陶瓷模具石膏增強研究現狀

劉俊杰 謝艷亭 李彩霞 郝文姝 陳燕

摘 要：簡要介紹了陶瓷模具石膏的增強機理，根據國內外對模具石膏增強的研究情況，分別對模具石膏摻入外加劑、纖維、耐磨填料和無機凝膠材料的研究現狀進行闡述，并對改善模具石膏綜合性能，提高石膏模具使用壽命提出了期望。

關鍵詞：模具石膏; 石膏增強方法; 石膏增強機理

1 前 言

陶瓷石膏模具，作為陶瓷成形過程中的重要組成部分，其凝結硬化快，生產周期短，模具周轉快，易實現大規模產業化生產，廣泛應用于注漿成形、旋壓成形、滾壓成形和半干壓成形等陶瓷生產工序中[1]。石膏，作為陶瓷石膏模具的主要原料，其礦產儲量豐富，價格低廉，用其加工的陶瓷模具棱角分明，尺寸穩定，變形小，綠色環保可回收[2]。由于陶瓷坯料和漿料水分較大，在成形過程中要將其水分排除，因此對石膏模具的氣孔率和吸水性提出較高要求，其顯氣孔率一般要達到30%-40%[3]。石膏模具膠凝、干燥后氣孔率高，導致模具強度降低，同時在搬運與成形過程中的磕碰、摩擦、擠壓等物理變化和模具與坯料、漿料之間的化學變化，嚴重影響模具的耐磨性和耐溶蝕性，進而影響模具使用壽命[4]。目前，注漿成形石膏模具使用壽命小于100次，產品生產成本較高[4]。因此，部分廠家嘗試用塑料模、木模、鋼膜和樹脂模作為石膏模的替代品，但由于其吸水性差、成形工藝復雜、成本較高等因素，只應用于一些特殊產品，而無法大力推廣普及[5]。

隨著陶瓷產業的快速發展，石膏原料日趨減少，質量有所下降，但價格日益上漲，石膏模具質量下降，導致陶瓷產品成本提高。目前，國內陶瓷模具石膏大多采用β-半水石膏，其價格低廉，但強度低，耐水性和耐磨性差，大大降低石膏模具的使用壽命。同時，隨著機械化的進一步發展，在陶瓷成形過程中，對石膏模具的強度提出更高的要求。如何延長陶瓷石膏模具的使用壽命，關鍵在于對陶瓷模具β-半水石膏進行增強，提高其強度、耐磨性和耐溶蝕性，改善其綜合性能。

2 增強方法及機理

2.1 增強方法

目前，一般采用摻入外加劑（如緩凝劑、減水劑、消泡劑、增強劑、塑化劑等）、纖維（如聚丙烯纖維、玻璃纖維等）、耐磨填料（如石英砂、石墨、二硫化鉬等）和無機膠凝材料（如水泥、高爐礦渣等）來提高陶瓷模具石膏的強度、耐磨性和耐溶蝕性。

2.2 增強機理

2.2.1 緩凝機理

在模具石膏中摻入緩凝劑，緩凝劑與石膏發生化學反應，生成的絡合物或沉淀膜覆蓋在石膏晶核表面，抑制晶核的長大，達到緩凝目的。摻入緩凝劑，可改善模具石膏的凝結時間和工作性能[6]。

2.2.2 減水機理

在模具石膏中摻入減水劑，可以減少拌合用水量，降低水膏比，使石膏硬化過程中由于水分蒸發而形成的孔隙大大減少，從而降低石膏硬化體的孔隙率，使孔徑細化，孔結構得以改善，進而提高石膏的強度、耐溶蝕性和耐水性[7]。

2.2.3 消泡機理

消泡劑既可抑制泡沫的產生，也可破壞泡沫的穩定性，用于消泡。在模具石膏體系中加入消泡劑后，消泡劑分子雜亂無章地分布在液體的表面，抑制彈性膜，中止泡沫的產生。

當體系產生大量泡沫后，加入消泡劑，其分子立即分布于泡沫表面，快速鋪展，形成很薄的雙膜層，進一步擴散、滲透，層狀入侵，從而取代原泡沫的薄壁。由于其表面張力低，便流向產生泡沫的高表面張力的液體，這樣低表面張力的消泡劑分子在氣液界面上不斷擴散、滲透，使其膜壁迅速變薄，泡沫同時又受到周圍表面張力大的膜層強力牽引，這樣，致使泡沫周圍應力失衡，從而導致其“破泡“。不溶于體系的消泡劑分子，再重新進入另一個泡沫膜的表面，如此反復，所有泡沫，全部覆滅[8～10]。

