（矿物加工工程专业论文）增强模型石膏性能方法的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着陶瓷工业逐步向机械化与自动化生产方向的发展，石膏模具强度低、使 用寿命短、质量差的致命弱点越来越突出。可以说模型石膏的强度是决定其使用 的最重要的因素，在增强模型石膏性能的研究领域，通过添加减水剂、缓凝剂以 及转晶剂可以改变石膏晶体的生长形态，从而增加模型石膏的性能，但是通过改 变模型石膏本身的粒度组成以及添加其他材料来改变模型石膏性能的研究还比 较少，因此，针对这一问题，本文着重通过改变粒度并对不同粒度组成的模型石 膏相关性能进行测试，找出使模型石膏性能最佳的粒级并指导工业生产；另外， 通过添加其他非金属矿物材料如云母和水镁石纤维来研究这些非金属矿物材料 对模型石膏性能的影响以及它们在模型石膏中的最佳填充量并指导工业生产。 通过上述一系列实验得出了以下实验结果： 1 粒度范围在+ o 1 2 r a m 到- 0 0 6 1 r a m 时，标准石膏模型的抗折强度随粒度的 减小而增加，粒度为- 0 0 6 1 r a m 的石膏粉抗折性能最好，因此，在工业生产时可 以选择加强模型石膏的粉磨力度以增强其性能；两种矿样粒度变化与强度变化之 问的数学关系分别为： y = 6 3 7 1x1 0 4 x “”和y = o 1 7 9 x “2 2 云母粉不适合作为模型石膏的增强材料，云母粉降低模型石膏的吸水率 和干湿态抗折强度，当云母含量为5 时，其干湿态抗折强度分别下降1 8 7 5 和 2 8 2 0 。 3 在水膏比为0 6 3 ，水镁石纤维含量增加到1 时，石膏标准模型的湿态抗 折强度达到最大值3 3m p a ，比未添加水镁石纤维时的强度增加7 1 8 8 ，最大干 态强度值为6 4 3m p a ，比未添加水镁石纤维的干态抗折强度增加5 2 4 3 4 根据正交实验结果，在保证石膏浆流动性的情况下水镁石纤维含量在 3 6 ，水膏比在0 6 5 时标准石膏模型湿态抗折强度最大，达到2 9 6m p a ，比未 添加水镁石纤维时的湿态抗折强度增加了5 4 1 7 ，水镁石纤维含量在4 2 ，水 膏比为0 6 5 时的干态抗折强度最大值达到6 9 2m p a 。 关键词：模型石膏粒度云母粉水镁石纤维 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec e r a m i ci n d u s t r yt om e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o n , d e a d l i n e s sc h i n ko fi sb e c o m em o r ee x t r u d ew h i c hi n c l u d ei o wi n t e n s i t ys h o r tl i f ea n d b a dq u a l i t y t h ec h i e f 托嬲0 n sa r et h a tu n s t e a d i n e s sq u a l i t y , m o r ec h a n g i n gr e a s o n s o ft h ep l a s t e rm o u l d w ec a ns a yt h a ti n t e n s i t yi st h em o s ti m p o r t a n t c a $ o n sw h i c h c o n f i n eu s i n go fp l a s t e rm o u l d c o n t r a p o s et h i sp r o b l e mw ep u tt h ee m p h a s e so nt h e w a yt h a tu s ep h y s i c sm e a s u r ei n c l u d ec h a n g et h ec o n s i s t a n t o fg r a n u l a r i t ya n dj o i n s o m en o n m e t a lm i n e r a lm a t e r i a l ( i n c l u d em i c af i b e rb r u c i t e ) a n dt oi n t e n s ep l a s t e r m o u l da n dc h e c kt h ep l a s t e r sp e r f o r m a n c ea n da c q u i r eh e r e i n a f t e rp r o d u c t i o n ： 1 p l a s t e rm o u l d sm o s tb r e a ki n t e n s i o ni sd e b a s i n gw i t hd e b a s i n go ft h ew h e n t h eg r a n u l a r i t yi sb e t w e e n + 0 1 2 r a mt o o 0 6 1 m m a n dt h