凝結(jié)時(shí)間和工作性能[6]。

2.2.2 減水機(jī)理

在模具石膏中摻入減水劑，可以減少拌合用水量，降低水膏比，使石膏硬化過程中由于水分蒸發(fā)而形成的孔隙大大減少，從而降低石膏硬化體的孔隙率，使孔徑細(xì)化，孔結(jié)構(gòu)得以改善，進(jìn)而提高石膏的強(qiáng)度、耐溶蝕性和耐水性[7]。

2.2.3 消泡機(jī)理

消泡劑既可抑制泡沫的產(chǎn)生，也可破壞泡沫的穩(wěn)定性，用于消泡。在模具石膏體系中加入消泡劑后，消泡劑分子雜亂無章地分布在液體的表面，抑制彈性膜，中止泡沫的產(chǎn)生。

當(dāng)體系產(chǎn)生大量泡沫后，加入消泡劑，其分子立即分布于泡沫表面，快速鋪展，形成很薄的雙膜層，進(jìn)一步擴(kuò)散、滲透，層狀入侵，從而取代原泡沫的薄壁。由于其表面張力低，便流向產(chǎn)生泡沫的高表面張力的液體，這樣低表面張力的消泡劑分子在氣液界面上不斷擴(kuò)散、滲透，使其膜壁迅速變薄，泡沫同時(shí)又受到周圍表面張力大的膜層強(qiáng)力牽引，這樣，致使泡沫周圍應(yīng)力失衡，從而導(dǎo)致其“破泡“。不溶于體系的消泡劑分子，再重新進(jìn)入另一個(gè)泡沫膜的表面，如此反復(fù)，所有泡沫，全部覆滅[8～10]。

2.2.4 耐磨性機(jī)理

在模具石膏中摻入高硬度的石英砂使得其表面硬度增高，當(dāng)用砂紙打磨時(shí)，能夠被壓入表層的磨粒數(shù)減少，壓入深度和磨痕寬度也都減小，進(jìn)而模具石膏磨損率下降，耐磨性提高。

另外石墨和二硫化鉬的塑性較高，可改善模具石膏的脆性;同時(shí)石墨和二硫化鉬有潤滑作用，能降低摩擦系數(shù)，可以提高模具石膏的耐磨性[11，12]。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 外加劑增強(qiáng)

通過摻入外加劑來改善模具石膏的綜合性能，一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[13，14]。其中，大多集中于摻入減水劑來降低模具石膏的水膏比，改善石膏孔結(jié)構(gòu)，提高模具石膏的強(qiáng)度。朱登玲[7]、魏桂芳[15]和趙敏等[16]在模具石膏中加入聚羧酸系減水劑，研究發(fā)現(xiàn)，減水劑的摻入可有效提高模具石膏硬化體的強(qiáng)度和耐溶蝕性，隨著減水劑含量的增加，模具石膏強(qiáng)度先升高后降低，其最佳摻雜量為0.15%;蔡劍育等[17]發(fā)現(xiàn)，隨著聚羧酸醚高效減水劑（PCE）的增加，模具石膏的流動(dòng)性增加，凝結(jié)時(shí)間延長;Sakai等[18]指出，聚羧酸減水劑（PC）與模具石膏顆粒表面的空間位阻效應(yīng)，使模具石膏的分散性良好且穩(wěn)定;彭家惠等[19～22]研究發(fā)現(xiàn)在模具石膏中摻入FDN減水劑，可顯著提高石膏硬化體的強(qiáng)度，而且在粉磨前加入減水劑，可增大比表面積，使石膏顆粒細(xì)化，提高粉磨效率;李青[6]研究發(fā)現(xiàn)在模具石膏中摻入0.5%-0.7%的FDN減水劑，可顯著提高石膏硬化體的強(qiáng)度，若摻入過量，反而使模具石膏的強(qiáng)度降低;豐霞[23]研究了蜜胺系（SM）減水劑對(duì)模具石膏性能的影響，發(fā)現(xiàn)蜜胺系（SM）減水劑可在一定程度上降低石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，提高石膏試樣的強(qiáng)度，其最佳摻量為0.6%。

