蒸压法制备高强石膏的研究

蒸压法制备高强石膏的研究

高性能石膏材料是指由含有30ml的半水石膏组成的橡胶材料，抗压强度高于9mpa。主要用于石膏陶瓷母模、精密铸造、工艺美术品和玩具的制造、永久建筑模型、装饰板、隔离板和塑料薄膜。目前α型半水石膏的制备方法主要有蒸压法、盐溶液法、干闷法、水热合成法等,但是以上几种制备方法并不能有效地控制α型半水石膏的晶体形状,只能制备抗压强度较低的高强石膏材料,而不能制备出高强石膏材料。α型半水石膏的结晶形态是影响制品强度的关键。不同结晶形态的α型半水石膏其制品的强度往往差距很悬殊,只有发育完整的短柱状晶体才能获得很高的强度。因此,如何控制α型半水石膏的晶形是获得高强石膏材料的关键。研究表明,采用外加剂技术能有效地控制α型半水石膏的晶体形状。作者着重研究了蒸压法和水热发制备α型半水石膏,用正交试验确定最优化工艺,并探讨了不同的石膏品种,不同的转晶剂加入量对制品性能的影响。1实验1.1k3o,马来酸,水杨酸钠kc2o纤维石膏(湖北应城),雪花石膏,泥膏,柠檬酸钠Na3C6H5O7·2H2O,琥珀酸(CH2COOH)2,马来酸(C4H4O4),草酸钾(K2C2O4·H2O),硫酸铝。反应釜为FYXD型(5L)的高压釜及其控温系统FDK型高压釜智能控制器,WE-10A型万能材料试验机。1.2半水石膏的制备将二水石膏破碎成3～5mm的块状,分别采用蒸压法和水热法制备高强石膏材料。蒸压法的制备工艺是把一定质量的二水石膏块放入蒸压釜,升温、恒温一定时间,即可制得α型半水石膏。出釜后立即放入已升温至一定温度的烘箱内,恒温干燥12h后取出,放入研钵中研磨,使所得的α型半水石膏粉能通过60目的标准筛,然后置于密封塑料袋中备用。水热法的制备工艺:把一定质量的二水石膏放入高压釜,加入适量的水。在一定的温度和压力下经过一定的时间,二水石膏便转变成α型半水石膏,将料浆过滤,用沸水冲洗,干燥后即可得α型半水石膏粉。将制备出的α型半水石膏按照一定的水灰比成型,2h后测定其抗压强度。2结果与讨论2.1半水石膏的制备二水石膏的品种和制品的性能之间有着密切的联系,从表1可看出纤维石膏制得的α型半水石膏制品的强度最高,雪花石膏制得的α型半水石膏强度最低,即所制得的α型半水石膏强度随CaSO4·2H2O含量增大而增大,二者呈正相关性。2.2半水石膏性能的正交试验大多数学者认为在蒸压过程中,二水石膏脱水成α半水石膏的形成机理为溶解-析晶过程。蒸压釜中温度(或压力)过高或过低,都会使得二水石膏溶解转化速度与α半水石膏析晶成长速度不一致,影响α半水石膏发育长大成密实完美的晶体。另外蒸压时间和升温时间也会对α半水石膏的晶体生长产生影响,如升温太快会使α半水石膏生成速度过快,使得结晶过小。因此,只有选择合适的蒸压制度才能保证α半水石膏的结晶完整密实。实验采用正交试验来确定蒸压制度,选择蒸压温度、恒温时间,升温时间和干燥温度4个影响α半水石膏性能的因素进行正交试验,上述4个因素分别选取3个水平。因素位级表如表2所示。实验结果如表3所示,采用极差分析法对结果进行分析,由各因素的极差值R可知,选定的试验件下,蒸压温度极差最大,其次为烘干温度,蒸压时间极差最小,因而上述4因素在蒸压法制备α半水石膏的过程中的影响依次为:恒温温度>干燥温度>升温时间>恒温时间,恒温温度的极差值最大,因而它对α半水石膏性能的影响也最显著。从同一因素各位级的均值可以看出:随着蒸压温度的上升,产品抗压强度降低,110℃时强度最高。随着蒸压时间的增加,α半水石膏的抗压强度先增大后减少,在8h时达到最大值,但变化并不显著,由于蒸压时间是影响最小的因素,为了节约能源故可选择蒸压时间为6h,干燥温度和升温时间对α半水石膏的抗压强度的影响也较为显著,分别选取110℃和90min。试验中发现从出釜到进烘箱的时间间隔也是影响半水石膏性能的重要因素,时间间隔越短,石膏性能越好。因为当温度低于97℃时,α半水石膏溶解度高于二水石膏,使溶有半水石膏的液相成为过饱和状态,产生二水石膏结晶。因此要迅速将刚出釜的α半水石膏转入至少已升温至97℃的烘箱中,以减少α半水石膏转化为二水石膏的机率。此外为了对进行比较,实验又采用水热法制备α半水石膏,把二水石膏和水按一定的比例混合放入高压釜,加入适量的转晶剂,升温至所需的温度,经过一定时间的高温高压热处理,二水石膏便转变成α型半水石膏,将试样过滤,用沸水冲洗,干燥后即可得α型半水石膏粉。实验结果如表4所示。对比2种制备方法,蒸压法能更有效地控制α半水石膏的晶体生长,可以制备出强度较高的α半水石膏,如加入转晶剂,其强度能得到进一步提高。2.3转晶剂对半水石膏晶形转化的影响守山逸郎指出,α半水石膏结晶形态和大小主要决定于相对饱和程度的大小,若温度一定,石膏的二水物与半水物溶解度一定,过饱和度为定值,要改变结晶形状和大小,只能依靠外来因素,如添加晶形转化剂,亦称转晶剂。在α半水石膏生产中加入少量的晶形改良剂,可以使α半水石膏的结晶形态发生极大的变化,能显著提高α半水石膏的性能。综合国内外文献资料,目前常用的转晶剂主要有无机盐和有机酸盐(如二元羧酸盐及其衍生物、烷基芳基磺酸盐等)2大类,从对α半水石膏晶形转化效果来看,二者复合使用效果更好。实验使用自行配制的转晶剂。蒸压时分别加入不同质量的转晶剂进行试验,比较所得结果见表5和图1。从表5和图1可以看出,半水石膏的强度随转晶剂掺量的增加而增加,但当掺量大于0.03%后强度又开始下降,继续增加转晶剂的量,强度会继续下降。这可能是加入过多的转晶剂后半水石膏晶格上出现很多缺陷,使得晶体结构不完整,导致半水石膏的强度下降。如图1所示,转晶剂的掺量在0.025%～0.035%之间时,α半水石膏能够获得较高的强度。3型半水石膏的制备a.不同的石膏品种对α型半水石膏的性能有很大的影响,实验证明以天然的纤维石膏为原料能够制得强度很高