石膏模型增強(qiáng)技術(shù)的研究

王同言

摘要針對(duì)目前陶瓷行業(yè)廣泛使用的石膏模型強(qiáng)度低、使用次數(shù)少的共性問(wèn)題，本文著重分析了造成其強(qiáng)度低、使用次數(shù)少的原因和影響因素。從優(yōu)選高強(qiáng)石膏粉、進(jìn)行幾種外加添加劑的實(shí)驗(yàn)方面，提高了石膏模型的強(qiáng)度，確定了優(yōu)良的添加劑，并探討了水膏比例與模型強(qiáng)度和吸水率的關(guān)系。

關(guān)鍵詞石膏模型，水膏比，強(qiáng)度，添加劑

1前 言

在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外衛(wèi)生陶瓷和日用陶瓷生產(chǎn)中，石膏模型仍然是成形生產(chǎn)的主要工具，且使用量大?？梢詳嘌?，以石膏粉為材料制作的石膏模型，在今后一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)大量地使用。由于石膏分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，使用方便，且價(jià)格低廉；其與水混合攪拌后的漿體流動(dòng)性能好，可以在制模過(guò)程中制出各種形狀；另外，其有無(wú)可比擬的凝結(jié)性能、吸水性能。所以，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)陶瓷廠(chǎng)仍將其作為制作模型的主要材料，用于制作注漿成形、滾壓成形和冷壓成形的模型。但是，這種模型材料存在的最大缺點(diǎn)，就是做出來(lái)的石膏模型強(qiáng)度低、表面耐磨性差、使用次數(shù)少（壽命短），在生產(chǎn)中需頻繁更換模型，消耗量很大，加大了生產(chǎn)制造的成本，且影響到產(chǎn)量；石膏模型使用次數(shù)低成為制約行業(yè)發(fā)展的共性問(wèn)題。從國(guó)內(nèi)情況而言，衛(wèi)生瓷石膏模型的使用壽命（次數(shù)）一般在75次左右。但各陶瓷廠(chǎng)由于生產(chǎn)工藝條件的不同，使用壽命會(huì)有很大的差別。條件差的企業(yè)模型使用壽命較短，僅50～60次，而條件好的企業(yè)使用壽命較長(zhǎng)，可達(dá)到120次左右。日用陶瓷滾壓模型使用次數(shù)一般在110次左右；從國(guó)外情況來(lái)看，衛(wèi)生瓷石膏模型的使用次數(shù)可達(dá)120～150次，日用瓷滾壓模型的使用次數(shù)可達(dá)150～200次。模型使用次數(shù)低與模型強(qiáng)度低有關(guān)。強(qiáng)度是影響模型質(zhì)量、使用壽命的主要因素。

當(dāng)前，隨著陶瓷工業(yè)的發(fā)展，無(wú)論是日用陶瓷還是衛(wèi)生陶瓷，成形工藝都向機(jī)械化方向發(fā)展，對(duì)石膏模型的強(qiáng)度要求越來(lái)越高，因此提高模型強(qiáng)度是擺在我們面前亟待解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外個(gè)別衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)廠(chǎng)家采用樹(shù)脂模型高壓注漿成形工藝進(jìn)行生產(chǎn)，雖然模型使用次數(shù)很高，但是模型成本太高，一次性投資巨大。另外模型維護(hù)成本太高，不適應(yīng)靈活變產(chǎn)的要求。本文針對(duì)目前我國(guó)陶瓷生產(chǎn)的實(shí)際，仍以陶瓷成形廣泛使用的石膏粉和石膏模型作為研究對(duì)象，就提高石膏模型強(qiáng)度進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究，并取得了較好的效果。