2.2.4 耐磨性機理

在模具石膏中摻入高硬度的石英砂使得其表面硬度增高，當用砂紙打磨時，能夠被壓入表層的磨粒數減少，壓入深度和磨痕寬度也都減小，進而模具石膏磨損率下降，耐磨性提高。

另外石墨和二硫化鉬的塑性較高，可改善模具石膏的脆性;同時石墨和二硫化鉬有潤滑作用，能降低摩擦系數，可以提高模具石膏的耐磨性[11，12]。

3 研究現狀

3.1 外加劑增強

通過摻入外加劑來改善模具石膏的綜合性能，一直是國內外學者的研究熱點[13，14]。其中，大多集中于摻入減水劑來降低模具石膏的水膏比，改善石膏孔結構，提高模具石膏的強度。朱登玲[7]、魏桂芳[15]和趙敏等[16]在模具石膏中加入聚羧酸系減水劑，研究發現，減水劑的摻入可有效提高模具石膏硬化體的強度和耐溶蝕性，隨著減水劑含量的增加，模具石膏強度先升高后降低，其最佳摻雜量為0.15%;蔡劍育等[17]發現，隨著聚羧酸醚高效減水劑（PCE）的增加，模具石膏的流動性增加，凝結時間延長;Sakai等[18]指出，聚羧酸減水劑（PC）與模具石膏顆粒表面的空間位阻效應，使模具石膏的分散性良好且穩定;彭家惠等[19～22]研究發現在模具石膏中摻入FDN減水劑，可顯著提高石膏硬化體的強度，而且在粉磨前加入減水劑，可增大比表面積，使石膏顆粒細化，提高粉磨效率;李青[6]研究發現在模具石膏中摻入0.5%-0.7%的FDN減水劑，可顯著提高石膏硬化體的強度，若摻入過量，反而使模具石膏的強度降低;豐霞[23]研究了蜜胺系（SM）減水劑對模具石膏性能的影響，發現蜜胺系（SM）減水劑可在一定程度上降低石膏的標準稠度用水量，提高石膏試樣的強度，其最佳摻量為0.6%。

除摻入減水劑外，有學者也對摻入其他外加劑作了部分研究。魏桂芳[15]、李青[6]和趙敏等[16]在陶瓷模具石膏中摻入磷酸三丁酯消泡劑，研究發現，磷酸三丁酯可消去模具石膏攪拌過程中引入的氣泡，增加模具石膏強度，其最佳摻雜量為 0.07%;豐霞[23]和李青[6]研究分析了檸檬酸、多聚磷酸鈉、硼砂和骨膠四種緩凝劑對模具石膏性能的影響，發現這四種緩凝劑均隨著摻雜量的增多而導致模具石膏強度降低;李青[6]研究了聚乙烯醇、硅溶膠和乳膠粉三種增強劑對模具石膏性能的影響，發現三種增強劑均隨著摻雜量的增大而抗折強度增大，達到最大值后隨著摻量增加抗折強度反而下降，聚乙烯醇的增強效果最好，乳膠粉可以提高模具石膏的耐溶蝕性;周昆睿[24]研究發現在模具石膏中摻入VIVID-500聚羧酸超塑化劑，可延長石膏漿體凝結時間，提高石膏材料的耐水性。

3.2 纖維增強

目前，一般通過加入聚丙烯纖維或玻璃纖維來提高模具石膏的抗折強度。朱登玲[3，7]研究了聚丙烯纖維對模具石膏性能的影響，發現在模具石膏中摻入0.04%的4mm長的聚丙烯纖維，提高模具石膏的抗折強度的效果最為顯著;魏桂芳[15]研究發現在模具石膏中摻入的聚丙烯纖維越短，模具石膏抗折強度越大，隨著聚丙烯纖維摻雜量的增大，模具石膏的抗折強度先增大后減小，聚丙烯纖維的最佳長度為4mm，最摻雜量為0.10%;趙敏等[16]認為聚丙烯纖維與減水劑復摻對綜合提高石膏抗折強度、改善吸水率有利;朱登玲[7]和柳華實等[25～27]研究發現，摻入玻璃纖維可有效提高模具石膏的耐水性。

3.3 耐磨填料增強

目前，一般通過加入石墨、石英砂、二硫化鉬等耐磨填料來提高模具石膏的強度和耐磨性。朱登玲[2，7]和魏桂芳[15]研究了石英砂對模具石膏性能的影響，發現小粒徑的石英砂填充在石膏硬化體的孔隙中，由于石英砂本身硬度很高，可顯著提高石膏硬化體的抗折強度和耐磨性，最佳摻雜量為10%;趙敏等[16]研究發現石英砂耐磨填料的添加使模具石膏強度呈先小幅度增加后降低的趨勢，石膏表面質量磨損率逐漸降低且效果顯著，吸水率變化不大;李青[6]及高彥萍[28]的研究表明，石墨、石英砂、二硫化鉬三種填料均可提高模具石膏的耐磨性，其摻量分別為1%、5%、1%時，模具石膏的耐磨性最佳。

3.4 無機膠凝材料增強

通過摻入水硬性無機膠凝材料來提高模具石膏的強度和耐水性一直是眾多學者研究的熱點。朱登玲[5，7]和魏桂芳[15]對比分析了硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥對模具石膏綜合性能的影響，發現硫鋁酸鹽水泥對提高模具石膏強度、耐水性及耐溶蝕性的作用最為顯著，鋁酸鹽水泥使模具石膏的抗折強度和耐溶蝕性大幅提高，但同時降低了模具石膏的吸水率，不適用于模具石膏。隋肅等[29]研究表明在模具石膏中摻入6%～8%的硅酸鹽水泥，模具石膏的強度和吸水率性能最佳;趙敏等[30，31]指出，硅酸鹽水泥（OPC） 和鋁酸鹽水泥（AC）的摻入，可明顯提高模具石膏硬化體的耐水性、 耐溶蝕性及耐磨性;王玉平等[32]發現，當水硬性膠凝材料的摻量小于6%時，可顯著改善模具石膏的強度和抗水性。

4 結 論

目前，對于陶瓷模具β-半水石膏的增強多集中在添加外加劑、纖維、耐磨填料和無機膠凝材料上。我們要利用現有增強技術，綜合考慮各因素對模具石膏的影響，對模具石膏進行合理成分設計，優化模具石膏成型工藝，使模具石膏綜合性能達到最優，延長其使用壽命。同時，我們也期待陶瓷模具石膏增強新技術的出現和陶瓷模具石膏優質替代品的進一步發展。

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