陶瓷模具石膏粉的性能研究

陶瓷模具石膏粉的性能研究

1中国陶瓷模具石膏粉技术指标陶瓷建模石膏粉是我国应用石膏的重要品种。随着国民经济的迅速发展,日用瓷、卫生洁具陶瓷的市场逐步扩大,对陶瓷模具石膏粉的需求量更多、质量要求更高。陶瓷模具因其制作过程、用途及制模方式等的不同,性能各异,对陶瓷模具石膏粉性能要求也就不同。表1～3分别示出了德国、日本陶瓷模具石膏粉的指标;表4示出了中国陶瓷模具石膏粉的技术指标。目前国产陶瓷模具石膏粉受设备、工艺技术及控制技术限制,多为品种单一的中低档型产品,虽然国内外在陶瓷模具粉物理性能描述方面所采用的技术指标表述形式不尽相同,但从表1～4可以看出,国产陶瓷模具石膏粉与国外同行业的差距主要表现在强度低,关键指标凝结时间及抗折强度不能有效控制且不稳定。结合我厂多年从事生产开发陶瓷模具石膏粉的经验,针对目前陶瓷模具石膏粉的质量现状,在达到其综合性能指标的前提下,就影响陶瓷模具粉主要物理性能(凝结时间、抗折强度及抗压强度等)的因素进行了大量比对试验,以期获得优良的高强度陶瓷模具石膏粉。2陶瓷坯体模型熟石膏粉(有α型半水石膏粉、β型半水石膏粉)加水拌和后,具有凝结硬化快,尺寸精度好,且这种石膏模具内部形成气孔,当干燥时,这些空隙连接成毛细管,具有吸水性,因此这种石膏模型被用于陶瓷坯体的工作模。熟石膏粉有α型半水石膏粉(简称α粉)和β型半水石膏粉(β粉)两种。α粉因晶体粗大,比表面积小,需水量小,其水和硬化体的强度高,吸水率小;β粉因晶体不规则,比表面积大,其水和硬化体的强度低,吸水率大。目前国产陶瓷模具粉多为以β石膏粉制取低档次陶瓷模具,其物理性能差,使用次数少,本研究从国内这一现状出发,首先从制取强度高的熟石膏基料(α粉、β粉)入手,结合石膏矿石种类、品位、晶体结构及熟石膏粉工艺参数对熟石膏物理性能的影响,进一步根据陶瓷模具粉的指标要求,研究配制综合性能优良的陶瓷模具石膏粉。2.1粉、粉、粉生产工艺流程石膏矿石:分别为内蒙产雪花石膏(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级)、宁夏产透明纤维石膏(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级)、宁夏产泥石膏(Ⅱ、Ⅲ级)。熟石膏粉(α粉、β粉):分别采用宁夏石嘴山新型建材实验厂α粉及β粉石膏生产线制取。其中α粉采用蒸压烘干一体化α型高强石膏生产技术(立式蒸压釜),β粉采用间歇式回转窑生产。生产工艺流程如下:α粉:石膏矿石→颚破→提升至料仓→蒸压釜→粉磨→料仓→包装;β粉:石膏矿石→颚破→锤破→料仓→回转窑→粉磨→料仓→包装。2.2石膏、粉标准膨胀仪:采用英国石膏膨胀仪标准自制。检测标准:β粉依据GB9776-88建筑石膏标准;α粉依据宁Q419-87α型高强石膏标准;陶瓷模具粉依据GB/T1639-92陶瓷模用石膏粉、GB/T1640-92陶瓷模用石膏粉物理性能测试方法。3影响石膏粉的物理性能因素和分析3.1石膏矿石及致密程度对熟石膏岩石及充填材料的影响在自然界中,石膏矿石(CaSO4·2H2O)因其成因和产地的不同,其原矿晶体形态、结构致密程度、种类及品位均不同。在熟石膏粉的制备工艺中,熟石膏粉物理性能主要取决于熟石膏中的活性成分(有效成分)半水硫酸钙的含量,石膏矿石的品位越高,熟石膏中的有效成分半水硫酸钙(α型、β型)含量也越高。表5～7分别示出了石膏矿石种类、品位(矿石等级)、致密程度等因素与熟石膏粉(α粉、β粉)主要物理性能的关系。从表5～7可看出,不同种类(雪花石膏、纤维石膏、泥石膏)石膏,品位越高(即CaSO4·2H2O含量越高),熟石膏(α、β粉)强度也越高;相同类型的石膏矿石,其晶体结构的致密程度的不同,对物理性能的影响也不同,晶体致密的高品位雪花石膏,其强度最高;从上述原料分析可以看出,高品位原生状致密的雪花石膏是制取陶瓷模型熟石膏粉的最佳原料。制粉工艺参数试验中采用的石膏矿石为内蒙产雪花石膏,CaSO4·2H2O含量为90%。3.2石膏块度对型半水石膏晶体制备的影响多年来的生产实践,笔者发现石膏矿石的块度(石膏矿石颗粒大小)是影响熟石膏粉物理性能的一个重要因素,在α粉生产过程中,为确保蒸压过程中二水硫酸钙的溶解再结晶过程,即石膏的脱水反应,必须要求蒸压釜中石膏矿石之间有一定的空隙,以确保蒸汽温度易于传至颗粒内部,因此必须选择适宜的石膏矿石块度,块度太大,二水硫酸钙再结晶过程只能在表面发生,试验表明石膏块度在6～12cm时,石膏脱水反应完全,可获取物理性能优良的α型半水石膏晶体,并且通过适当石膏块度的调整,可有效控制熟石膏浆体的凝结时间、流动性。