王同言 楊齊紅
(1唐山陶瓷股份有限公司 河北 唐山 063020)(2唐山華美陶瓷有限公司 河北 唐山 063020)
石膏粉熱膨脹有關(guān)問題研究探討*
王同言1楊齊紅2
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研究探討了石膏粉水化過程中熱膨脹的產(chǎn)生機理以及物理特性,研究分析了熱膨脹對模型質(zhì)量的影響以及影響石膏熱膨脹的因素,并介紹了測定石膏粉熱膨脹率的方法。
石膏粉 水膏比 熱膨脹 膨脹率
石膏粉(此指熟石膏粉或半水石膏粉,下同)因其物美價廉、取用方便、使用性能優(yōu)良,目前仍然是制造陶瓷成形石膏模型的重要材料。其質(zhì)量的好壞,直接影響到模型的質(zhì)量。20世紀七、八十年代,陶瓷生產(chǎn)企業(yè)由于成形工藝簡單,產(chǎn)品器型簡單、品種單一,對石膏模型質(zhì)量要求不嚴格,故對石膏粉質(zhì)量的要求也不嚴格。改革開放以來,尤其是近20年來,隨著陶瓷行業(yè)的快速發(fā)展,陶瓷成形新設(shè)備的不斷采用,以及模型制造工藝技術(shù)的進步,尤其是衛(wèi)生陶瓷組合立式澆注機械化成形工藝、低壓快排水工藝以及日用陶瓷塑壓成形等工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用,使得衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品體積越來越大,器型結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,對石膏模型質(zhì)量要求的越來越嚴格,對陶瓷生產(chǎn)用石膏粉的質(zhì)量也越來越重視。石膏粉與水混合反應(yīng)后產(chǎn)生微小的膨脹,這種膨脹對注模生產(chǎn)和模型的質(zhì)量是不利的。生產(chǎn)中因石膏模型的膨脹造成的模型變形、漏漿、甚至模型報廢等現(xiàn)象影響生產(chǎn)的情況時有發(fā)生。故石膏的膨脹問題才引起人們的足夠重視,一些企業(yè)將其列入了質(zhì)量控制檢測把關(guān)項目。
石膏粉的熱膨脹系數(shù),因石膏粉不同、水膏比不同,會有著不同的熱膨脹率。由于半水石膏在水化過程中產(chǎn)生的熱膨脹是有害的,對模型質(zhì)量影響很大。所以,為了滿足生產(chǎn)新工藝的要求,為了確保模型質(zhì)量,有必要對石膏粉的熱膨脹率進行研究和測定。筆者研究探討了石膏粉水化過程中熱膨脹的物理特性,分析了熱膨脹對模型質(zhì)量的影響以及影響石膏熱膨脹的因素,最后介紹了測定石膏粉熱膨脹率的方法,對陶瓷企業(yè)有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。
石膏粉產(chǎn)生熱膨脹的機理有以下兩個方面:
1)在石膏粉炒制加工過程中,由于二水石膏加熱脫水的溫度控制不嚴,特別是炒制加工時的攪拌不均勻,有部分二水石膏因溫度過高繼續(xù)脫水變成了無水石膏(也叫過燒石膏或硬石膏),這些無水石膏活性大,在水化時很快由斜方晶系轉(zhuǎn)化為單斜晶系,產(chǎn)生微量的體積膨脹。
2)從石膏粉溶解凝固理論來看,在模型制造過程中,當半水石膏與水混合時,石膏與水產(chǎn)生水化作用,同時產(chǎn)生一種放熱反應(yīng),它隨時間的延長而升高。這是因為在半水石膏的飽和溶液中有晶芽不斷生成,最后晶芽持續(xù)生長成二水石膏晶體,同時隨之放出水化熱而產(chǎn)生膨脹。
1)石膏粉水化熱膨脹的大小與注模時水和石膏的比例(即水膏比)有關(guān)。石膏粉的用量越大,膨脹率也越大。另外,熱膨脹率隨水化時間的延長而增大(見表1、表2)。
