模具的石膏改性研究

趙芳 武麟

摘 要：石膏模具存在重量輕、生產效率高、能耗少等諸多優(yōu)點，因此，在國內外得到廣泛應用。但是，它也存在強度較低、使用壽命不長、質量不優(yōu)良和抗凍性差等缺點，所以，如何有效地提高石膏模具的性能、最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢成為當前需要解決的主要問題。本文著重研究了石膏模具改性方法，以優(yōu)化改性劑配方，揭示改性機理，有效提高石膏模具的性能。

關鍵詞：石膏模具;石膏性能;影響因素;改性劑;改性方法

中圖分類號：TQ177.377文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0130-05

Abstract： Gypsum mold has many advantages， such as light weight， high production efficiency and low energy consumption， so it is widely used at home and abroad. However， it also has shortcomings such as low strength， short service life， poor quality and poor frost resistance.Therefore， how to effectively improve the performance of gypsum mold and maximize its advantages has become the main problem to be solved. This paper focused on the study of gypsum mold modification methods to optimize the modifier formula， reveal the modification mechanism， and effectively improve the performance of the gypsum mold.

Keywords： gypsum mold;gypsum properties;influencing factors;modifier;modification method

石膏為單斜晶系的含水硫酸鹽礦物，主要化學成分為CaSO4·2H2O，晶體常呈近似菱形的板狀。它是一種用途廣泛的工業(yè)材料和建筑材料，資源豐富，價格低廉且綠色環(huán)保，可應用于水泥緩凝劑、石膏建筑品、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產、紙張?zhí)盍?、油漆填料等領域。而模具是石膏最主要的應用之一，不同領域對模具也有不同的性能要求。對于復合材料纏繞成型的芯模來說，石膏模具既要在低溫（或常溫）下?lián)碛袃?yōu)良的韌性，又要在高溫（≥150 ℃）下增大脆性，便于復合材料脫模，目前并未見到針對性的公開研究報道，而本項目針對纏繞模具上述具體應用要求進行改性，建立改性方法、優(yōu)化改性劑配方、揭示改性機理，有效地提高纏繞石膏模具的性能，進而為實際應用奠定堅實的基礎。

芯模是決定產品形狀的模具，具體要求如下：必須具有足夠的強度和剛度;能滿足制備的精度要求;制備工藝簡單材料來源廣、價格低;制品完成后，芯模能順利清除干凈，不影響制備質量。常用作芯模的材料為鋼材、木材、塑料、鋁、石膏、水泥、低熔點金屬和低熔點鹽類等。與金屬材料相比，石膏芯模價格低，成型工藝簡單，容易形成各種復雜形狀，特別是對那些不宜進行機械加工的大型模具更為適合。

本課題擬通過試驗分析與數(shù)據(jù)考察，得出石膏改性劑的最優(yōu)組成配比、最佳改性步驟與方法，實現(xiàn)芯模性能的優(yōu)化，從而使復合材料脫模更加容易。因此，此次課題研究不僅可以為高質量石膏芯模的制備提供有意義的啟發(fā)，還對解決目前航空航天企業(yè)復合材料纏繞成型中的石膏模具實際問題具有重大價值。

1 研究內容與方法

1.1 研究內容

1.1.1 改性劑的設計和制備。篩選高分子改性劑，研究改性劑的物性;利用正交試驗篩選出與石膏有相融性的以高分子為主體的改性劑;改變改性劑中不同配方的參數(shù)值，反復試驗，分析這些影響因素對石膏性能的影響，研究改性劑的物性，篩選符合條件的改性劑，優(yōu)化改性劑配方[1]。

1.1.2 石膏改性及固化研究。利用合適的改性劑對石膏進行改性，避免混合不均勻、過早或過遲凝固以及產品的浸出率較高、強度較低等問題;研究石膏固化行為和固化動力學;確定固化工藝;改變改性劑的種類和添加量，研究其對石膏固化行為和動力學的影響[2]。

1.1.3 石膏模具的制備和性能。采用改性劑改性石膏制作模具并固化，優(yōu)化模具制作工藝;研究模具的耐熱性能和力學性能，研究不同改性劑和添加量對模具熱性能和力學性能的影響。

