石膏在陶瓷模具的應(yīng)用現(xiàn)狀

    隨著陶瓷工業(yè)的迅速發(fā)展和機(jī)械化、自動化程度越來越高，陶瓷生產(chǎn)對成型模具的要求也越來越高。目前，陶瓷行業(yè)使用的模具主要有:石膏模具、塑料模具、樹脂模、鋼模、木模等，現(xiàn)在我國又利用國產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)出了聚氦醋橡膠模具。從20世紀(jì)初開始，德國、保加利亞、(前)蘇聯(lián)、法國、英國、日本等國科學(xué)家分別對其他模具材料(混凝土、陶瓷、金屬、塑料等)進(jìn)行了大量的研究。塑料模具的制模材料，國外除使用環(huán)氧樹脂外，從70年代末開始研究試用聚氨酷材料制造模具，模具的尺寸精度提高，使用壽命最高可達(dá)8萬次，達(dá)到鋁合金鑄造模具的使用壽命，但模具的制造費(fèi)用要比鋁合金模具低得多。目前西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家的聚氨醋鑄造材料己成系列化、商品化供應(yīng)市場。實(shí)踐證明，鋼模早己實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，并從模具使用壽命來說，從幾萬次發(fā)展到幾十萬次，甚至上百萬次。在國外某些行業(yè)，環(huán)氧樹脂的用量己占所有模具生產(chǎn)的75%。美國標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)生潔具公司采用環(huán)氧樹脂制造的衛(wèi)生潔具，表面性能好，尺寸穩(wěn)定，成本低。從模具綜合成本、制造時(shí)間以及使用壽命考慮，樹脂模具適用于小到中批量生產(chǎn)及產(chǎn)品試制階段，而鋼模適用于大批量定型產(chǎn)品生產(chǎn).由于新產(chǎn)品的更新愈來愈快，樹脂模具的采用也日益普遍，成本越來越低。一副鋼模需要差不多半年的時(shí)間才能完成，而模具樹脂表面澆注法只要一個多月就可完成，且使用壽命達(dá)到4萬次左右。聚氨酷彈性體用于模具，大幅度延長模具的使用壽命。沖壓次數(shù)由原來的10萬次增加到約40萬次，降低生產(chǎn)成本。石膏模具是陶瓷行業(yè)生產(chǎn)中長期以來使用的傳統(tǒng)模具，雖然以上提及的模具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但由于石膏模具制作方便、原材料來源廣泛、成本低、吸水性能好、模具質(zhì)量輕、可回收利用、不易污染環(huán)境，尤其是可以靈活方便的復(fù)制清晰棱角線條等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，無論是可塑成型，還是注漿成型:無論是日用陶瓷工業(yè)還是衛(wèi)生潔具陶瓷行業(yè)，大多還在沿用大量的石膏模具。

1 發(fā)展石膏模具的意義

    石膏模具是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中長期以來使用的傳統(tǒng)模具，但以注漿成型為主的衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)中的基礎(chǔ)材----一成型模具己成為制約衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品造型、規(guī)整度、勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本的重要因素，而衛(wèi)生陶瓷行業(yè)所用的成型模具多采用石膏模具，雖然國內(nèi)外有些廠家也嘗試用其他材料的模具來代替石膏模具，但多因工藝復(fù)雜、吸水率低及價(jià)格昂貴等原因，只使用于某些特殊的工藝和產(chǎn)品。這是因?yàn)槭嗑哂衅渌牧纤鶡o法替代如下的優(yōu)勢:

    1) 石膏資源豐富

    石膏是我國的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源之一我國的石膏礦藏豐富，己探明的各類石膏儲量約為576億噸，居世界首位，而且分布廣，類型多。從1982年至1991年的十年間，中國石膏產(chǎn)量均以年平均10.90%的速度增長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界石膏產(chǎn)量每年平均增長率的2%～3%，1995年石膏產(chǎn)量猛增到2659萬噸，成為世界石膏第一生產(chǎn)大國。

    2) 石膏的價(jià)格低

    石膏是一種用量大、運(yùn)輸量也大，而價(jià)格又低廉的礦產(chǎn)品。目前，國內(nèi)礦山交貨價(jià)大致如下:特級纖維石膏每噸為150～200元;一級雪花石膏，每噸60～100元;普通石膏每噸30～60元;硬石膏每噸為50～100元。我國石膏礦產(chǎn)品價(jià)格平穩(wěn)，山西太原石膏礦的平均價(jià)格是55元/噸，山東平邑地區(qū)石膏平均價(jià)格是40元/噸。