2石膏模型強(qiáng)度及其影響因素

石膏模型在生產(chǎn)中損壞和頻繁地更換，造成其使用次數(shù)低，主要存在以下幾方面的原因：一是由于其在搬運(yùn)和安裝使用過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)多次的翻轉(zhuǎn)、擠壓，受到不同的撞擊破壞，從而產(chǎn)生磕碰掉角、斷裂、裂紋、變形；二是因?yàn)槠湓谑褂脮r(shí)受到擦模、擠壓、泥漿的侵蝕和泥顆粒的磨損作用，內(nèi)表面易受到磨損而變得粗糙，出現(xiàn)麻面，從而影響半成品的表面質(zhì)量、外形尺寸以及坯體的重量；三是由于其受到無(wú)機(jī)電解質(zhì)的化學(xué)侵蝕作用，內(nèi)部毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，造成吸水功能下降；四是由于使用管理不當(dāng)，造成對(duì)口縫隙變大，模型漏漿嚴(yán)重；五是干燥室溫濕度控制不合理，要么溫度低、濕度大，模型得不到干燥，使其強(qiáng)度低易變形、耐磨性差，從而影響其壽命；要么模型長(zhǎng)期在60℃乃至更高的溫度下使用，頻繁地受熱和冷卻，因本身耐熱性差，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋而報(bào)廢。以上現(xiàn)象，都與模型的強(qiáng)度低有關(guān)?？梢?jiàn)，強(qiáng)度是石膏模型的一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，石膏模型的強(qiáng)度越高，則硬度越大，模型表面的耐磨性越好，模型的使用次數(shù)也越多。

在生產(chǎn)實(shí)際中，我們通過(guò)采取一定的措施，可以把模型的強(qiáng)度提高到很高，但強(qiáng)度并不能無(wú)限制地提高，還要考慮模型的吸水性能。因?yàn)樵谔沾傻某尚紊a(chǎn)中，無(wú)論是注漿成形、滾壓成形還是塑壓成形，都需要模型有一定的吸水率。要求模型有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)臍饪茁剩ㄎ剩?。也就是說(shuō)，既要保證模型有良好的吸水性能，又要有良好的耐用性能（壽命），以確保模型的吸水性能基本不變。因此，在模型正常生產(chǎn)使用條件下，大幅度地提高模型的強(qiáng)度才是生產(chǎn)所需要的。對(duì)于石膏模型而言，氣孔率高（吸水率大），模型強(qiáng)度低；氣孔率低（吸水率小），模型的強(qiáng)度高，兩者是一對(duì)矛盾。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，注漿成形石膏模型的氣孔率要求達(dá)到35～40%，滾壓成形石膏模型的氣孔率則要求在30～35%。

影響石膏模型強(qiáng)度和使用壽命的因素很多，概括起來(lái)有以下一些方面:石膏粉的種類(lèi)和質(zhì)量；石膏粉的細(xì)度；制作模型時(shí)水的溫度；石膏和水的比例（即膏水比）；攪拌速度和攪拌時(shí)間；是否采用真空脫氣工藝；采用合適的有機(jī)或無(wú)機(jī)添加劑及外加物；攪拌后的石膏漿在注模前是否過(guò)篩和經(jīng)過(guò)震動(dòng)處理；局部使用加強(qiáng)筋或加強(qiáng)纖維；對(duì)制作的模型是否有合理的烘干制度；成形室的溫度和濕度控制是否合理等。除此之外，與其在生產(chǎn)中是否合理正確的使用也有很大的關(guān)系。由此可見(jiàn)，影響和制約模型強(qiáng)度的因素很多，提高強(qiáng)度所采取的措施也有很多。不過(guò)，有些因素是提高模型強(qiáng)度的主要和顯著因素，有些則為次要因素。我們主要從影響模型強(qiáng)度的主要因素石膏種類(lèi)、膏水比例和添加劑等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

石膏和水的比例（即膏水比）越大，則模型的強(qiáng)度越高，但模型的氣孔率和吸水率會(huì)有所下降。在生產(chǎn)實(shí)際中，通過(guò)采用高強(qiáng)石膏粉、提高膏水比例等措施，模型的強(qiáng)度能提高很多，但模型的吸水率和氣孔率則會(huì)明顯地下降（見(jiàn)表1）。如果吸水率過(guò)小，對(duì)日用陶瓷滾壓成形而言，則容易造成卷坯不成活；對(duì)衛(wèi)生瓷注漿模型而言，則吸漿差，過(guò)軟易坍，都會(huì)影響到成形工序的正常生產(chǎn)。經(jīng)實(shí)踐證明，提高模型的膏水比例是提高模型強(qiáng)度最有效、最直接的方法。但膏水比例的提高會(huì)有一個(gè)限度。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，日用瓷滾壓成形模型的水膏比例一般為1:1.6，有的廠(chǎng)由于產(chǎn)品尺寸大，水膏比例提高為1:1.8也可用；衛(wèi)生瓷石膏模型的水膏比例一般為1:1.4，也有個(gè)別廠(chǎng)家使用1:1.46的水膏比例，也可以正常使用。