表1 β半水石膏的水膏比為1∶1.2時膨脹情況
表2 α半水石膏的水膏比為1∶1.3時膨脹情況
2)石膏粉水化熱膨脹的大小與石膏粉的種類有關(guān)。據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗可知,單獨用α半水石膏澆注的模型強度雖然高,但其膨脹率大,模型易出現(xiàn)變形、開縫和裂紋,其主要原因是水和石膏的比例大。實際生產(chǎn)中使用α半水石膏時,水和石膏的比例一般以1∶1.3~1∶1.4為宜。
采用β半水石膏澆注模型時,水和石膏的比例為1∶1.16~1∶1.2,膨脹率較小,但模型強度偏低。生產(chǎn)實踐中,一般要求模型強度高,同時要求膨脹率低。如果將α和β2種半水石膏混合使用,就有較好的效果。當α和β2種半水石膏以各50%混合使用,水和石膏比例為1∶1.25時,其干抗壓強度可達到12MPa,膨脹率有了明顯減?。ㄒ姳?)??梢姡瑸榱颂岣吣P唾|(zhì)量,α和β2種半水石膏混合使用最為理想。
表3 α和β混合粉的水膏比為1∶1.25時膨脹情況
3)石膏粉水化熱膨脹的大小與是否使用緩凝劑有關(guān)。在沒有加緩凝劑的情況下,水與石膏的水化反應(yīng)快,所有半水石膏在2h內(nèi)一般都轉(zhuǎn)變?yōu)槎?,同時伴隨著熱量的產(chǎn)生,造成熱膨脹;使用緩凝劑后,水與石膏的水化反應(yīng)變慢,降低了半水石膏的溶解速度,半水石膏轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗟臅r間就長,石膏熱量的產(chǎn)生也變慢,石膏的熱膨脹就小。同時,加入緩凝劑有利于增加結(jié)晶溶液的密度,對提高模型強度和質(zhì)量有很好的作用。
目前,在陶瓷生產(chǎn)中,無論是日用陶瓷塑壓成形,還是衛(wèi)生陶瓷的組合澆注一次成形,由于對模型質(zhì)量(膨脹率和尺寸)要求的很嚴格,要求石膏模型有很小的膨脹率和微小的尺寸變化,故對石膏粉提出了更加嚴格的要求。國內(nèi)一些先進的石膏粉廠家,通過潛心研究,性能優(yōu)良的高強度石膏粉、超高強度樹脂石膏粉和K型粉應(yīng)運而生,用于制作原模、母模以及復(fù)雜的石膏模型。國內(nèi)先進廠家生產(chǎn)的石膏粉,可替代進口產(chǎn)品,且價格僅為進口產(chǎn)品價格的二分之一。最主要的是這些石膏粉的膨脹率很低,一般模型用石膏粉的膨脹率在0.2%以下,原模、母模用石膏粉的膨脹率控制在0.06%以下,滿足了目前陶瓷成形生產(chǎn)新工藝的要求。
我們在制作模型和胎型時,所使用的石膏粉都要求有較低的膨脹率,但實際情況不是這樣。實際生產(chǎn)表明,由于在制作模型和胎型中為了增加強度,往往采用提高石膏粉加入量的方法。這種方法確實提高了模型強度,但同時也增大了石膏水化熱膨脹率。在這種情況下,澆注模型時,很容易把母模脹壞,模型掉角,模型不能順利從母模中取出,或者做出的模型不易安裝、變形等,使用中漏漿,嚴重時造成模型報廢。以衛(wèi)生陶瓷模型為例,熱膨脹對模型造成以下具體危害:
1)坐便器類幫模、底模對口縫不嚴密,使模型制造中合模困難,模型從中間部位斷裂,或者出現(xiàn)弓形開縫,成形注漿時漏漿。
2)坐便器模型圈翹起,對縫不嚴密,弓形開縫,內(nèi)表面棱角處有裂縫。
3)箱、蓋模型對口不嚴密,面具類模型內(nèi)表面有裂縫。
4)注模時易把母模脹壞,或者模型不易從母模中取出,損壞模型、胎型。
因此,在澆注模型或制作母模胎型時,石膏粉的水化熱膨脹特性不容忽視,對所用石膏粉的熱膨脹率必須及時取樣檢測,掌握參數(shù)情況,確保所用石膏粉產(chǎn)地和質(zhì)量的穩(wěn)定,才能保證胎型、模型的質(zhì)量。