    3) 凝結(jié)硬化快，生產(chǎn)周期短，模具周轉(zhuǎn)快，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，使用周期可大為提前。

    4) 尺寸穩(wěn)定性好。由于石膏制品的伸縮比很小，其干燥收縮則更小。因而制品的尺寸穩(wěn)定，變形小。

    5) 綠色環(huán)保效應(yīng)和獨(dú)特的“呼吸性能”。石膏材料呈中性，放射性極弱，生產(chǎn)和使用中均不排放不利于人體健康的有害物質(zhì)，外觀光滑細(xì)膩，與人體親和性好。而且與其他材料有很好的相容性，不對其他物質(zhì)產(chǎn)生侵蝕作用，是典型的綠色環(huán)保材料。此外，石膏制品還有獨(dú)特的“呼吸效應(yīng)”，可以隨周圍環(huán)境濕度變化而吸濕或放濕。

    因此，無論是可塑成型，還是注漿成型;無論是日用陶瓷工業(yè)還是衛(wèi)生潔具陶瓷行業(yè)，都還沿用大量的模具石膏。

2 陶瓷注槳成型對石膏模具的要求

    陶瓷注漿成型對石膏模具的要求如下：

    1) 設(shè)計(jì)合理，易于脫模，各部位吸水均勻，能保證坯體各部位干燥收縮一致。

    2) 孔隙率大，吸水性能好，孔隙率要求在20%～49%之間，模具在出烘房時(shí)，須保持濕度4%～6%左右，最大許可濕度為16%～20%，過干會引起制品千裂，同時(shí)模子使用壽命縮短，過濕會延長成坯時(shí)間，甚至難于成型。

    3) 翻制模具時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制石膏與水的比例，以保證有一定的吸水性與機(jī)械強(qiáng)度，并使模具質(zhì)量穩(wěn)定。

    4) 模具工作表面應(yīng)該是光潔的，無孔洞，無潤滑油跡。新模第一次使用前，應(yīng)用2%的碳酸鈉溶液擦拭內(nèi)壁，以除去殘留涂料，也可用1/4調(diào)漿水進(jìn)行刷洗或用砂紙將內(nèi)表面擦去一層。

3 影響石膏模具質(zhì)量的因素

3．1模具石膏的陳放

    目前制作陶瓷模具所用的石膏粉，一般是將天然石膏經(jīng)鍛燒(170～190℃)而制成的半水石膏和少量的無水石膏:

    CaS04·2H20 ＝CaSO4·1/2H2O＋3/2H2O(1-1)

    CaSO4·1/2H2O＝CaSO4＋H2O (1-2)

    這種方法所生成的半水石膏稱為β一半水石膏，它具有結(jié)構(gòu)缺陷和表面積大的特點(diǎn).由于它制作模具時(shí)需加入水分，這一過程所表現(xiàn)的流變學(xué)性質(zhì)，必然影響到模具的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)也決定模具表面硬度和模具強(qiáng)度、氣孔率和吃漿速率。影響模具微觀結(jié)構(gòu)的因素有:①水膏比;②制模過程中混合條件，如攪拌器類別、攪拌速度和攪拌時(shí)間。這些因素均影響二水硫酸鈣的形成速度、晶體的大小。特別要注意的是模具石膏的固有易變性。

    眾所周知 ，水膏比、漿體的稠度對石膏模具的強(qiáng)度、密度、吸水率都有直接的影響。一般來說，水膏比大，模具氣孔率高，密度小，強(qiáng)度就低，使用壽命就短;反之，水膏比小，模具氣孔率低，密度大，強(qiáng)度就高，但吸水率低。工廠里一般是選擇恰當(dāng)?shù)乃啾纫詽M足生產(chǎn)工藝的要求。如1:1.3左右。