em o s ti n t e n s i o ni na p p e a ro n 2 4 0 m e s h ，c o n n e c t i o no ft w ot y p e sm i n e r a lb e t w e e ng r a n u l a r i t ya n di n t e n s i o ni st h a t ： y = 6 3 7 1 x 1 0 4 x 1 6 5 a n dy = o 1 7 9 x o 5 9 2 2 m i c aj s n ts u i tt ob o o s tu pt h em o u l dp l a s t e rb e c a u s ei tw i l ld e c r e a s et h e i n t e n s i t ya n ds o pq u o t i e t y , p l a s t e rm o h l d s b r e a ki n t e n s i o nd e c l i n e1 8 7 5 a n d 2 8 2 0 w h e nc o n t e n to fm i c ar e a c h5 3 p l a s t e rm o u l d sm o s tw e t n e s sb r e a ki n t e n s i o ni s3 3 0m p aw h e nc o n t e n to f f i b e rb r u c i t ei s1 r a t i oo fw a t e r p l a s t e ri s0 6 3w h i c hi si n c r e a s e7 1 8 8 t on of i b e r b r u c i t ep l a s t e rm o u l d s 1 1 l em o s td r yb r e a ki n t e n s i o ni s6 4 3m p aw h i c hi si n c r e a s e 5 2 4 3 t on of i b e rb r u c i t ep l a s t e rm o u l d s 4 a c c o r d i n gt h ea n a l y s eo fo r t h o g o n a le x p e r i m e n tc o n t e n to ff i b e rb r u c i t ca n d r a t i oo fw a t e r l ：l l a s t e rw i l la f f e c tp l a s t e rm o u l d sm o s tw e t n e s sb r e a ki n t e n s i o n m a r k e d n e s sa n dc o n t e n to ff i b e rb r u c i t ei s m o s t l yc o m p l i c a t i o nw h i l er a t i oo f w a t e r p l a s t e ri ss u b o r d i n a t i o nc o m p l i c a t i o n ；i nt h ep r e c o n d i t i o no fb e t t e rf l u i d i t y ， p l a s t e rm o u l d sm o s t w e t n e s sb r e a ki n t e n s i o ni so nt h a tc o n t e n to ff i b e rb r u c i t ei 3 3 6 r a t i oo fw a t e r p l a s t e ri s0 6 5 ，i tb e c o m e2 9 6m p aw h i c hi si n c r e a s e5 4 1 7 t on o f i b e rb m c i t ep l a s t e rm o u l d s k e yw o r d s ：m o u l dp l a s t e rg r a n u l a r i t ym i c a p o w d e r f i b e rb r u c i t e 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国模型石膏发展概况 长期以来模型石膏主要用于陶瓷行业，首饰加工行业、工艺美术行业 以及医药行业；石膏模具是陶瓷行业生产中长期以来使用的传统模具，虽 然陶瓷行业其他模具有一系列的优点，但由于石膏模具制作方便、原材料 来源广泛、成本低、吸水性能好、模具质量轻、可回收利用、不污染环境， 尤其是可以灵活方便的复制清晰棱角线条等许多优点m 。因此，无论是可 塑成型，还是注浆成型；无论是日用陶瓷工业还是卫生洁具陶瓷行业，大 多还在沿用大量的石膏模具。在首饰加工方面完美的石膏模型是获得优质 铸件的关键，石膏模型铸粉由半水石膏，耐火粉料及改性剂组成，耐火材 料为石英、方石英和鳞石英。改性剂加入是为了控制石膏的水化膨胀、调 整胶凝时间、增加强度及控制石膏的加热收缩 2 1 。同时还应加入悬浮剂、 消泡剂、润湿剂等。