1.2 研究方法

本研究采用正交試驗設計方法探究不同改性劑配方對石膏低溫韌性和高溫脆性的影響，從而確定最佳改性劑配方。試驗分為橫向對比和縱向對比兩個方面。橫向對比是為測試不同配方的改性劑，比較其對石膏模具的性能影響;縱向對比是指在確定改性劑配方的同時，測試在石膏芯模制作中不同條件下使用改性劑的效果，比較其石膏性能的差異和優(yōu)劣。

2 模具的石膏改性及改性劑配方優(yōu)化

2.1 膏水比及石膏與水的先后添加順序對石膏性能的影響

2.1.1 石膏試樣的制備。石膏粉與水的混合方式有兩種：一是水→石膏，即將水加入石膏粉中;二是石膏→水，其與前一種方式相反，即先加石膏粉后加水。兩種混合方式的原料添加順序不同，但是石膏粉和水的用量都相同，如表1所示。

2.1.2 室溫下石膏試樣的強度分析。首先測試了室溫下處理的石膏試樣的彎曲強度，如表2所示，然后進行曲線圖分析。

將表2數(shù)據(jù)轉化為曲線圖，如圖1所示。理論上，從膏水比來看，水的比例越小，其性能越好，而實際操作時，受試驗條件的影響，人們需要加入更多比例的水，石膏試樣才會成型。

當水的用量小于28 g時，石膏試樣不易成型，故其強度較弱，從圖1可以看出，無論采用哪種混合方式，膏水比介于50∶28～50∶31時，石膏試樣的強度較大。

2.1.3 150 ℃下石膏試樣的強度分析。當溫度為150 ℃時，石膏試樣的彎曲強度如表3所示。同樣將其轉化為曲線圖的形式，由圖2可知，當膏水比為50∶30～50∶31時，石膏試樣強度較大。

2.1.4 小結。綜上所述，本試驗所選的膏水比為50∶30。

2.2 纖維素對石膏的改性研究

2.2.1 乙基纖維素概述。分子式為[C6H7O2（OC2H5）3]n;軟化點為135～155 ℃;熔點為165～185 ℃;相對密度為1.07～1.18 g/cm3。乙基纖維素具有黏合、填充、成膜等作用，可用于制作樹脂合成塑料、涂料、橡膠代用品、油墨和絕緣材料，可用作膠黏劑、紡織品整理劑等，可用作動物飼料添加劑，可在電子產品和軍工發(fā)射藥中用作黏合劑。

2.2.2 石膏試樣的制備。試驗發(fā)現(xiàn)，纖維素在水中的溶解度較差，故制備纖維素質量分數(shù)為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的纖維素與水的混合液。

迅速將上述制得的纖維素混合液與稱量好的石膏粉混合，并快速攪拌至均勻糊狀，按試樣的制備流程進行操作。

2.2.3 彎曲強度測試及分析。經檢測，常溫下，乙基纖維素做改性劑時的石膏試樣彎曲強度如表4所示。

下面以乙基纖維素為改性劑展開研究，在不同摻量的纖維素下測得一系列石膏試樣的抗折強度，其曲線圖如圖3所示。試驗結果表明，在低摻量下，隨著纖維素含量的增加，石膏試樣的抗折強度均未高于未摻纖維試樣。之后，其呈現(xiàn)先增后減的趨勢。纖維在材料中起到連接增強的作用?？傮w上說，乙基纖維素對石膏的增強作用不大。經分析，其原因如下：纖維素和石膏之間的界面結合強度低，界面結合處結構疏松，造成許多毛細小孔，材料內部形成大量薄弱環(huán)節(jié)，大大降低了纖維的增韌效果。隨著纖維含量的增加，纖維在石膏中的分散性降低，石膏內容易出現(xiàn)纖維聚集區(qū)，削弱了纖維與石膏的結合強度，使石膏的抗折強度下降。

2.2.4 小結。綜上，乙基纖維素做改性劑不能使石膏獲得人們所需的性能。

2.3 白乳膠對石膏模具的影響

2.3.1 白乳膠PVA概述。白乳膠是由醋酸乙烯單體在引發(fā)劑作用下經聚合反應制得的一種熱塑性黏合劑。其可常溫固化，固化較快，粘接強度較高，粘接層具有較好的韌性和耐久性，但不耐高溫。

2.3.2 制備白乳膠溶液。將稱量好的白乳膠加入水中并不斷攪拌，進行水浴加熱處理，溫度為35 ℃，使白乳膠與水完全混合。其間分別制備白乳膠含量為10%、20%、30%、40%、50%的白乳膠溶液。