影響石膏熱膨脹的因素很多,主要有石膏粉的種類、水膏比例、攪拌方法、轉(zhuǎn)速、攪拌時間、水溫等。
我們選用普通β石膏粉、α高強石膏粉以及α與β混合粉(各50%),采用混水量80%(水膏比1∶1.25)不變,其它外部環(huán)境條件相同,測得石膏粉膨脹率見表4。
表4 石膏粉的種類及其膨脹率
保持攪拌時間以及其它外部環(huán)境條件不變。當混合水量增加,即當水膏比增大時,石膏的膨脹率降低;反之,當混合水量減少,即當水膏比變小時,石膏的膨脹率增大(見表5)。
石膏的攪拌方法有手工攪拌、機械攪拌和真空攪拌3種。保持混水量為75%(水膏比1∶1.33)以及其它外部條件不變時,手工攪拌膨脹率最大,機械攪拌次之,真空攪拌最?。ㄒ姳?)。
表6 攪拌方法及其膨脹率
在混水量為80%(水膏比1∶1.25)以及其它外部環(huán)境條件不變時,攪拌機轉(zhuǎn)速越高,則膨脹率越大(見表7)。其原因是由于隨著攪拌速度的加快,石膏與水的反應(yīng)加快,導(dǎo)致膨脹率增大。
表7 轉(zhuǎn)速與膨脹率的關(guān)系
在混水量為75%(水膏比1∶1.33)及其它外部環(huán)境條件不變時,隨著攪拌時間的延長,膨脹率增大(見表8)。
在混水量為60%(水膏比1∶1.67)及其它外部環(huán)境條件不變時,隨著水溫的升高,膨脹率降低(見表9)。
表8 攪拌時間與膨脹率的關(guān)系
表9 水溫與膨脹率的關(guān)系
除以上影響因素外,如前面所述,石膏粉熱膨脹率的大小還與是否使用緩凝劑有關(guān)。在其它外部環(huán)境條件不變時,未使用緩凝劑時,石膏粉的熱膨脹大;反之,使用緩凝劑時,石膏的熱膨脹就變小。另外,石膏粉含雜質(zhì)越多,熱膨脹系數(shù)越?。皇喾墼郊儍?,熱膨脹系數(shù)越大。
為準確測定出半水石膏粉在水化過程中的熱膨脹系數(shù),我們采用的儀器是汞池測試儀。
秒表一塊;0.01mm長度表(百分表);制樣模一套(模型尺寸:120mm×20mm×20mm);1/100天平一臺;汞500g。
1)準備好汞池,并用水平尺找好水平。
2)注入4mm厚汞液于汞池中,裝好百分表。
3)按比例制好石膏漿,攪拌30s,倒入制樣模型內(nèi)。
4)當石膏漿接近初凝時(可以開模時),立即開模輕輕取出試樣。此時試樣很軟,要注意不要損壞,迅速放入汞池中,并將試樣一端與百分表頂杠接觸,將另一端汞池緊定螺栓輕輕擰緊。試樣進入測試過程。
5)開啟秒表,記錄每5s的膨脹系數(shù),直至停止膨脹為止。停止秒表,記錄整個膨脹過程。
整個測試過程約50min。在整個試驗過程中,要求記錄準確、迅速,試樣工作臺無震動。裝試樣要輕拿輕放,固定試樣不要用力過大或過猛,以免頂壞試樣。因為此時試樣還沒有完全進入初凝期,強度很低。當試樣進入初凝期,開始收縮(約0.05mm);當初凝開始放熱時,膨脹較快,應(yīng)特別注意做好記錄,不可移動或震動汞池,以防出現(xiàn)誤差。
1 傅培貴,王樹棨.陶瓷用模具制造.北京:輕工業(yè)出版社,1984
2 劉禧齡.相關(guān)使用條件對熟石膏粉物理性能的影響.全國性建材科技期刊——陶瓷,1993(4):52~55
T177.3
A
1002-2872-(2011)06-0028-03
王同言(1963-),本科,高級工程師;研究方向為陶瓷新產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)工藝、石膏模型技術(shù)、陶瓷便器節(jié)水技術(shù)。E-mail:tswty631108@sina.com