石膏模型的制造方法及其在浇注成形中的作用.pdf

石膏模型的制造方 法及其 在浇注成 形中的作用一、JHl舀石膏在缎烧中分为两个阶段进行脱水。对于所谓烧石膏的凝结硬 化,最初根据其3/4克分子 的水合作用进行科学的研究的,概为AL拉瓦西埃 氏(1 76 5年)。继而,夏特利埃氏(1 887年)又得出所谓硬化就是 石膏的半水 盐呈现过饱 和现象的结论。在这个时期和以后,又看到许多关于说明石膏的分解及其硬化现象 的研究报告。在陶瓷工业中,把烧石膏用作母 模,用作注浆成形用 模型 和机械辘转用模型,主要是因为它们容易制造,吸水性大,脱水快,价格便宜,特别是能成批生产同一规格的 模型,等等。在制造注浆成形用模型之 际,烧石膏泥浆在凝结时,只发生约0.2%的膨胀,因而能 制得纹样极为纤细的模型。成形坯体时,石膏的水溶量 很少,模型内壁同粘 阴于它 的粘土进行粒子交 换,模壁上的粘土成为团粒促进水往型体内部的渗透和扩散。石膏挨型因为有这些 优点,至今仍是陶瓷工业中不可缺少 的辅助材料。最初使用石膏模型,特别是使用浇注成形模具材料的是法 国的塞夫纵瓷器 研;究l所,据云,这是十八世纪后期的事情。当时,人们还不知道如何将浇注泥浆解胶。在进入一一九世纪以后,捷克斯洛伐克卡罗维 发利地区的 工厂发现,往浇注泥浆中汗加碳酸 钠,就能获得禧水量少、流 动性良好 的泥浆且易脱模。从此,浇注成形法开始被广为采 纳。但是,碳酸 钠的使用,直至以后的一百年,还被严守秘 密。在陶瓷工业中,尤其用来制造模型 的烧石膏,称为“巴黎烧石膏”。这 种石膏原料,当时多发现于巴黎盆地 的第三纪层,该称 正是 由来于兹。巴黎烧石膏被德国陶瓷 协会和 法国称为“模型用石膏(Forme:、gips德文,Platr edemoulage法文)”,被日本称为“模型材料用石膏”。但任何国家都将用来成形 的模型简称石膏模型。二、石膏的锻烧条件制造石膏模型用的烧石膏,其主要成分为半水硫酸钙(CaSO:1/ZH:O),它是锻烧caSO4ZH:O而获得 的。原则上,一般以纯度高的石膏作为原料,但因其中常含有 微量各种杂质,故不但颜色不 同,而且 制成的烧石膏,性质也不 同。即塑模石膏一译者。照道理,要想把石膏原矿制备成半水石膏,就须 以低温缎烧该原矿,但其 性质依脱水条件的变化而变化,所 以制得性质稳定的半水石膏是困难的。半水石膏分为a型与 日型 两种。由a型半水石膏制得 的石膏模型强度极大。a型半水石膏须在高于115OC的水中或饱和水蒸汽中经过再晶化始能获得,所以在制备过程中必 须使颗粒表面形成一层薄薄的 吸着水膜,为 此,必须在水蒸 汽多的气氛中加 热石膏。日型半水石膏须在高于lo0OC的千燥气氛中快速股烧始能获 得。经过 粉碎 的石膏在加热时,温度上升到1 2 8OC便开始 急剧沸腾。但沸腾开始到终了,石膏温度始 终不 会上升,进行一次脱水。若再提高温度,则在163“C开始短暂的第二次沸腾,此时,石膏便进行二次脱水。若 再进一步提高温度,则半水 石膏便开始进行分解,放出结晶水而变为无水 盐。当把温度提高 到80 0 一1 0 0。C时,它就成 为死烧石膏或金氏水泥(干固水泥)。一次脱 水石膏比二次 脱水石膏,可塑性高,易于加工。后者的硬化体比前者致密,强度大。模型用石膏的制备方法,各国都不相同,但一般都采用平窑。