2.3.3 石膏試樣的制備。迅速將上述制得的白乳膠溶液與稱量好的石膏粉混合，并快速攪拌至均勻糊狀，按試樣制備流程進行操作。

2.3.4 彎曲強度測試及分析。經檢測，白乳膠做改性劑所得石膏試樣的彎曲強度如表5所示。其曲線圖如圖4所示，分析可知，白乳膠在室溫下對石膏試樣起到一定的增強效果，并且在150 ℃處理后，強度會有所降低，對比空白組，衡量其在室溫下與150 ℃下的彎曲強度。

經分析，在常溫下，白乳膠固化，與石膏顆粒黏結在一起，增強了石膏顆粒之間的黏結性，減少石膏孔隙的產生率，因此在常溫下提高了石膏的彎曲強度。而在150 ℃下，白乳膠發(fā)生變性，在石膏內形成大量的孔隙，因而降低了石膏的彎曲強度。

2.4 聚氧乙烯水溶液對石膏模具的影響

2.4.1 聚氧化乙烯概述。聚氧化乙烯（PEO）又稱聚環(huán)氧乙烷，是一種結晶性、熱塑性的水溶性聚合物。分子式為H-（-O-CH2-CH2-）n-OH;外觀為白色粒狀粉末（粒徑>20目）;軟化點為65～67 ℃;熔點為87～140 ℃;密度為0.93 g/mL（25 ℃）;真密度為1.15～1.22 kg/L。聚氧化乙烯是一種具有水溶性和熱塑性的非離子型線性高分子聚合物，具有絮凝、增稠、緩釋、潤滑、分散、助留和保水等性能，無毒無刺激性。因此，其在造紙、涂料、油墨、紡織印染、日化等行業(yè)均有著極為廣泛的應用。

2.4.2 聚氧化乙烯溶液制備。雖然聚氧化乙烯作為水溶性聚合物，水溶性較好，但在加熱溶解時，溶液中存在肉眼可見的絮狀物，經攪拌后仍無法溶解，水溶液呈凝膠狀，加入石膏粉后，石膏中存在不可分散的絮狀物，與石膏混合不均勻，倒入模具成型后強度差，稍微施加外力就會破碎，因此不能將聚氧化乙烯溶液與石膏混合。

聚氧化乙烯低濃度水溶液（1%以下）具有很高的黏性，因此，本研究將其水溶液作為石膏表面加強劑來增強石膏的彎曲強度。

筆者將稱量好的聚氧化乙烯加入水中并不斷攪拌，使聚氧化乙烯溶于水。其間分別制備聚氧化乙烯含量為0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的聚氧化乙烯溶液。

2.4.3 石膏試樣的制備。將空白石膏試樣置于上述不同濃度的聚氧化乙烯溶液中，浸泡30 min，按試樣制備流程進行操作。

2.4.4 彎曲強度測試及分析。經檢測，聚氧化乙烯溶液做表面增強劑所得石膏試樣的彎曲強度如表6所示。其曲線如圖5所示，分析可得，聚氧化乙烯在室溫下作為表面加強劑，對石膏試樣有一定的增強效果，但在150 ℃處理后，強度會有所降低，但降低的強度有限，因此不能實現(xiàn)高溫脆性作用。

聚氧化乙烯作為膠黏劑覆蓋在石膏表面，將石膏試樣表面及其內一定深度的石膏黏結成一體，形成堅硬的外殼，提高了石膏試樣的抗彎曲能力。

在150 ℃高溫下，聚氧化乙烯達到熔點，成為液態(tài)，試樣表面凝聚的聚氧化乙烯脫離石膏試樣，無法形成孔隙，同時人們無法將聚氧化乙烯從試樣表面清除干凈?；謴统睾螅嚇又腥源嬖跉堄嗟木垩趸蚁?，因此高溫降低的強度有限。綜合其常溫高溫力學性能，暫選用0.3%的聚氧化乙烯溶液。

2.5 聚氧乙烯水溶液與白乳膠共同作用對石膏模具的影響

2.5.1 石膏試樣的制備。將經10%、20%、30%、40%、50%白乳膠溶液處理后的石膏試樣分別置于0.3%濃度的聚氧化乙烯溶液中，浸泡30 min，按試樣制備流程進行操作。