浇注贵金属的石膏模型要求完美无缺，即无任何微小 裂纹、缺损、气泡，型腔任何部位表面致密光洁。因为这不仅影响到铸件 表面质量而且涉及到黄金损耗率。铸件表面的修锉量应减少到最低。必须 使石膏、耐火填料、砂箱之间在加热时的膨胀、收缩相匹配以免引起裂纹。 浆料的沉降特性和石膏的胶凝特性对型腔的表面质量直接有关嘲。 陶瓷制品的成形，就是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。常见 的坯体成形方法有：可塑成形、注浆成形和压制成形等。由于陶瓷厂注浆 成形还是比较普遍而且与模型石膏结合比较紧密，我们下面仅对注浆成形 的过程介绍一下。注浆成形法是指将具有流动性的液态泥浆注入多孔模型 内( 模型为石膏模、多孔树脂模) ，借助模型的毛细吸水能力，泥浆脱水、 硬化，经过脱模获得一定形状的坯体的过程。一般认为注浆过程基本上可 分为三个阶段。从泥浆注入石膏模吸入开始到形成薄泥层为第一阶段。此 阶段动力是石膏模( 或多孔模) 的毛细管吸力，即在水中的溶质及小于微米 级的溶质颗粒被吸入模的毛细管内。由于水分被吸走，浆中的颗粒互相靠 近，靠石膏模对颗粒、颗粒对颗粒的范德华吸附力而贴近模壁，形成最初 的薄泥层。 形成薄泥层后，泥层逐渐增厚，直到形成注件的第二个阶段。在此阶 武汉理工大学硕士学位论文 段中，石膏模的毛细管逐渐吸水。泥浆层继续脱水。同时，泥浆内水分向 薄泥层扩散，通过泥层被吸入石膏模的毛细孔内，其扩散动力为薄泥层两 侧的水分浓度差和压力差随着泥浆层逐渐增厚，水分扩散的阻力也逐渐 增大。当泥层厚度达到所要求的注件厚度时，把余浆倒出，形成雏坯。从 雏坯形成到脱模为第三个阶段( 收缩脱模阶段) 。由于石膏继续吸水和雏坯 的表面水分开始蒸发。雏坯开始收缩，脱离模型形成生坯，有了一定强度 后就可以脱模【4 1 。 1 2 发展模型石膏的必要性 石膏模具是陶瓷工业生产中长期以来使用的传统模具，以注浆成型为 主的卫生陶瓷生产中的基础材料一成型模具已成为制约卫生陶瓷产品造 型、规整度、劳动生产率和生产成本的重要因素，而卫生陶瓷行业所用的 成型模具多采用石膏模型，虽然国内外有些厂家也尝试用其他材料的模型 来代替石膏模型，但多因工艺复杂、吸水率低及价格昂贵等原因，只适用 于某些特殊的工艺和产品。这是因为石膏具有其他材料所无法替代的性 能： ( 1 ) 石膏资源丰富 石膏是我国的优势矿产资源之一。我国的石膏矿藏丰富，已探明的各 类石膏储量约为5 7 0 亿吨，居世界首位，而且分布广，类型多。从1 9 8 2 年至1 9 9 1 年的十年问中国石膏产量均以年平均1 0 9 0 的速度增长，远远 超过世界石膏产量每年平均增长率的2 - 3 ，1 9 9 5 年石鹰产量猛增到 2 6 5 9 万吨，到2 0 0 4 年，我国石膏产量已接近3 0 0 0 万吨，成为世界石膏 第一生产大国。 ( 2 ) 石膏的价格低 石膏是一种用量大、运输量也大，而价格又低廉的矿产品。目前，国 内矿山交货价大致如下：特级纤维石膏每吨为1 5 0 - 2 0 0 元：一级雪花石膏每 吨6 0 - 1 0 0 元；普通石膏每吨3 0 - 6 0 元；硬石膏每吨为5 0 1 0 0 元。我国石膏矿 产品价格平稳，山西太原石膏矿的平均价格是5 5 元吨，山东平邑地区石 膏平均价格是4 0 元吨。国内市场硬石膏块( 1 9 9 6 年) 每吨为5 8 1 0 0 元吨， 硬石膏粉出厂价为3 0 - 8 0 元吨，生石膏粉价格为7 7 2 4 0 元吨，高强石膏 粉3 0 0 5 0 0 元吨。现在一些陶瓷厂使用玻璃钢模或环氧树脂模，价格高， 以2 0 航面器模具的材料来说，玻璃钢是1 4 0 0 元，环氧树脂高达3 0 0 0 元， 2 武汉理工大学硕士学位论文 而石膏模只有2 0 0 元左右。 ( 3 ) 凝结硬化快，生产周期短。模具周转快，易实现大规模产业化 生产，施工周期可大为提前。 ( 4 ) 尺寸稳定性好。由于石膏制品的伸缩比很小，达到最大的吸水 率5 7 时，其伸长也只有0 0 9 左右，其干燥收缩则更小。因而制品的尺 寸稳定，变形小 ( 5 ) 绿色环保和独特的“呼吸性能”。石膏材料呈中性，放射低，生产 和使用中均不排放不利于人体健康的有害物质，外观光滑细腻，与人体亲 和性好。而且与其他材料有很好的相容性，不对其他物质产生侵蚀作用， 是典型的绿色环保材料。此外，石膏制品还有独特的“呼吸效应”，可以随 周围环境湿度变化而吸湿或放湿i 习 因此，无论是可塑成型，还是注浆成型：无论是日用陶瓷工业还是卫 生洁具陶瓷行业，都还沿用大量的模型石膏。另外，随着陶瓷工业的发展， 原来的传统手工操作有很大一部分改为机械成型，即滚压法。b 一半水石膏 机械强度差，使用寿命短，不能满足工艺和产量的要求。因此需用高强石 膏a 半水石膏。采用这种材料的最大优势：强度高、线变形小、仿真强、 精度高、制造周期短、工效快、成本低。而国外最先进的母模材料是低膨 胀率的超高强石膏粉。目前我国南方大型出口陶瓷生产企业已开始使用国 外进口石膏母模粉，a 型超高强石膏可在吸水率要求较低、精度和使用次 数要求较高的陶瓷产品模具上使用，效果很好。 