英国的加热锅是用砖砌成的,其直径为3.7米,深 度为2 02 3厘米,装料量约为3吨,厚度大至 1 5 厘米,是用旋转 棒搅拌的。在1 200C下将石膏加热3小时,倒出后装入另一加热锅,将加热进行到160“C便停止。这时,水蒸汽排除量越来越少。当它一亘变成一 次脱水石膏就倒出来。锻烧温度依厂 而异,为15 0 15 5OC、12 0 一1700C,或约为170“C。这样处理的原因是:制品的质量不 仅取决于温度,而 且也 取决于搅拌效率和水蒸汽的压力。美国和加拿大大都采用平窑缎烧石膏,日本也大体如此。平窑系大的钢制园筒,高度为2.4一3.0米,能装8一 1 5吨石膏,底部 呈 弓形。石膏原 矿是 经过粉碎之后,通过 电磁石,再经 过粉碎而进入锻烧 室的。在锻烧 室内,为了避免部分过热,要不断地进行搅拌。锻烧室 的通风装 置,必须使所装物料的温度恒定,以使a型半水石膏充分生成。温度要保持约1 2 00C,直 至排除绝大部分水 分为止。但是,仍有一小部分水分在加热到二次沸腾才被排除,这时的温度为176OC。而另一部分水则加热到进行二次脱水时被排除,这时的温度 为1 900C。二次脱水石膏的含水量在许多情况下 比半水石膏为少,由于 吸水而硬 化,往往称之为可溶性无水石膏。绝大部 分由a型半水石膏形 成的 制品,称为a型烧石膏。其硬化物强度非常高,是将石膏在高压下加以饱和而烧成的。三、石膏模型的制造方法所谓石膏之具备塑性,既 不可有枯着性,亦不可贫瘩如沙。它应该柔软并带天鹅绒般的触感,用手 抚摸时感觉油腻。石膏一 旦硬化就蒸发出游离水,留下气孔。因此,掺水量越多,干燥硬化体时留下 的气孔就越多,所以,吸水速度与蒸发速度相等。吸水性并非石膏模型唯一的特性。浇注 用模型的气孔率,一般比塑模高。然而,正如下而所述,水分的扩 散系统,比泥浆的附着性更为重要。若减少掺水量,硬化体变致密和坚硬,抗弯强度和耐磨性变得很高,但吸水性却减低。造成a型 石膏稠度均一所需要 的掺 水量,比普通烧石膏的要少,这会使硬化体变得十分致密。图1表示石膏模型的 密度、抗弯强度和 吸水率依烧石膏稠度变化的程度。姗咖银侧咖蛆私吸求到妙随扩)次衡喊鲁对群邝3 0 朋再弱绍动扩封拓韶兄鬓以效吞偷工那切荃匆2浏733汤55.1日738滋a“娜尸%“脚以睽汀花侧踌恻淇鬓必里洲,7狡.6可万歹可顶厂丽硬石盯五习踢娜洲.f f e I卿浏撇晰膏:水(诉浙力图1:稠度对石膏模型 的抗压强度、密度和吸水率的影响烧石膏的疑结时间约为1 5 3 0分钟。当半水石膏和水相结合而凝固时放出相当多的热量,膨胀约0.1一。.2%。此值与含水 量成反比,与施于模型 的压力成正 比。凝结时 间可用增加或减少少量添加物的方法调整。粘土 是最有效的凝结延缓剂,混于纯度较差的石膏中。这与粘土之于有机胶类的情形相同。若受 温度的影响而变暖,凝结时间便缩短。石膏结晶会促进凝绪。一般而言,这并 非好现象,在制备新的调配物时,必须清除用 过的 混合容器 内的石膏徐物。凝结得快,就添加石膏粉,效果良好。但是,制造石膏模型时最好既不添加延缓剂,也、21不添加催化剂。使用添加剂,很难使它十分均匀地扩散。烧石膏在陶瓷工业中的用途有三:1.制造又致密又能加工的模型时用之,2.制造由可塑坯料加压成形和辘护模型时用之,3.制造浇注模型时用之。用 石膏模型由坯泥成形坯体时,它 同时起两个作用。