高效節(jié)能可再生高壓注漿開(kāi)孔樹(shù)脂模具的研究

黃月文++王斌++鄭周++張偉

摘 要：本文以乙烯基單體、聚合物樹(shù)脂粉料、引發(fā)和乳化助劑為原料，水為致孔劑，混合形成可澆注的懸浮乳液，室溫下通過(guò)自由基引發(fā)聚合成型得到多孔樹(shù)脂模具。主要研究了初始混合溫度對(duì)操作工藝的影響和聚合固化過(guò)程中的熱效應(yīng)，檢測(cè)了成型模具的力學(xué)性能、熱性能和多孔透氣透水性能，并總結(jié)了其在陶瓷高壓注漿生產(chǎn)線上的實(shí)際使用效果。結(jié)果表明，成型模具具有可再生性、良好的透氣透水性、高的強(qiáng)度和韌性、生產(chǎn)效率高、使用壽命長(zhǎng)、綜合節(jié)能效果比傳統(tǒng)技術(shù)高30%以上等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：高壓注漿；高效節(jié)能；多孔樹(shù)脂模具；可再生

1 前言

陶瓷產(chǎn)業(yè)是我國(guó)的支柱建材產(chǎn)業(yè)，陶瓷節(jié)能減排是國(guó)家節(jié)能工作的重點(diǎn)領(lǐng)域。傳統(tǒng)以石膏模具為核心的常壓或低壓注漿成型工序耗能高、使用壽命很短、效率低下、工人工作環(huán)境差、石膏廢棄物大量堆積、產(chǎn)品質(zhì)量低，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了現(xiàn)代陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。實(shí)踐證明，現(xiàn)代高壓注漿技術(shù)自動(dòng)化程度高、可連續(xù)作業(yè)、無(wú)需干燥、效率高、生產(chǎn)線占地面積小、操作環(huán)境好、環(huán)境廢棄物少等，不僅能大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量、檔次和提高生產(chǎn)效率，大幅度降低勞動(dòng)力成本、勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)約勞動(dòng)場(chǎng)所，還可以大量節(jié)省傳統(tǒng)石膏模具干燥所需的能源。同時(shí)，還因具有壓出的坯體密度高、質(zhì)量好、強(qiáng)度高、表面光潔度高、不必修坯，坯體含水率低、無(wú)需干燥等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度節(jié)約傳統(tǒng)石膏模注漿成型坯體的干燥能耗[1-2]。高壓注漿技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)陶瓷企業(yè)急需轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文以乙烯基單體、聚合物樹(shù)脂粉料、引發(fā)和乳化助劑為原料，依據(jù)自主專(zhuān)利技術(shù)[3-5]，制備出高強(qiáng)度可再生模具，并研究和總結(jié)其在國(guó)內(nèi)陶瓷企業(yè)中的高壓注漿生產(chǎn)線上的應(yīng)用狀況。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料有乙烯基單體（LR）、聚合物樹(shù)脂粉料（SR1、SR2）、引發(fā)和乳化助劑，為市售工業(yè)品。

2.2 工藝流程

乙烯基聚合物多孔樹(shù)脂模具制備工藝流程示意圖如圖1所示。

2.3 檢測(cè)方法

多孔樹(shù)脂模具的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度按照GB/T17671-1999進(jìn)行測(cè)試；模具固化過(guò)程的溫度測(cè)定及模具孔隙率和透氣透水性按空隙法[5]進(jìn)行測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 成型工藝與聚合過(guò)程

乙烯基單體、聚合物樹(shù)脂粉料和水在乳化助劑的作用下形成油包水的懸浮穩(wěn)定的聚合體系，在混合過(guò)程中隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，體系黏度很快上升，幾分鐘后失去流動(dòng)性，使得體系中的粒子分散均勻而不至于沉降，保持最終固化成型模具孔隙的均勻性。聚合體系的初始溫度對(duì)整個(gè)體系的流動(dòng)性有決定性的影響。

表1是不同混合初始溫度下體系失去流動(dòng)性的時(shí)間，整體體系的攪拌時(shí)間為35 s、速度900 r/min。

由表1可知，隨著初始混合溫度的上升，懸浮體系失去流動(dòng)性的時(shí)間迅速降低。因此，混合溫度不宜過(guò)高，過(guò)高則造成操作時(shí)間短，影響漿液的流平性能。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，應(yīng)選擇23 ℃以下的初始混合溫度。但溫度也不宜過(guò)低，過(guò)低則引發(fā)聚合反應(yīng)過(guò)慢而導(dǎo)致產(chǎn)品不均勻。