1 3 模型石膏存在的问题以及影响因素 1 3 1 模型石膏存在的问题 目前，国内陶瓷生产中的制模石膏多为普通石膏粉b 半水石膏【6 i 这 种半水石膏在调制浆料时的用水量较大，能得到气孔率较高、渗水性和毛 细血管吮吸作用较高的石膏模。但是，石膏模型用的石膏由于矿山开采质 量不稳定；石膏模型制模质量的可变因素较多；石膏模型在注浆、干燥过 程中出现物理、化学变化极易使表面受损，因此用石膏作注浆模型的使用 次数对卫生洁具来说，一般只有6 0 8 0 次，最长也只有1 0 0 次。同时，由 于石膏材料化学结构所决定干燥过程只能采用低温慢周期干燥。加之石膏 材料的强度较低，6 0 干燥至恒重后的平均抗折强度大约在3 - 4 m p a 之间， 3 武汉理工大学硕士学位论文 难以提高注浆压力而且使用时其耐水性差，吸水性不好，耐溶蚀性差f 主 要是泥浆的腐蚀) ，表面硬度低，耐磨性差，所以这种石膏模的使用次数 不高，有时还不能满足成型工艺的要求。 随着陶瓷工业逐步向机械化与自动化生产方向的发展，石膏模具强 度低、使用寿命短、质量差的致命弱点越来越突出。根据陶瓷企业的生产 实际情况调查表明，陶瓷厂每年的石膏模具破损量很大可塑法成型f 滚 压) 使用寿命5 0 - 1 5 0 次；注浆仅有4 0 - 8 0 次，这样不仅每年耗用数百吨石膏 粉、百万以上的资金，约占成本的2 5 ；同时影响到企业生产的质量和 产量。因此，如何有效的提高石膏模具的性能，延长其使用寿命就显得更 加迫切了同时，随着我国日用陶瓷工业的发展，日用陶瓷模具用材料一 石膏日趋紧张，石膏矿源质量有所下降，石膏价格不断上涨，而我国日用 陶瓷对石膏的需求越来越大，这种供求矛盾造成了日用陶瓷模具质量的下 降，增加了瓷器产品的成本，影晌了企业的经济效益。如何提高模型石膏 的质量，降低日用陶瓷制作成本，更加科学、有效的利用石膏资源，已成 为企业面临的重要课题。 1 3 2 陶瓷工业对采用的石膏模具的特殊要求 ( 1 ) 陶瓷工业对石膏模的总体要求： 在陶瓷生产中采用大量的石膏模，作为注浆、滚压、旋压等成形工序 不可缺少的辅助部件。陶瓷工业对所用的石膏模有特殊的工艺要求：首先， 石青模应有足够高的气孔率、渗水率和毛细血管吮吸能力，显气孔率一般 应在3 0 - - 4 0 的范围；模子的工作表面应光滑，有均匀的和较好的耐磨性和 耐侵蚀的能力；模体应有较好的机械强度，特别是在生产尺寸较大的陶瓷 制品和采用压力注浆或自动滚压成形时，对石膏模的强度提出了更高的要 求。此外，为了满足大批翻制石膏模的工艺要求，还希望制模用的半水石 膏粉有合适的凝固硬化性能，通常希望初凝时间不早于6 分钟，终凝时间 不迟于1 0 - , 1 5 分钟川。 ( 2 ) 卫生陶瓷工业对石膏模的要求 卫生陶瓷注浆所用的石膏模型，普遍使用的是b 半水石膏，其质量要 求一般为： 1 ) 石膏粉要纯洁，不能含有杂质，否则影响模型石膏的强度和寿命。 2 ) 要保证初凝时间，一般不少于4 巧分钟( 手工操作) 或7 8 分钟( 流 水线作业) ，如果初凝时间太短，不但不利于制模，而且还是事故的隐患。 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 石膏粉的细度要合适。过细则吸水率低，不能有效吸浆。过粗又 使强度降低，使用次数减少，同时影响坯体质量此外，石膏的细度要均 匀，质量要稳定。 4 1 流动性要好。 研石膏粉需陈化1 2 周方可使用。 ( 3 ) 陶瓷注浆成型对石膏模性能要求 1 ) 设计合理，易于脱模 模型设计的是否合理，直接影响到操作和坯体的质量，应充分考虑下 列几个问题：准确留出尺寸余量，坯体既有干燥收缩，又有烧成收缩，要 考虑如何开模、脱模方便，同时要考虑尽量使模型变形小，成形操作方便； 对复杂的模型要考虑如何分割，原则上以块数少和装卸容易为好。 2 1 孔隙率大，吸水性能好 石膏模是以众多孔隙来吸收坯料中的水分的，因此石膏模必须具有较 高的气孔率，成形方法不同，对石膏模气孔率地要求也不同。注浆成形用 石膏模型的气孔率应在4 0 一5 0 之日j 。模型在出烘房时，必须保持4 一6 的湿度，最大许可湿度为1 8 一2 2 。可塑成形用模型的气孔率通常在 3 0 - 4 0 之间，滚压成形模型气孔率更低一些。 3 1 严格控制制模工艺，保证高的机械强度 4 1 模型表面应光滑、无污物 1 3 3 影响模型石膏强度的因素分析 ( 1 ) 模型石膏的陈腐作用 目前制作陶瓷模型所用的石膏粉，一般是将天然石膏经锻烧( 温度常 在1 7 0 - 1 9 0 度) 而制成的半水石膏和少量的无水石膏。这种方法所生成的半 水石膏即b 半水石膏，它具有结构缺陷和表面积大的特点。这一过程所表 现的流变学性质，必然影响到模型的微观结构，同时也决定模型表面硬度 和模型强度、气孔率和吃浆速度。影响模型微观结构的因素有：( 1 ) 水膏 比；( 2 ) 制模过程中混合条件，如搅拌器类别、搅拌速度和搅拌时间。这些 因素均影响二水硫酸钙的形成速度、晶体的大小。特别要注意的是模型石 膏的固有易变性【8 1 。 众所周知，水膏比、浆体的稠度对石膏模型的强度、密度、吸水率都 有直接的影响。一般来说，水膏比大，模型气孔率高，密度小，强度就低， 使用寿命就短；反之，水膏比小，模型气孔率低，密度大，强度就高，但 武汉理工大学硕士学位论文 吸水率低。 