    模具石膏的易變性還表現(xiàn)在炒制不久的石膏粉和經(jīng)過了“充分陳放”的石膏粉的差異。新炒制的石膏粉，溫度高，還沒有陳放和均化，活性強(qiáng)，需水量大。即刻使用它來制模，可使模具表面形成很多氣泡，整體強(qiáng)度低，所以用這種石膏制作模具是困難的，一般要存放兩周后再使用。陳放過程可分成兩個階段，即任何可溶性硬石膏的迅速水合作用形成半水石膏，此后以極慢的速度吸收水分，使半水石膏晶體轉(zhuǎn)向完整，而導(dǎo)致需水量的逐漸下降。若相對濕度不太高，石膏粉能達(dá)到恒定含水量的程度。若相對濕度非常高，則水化作用繼續(xù)進(jìn)行，以致形成二水化合物，給石膏粉的質(zhì)量帶來不好的影響。

3．2石膏模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    石膏模具的制作，是用半水石膏粉和水調(diào)成漿體，半水石膏水化、結(jié)晶、晶體相互交織而成硬化石膏體，經(jīng)干燥而成石膏模具。在制作中其摻水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過化學(xué)結(jié)合反應(yīng)所需要的用水量，當(dāng)石膏模具完全干燥時(shí)，多余的水使模具形成了孔隙。組成石膏模的石膏晶體好像是上百萬個“牙簽”無規(guī)則地結(jié)合在一起，而這些“牙簽”之間的孔隙在各個方向上聯(lián)結(jié)而形成不規(guī)則的連續(xù)的毛細(xì)管。石膏晶體的平均尺寸為2-5μm，晶體間的孔隙極小(坯體原料中一般最小的顆粒也不能從孔隙滲出。

    在石膏模具的整個使用周期中，水滲入并通過模具中這些細(xì)小的孔隙，而后又從這些細(xì)孔隙中排出。人們一般認(rèn)為水的這種運(yùn)動機(jī)理是毛細(xì)管作用原理。原則上說，石膏模宛如一塊具有三度空間的硬海綿，在其整個使用周期中都存在著連續(xù)的毛細(xì)管水的運(yùn)動。至于模具 中的氣孔率(包括種類、分布)是和石膏漿體的流變學(xué)性質(zhì)及制模的過程和條件相關(guān)的.即使確定了需水量和攪拌時(shí)間，一旦攪拌方法和條件改變，石膏模具的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。例如:用真空攪拌，脫氣的模具比未經(jīng)真空攪拌處理的石膏模具強(qiáng)度高，使用壽命長。

3．3石膏模具的工作過程

    在陶瓷生產(chǎn)中之所以使用石膏模具，是因?yàn)樗苁古黧w成型、凝固和脫水。石膏模在使用前，必須經(jīng)過千燥，一般新模具含水率在6%～8%為好。

    注漿成型的陶瓷制品，是泥漿澆注在石膏模具中而得以成型的。澆注工藝的確定是在含有粘土的坯料中，加入少量的電解質(zhì)和少量的水就可以得到較為稀釋的泥漿，石膏模具能夠從泥漿中吸出部分水分，并有使泥料在模壁上形成厚層的能力，這樣才能利用澆注工藝制造出有一定外形尺寸的坯件。因此石膏模具的物理性能，如氣孔率、吸水率對于注漿成型的坯體影響較大。如石膏模具的氣孔分布不均勻，在注漿過程中各部分的吸水量就不同，那么在相同的時(shí)間里，形成坯體厚度就不相同，于是在干燥過程中容易產(chǎn)生變形和龜裂，甚至嚴(yán)重時(shí)坯體難以脫模。保持良好的工作狀態(tài)，是制造優(yōu)質(zhì)的石膏模具的必要條件。要確定良好的模具干燥制度，干燥溫度最好在55℃以內(nèi)，不要有震動和打擊現(xiàn)象，模具濕度在6%～8%為好。

3.4石膏模具在使用中的變化

    石膏模具是多孔的微溶的物體，注漿成型用的泥漿，為了使其有良好的流動性和穩(wěn)定性都加有電介質(zhì)。一般使用的是Na2C03和Na2S04，這兩種物質(zhì)會在模具表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng):

    Na2C03+ CaSO4＝Na2S04+CaCO3(1-3)

    Na2SiO3+CaSO4＝Na2S04+Casi03(1-4)

    由于泥漿中的電介質(zhì)和石膏模具中的硫酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，慢慢積存于模具體內(nèi).另外陶瓷泥漿中的粘土膠體也會進(jìn)入石膏模具的氣孔中。堿性電解質(zhì)中從碳酸鈉分解出來的堿容易滲入模具內(nèi)部，它與硫酸鈣發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鈉。這種硫酸鈉依干燥條件的不同，或是積存于模具體內(nèi)，或是析出模具內(nèi)壁。一旦硫酸鈉積存多了，并結(jié)晶化，這時(shí)產(chǎn)生的壓力會使模具膨脹并開裂。