圖2是初始混合溫度為19 ℃時(shí)的混合體系中溫度隨時(shí)間變化的曲線。

由圖2可知，隨著時(shí)間的推移，剛開(kāi)始時(shí)，由于聚合體系存在誘導(dǎo)期，溫度基本不上升，一段時(shí)間后在引發(fā)助劑的作用下開(kāi)始引發(fā)，溫度開(kāi)始逐漸上升。當(dāng)溫度升到30 ℃時(shí)，體系反應(yīng)放熱加速，存在自動(dòng)加速現(xiàn)象；在40 ℃附近則迅速加速，體系溫度1～2 min內(nèi)升到60 ℃，并且表面有水析出，此時(shí)已經(jīng)聚合成型通孔結(jié)構(gòu)的聚合體。當(dāng)溫度升高到70.3 ℃后，體系在此溫度停留幾分鐘后開(kāi)始緩慢下降，此時(shí)聚合已經(jīng)大部分完成，模具強(qiáng)度已經(jīng)形成，可以拆模進(jìn)行下一步處理。

3.2 多孔樹(shù)脂模具的性能分析

3.2.1力學(xué)性能

按照標(biāo)準(zhǔn)方法，制作相應(yīng)的成型模具，測(cè)得模具固化3天后的抗壓強(qiáng)度（壓縮應(yīng)力）與其壓縮應(yīng)變的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，在開(kāi)始時(shí)，壓縮強(qiáng)度隨壓縮應(yīng)變?cè)黾佣本€增加，當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到15%以后，壓縮應(yīng)力增加程度逐漸變緩。壓縮應(yīng)變繼續(xù)增加，模具并沒(méi)有受到破壞，可見(jiàn)模具具有很高的壓縮形變。當(dāng)壓縮形變大于40%時(shí)，模具仍然沒(méi)有受到破壞，這也說(shuō)明了模具具有很高的抵御外界壓縮的能力。這是多孔材料的孔隙形成的緩沖作用的結(jié)果。

3.2.2孔隙結(jié)構(gòu)分析

聚合成型后的模具經(jīng)水和壓縮空氣交替沖洗干凈后，在室溫自然干燥，在掃描電鏡下觀察其孔隙情況，如圖4所示。

由圖4可看出，成型模具具有較高的孔隙率。模具在通氣或通水后均表現(xiàn)出優(yōu)異的透氣透水性能，進(jìn)一步表明模具具有開(kāi)孔（或稱(chēng)通孔）孔隙結(jié)構(gòu)。

3.2.3綜合性能

成型模具不僅具有高的強(qiáng)度韌性和通孔孔隙結(jié)構(gòu)，經(jīng)進(jìn)一步測(cè)量得到其通孔孔隙率可達(dá)20%～30%，并且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)95～110 ℃，具有可再生性能。表2是多孔樹(shù)脂模具材料及成型模具的主要性能。

4 多孔樹(shù)脂模具胚體的成型工藝及與傳統(tǒng)石膏模具的對(duì)比

4.1 多孔樹(shù)脂模具胚體的成型工藝

在陶瓷工業(yè)上，多孔樹(shù)脂模具可代替石膏模具，可用于高壓注漿中。制得的多孔樹(shù)脂模具胚體經(jīng)過(guò)燒成后可得到質(zhì)量比傳統(tǒng)石膏模具更高的陶瓷制品。多孔樹(shù)脂模具胚體的成型工藝流程如圖5所示。

4.2 多孔樹(shù)脂模具與傳統(tǒng)石膏模具的對(duì)比

圖6是本項(xiàng)目組與陶瓷廠家合作制得的模具之一。但是，目前高壓注漿在模型復(fù)雜的陶瓷制品上尚有較大的困難，需要進(jìn)一步深入研究探索。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次使用此模具，歸納了傳統(tǒng)石膏模具與多孔樹(shù)脂模具的性能對(duì)比如表3所示。

5 結(jié)論

可再生高壓注漿樹(shù)脂模具與傳統(tǒng)的石膏模具相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：可再生性、良好的透氣透水性、高的強(qiáng)度和韌性、生產(chǎn)效率高、使用壽命長(zhǎng)、綜合節(jié)能效果比傳統(tǒng)技術(shù)高30%以上等。因此，可再生高壓注漿樹(shù)脂模具是陶企轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。但目前可再生高壓注漿樹(shù)脂模具在復(fù)雜的陶瓷制品應(yīng)用上尚有困難，仍需進(jìn)一步研發(fā)。

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