模型石膏的易变性还表现在炒制不久的石膏粉和经过了“充分陈腐” 的石膏粉的差异。新炒制的石膏粉，温度高，还没有陈腐和均化，活性强， 需水量大。即刻使用它来制模，可使模型表面形成很多气泡，整体强度低。 所以用这种石膏制作模型是困难的。 陶瓷模型石膏粉的含水量是易变的。这种易变性的原因是当石膏暴露 于湿气中发生了陈腐过程。我们把这个过程设想成两个阶段，即任何可溶 性硬石膏的迅速水合作用形成半水石膏，此后以极慢的速度吸收水分，使 晶体转向完整，而导致混水量的下降。若相对湿度非常高，则水化作用继 续进行，以致形成二水化合物，给石膏粉的质量带来不好的影响。所以在 使用之前将这些石膏粉给予混合，以消除袋与袋之间的差异。 ( 2 ) 结晶二水石膏的内部结构 二水石膏的晶体结构 石膏模型的制作，是用半水石膏粉和水调成浆体，半水石膏水化、结 晶、晶体相互交织而成硬化石膏体，经干燥而成石膏模型。在制作中掺水 量远远超过化学结合反应所需要的用水量( 1 8 6 ) ，当石膏模型完全干燥 时，多余的水使模型形成了孔隙。组成石膏模的石膏晶体好像是上百万个 “牙签”杂乱无章的结合在一起，而这些“牙签”之间的空隙在各个方向上联 结而形成不规则的连续的毛细管。石膏晶体的平均尺寸为2 5 u r n ，晶体间 的空隙极小( 坯体原料中一般最小的颗粒也不能从空隙渗出p 。 在石膏模的整个使用周期中，水渗入并通过模型中这些细小的孔隙， 而后又从这些细孔隙中排出。人们一般认为水的这种运动机理是毛细管作 用原理。原则上说，石膏模宛如一块具有三度空间的硬海绵，在整个使用 周期中都存在着连续的毛细管水柱的运动【l o l 。 在半水石膏水化过程中，无数个晶核逐渐增大，慢慢形成石膏晶体， 6 武汉理工大学硕士学位论文 这些晶体有针形，棒形和短柱形，这些晶体互相紧密搭接从而使成型后的 石膏制品有了一定的强度，但是由于实际水膏比总是大于理论韵水膏比， 在干燥的过程中，过剩的游离水不断的蒸发，导致石膏制品里面形成无数 的气孔，这些气孔将会降低石膏制品的强度等性能，制品中的气孔率( 包 括种类、分布1 是和石膏浆体的流交学性质以及制模的过程和条件相关的。 即使确定了混水量和搅拌时间，一旦搅拌方法和条件改变，石膏模型的结 构和性质也随之发生变化例如：用真空搅拌、脱气的模型比未经真空搅 拌处理的石膏模型强度高，使用寿命长因此，石膏制品的内部晶体结构 在很大程度上制约其强度旧。 要提高模型的质量，必须制得大晶体的= 水石膏模型这和选用半水 石膏的种类( a 半水石膏；8 半水石膏，还是复合型半水石膏等) 有关f 1 2 l 。 ( 3 ) 石膏模型的工作过程 卫生陶瓷在生产中之所以使用石膏模型，是因为它能使坯体成型、凝 固和脱水。石膏模在使用前，必须经过干燥，一般新模型含水率在6 8 为好。注浆成型的陶瓷制品，是泥浆浇注在石膏模型中而得以成型的。注 浆工艺的确定是在含有粘土的坯料中，加入少量的电解质和少量的水就可 以得到较为稀释的泥浆，石膏模型能够从泥浆中吸收部分水分，并使泥料 有在模壁上形成厚层的能力，这样才能利用注浆工艺制造出有一定外型尺 寸的坯件。因此石膏模型的物理性能，如气孔率、吸水率对于注浆成型的 坯体影响很大，如石膏模型的气孔分布不均匀，在注浆过程中各部分的吸 水量就不同，那么在相同的时日j 内，形成坯体的厚度就不相同，于是在干 燥过程中容易产生龟裂和变形，甚至严重时坯体难以脱模嗍。 ( 4 ) 石膏模型在使用中的变化 实际生产中，常会遇到成型作业问温度不足而造成模型过湿的情况。 长期使用过湿模型不但坯体质量没有保证，模型本身也会提前老化而缩短 使用寿命。这是因为在模型含水量较大的情况下。渗入模型内部的盐类与 二水石膏发生反应：n a 2 c 0 3 + c a s 0 4 = n a 2 s 0 4 + c a c 0 3 。经验证明，使用中 的模型的含水率，对于湿坯过夜巩固的品种来说，保持在1 5 左右为宜； 对于当日出坯的品种类来说，应当在1 0 以下。模型石膏的腐蚀效应更多 的是受陶瓷泥料的影响，从石膏模型的方面来说，应将电解质的用量限制 在最小的限度。 1 4 模型石膏的国内外研究概况 7 武汉理工大学硕士学位论文 由于石膏制品具有重量轻、生产效率高、耐火性能好、易浇注、资源 丰富，能耗少等一系列优点，因此有广泛的用途。如在泥塑制工艺品、陶 瓷、机械铸造中当作模型石膏来使用。模型石膏分普通模型石膏和高强石 膏两种。我国用于制造陶瓷的模型石膏占我国陶瓷生产工业的1 5 左右， 而陶瓷工业又是我国的传统产业，所以引起了广泛的关注，并且取得大量 的成绩。但近年来，随着我国e t 用陶瓷工业的发展，制作日用陶瓷模用原 料石膏曰趋紧张，石膏矿资源质量有所下降，石膏价格不断上涨，而我 国日用陶瓷对石膏的需求却越来越大，这种供需矛盾造成了日用陶瓷模具 质量的普遍下降，增加了瓷器产品的成本，影响了企业的效益。