石膏粉熱膨脹有關問題研究探討＊

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）

石膏粉熱膨脹有關問題研究探討＊

王同言1楊齊紅2

（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）

研究探討了石膏粉水化過程中熱膨脹的產生機理以及物理特性，研究分析了熱膨脹對模型質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

前言

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、使用性能優良，目前仍然是制造陶瓷成形石膏模型的重要材料。其質量的好壞，直接影響到模型的質量。20世紀七、八十年代，陶瓷生產企業由于成形工藝簡單，產品器型簡單、品種單一，對石膏模型質量要求不嚴格，故對石膏粉質量的要求也不嚴格。改革開放以來，尤其是近20年來，隨著陶瓷行業的快速發展，陶瓷成形新設備的不斷采用，以及模型制造工藝技術的進步，尤其是衛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的推廣應用，使得衛生陶瓷產品體積越來越大，器型結構越來越復雜，對石膏模型質量要求的越來越嚴格，對陶瓷生產用石膏粉的質量也越來越重視。石膏粉與水混合反應后產生微小的膨脹，這種膨脹對注模生產和模型的質量是不利的。生產中因石膏模型的膨脹造成的模型變形、漏漿、甚至模型報廢等現象影響生產的情況時有發生。故石膏的膨脹問題才引起人們的足夠重視，一些企業將其列入了質量控制檢測把關項目。

石膏粉的熱膨脹系數，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生的熱膨脹是有害的，對模型質量影響很大。所以，為了滿足生產新工藝的要求，為了確保模型質量，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，對陶瓷企業有一定的指導和借鑒作用。

1 石膏粉熱膨脹產生機理

石膏粉產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化為單斜晶系，產生微量的體積膨脹。

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，石膏與水產生水化作用，同時產生一種放熱反應，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，最后晶芽持續生長成二水石膏晶體，同時隨之放出水化熱而產生膨脹。

2 石膏粉熱膨脹特性

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。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。據生產實踐經驗可知，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?）。可見，為了提高模型質量，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。在沒有加緩凝劑的情況下，水與石膏的水化反應快，所有半水石膏在2h內一般都轉變為二水石膏，同時伴隨著熱量的產生，造成熱膨脹；使用緩凝劑后，水與石膏的水化反應變慢，降低了半水石膏的溶解速度，半水石膏轉變為二水石膏的時間就長，石膏熱量的產生也變慢，石膏的熱膨脹就小。同時，加入緩凝劑有利于增加結晶溶液的密度，對提高模型強度和質量有很好的作用。

目前，在陶瓷生產中，無論是日用陶瓷塑壓成形，還是衛生陶瓷的組合澆注一次成形，由于對模型質量（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。國內一些先進的石膏粉廠家，通過潛心研究，性能優良的高強度石膏粉、超高強度樹脂石膏粉和K型粉應運而生，用于制作原模、母模以及復雜的石膏模型。國內先進廠家生產的石膏粉，可替代進口產品，且價格僅為進口產品價格的二分之一。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新工藝的要求。

3 石膏膨脹對模型的危害

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，內表面棱角處有裂縫。

3）箱、蓋模型對口不嚴密，面具類模型內表面有裂縫。

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，掌握參數情況，確保所用石膏粉產地和質量的穩定，才能保證胎型、模型的質量。

4 影響石膏粉熱膨脹的相關因素

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、轉速、攪拌時間、水溫等。

4.1 石膏粉種類

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

4.2 水膏比

保持攪拌時間以及其它外部環境條件不變。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）。

4.3 攪拌方法

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，真空攪拌最小（見表6）。

表6 攪拌方法及其膨脹率

4.4 攪拌機轉速

在混水量為80%（水膏比1∶1.25）以及其它外部環境條件不變時，攪拌機轉速越高，則膨脹率越大（見表7）。其原因是由于隨著攪拌速度的加快，石膏與水的反應加快，導致膨脹率增大。

表7 轉速與膨脹率的關系

4.5 攪拌時間

在混水量為75%（水膏比1∶1.33）及其它外部環境條件不變時，隨著攪拌時間的延長，膨脹率增大（見表8）。

4.6 水溫

在混水量為60%（水膏比1∶1.67）及其它外部環境條件不變時，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系

表9 水溫與膨脹率的關系

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。在其它外部環境條件不變時，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，石膏粉含雜質越多，熱膨脹系數越??；石膏粉越純凈，熱膨脹系數越大。

5 測定石膏粉熱膨脹系數的方法

為準確測定出半水石膏粉在水化過程中的熱膨脹系數，我們采用的儀器是汞池測試儀。

5.1 使用的工器具

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。

5.2 測定方法

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。

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，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，應特別注意做好記錄，不可移動或震動汞池，以防出現誤差。

1 傅培貴，王樹棨.陶瓷用模具制造.北京：輕工業出版社，1984

2 劉禧齡.相關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品開發及生產工藝、石膏模型技術、陶瓷便器節水技術。E－mail：tswty631108@sina.com