3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 實(shí)驗(yàn)條件和所使用的主要儀器設(shè)備

3.1.1 實(shí)驗(yàn)條件

水溫：15℃；室溫：20℃；相對(duì)濕度：30～50%；試件烘干溫度：45℃；試條的尺寸40mm×40mm×60㎜（每個(gè)方案三個(gè)試樣）；石膏粉的細(xì)度:100目

3.1.2實(shí)驗(yàn)主要的儀器設(shè)備

1000g托盤(pán)天平（最小稱(chēng)量為0.5g）

小型攪拌機(jī)（轉(zhuǎn)速200r/min）

電熱恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱（最高溫度不低于200℃）

數(shù)顯電子天平（精度1/1000）

數(shù)顯彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)（最大承載為4000N）

秒 表

3.1.3計(jì)算公式和方法

（1） 凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定方法

采用劃割試餅法（劃痕法）：

根據(jù)容器體積的大小，按配比計(jì)算石膏粉和水的用量，從石膏粉撒落在水中開(kāi)始計(jì)時(shí)。按一定的攪拌時(shí)間攪拌后，石膏漿體塌落在玻璃板上變?yōu)樵囷灐Ｃ扛?0s用刀片劃割一次。臨近初凝時(shí)，每隔10s劃割一次。劃痕不重合、不交叉，每次將刀擦凈，試餅不得受振動(dòng)和移動(dòng)。當(dāng)劃痕兩邊的料漿不再合攏時(shí)的累計(jì)時(shí)間即為初凝時(shí)間。接著用約50N的力在上面的試餅上連續(xù)捺撳，至印痕邊緣沒(méi)有水分出現(xiàn)時(shí)即為終凝時(shí)間。

（2） 抗折強(qiáng)度的測(cè)定計(jì)算方法

試樣恒溫干燥后，用彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)三件試樣并計(jì)算其平均值。采用以下公式： F=3PL/2BH2 式中：

F——抗折強(qiáng)度，MPa

P——試驗(yàn)機(jī)的負(fù)荷，N

L——跨距，mm

B——試樣寬度，mm

H——試樣厚度，mm

（3） 吸水率的測(cè)定計(jì)算方法

采用做抗折強(qiáng)度的剩余試樣，一一對(duì)應(yīng)，做成尺寸為15mm×15mm×15㎜的試樣，每組兩個(gè)。烘干試樣并冷卻到室溫，用電子天平稱(chēng)其質(zhì)量為m1，放入水中浸泡1h，取出立即稱(chēng)其質(zhì)量為m2。則吸水率S為：