为了提高 模型石膏的强度，许多人进行了大量的工作，一种是寻找石膏模的替代材 料，例如研制多孔塑料模，粉末烧结的青铜滚压成型模，使用次数大幅度 提高，但由于价格或性能差于石膏模的原因，陶瓷成型的主要模子还是石 膏模；二是设法提高石膏模的强度，对b 半水石膏进行改性，如加入增强 剂，如中科院上海硅酸盐研究所研制的q a 型石膏增强剂【1 6 l ，江苏建科院 研制的j s i i 的石膏高效增强剂，还可以在石膏中加入减水剂、缓凝剂、 增强剂等各种：，i , d h n l l 7 1 ，例如河北理工学院研究了以甲基纤维素为主要成 分的增强剂对模型石膏强度的影响1 1 8 1 ，指出在增强剂加入量为3 时抗折 强度最大，而且能够提高模型石膏的抗碱侵蚀能力；三是采用高强石膏a 半水石膏。a 半水石膏晶体呈棱杜状，结构致密，标准稠度低，因此强度 很高，但是其吸水性不好，生产工艺复杂j 生产成本高。所以有人采用第 四种方法：模型石膏一般都采用的a 半水石膏与b 半水石膏混合0 9 1 。 1 5 增加半水石膏强度的几种途径 ( 1 ) 不断改良现有的石膏蒸煮煅烧等工艺，更加精确严格的控制生 产过程来提高石膏制品的性能，用于制作石膏制品的石膏粉不同的煅烧 工艺就会产生不同的反应从而影响石膏制品的性能，以a 半水石膏为 例，采用传统的蒸炼法生产出来的半水石膏晶体多为不规则的，最终所 得的石膏制品的于态抗压强度为4 0 m p a ；但是使用外加剂改进后的蒸炼 法，把条件严格控制在一个精确的范围内就可以生产出干态抗压强度达 7 0 m p a 的石膏制品，效果很明显。除了煅烧工艺，石膏粉制模过程和均 化陈化时间方面的因素对石膏制品的强度也有很大影响，在实际生产中 为了使石膏脱水后变成较理想的b 半水石膏，在石膏粉出厂到使用期有 一个室温存放过程，称为陈化过程，对b 石膏粉来说陈化时间对石膏制 8 武汉理工大学硕士学位论文 品强度有很大影响，根据华中理工大学李键萍的实验结果，当陈化时间 从l 天增加到5 天时石膏制品的抗折强度也由2 9 0m p a 达到 3 3 5 m p a z o l ，但随着时间增加石膏制品的抗折强度逐步下降，最后趋于 稳定。 ( 2 ) 添加外加剂。外加剂主要的作用是减少拌和所需水量，另外就 是控制石膏晶体在水化过程中朝良性方向发展。根据国内王志等人的研 究实验，在石膏水化过程中掺入硫酸铜，硫酸镁，硫酸铁等物质可以使 针状的石膏晶体转变为棒型的晶体，掺入异丁酸钠或柠檬酸钠后效果更 加明显m j ，通过电子显微镜可以看到此时的晶棒比前面掺入硫酸盐的要 粗一些，最后实验人员用硫酸铝和柠檬酸钠的混合药剂进行实验发现此 时的石膏晶形为短柱状陋1 ，此时石膏制品的强度达到最大除了上述种 类的外加剂以外，还有其他很多种类的外加剂。选择什么样的外加剂以 及是单项还是复合的对石膏晶体影响很大，国内王立明等人做了这方面 的试验【2 3 】，他们选择了三种外加剂：转晶剂，稳定剂和偶联剂。经过实 验，他们所得的产品强度极大，其中细度在2 5 0 目左右的a 粉制品的湿 态抗折强度可达到7 6 m p a ，而干态抗压强度可达到1 0 0 4 m p a ，他们在工 艺上采用在饱和水蒸气里进行晶体转变，最后晶体转换率在9 5 以上 2 4 1 。 ( 3 ) 改变石膏粉的粒度组成来改变石膏制品性能。这一方面国内的科 研人员只是做了仞步的探讨，其中根据华中理工大学李键萍的研究，原 矿入料粒度范围在0 2 到3 毫米之间烧制的b 石膏粉制品的湿态抗折强 度可达3 3 0 m p a ，而入料粒度小于0 0 9 7 毫米烧制的b 石膏粉制品湿态 抗折强度却只有1 1 8 m p a 。他的实验结果虽然在给我们了一些提示，但是 这种结果的可靠性是有范围性的，根据重庆大学李青的实验结果，并不 是粒度越大强度就越大，大的粒度带来更大的孔隙率1 2 5 l ，小的粒度更有 利于晶体的生长，但是会使拌和水量加大从而降低石膏制品的强度，这 就有待找一个优化的级配来实现增强石膏制品性能的目的。 ( 4 ) 添加耐磨、增硬的填料，可大大改善半水石膏制品石膏耐磨性能 差、强度小的缺陷。目前国内在这方面主要的添加剂有碳素纤维、桃胶 以及白色水泥。 1 6 本课题的提出及研究内容 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 1 本课题的提出 随着石膏在各行各业应用日渐广泛，生产者和使用者都不断的在想 办法增加石膏制品的性能以使其能够发挥更大的作用，在所有石膏制品 的性能中，强度是一个大家最关心也最重要的问题，围绕这个问题，国 内外学者不断的寻求一种添加剂可是增强石膏制品的强度但是又不影 响石膏制品的其他性能，于是大家的目光都集中在减水剂上面，确实， 类似柠檬酸、磷酸、硫酸这一类外加剂使半水石膏在水化结晶过程中的 晶体按照人们预期的方向发展【2 6 l ，石膏晶体由最初钓针形逐渐生长成短 柱形。但是这些外加剂所带来的问题也不容忽视：环境的污染、石膏的 重复使用性的降低。那么本课题的目的就是找出一种方法既能够增强半 水石膏制品的强度又不对环境造成影响，还不会影响半水石膏的重复使 用性，因此我们把焦点集中在物理的方法：改变半水石膏的粒度组成、 添加无毒害作用的非金属矿物材料。 这将是石膏工业一个全新的研究方向，非金属矿物材料在我国的品 种繁多而且质量较好，因此不会增加石膏工业的生产成本。 1 6 2 本课题的研究内容 以湖北荆门龙源石膏为研究对象，分析研究不同粒度的b 半水石膏的强度与粒度对应的关系。 以实验结果为依托，将实验结果进行数学分析，建立粒度强 度的数学模型并进行回归分析；从晶体结构上分析产生结果 的原因。 