    石膏模具干燥時(shí)，模具表面上長出堿毛，它是可溶性物質(zhì)，其成分主要是硫酸鈉。這種物質(zhì)可使模具的功能有所減弱。上述現(xiàn)象表明模具的腐蝕效應(yīng)更多地是受陶瓷泥料的影響，從石膏模具方面來說，應(yīng)將電解質(zhì)的用量限制在最小的限度.模具被侵蝕的情況通常有三種:①溶解磨損;②溶解引起的孔洞;③化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損。這些物理、化學(xué)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生和加深，最終將使模具報(bào)廢。目前陶瓷石膏模具使用的次數(shù)通常在70～90次左右。

4 石膏模具的國內(nèi)外研究概況

    由于石膏制品具有重量輕、生產(chǎn)效率高、耐火性能好、易澆注、資源豐富、能耗少等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此有廣泛的用途。如在塑制工藝品、制作牙科、陶瓷、機(jī)械鑄造中當(dāng)作模具石膏來使用。模具石膏分普通模具石膏和高強(qiáng)石膏兩種。

    關(guān)于石膏模具的增強(qiáng)，國內(nèi)外己做了大量的研究，目前主要的增強(qiáng)方法有以下幾種:

    1) 尋找石膏模的替代材料

    例如研制多孔塑料模、樹脂模具、粉末燒結(jié)的青銅滾壓成型模，使用次數(shù)大幅度提高，但多因工藝復(fù)雜、吸水率低及價(jià)格昂貴等原因，只使用于某些特殊的工藝和產(chǎn)品，所以陶瓷成型的主要模具還是石膏模。

    2) 采用高強(qiáng)石膏—α半水石膏

    a一半水石膏晶體呈棱柱狀，結(jié)構(gòu)致密，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量低，因此強(qiáng)度很高，但是其吸水性不好，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，所以很少有企業(yè)采用純α-半水石膏來制作石膏模具。

    3) 對β一半 水石膏進(jìn)行改性

    如加入增強(qiáng)劑，如中科院上海硅酸鹽研究所研制的QA型石膏增強(qiáng)劑，江蘇建科院研制的JS-11的石膏高效增強(qiáng)劑，河北理工大學(xué)研究了以甲基纖維素為主要成分的增強(qiáng)劑。研究表明在增強(qiáng)劑加入量為3%時(shí)抗折強(qiáng)度最大，而且能夠提高模具石膏的抗堿侵蝕能力，還可以在石膏中加入減水劑、緩凝劑等各種外加劑。這是目前對石膏模具增強(qiáng)最為常用的方法。

    4) 采用α一半水石膏與β一半水石膏混合制成石膏模具

    這種方法最先在國外研究成功，但是現(xiàn)在我國很多陶瓷廠也采用此方法來制作石膏模具，研究表明當(dāng)α-半水石膏與β一半水石膏的比例為3:7的時(shí)候所制得的石膏模具使用壽命最好。

    5) 石膏模具高強(qiáng)涂層

   這種增強(qiáng)方法研究的人很少。山東省硅酸鹽研究設(shè)計(jì)院，采用環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂作復(fù)合膠粘劑，用石膏粉和鐘乳石作復(fù)合填料，加入適量的添加劑，制備出了石膏模具用涂料。石膏模具涂上該涂料后，在保持良好透水性的基礎(chǔ)上，強(qiáng)度、耐磨耐腐蝕性能顯著提高，使用壽命延長。

5 石膏模具的發(fā)展趨勢

    由于石膏模具有制作方便、原材料來源廣泛、成本低、吸水性能好、可回收利用，尤其是可以靈活方便地復(fù)制清晰棱角線條等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，陶瓷工業(yè)還普遍采用石膏模具作為重要的成型工具，國外現(xiàn)在普遍采用α一半水石膏與β一半水石膏混合制成石膏模具，而我國都還普遍單獨(dú)采用p一半水石膏為原材料，但β一半水石膏強(qiáng)度普遍不高，耐磨性、耐水性、耐溶蝕性差，造成使用壽命短。因此，對模具石膏進(jìn)行改性以延長其使用壽命仍是科研工作者和企業(yè)長期的研究目標(biāo)。