在α型石膏粉生产实践中就石膏块大小与蒸压压力、蒸汽温度、蒸压时间、烘干温度、烘干时间的关系进行了大量试验,并通过显微镜观察熟石膏晶体结构,不断调整蒸压工艺参数,结果表明:石膏块度大,蒸汽温度高,烘干时间长,产生无水石膏相多;通过显微镜下对获得的α型石膏晶体结构进行观察,采用低压(0.13～0.18MPa)蒸压脱水,制取的熟石膏晶体为短柱状,晶体结构完整(需水量小),强度高(见表8)。在β粉炒制过程中,我厂采用“先炒后磨”工艺,试验结果表明,将石膏矿石粉碎至5～20mm范围内,适当控制温度(150～170℃)及脱水速度,可制取物理性能优良的β型半水石膏粉,见表9。3.3熟石膏粉细度通过以上研究,笔者进一步对制得的熟石膏粉的产品细度与强度的关系进行了研究。试验表明:熟石膏粉细度越细,其在水中的分散度越大,溶解度也越大,水化反应速度加快且充分完整,硬化体强度高。笔者在实际生产中,适当对粉磨设备进行调整以提高熟石膏粉产品细度,可提高产品强度,表10示出了不同细度对产品物理性能的影响。4国外的模型生产参数对陶瓷表面材料的影响4.1模具石膏粉的制备吸水率是模具粉的一个重要指标,陶瓷泥浆注浆成型,依靠石膏模具吸收泥浆中的水分,而在其表面形成一层致密的坯体,通过进一步吸水,使坯体得以脱模。在石膏模具制作过程中,熟石膏粉与适量水均匀混合搅拌成型,为了满足注浆成型所要求的石膏浆体的流动性,而加入了大量的水(比半水石膏水化转变为二水石膏需要的理论水分18.6%高得多,α粉40%～60%,β粉60%～80%),过量的水分干燥后,在模具中留下许多气孔,正是这些气孔使模具有了一定的吸水性能,但这些气孔又影响了模具的强度、硬度以及耐磨性,因此制备模具时,在满足吸水率的前提下,应进一步提高其物理性能,试验中笔者采用了以下两种熟石膏(α粉、β粉)基料,在制备模具石膏粉中,综合平衡熟石膏粉(α粉、β粉)强度与吸水率的关系,充分利用α粉高强度和β粉优良吸水性能,分别按一定比例(α粉、β粉)配制了吸水性能及强度均优良的陶瓷模具石膏粉,试验结果见表11。从表11可以看出,当α粉:β粉为(30～50):(50～70)(注总混合物以100份重量计),模具吸水率为31.4%～40.2%,硬度为48～60N/mm2,可满足压力注浆陶瓷模具石膏粉指标要求(参照表1～3德国、日本有关指标)。当α粉比例高于上述比例范围时,模具吸水率变小,不能满足注浆模具的性能要求,当α粉比例小于上述范围时,虽吸水率达到了要求,但强度低,模具使用次数少,寿命低。4.2半水石膏加工过程凝结膨胀率是陶瓷模具粉的一个非常重要的指标,适宜的凝结膨胀率是获取高精度模具及清晰地复制模型的必要条件。国外如法国、日本、德国等国家,在其模具石膏产品说明书中均注有该项指标,而我国“陶瓷模具石膏”行业标准对此项指标无规定,也无检测方法,因此通过对凝结膨胀率的研究,对今后陶瓷模具石膏粉生产具有指导意义。石膏加水调和形成二水石膏硬化体的同时,体积发生变化,其主要原因是由于水化作用造成固体和液体绝对体积缩小,从而使浆体早期收缩,而调制半水石膏时,需要比理论值(18.6%)大得多的过量拌和水,这些水造成硬化体积孔隙率大幅度增加,导致比半水石膏加水时缩小体积要高出5倍,大量试验结果表明:α型半水石膏粉凝结膨胀率0.3%～0.8%,β型半水石膏凝结膨胀率0.1%～0.2%,因此通过将α粉与β粉以适当比例配制后,加入适量调节剂,来制取凝结膨胀率适宜的注浆陶瓷模具石膏粉(见表11)。从表11可以看出,利用β粉较小的凝结膨胀率和α粉的高强度,可配制出性能优良的注浆陶瓷模具石膏粉,当α粉:β粉为(10～50):(50～90)时(总混合物以100份重量计),凝结膨胀率可有效控制在0.2%以下,可满足注浆陶瓷模具粉的指标要求;当α粉比例高于上述范围时,凝结膨胀率过大,不能满足模具使用要求,当α粉比例小于上述范围时,吸水率达到了要求,但却导致强度过低,模具使用次数少,寿命低。5陶瓷模具粉在产品质构和应用中的应用综上所述,通过对原料种类、品位、晶体结构、生产工艺参数(蒸压温度、蒸压压力、烘干温度等)对陶瓷模具石膏粉物理性能的影响关系,以及制模工艺参数吸水率、凝结膨胀率对陶瓷模具粉物理性能的影响的研究,从原料、生产工艺、制模应用等方面,提出了获得物理性能优良的陶瓷模具粉的解决方案,并制得具有吸水性能好(吸水率30%～41%),凝结膨胀率适宜(0.2%以下),表面硬度高(40～60N/mm2)的陶瓷模具粉,该产品