将半水石膏与非金属矿物材料进行复合，找出搭配效果最好 的非金属矿物材料并找出最优配比。 从晶体结构上分析产生结果的原因并指导生产。 l o ) ) ) ) n q 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 原材料 第2 章原材料及实验方法 实验所用原料来源于湖北省荆门龙源石膏有限公司的三种不同的b 半水石膏粉。其粒度组成和性能如表2 1 ，2 2 所示： 表2 13 种8 半水石膏粉的粒度组成( ) 粒度 + o 0 1 2 m m - 0 0 1 20 0 9 6国。0 7 5 - 0 0 6 1 r a m 矿氐 + o - 0 9 6 n u n + 0 j d 7 5 r a m+ o 0 6 1 r a m l 号矿 5 3 51 1 7 3 3 2 0 11 8 5 23 2 3 9 样 2 号矿1 1 35 0 71 7 4 92 4 6 15 2 9 0 样 3 号矿3 2 47 1 21 4 3 22 0 1 25 5 2 0 样 表2 23 种b 半水石膏粉强度苫相关性能 、指标 水膏比初凝时终凝时湿态抗干态抗吸水率 问m i n间r a i n折强度折强度 矿样 m p am p a 1 号矿0 6 31 01 32 9 15 3 42 6 5 5 样 2 号矿0 6 41 01 44 1 36 4 72 7 0 4 样 3 号矿 o 6 31 0 1 5 1 9 2 4 2 2 2 6 4 5 样 2 2 实验方法 2 ，2 1 筛分 所用标准筛为8 0 目、1 2 0 目、1 6 0 目、2 0 0 目、2 4 0 目。石膏是一种 十分难于筛分的物料，主要的原因是在筛分和存贮的过程中石膏粉十分容 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 易吸收空气中的水分受潮水化，受潮水化后形成大小不一的晶核，在振动 筛分的过程中这些晶核结合未水化的石膏粉成球；除了成球现象，另外一 种影响筛分的因素就是未成球的受潮石膏粉堵住筛孔，这样筛上石膏粉不 再过筛。针对在实际操作中出现的这些情况，本课题选用带振打筛分机， 这种筛分机主要的特点是在筛分的过程中有振打锤进行大力的振打，这样 可以缓解筛孔堵塞现象，由于振动筛仍然采用圆周运动方式，因此受潮石 膏粉成球现象仍然不可避免，所以在筛分方法上采用反复筛分法，即第一 次筛分后将各个级别的筛下产物单独进行筛分，这样重复筛分两到三次后 就可以达到比较好的筛分效果。 2 2 2 水膏比测试 不同产地、不同粒度的石膏粉水膏比都不一样，而水膏比直接影响石 膏制品的强度等一系列性能，所以不同的粒级都需要测试水膏比。 根掘国标g b 9 7 7 6 8 8 ，先称1 0 0 克水，然后将半水石膏粉在均匀的撒 入水中，直至水膏混合物表面的石膏粉不再溶解，此时就为标准水音比。 2 2 3 膏浆的配制 按照国标g b 9 7 7 6 8 8 ，制作一个标准的石膏块需要b 半水石膏6 0 0 克。 根据上一步测试出的标准水膏比计算出6 0 0 克半水石膏所需水量，然后在 一分钟内将石膏粉均匀的倒入水中，静置一分钟后开始匀速搅拌，搅拌时 间是一个非常关键的参数。搅拌时间过短，石膏混合不均匀，浆中大量气 体不能排出，造成模型中有气泡和硬块：搅拌时间过长，石膏浆变稠，流 动性差，不易注入套中排出气体，影响模型质量。标准搅拌时间应该均匀 搅拌直至搅拌棒可在膏浆表面留下清晰的划痕时方可制模，搅拌时间在两 分钟。 2 2 4 标准模型制作 将膏浆均匀倒入模具内，同时另一个小号模具倒入同样的音浆。初凝 时间和终凝时间都在小号模具中进行，使用的设备是广泛用于水泥行业的 水泥稠度测定仪，凝结时间测定按照国标g b 9 7 7 6 8 8 。 初凝时间测定 武汉理工大学硕士学位论文 当稠度仪的测试针在石膏浆中无法下降到试模底部时的时间为初凝时 间，同时将标准模具表面多余的石膏浆产平。 终凝时问测定 当稠度仪的测试针在凝固的石膏标准模型表面只能留下不超过1 毫米 深的压痕时的时间为终凝时间。 2 2 5 抗折强度测试 从搅拌石膏浆体开始计时，两个小时后测试湿态抗折强度，在4 5 烘干至恒重后测试干态抗折强度，参照陶瓷模用石膏粉物理性能测试方 法o b f r1 6 4 0 _ 9 2 1 2 刀。 2 2 6 吸水率测试 把经过测定抗折强度后折断的标准模型( 或未测定抗折强度的标准模 型亦可) ，置于烘箱中于4 5 c 左右温度下干燥至恒重，称量( g o ) ，再把试 条放在2 0 水中浸泡2 4 小时，取出用湿纱布轻轻擦去表面多余水分，然 后称量湿重( g 0 再按下面公式计算石膏模具的吸水率( w ) 的大小。 