2.5.2 彎曲強度測試及分析。經檢測，不同含量白乳膠處理后的試樣再經3%聚氧乙烯溶液浸泡所得石膏試樣的彎曲強度如表7所示。其曲線圖如圖6所示，分析可得，聚氧化乙烯溶液與白乳膠共同作用對比于聚氧化乙烯溶液單獨作用，常溫下，彎曲強度有所提高，但不是很大。150 ℃下，彎曲強度變大，對比于白乳膠單獨作用，其在常溫下的彎曲強度提升較小，而150 ℃下的彎曲強度提升較大。

經分析，試樣的彎曲強度大部分取決于試樣上下表面的強度，聚氧化乙烯溶液對于石膏試樣表面的加強作用明顯要強于白乳膠，因此，當聚氧化乙烯溶液與白乳膠共同作用時，試樣的彎曲強度很大程度上是受聚氧化乙烯溶液影響的。

綜上，聚氧化乙烯與白乳膠共同作用無法實現(xiàn)低溫下增韌、高溫下變脆的要求。

2.6 加熱制備的糊化淀粉對石膏改性的研究。淀粉的分解溫度較高，可以采用加熱方法使其糊化而降低分解溫度。本試驗對淀粉分別進行加熱、加酸處理。

2.6.1 采用加熱的方式制備糊化淀粉。采用水浴加熱的方法，控制其溫度為68 ℃，加熱時間為8～10 min。邊加熱邊攪拌，待淀粉完全溶解后，加水至所需量并攪拌均勻。分別制備淀粉含量為0.5%、1%、2%、3%的糊化淀粉溶液。

2.6.2 石膏試樣的制備。將上述制得的淀粉溶液與稱量好的石膏粉混合，并快速攪拌至均勻糊狀，按試樣的制備流程圖進行操作。

2.6.3 彎曲強度測試及分析。68 ℃水浴加熱處理淀粉作改性劑及石膏試樣的彎曲強度如表8所示。

68 ℃水浴加熱處理淀粉的含量對石膏試樣強度的影響如圖7所示。在添加淀粉后，石膏試樣的強度有所增加。試樣在150 ℃處理后，其強度有所下降。室溫下較合適的淀粉含量為0.7%～1.5%，150 ℃下，強度下降較多的試樣對應的淀粉含量為0.75%～1.5%。綜合來看，淀粉含量可選作0.7%～0.8%。

3 結論

碳纖維等高性能纖維增強的先進樹脂基復合材料，以其比強度和比模量高、熱膨脹系數(shù)小、可設計性好、易于整體成型等突出優(yōu)點在航空航天結構中得到廣泛應用，現(xiàn)已成為航空航天四大結構材料之一。復合材料產品的制造技術迥異于常規(guī)的金屬材料，復合材料的成型通常要在模具中完成，在新材料成型的同時，其也完成了最終結構（毛坯）的成型。模具決定了制品的幾何邊界，明確了與其他零部件的關系，在很大程度上影響著制品的內部質量和表面狀態(tài)，這些都決定了模具在復合材料產品制造過程中起著舉足輕重的作用。

由于原材料石膏成型容易，適合制作各種復雜形狀芯模，并且模具重量輕、生產效率高、能耗少，因此石膏芯模在國內外得到廣泛的應用。但是，石膏芯模存在強度較低、使用壽命不長、質量不優(yōu)良和抗凍性差等缺點，此外，現(xiàn)有的芯模結構存在不足，導致脫模過程不順利，影響產品的質量和使用，所以，如何有效地提高石膏模具的性能、最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢成為需要解決的主要問題。而針對復合材料纏繞成型的芯模，模具不僅要在低溫（或常溫）下?lián)碛袃?yōu)良的韌性，也要在高溫（≥150 ℃）下具有脆性增大的能力，即脆化，便于復合材料脫模。因此，對石膏芯模開展針對性的改性研究具有重要的現(xiàn)實意義。

由于試驗條件有限，本文只研究了乙基纖維素、白乳膠、聚氧乙烯水溶液對石膏性能的影響，并取得了一定的成果。符合條件的改性劑還有很多，對石膏改性的研究會一直繼續(xù)下去。

參考文獻：

[1]鄒海鳳，李航.改性劑種類對改性磷石膏/HDPE性能的影響[J].新型能原材料，2020（10）：89-92.

[2]張立乾，李海燕，王能.改性增強天然建筑石膏的應用研究[J].綠色環(huán)保建材，2020（2）：14-15.