S=（m2-m1）/m1×100%

3.2 石膏粉的試驗(yàn)和選擇

筆者所在公司下屬各廠(chǎng)目前所使用的石膏粉有混合石膏粉和高強(qiáng)石膏粉。石膏粉種類(lèi)較多，質(zhì)量參差不齊，這是模型使用壽命短、次數(shù)少的主要原因。我們對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有、企業(yè)現(xiàn)用的所有石膏粉進(jìn)行優(yōu)選，以確定試驗(yàn)用的優(yōu)質(zhì)石膏粉。日用瓷滾壓成形模型、冷壓成形模型全部采用高強(qiáng)度石膏粉，水膏比例一般為1:1.6（模型的吸水率一般在30～33%左右），有的廠(chǎng)也由于產(chǎn)品尺寸大水膏比例為1:1.8（模型的吸水率一般在27～28%左右）；衛(wèi)生瓷石膏模型采用混合石膏粉或高強(qiáng)石膏粉，水膏比例一般為1:1.4，模型的吸水率一般在35～40%。對(duì)筆者公司現(xiàn)用石膏粉和國(guó)內(nèi)幾個(gè)規(guī)模較大的石膏廠(chǎng)家的石膏粉進(jìn)行取樣并作了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所用水膏比例與大生產(chǎn)相同（水膏比例采用1:1.6和1:1.4），檢測(cè)模型的干抗折強(qiáng)度和吸水率。實(shí)驗(yàn)情況和結(jié)果列于表2、表3。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，從表2和表3可看出，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的同種型號(hào)的石膏粉，其強(qiáng)度會(huì)有很大的差別。理論上，高強(qiáng)石膏粉標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量小，故只有在較大水膏比例（例如1:1.6或以上）的條件下才能具有和體現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，但在較低水膏比例下（例如1:1.4或以下），其強(qiáng)度降低了很多，并不能體現(xiàn)出高強(qiáng)度。原因是過(guò)量的水在模型內(nèi)部形成過(guò)多的氣孔，降低了模型的強(qiáng)度。唐山A廠(chǎng)高強(qiáng)石膏粉性能優(yōu)良，模型強(qiáng)度高，物理性能指標(biāo)優(yōu)良，用于滾壓模型強(qiáng)度較高。但這種石膏粉價(jià)格較貴，每噸在1000元；而唐山B廠(chǎng)的石膏粉雖然強(qiáng)度低些，但價(jià)格僅為唐山A廠(chǎng)的一半，且性能優(yōu)良，物美價(jià)廉，也可用于陶瓷成形生產(chǎn)。這種石膏粉與其它外埠石膏粉相比，生產(chǎn)廠(chǎng)家在本地，取材方便。為考慮到企業(yè)的成本，故以下實(shí)驗(yàn)均采用此石膏粉作為基準(zhǔn)材料進(jìn)行改性增強(qiáng)試驗(yàn)（其它有些石膏粉強(qiáng)度也不錯(cuò)，但由于路途較遠(yuǎn)，價(jià)格較貴，本實(shí)驗(yàn)不予采用）。

3.3 外加劑的實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選用的外加劑種類(lèi)有腐植酸鈉、焦磷酸鈉、水泥、桃膠、桃膠粉、阿拉伯樹(shù)膠等六種。實(shí)驗(yàn)中主要以日用瓷滾壓模型使用的水膏比（即1:1.6）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(1) 腐植酸鈉的實(shí)驗(yàn)

有關(guān)資料顯示，腐植酸鈉是優(yōu)良的緩凝劑、增強(qiáng)劑，可用于模型的增強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)采用事先配制好的濃度為 16.67%的腐植酸鈉水溶液(50kg水中加入10kg干料,全部溶化后使用)，實(shí)驗(yàn)情況和結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4所列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，腐植酸鈉除了對(duì)石膏有一定的緩凝作用外，還對(duì)提高模型的強(qiáng)度有一定的幫助，但提高強(qiáng)度效果不明顯。當(dāng)加入量為水的1%時(shí)（此時(shí)混合水溶液的濃度為0.2%），強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)最大值，超過(guò)這一加入量時(shí)，強(qiáng)度反而下降。另外我們還發(fā)現(xiàn)，加入腐植酸鈉的石膏模型脆性大，易磕碰損壞。

(2) 焦磷酸鈉的實(shí)驗(yàn)

在60℃溫水中把焦磷酸鈉配制成飽和溶液（濃度為15%），冷卻至室溫后使用，實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，石膏中加入一定比例的焦磷酸鈉飽和溶液，有明顯的緩凝作用，還對(duì)提高模型的強(qiáng)度有一定的作用，且提高強(qiáng)度效果明顯高于腐植酸鈉。當(dāng)加入量為石膏的1%時(shí)，強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)最大值，超過(guò)這一加入比例時(shí)，強(qiáng)度反而下降。

從上面兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，以上兩種添加劑都有明顯的緩凝效果，但提高模型強(qiáng)度的效果都不太明顯。