模型吸 水时,坯体水份减少而变硬,并 由于 硫酸钙稍溶于水,粘土 同时受钙离子和硫酸盐两者凝固离子的影响。因此,将解胶 的泥浆注入石膏模型 时.泥浆凝固在石膏面上,因而获得坚硬的浇注物。这是 锻烧石膏极为重要的物理化学作用,在使用气孔率适宜的石膏模型时,千 勿忽视。由此看来,浇 注用 石膏模型的气孔率,不一定比辘护用模型高,即使使用 吸饱水的模型,泥浆也会粘着于 它。制造辘护用和浇注用石膏模型 的标准掺水量重 量 比如下:辘护用模型:烧石膏10 0,水78;浇注用模型:烧石膏10 0,水9 0;但是,预先根据烧石膏和 坯泥 的性质确定最适宜的掺水 量,是很 重要的。例如,成形陶坯 和骨灰瓷坯体用 的辘护模型,以及挤压.炸罐衅一嶙成形用的模型,可以直接用来浇注成形,但不适用于陶坯 的注浆成形。要使用浇注用石膏模型快速成形,必须使模型的密度适宜。应该指出,模型的密度 依泥浆和烧石膏的性质而变化。图2中的曲线表示用高压 锅和由烧 石膏成形 的模型 以浇注 法成形陶器坯体的结果。曲线B表示 用平 窑和 由烧 石膏成形 的模型浇注另一种 泥浆的结果。不管那一种结果,表示成坯最高 滇的模型密度范围非常狭小,而且最高值与最低值相差1 5 一2 0%。刃刃绷切招肠科封动权念忿类蓄撬瞬图2:两种浇注 用石膏模型 的密度 和浇 注速度的关 系最 适宜 的掺水量确定之 后,按一定的规距往规定量的水中倒入烧石膏,进行搅 拌,以制备石膏浆。这时,搅拌 方法、搅拌 时 间乃至水温等,都要按正规方 法严加控制。石膏泥浆系显示震凝性质的代表性物质,即使确定了搅拌时间,一日.搅拌方法 和条件发生变化,硬 化体的性质也 会随之变化。烧石膏即使置于容器中严 加密封起来,往往也会吸湿,所以有 必要 在使用前测定吸湿量。石膏 泥浆若不搅拌得 十分均匀,就不能使石膏模型的气孔率均 一。如果换个地方 放 置,吸水速 度也变化,这使成坯 厚度和收缩率不均一,在干燥中发生变形 和龟裂。因此,用机械搅抖,比用手搅拌效果好。使 用 不锈的金属桶和螺 旋桨为宜。桶的尺寸 应 为:底 部直径占高度的2/3;上 部直径 与高度相 同。调配 物的装量占桶 容积 的3/4。螺旋 桨安装 在 离底部 有-2.55厘米之处,以使它能往 下加压浆料。一般,旋 转轴离垂直 线有 1 5一2。往预先静置的水中倒入烧石膏,放置2一5分钟,一直搅拌到变为(不含空气的)奶 油般的稠度。锻烧石膏时会有许多圆形小气泡混入颗粒。搅拌时最重要的是彻 底排除气 泡。搅拌时间 以25分钟为宜。检验气泡的方法是:用样拘取其一半的石膏浆泥,倒入耳张玻璃的中间,加压到成。.0 4厘米,进行对光检查。这时会观察到气袍该了气泡资最好不超过1。个。如果不能把泥浆作成奶油状,在瞬结前颗粒就会聚集在一起结成疙瘩,篷型下部粗覃高,结果出现针孔并结块(致密的斑点)。_为了排除这 些缺点,人们 想出了真空搅拌方法。用在真空中搅拌泥浆的方法制备的硬化体,比用普通的方法制备的更坚硬。表1为说明该情况的一例。图3表示 搅拌时 间与硬 化体密度的关系。硬化时间约为1 5一3 0 分钟。硬化停止 后,模型要经过干燥,即进行脱水,这使模型容易龟裂。最适宜的干燥条件是:在湿度相当大的空气中干燥,干燥温度不超 过4 5OC。但实际_匕若将干燥 进行到接近700C,虽不 会“烧伤”,但会大大缩短模型 的寿命。图4表示干燥温度与脱水的关系。