计算公式： w = ( g 1 g o ) g o 1 0 0 2 3 实验仪器 规格及名称生产厂家用途及备注 拍击式标准筛振筛机柳州探矿机械厂用于石膏的分级 打浆机奉化飞马公司用于水镁石纤维的分散 4 0 x 4 0 x 1 6 0 抗折试模无锡建筑材料仪器 用于制作标准石膏模型 ， 机械厂 稠度凝结测试仪无锡建筑材料仪器用于测试模型石膏的初 l 、 机械厂终凝时间 r g d 5 电子拉力试验 深圳瑞格尔仪器公用于测试标准石膏模型 机 ， 司 抗折强度 扫描电镜( s e m )日本j e o 公司 量程( 1 8 3 0 0 0 0 0 ) 倍 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章粒度组成对模型石膏性能的影响 不同粒度的石膏粉所得的标准石膏模型的相关性能也不同，因此本章 就是从改变模型石膏粉的粒度出发，将原石膏粉分别分为+ 0 1 2 m m 、 - 0 1 2 m m + o 0 9 6 m m 、- 0 0 9 6 m m + o 0 7 5 m m 、0 0 r 7 5m m + o 0 6 1l n l n 、- 0 0 6 ll i l m 这5 个级别，对不同粒级标准石膏模型的水膏比、抗折强度以及吸水率进 行测试和比较，从而确定一个使模型石膏抗折强度和吸水率等性能最好的 粒级，并找出粒度变化对模型石膏性能影响的规律( 本节实验所用原料选 用1 号矿样和2 号矿样) 3 1 粒度对模型石膏水膏比的影响 b 半水石膏的颗粒是海绵状的物质，当b 半水石膏的粒度减小时，其 表面积也在不断的增加，因此不同的粒度所对应的水膏比也不一样，两种 矿样不同粒度对应模型石膏的水膏比如表3 1 3 8 及图3 1 3 8 所示； 3 1 11 号矿样粒度对水膏比的影响 1 号矿样粒度对水膏比的影响如表3 1 及图3 1 所示。 表3 11 号矿样粒度对水膏比的影响 粒度m m + o 1 20 1 20 0 9 6旬m s0 0 6 1 + 0 0 9 6+ o 0 7 5+ o 0 6 1 水膏比 o 6 00 6 10 6 30 6 40 6 4 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 号矿样 图3 11 号矿样粒度与水膏比的关系 如图3 1 所示，随着粒度的减小，1 号矿样的水膏比在增加，其中粒 度范围为0 0 6 1 m m 的水膏比最大。 3 1 22 号矿样粒度对水膏比的影晌 2 号矿样粒度对水膏比的影响如表3 2 及图3 2 所示； 袭3 22 号矿样粒度对水膏比的影响 粒度m m + 0 1 2o 1 2- 0 0 9 60 0 7 50 0 6 1 + o - 0 9 6+ o 0 7 5+ 0 0 6 1 水膏比0 5 9o 6 2 0 6 4 o 6 5o 6 5 2 号矿样 纛l 一一 图3 22 号矿样粒级对水膏比的影响 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 所示，随着粒度的减小，2 号矿样的水膏比在增加，其中粒度 范围为- 0 0 6 1 m m 的水膏比最大 综合以上两种矿样的实验结果，可以得出，随着粒度的减小，模型 石膏的水膏比会随之增加。 3 2 粒度对模型石膏初终凝时间的影响 3 2 11 号矿样粒度对初终凝时间的影响 1 号矿样粒度对初终凝时间的影响如表3 3 及图3 3 所示； 表3 31 号矿样粒度对初终凝时间的影响 粒度m m + o 1 20 1 2m 0 9 6_ 0 0 7 5m 0 6 1 + o 0 9 6t o 0 7 5t o 0 6 1 初凝时间1 091 01 11 0 t m i n 终凝时间 1 31 21 21 31 2 m i n 量 犀 翟 1 号矿样 图3 31 号矿样粒级对初终凝时间的影响 如图3 _ 3 所示，对于1 号矿样来说，粒度的减小对其初终凝时问影响 不大，且分别稳定在1 0 分钟和1 3 分钟左右，因此，粒度的减小不影响l 号矿样的浇注性能。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 22 号矿样粒度对初终凝时间的影响 2 号矿样粒度对初终凝时间的影响如表3 4 和图3 4 所示； 表3 42 号矿样粒度对初终凝时间的影响 粒度m m 4 - 0 1 20 1 2_ o 0 9 6- o 0 7 5- 0 0 6 1 + 0 0 9 6+ o 0 7 54 0 0 6 1 初凝时间 1 01 091 01 0 m i n 终凝时问 1 31 31 21 31 3 r a i n 2 号矿样 图3 4 矿样二粒度对初终凝时间的影响 如图3 4 所示，对于2 号矿样来说，粒度的减小对其初终凝时间影响 不大且分别稳定在1 0 分钟和1 3 分钟左右，因此粒度的减小不影响2 号矿 样的浇注性能。 综合以上两种矿样实验结果分析可以发现，粒度的减小对模型石膏的 凝结时间影响不大，不影响其浇注性能。 3 3 粒度对模型石膏抗折强度的影响 3 3 1 粒度对1 号矿样抗折强度的影响 粒度对1 号矿样抗折强度的影响如表3 5 及图3 5 所示 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 表3 5 粒度对1 号矿样抗折强度的影响 粒r 交m m+ 0 1 2- 0 1 2o 0 9 6- 0 0 7 5- 0 0 6 1 + 0 0 9 6+ 0 仃7 5+ 0 0 6 1 湿态抗折 1 6 52 1 9 2 7 62 9 82 9 8 强度p m p a l 号矿