(3) 樹(shù)膠類(lèi)添加劑的實(shí)驗(yàn)

取樹(shù)膠類(lèi)添加劑三種固體物，分別是桃膠一級(jí)、桃膠粉、阿拉伯樹(shù)膠。事先均按2.5g兌100g水的比例配制成濃度為2.44%的樹(shù)膠水溶液（在常溫下溶解過(guò)60目篩后使用）；按水膏比1:1.6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，攪拌時(shí)間均為2.5min，實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6所列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，桃膠一級(jí)、桃膠粉凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，若在生產(chǎn)中使用，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的生產(chǎn)操作，而且增強(qiáng)效果不如阿拉伯樹(shù)膠明顯，故生產(chǎn)中不宜采用；而阿拉伯樹(shù)膠凝固時(shí)間適中，增強(qiáng)效果很明顯，是優(yōu)良的增強(qiáng)外加劑。

(4) 加入水泥的實(shí)驗(yàn)

據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料介紹，水泥對(duì)提高石膏模型的強(qiáng)度有很明顯的作用。于是筆者也進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究，采用525#普通硅酸鹽水泥（水泥按表中的百分比例替代石膏粉，確?？偦伊坎蛔儯?，實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果見(jiàn)表7。

水泥加入量的實(shí)驗(yàn)表明，在石膏中加入水泥，確實(shí)能提高模型的強(qiáng)度，而且當(dāng)加入量在5%時(shí)強(qiáng)度最大。但是，在攪拌澆注后，等到終凝時(shí)間前，漿體不易凝固，上面還浮著水。分析其原因?yàn)椋核嗟募?xì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)細(xì)于石膏粉，水泥的凝固時(shí)間還遠(yuǎn)遠(yuǎn)遲于石膏粉，兩者凝固時(shí)間不一致，這樣反而不利于生產(chǎn)中的注模操作。且當(dāng)凝固硬化后，瞬間發(fā)熱量大，模型塊表面的溫度明顯高于純石膏的模塊。這種情況在實(shí)際生產(chǎn)中不利于操作使用，會(huì)破壞胎型，故此方法也不可行。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1) 采用唐山本地B廠(chǎng)生產(chǎn)的高強(qiáng)度石膏粉，價(jià)格低廉，取用方便，性能優(yōu)良，適合于企業(yè)的使用。該石膏粉在水膏比為1:1.6時(shí)，其抗折強(qiáng)度為5.186 MPa。

（2） 石膏的種類(lèi)、水膏比例的大小對(duì)模型的增強(qiáng)起到很重要的作用。在水膏比為1:1.4時(shí)，抗折強(qiáng)度一般在4.2～4.8MPa；在水膏比為1:1.6時(shí)，抗折強(qiáng)度一般在5～6.5MPa；強(qiáng)度與膏水比例成正比例關(guān)系。對(duì)于高強(qiáng)石膏粉，只有在膏水比例較高時(shí)使用才會(huì)有較高的強(qiáng)度。

（3） 腐植酸鈉、焦磷酸鈉、樹(shù)膠等六種添加劑對(duì)石膏模型的增強(qiáng)都有一定的作用，但增強(qiáng)效果不一。添加劑增強(qiáng)效果由大到小的次序依次為：阿拉伯樹(shù)膠＞水泥＞焦磷酸鈉＞腐植酸鈉。從實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，通過(guò)石膏粉的選擇和添加劑的加入，石膏模型的強(qiáng)度都提高到5.2 MPa以上，其中以阿拉伯樹(shù)膠增強(qiáng)效果最為顯著，其干后抗折強(qiáng)度達(dá)到6.786MPa。

（4） 在水膏比不變的情況下，各種添加劑對(duì)模型吸水率的影響不大，基本不變，不會(huì)對(duì)成形生產(chǎn)造成影響。

（5） 水膏比例的大小對(duì)模型的吸水率起到很直接的作用。在水膏比為1:1.4時(shí)，吸水率一般在35～40%；在水膏比為1:1.6時(shí)，吸水率一般在31～33%；吸水率與膏水比例成反比例關(guān)系。