表1经 过脱气处理的石膏模型的性质干燥体的抗弯强度烧石膏,水吸水率%气介、2义侧.闷.、湿模型的 比重干模型 的比重、与2 人一产 侧.卜、夕戈 曰.门.、(公斤/厘米“)产.卜-产、一曰.、脱气33。7 5工0。004 5。91未脱气脱气未脱气脱气未脱气 脱气100:7010 0:8 01 00:9035。144 2。6 04 8。36。47 6。43 7。40 91。47工1。43 31。4051。14 51。0150。9601。1 341。0 00、0。93787。9 067。4946。40未脱气7 0。8 058。0742。8 8参乡一夕尹严,J了户f.1 M娜份仅脚碱矍一妞橄制造陶瓷器时使用石膏模型,是因为它能使 坯体成形、凝 固和脱水。石膏模型在使用前必须经过干燥。如果十分爱护使用模型,即可用20 0 一 3 00次。用于塑法成形 的模型,有使用1 00 0次的记录。使用湿模型,很快报废。使用化 学药品对浇注泥 浆进行 解胶,就会对石膏带来不良影响。碳酸钠和硅酸纳逐渐同 流酸钙发生反 应,生成碳酸钙、硅酸钙和 硫酸呐,然后胶态枯土就进入型体气孔中。干燥石膏模型图3时,可溶性物质会被吹到表面,使模型报废。不接触泥浆的表面,件接触泥浆的表面风化较少。石膏模型从使用上看,解胶剂的用量 越少越好。有 机解胶够对石膏模型无氰但气味大,价格高,故非万不得已不使用。解胶 剂对石膏模型危害的J顿序如下:23龟,几 百.了.苦几.胜.11.11:.l一。一钟厂,一炕尹厂/l尸一尸/月、/一|尸|冲唯日日队湘川队川甘叶加卯印7 0印必劝刃动伯幼即次咖嘱场湘如书观功劝功阅动刃加恐彻镶分书如瀚,一一满一 一一一一一,幻肋刃动刃印刃印时司(小时)、了_二一。勇 拍司(,J、匆团时)O O才二恕时拍八U图4:干燥石膏模型时结合水的排除速度苛性钠碳酸钠)碳酸钠十水玻璃铝酸钠水玻 璃铝酸钠+丹 宁酸钠碳酸钠十丹宁酸钠碳酸钠十丹宁酸钠+水玻璃。丹宁酸、柠檬酸、梭甲基纤维素等能抑制危害石膏的碱性物质,起保护性胶体物质的作用。因此,预先用它们的水溶液浸润石膏模型的内面,就能延长它 的使用寿命。石膏模型对酸性物质的溶解度比对碱性物质的溶解度大得多,所以它对酸性浇 注泥 浆 来说耐 用性很差。目前,对于石膏模型内解胶剂 的保护问题,正在进行研究。例如,用聚丙烯酸碱性盐水溶液浸润石膏模型,使其表面形成不溶性薄膜,在浇注 用模型 内壁涂以石墨粉,等等。用 浇注法由不发生离子交换的特殊粉料泥浆成形坯体时,预先往石膏模型内注入经过粉 碎的料浆,将其附着于模壁之 后排出料浆,再注入掺有解胶剂 的特殊粉料泥浆。用挤压 成形机或滚压成形 机 由可塑性坯泥成形坯体时,要求石膏模型 具有很高的强度。为此,人们正在 研究 各种添加 剂和能取代石膏模型的新模种。我们 经常看到,把热塑性树脂,特别 是氧茂(吠喃)、苯 酚、尿素和密胺作 为制模材料,以及把这些树脂同石膏掺和制成模型 的研究报告,但 使用效果却不十分清楚。四、液体在石膏模型的扩散与成坯速度的关系石膏模型的气孔率高,说明吸 水量多。至 于浇注泥浆成坯 的厚度,则是 另外的问题。气孔率并不能说明气孔的种类、大小、可湿性等,它只说明气孔的全容积。图弓为使用气孔率不同的一些石膏模型,进行注浆和排浆,以检测 一定时间内的坯体凝量的结 果。成 坯需要以所谓“动力”大小表示 的一定的吸收能。