除摻入減水劑外，有學(xué)者也對(duì)摻入其他外加劑作了部分研究。魏桂芳[15]、李青[6]和趙敏等[16]在陶瓷模具石膏中摻入磷酸三丁酯消泡劑，研究發(fā)現(xiàn)，磷酸三丁酯可消去模具石膏攪拌過程中引入的氣泡，增加模具石膏強(qiáng)度，其最佳摻雜量為 0.07%;豐霞[23]和李青[6]研究分析了檸檬酸、多聚磷酸鈉、硼砂和骨膠四種緩凝劑對(duì)模具石膏性能的影響，發(fā)現(xiàn)這四種緩凝劑均隨著摻雜量的增多而導(dǎo)致模具石膏強(qiáng)度降低;李青[6]研究了聚乙烯醇、硅溶膠和乳膠粉三種增強(qiáng)劑對(duì)模具石膏性能的影響，發(fā)現(xiàn)三種增強(qiáng)劑均隨著摻雜量的增大而抗折強(qiáng)度增大，達(dá)到最大值后隨著摻量增加抗折強(qiáng)度反而下降，聚乙烯醇的增強(qiáng)效果最好，乳膠粉可以提高模具石膏的耐溶蝕性;周昆睿[24]研究發(fā)現(xiàn)在模具石膏中摻入VIVID-500聚羧酸超塑化劑，可延長石膏漿體凝結(jié)時(shí)間，提高石膏材料的耐水性。

3.2 纖維增強(qiáng)

目前，一般通過加入聚丙烯纖維或玻璃纖維來提高模具石膏的抗折強(qiáng)度。朱登玲[3，7]研究了聚丙烯纖維對(duì)模具石膏性能的影響，發(fā)現(xiàn)在模具石膏中摻入0.04%的4mm長的聚丙烯纖維，提高模具石膏的抗折強(qiáng)度的效果最為顯著;魏桂芳[15]研究發(fā)現(xiàn)在模具石膏中摻入的聚丙烯纖維越短，模具石膏抗折強(qiáng)度越大，隨著聚丙烯纖維摻雜量的增大，模具石膏的抗折強(qiáng)度先增大后減小，聚丙烯纖維的最佳長度為4mm，最摻雜量為0.10%;趙敏等[16]認(rèn)為聚丙烯纖維與減水劑復(fù)摻對(duì)綜合提高石膏抗折強(qiáng)度、改善吸水率有利;朱登玲[7]和柳華實(shí)等[25～27]研究發(fā)現(xiàn)，摻入玻璃纖維可有效提高模具石膏的耐水性。

3.3 耐磨填料增強(qiáng)

目前，一般通過加入石墨、石英砂、二硫化鉬等耐磨填料來提高模具石膏的強(qiáng)度和耐磨性。朱登玲[2，7]和魏桂芳[15]研究了石英砂對(duì)模具石膏性能的影響，發(fā)現(xiàn)小粒徑的石英砂填充在石膏硬化體的孔隙中，由于石英砂本身硬度很高，可顯著提高石膏硬化體的抗折強(qiáng)度和耐磨性，最佳摻雜量為10%;趙敏等[16]研究發(fā)現(xiàn)石英砂耐磨填料的添加使模具石膏強(qiáng)度呈先小幅度增加后降低的趨勢，石膏表面質(zhì)量磨損率逐漸降低且效果顯著，吸水率變化不大;李青[6]及高彥萍[28]的研究表明，石墨、石英砂、二硫化鉬三種填料均可提高模具石膏的耐磨性，其摻量分別為1%、5%、1%時(shí)，模具石膏的耐磨性最佳。

3.4 無機(jī)膠凝材料增強(qiáng)

通過摻入水硬性無機(jī)膠凝材料來提高模具石膏的強(qiáng)度和耐水性一直是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。朱登玲[5，7]和魏桂芳[15]對(duì)比分析了硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥對(duì)模具石膏綜合性能的影響，發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥對(duì)提高模具石膏強(qiáng)度、耐水性及耐溶蝕性的作用最為顯著，鋁酸鹽水泥使模具石膏的抗折強(qiáng)度和耐溶蝕性大幅提高，但同時(shí)降低了模具石膏的吸水率，不適用于模具石膏。隋肅等[29]研究表明在模具石膏中摻入6%～8%的硅酸鹽水泥，模具石膏的強(qiáng)度和吸水率性能最佳;趙敏等[30，31]指出，硅酸鹽水泥（OPC） 和鋁酸鹽水泥（AC）的摻入，可明顯提高模具石膏硬化體的耐水性、 耐溶蝕性及耐磨性;王玉平等[32]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水硬性膠凝材料的摻量小于6%時(shí)，可顯著改善模具石膏的強(qiáng)度和抗水性。

4 結(jié) 論

目前，對(duì)于陶瓷模具β-半水石膏的增強(qiáng)多集中在添加外加劑、纖維、耐磨填料和無機(jī)膠凝材料上。我們要利用現(xiàn)有增強(qiáng)技術(shù)，綜合考慮各因素對(duì)模具石膏的影響，對(duì)模具石膏進(jìn)行合理成分設(shè)計(jì)，優(yōu)化模具石膏成型工藝，使模具石膏綜合性能達(dá)到最優(yōu)，延長其使用壽命。同時(shí)，我們也期待陶瓷模具石膏增強(qiáng)新技術(shù)的出現(xiàn)和陶瓷模具石膏優(yōu)質(zhì)替代品的進(jìn)一步發(fā)展。

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