若水在型体内扩散时的扩散系数为Dg,则Dg以D=(病)2晋厘米/秒表示.式中,c为石膏模型的最高吸水率,Q为F厘米2右膏内面同水接触后经过t秒的扩散所吸收的水量(克)。图6为泥浆在扩散系数不同的石膏上经过一定时间的凝聚量。从该图可以看出,扩散系数小的模型,凝聚量多。即是说,数越小越好。要制造浇注成形用 的石膏模型,扩散系犷司动碧招乃权咖枷誉撬勇.漆啤(兹/,绍石膏模型的气孔率与凝集量的 关系要减小扩散系数,必须注意下列 事项:1.力口大烧石膏与水之 比,2.延长掺水量多的泥浆 的搅拌 时 间;3.用浇 注法由经过搅拌 混合的泥浆成形模型时,停止注浆泊时间要缩短咬即加工时问)。产式月IJ/刁了心生刁34J扩截系收健升协少乙又拍一2动刃邓打肠银如枷峨唤图6:石膏模型 的扩散系数与凝集量的关系娜中8rwe产O耳2宝众巴写来够朴l_、_道宕丈 参丈肠2.0廊翻泳之堵娜姗)气褒巴码场嗽雄林找并时可份 一一/-加工时向(的图7:制造石膏模型时依条件之不同所起的扩散系数的变化图7所示为其三个实例,其他性质例于表2。表2石膏模型 制造条件的变化|刁|J一一月才了1自月妞n U户0行r,J.一11CO en,.,11匀nJ-一-一一-一-一兰一烧石膏与水之 比(公斤/公斤.2搅拌时间(分)”!加工时间分)4模型的密度(克/厘米3”.95!凝结开始的时间(分)1 71气孔率(%)5 53。3另外,石膏模型使用到一定的程度时,扩散系数减小。五、浇注成形用石膏在使用中的变化要延长石膏模型 的使用寿命,必须把它造得致密。模型造得致密,扩散系数就小,因而成坯速度也快。石膏模型在使用前是 需要经过干燥的,但母须过干,应保留一些剩余水分。根据浇注成形的性质,石膏模型的水分以6一7%最为适宜。石膏模型 系多孔性。由于浇注泥桨含有解胶剂,它与模型内的石膏发生化学反应,慢慢积存于型体内。这时.也会有少量胶质粘土进入气 孔。碱性解胶剂中从碳酸钠 分解出来 的碱比从水玻璃分解出来的更容易渗入型尸不不江体内部,它与硫酸钙 发生反应,生成硫酸钠。这种硫酸钠,依干燥条件之不同,或是析出模型 内壁,或是 积存于型体内。使用较多的碳酸 钠于解胶剂快速干燥模型,就使型体中的硫酸钠的积存量增多。硫酸钠成 为结晶水晶 化,这时产生 的压力使模型膨 胀并开 裂。图8为取 自型体内试样的热分翰峨.0 S娜别转之。5;名佑。绷伍抵论膝O林策水减容图8:离浇注面有2厘米深处的石膏试样的热分析曲线析结果。从该图能看出硫酸钠的存在。图9为曾用来成形卫生陶器的废旧石膏模型的干燥面、型体内部和浇注面试样的热 分析结果。从 该图看不 出反映内壁浇注面特点的峰;有硅酸钙 和碳酸 钙的变 种t一CO3(vaterite)存在;在干 燥 面上积存着有 机物。由于曾用毛刷 清除了走出表面 的硫酸钠,在 热 分 析曲线上反映不 出它的存在。有 机物溶解后走出表面与否,是由枯土中有机物的种类和解胶剂 的用量决定的。粘土中含有 碱性可溶性有机物质。图9:废旧石膏模型的 浇注面(上线)、中心部分(中线)和干燥面(下线)的热分析曲线哄争袱盗岌丫)六、结语陶瓷器用石膏的质量在日本工业规格R9ll l上有规定,所以商品本身的质量并无多大差异。但是,事实上在使用石膏模型的现场却出现了许多问题。调查的结果,这主要是多由于缺乏对于石膏和石膏模型 的知识,处理不当所造成的口(王景圣译 自日本陶瓷1 9 73一6,P425432)