提高石膏模型强度的方法

一、注浆成型用模型的三要素 
    注浆成型用模型的主要功能是从泥浆中吸取水份，使泥浆由流体状经触变状态为具有可塑性的固态泥坯。由开始的含水近30%的泥浆，变为含水17%的泥坯。尽管在吸收水分的同时，也有种种复杂的诸如离子交换的反应，但主要是吸收水分，使泥浆失水13%左右而形成泥坯。当然，形成的泥坯应当有一定的形状，这也是模型的功能之一。因此，不论是什么材质的模型具备三个要素就能用以注浆成型。这三个要素是：一能吸入并能容纳一定量的水。如不能吸水，并且不能容纳一定量的水，都不能使泥浆成为坯体。同时也就有将容纳的水释放出去的能力。二具有适当的吸水速度。这种吸水速度可用扩散系数Dg表示（Dg 在后面有详细说明），Dg太大或太小都不利于坯体的形成。三具有理想的强度。应当有适应不同要求的强度，能承受搬运、安装和使用中腐蚀、磨损和冲击。因此应当有抗折、抗压，表面硬度耐水性、耐碱性等要求。 
    除三要素外，还应当考虑到模型的制造周期，制造工艺和制造成本应符合"短、简、低"的要求。如石膏模型就应当考虑到初凝和终凝的时间、石膏的价格等等。 
无论什么材质，只要具备三要素都可以制作模型，因此我们可以据此而调节石膏模型的性能，也可以利用石膏以外的材质来制作模型。 
二、提高石膏模型强度的途径 
    为适应新工艺的需要，必须将石膏模型的干后抗折强度由通常的2.6MPa左右提高到5MPa以上，许多新的材料和添加剂的出现，成型机械化的实现为高强度石膏模型的制作和应用奠定了基础。因此可以采取多种途径提高强度：1、使用高纯度石膏粉；2、使用高强度石膏粉；3、使用真空脱气搅拌；4、使用合适的添加剂；5、使用处理后的水搅拌成石膏浆；6、使用加强筋或加强纤维；7、使用若干种材质的复合层模型；8、降低石膏浆的加水量，使模型致密；9、对制作的模型进行合理的烘干；10、使用模型时的温度和湿度应适当；11、搅后的石膏浆注模前过筛；12、石膏粉的细度应当越细越好。 
三、通过提高石膏模型致密度来提高模型强度是可行的 
    通常认为注浆用模型的气孔率应45~55%之间，制模时的膏水比为1：0.8：0.9。但是随着人们认识的发展，实验和生产都证明膏水比1：< 0.8。气孔率<40%时，如果模型中加入适当的添加剂，模型的吸浆性能反而优于膏水比1：0.85的模型。同样的环境，同样的泥浆形成同样厚度的坯体，前者只需45分钟，后者则需60分钟模型抗折强度：干时前：后=2：1，湿时前：后=3：1。由此可见，选用合适的石膏粉加入适当的添加剂。致密的模型更有利于良好的坯体形成。由于模型致密，强度也随之提高。我们的实验证明：膏水比为1：0.6时制成模型也是适用的。 
四、提高致密度有利于石膏模型使用后期吸浆速度的稳定 
    实验和生产都证明这样一个事实：模型经几十次的使用后，由于受水、电解质、泥料的侵蚀和表面的磨损，变薄了，也变得疏松了。疏松容重变小意味着模型内的毛细客直径变大了。气孔率增加了，相当于膏水比变小了，与此同时强度下降，或坯速度变慢，同时这也是模型后期易损坏的原因之一。 
在一定范围内，成坯速度与膏水比呈如图（a）关系： 
    如新模型开始膏水比为B，则后期移向C，成坯速度Wp呈下降趋势；如新模型开始膏水比为A，后期向B移动，Wp呈稳定趋势。 
    由上可以看出模型适当致密是有利的。 
五、石膏模型的Dg与Wp的关系 
    扩散系数表示在单位时间内液体在多孔材料中扩散的面积。石膏模型的扩散系数表示为： Dg=X2 / t。其中：t为时间（秒），X为水上升的高度（厘米）。WP为一定时间内形成坯体厚度（厘米）。 
Dg和WP的关系如图（b）所示。 
    在一定范围内Dg大，WP的反而小，在一定范围在Dg 变化，WP不变；在一定范围内Dg增大，WP也增大。 
    Dg大，则吸水能力大，Dg太大，泥浆在模型表面最初形成太密，从而影响进一步吸水，妨妨碍坯体继续形成；Dg太小，吸力小，也不利于坯体的形成；Dg适当，可使坯体初形成层保持多孔性，不影响内层水的通过，使坯体形成快而均匀，使坯体内外层密度相差不太大，也减少坯体收缩时的缺陷发生，那么如何使Dg适中呢？请看下文。 
六、影响石膏模型Dg的因素及其调节 
    影响石膏模型Dg因素的有：1、石膏粉的种类和纯度；2、膏水比；3、搅拌时间；4、是否真空脱气搅拌；6、添加剂的种类和数量；7、石膏粉的细度。 
如果采用θ石膏粉，纯度较高，膏水比、搅拌时间和速度适中，使用真空脱气均能使Dg提高，而采用合适的添加剂则可使Dg提高，也可以使Dg下降。据目前了解：有机的、水溶性较强的、粘度大的可使Dg下降；而粘度小的、无机的、水溶性差的可以使Dg不变或者使Dg提高。因为Dg太大太小均不好，而Dg又受诸因素共同影响，因而要依据不同的条件和需要进行调节，对Dg也难以规定确切的数值，比如泥浆组成不同则需要不同的Dg值。 
七、真空搅拌和注模前过筛有利强度、光洁度和硬度的提高 
    真空搅拌有利于提高模型的强度已成为共识。但是作用不仅如此，它还有利于光洁度和硬度的提高。由于真空搅拌，减少了许多气泡，使模更加致密，从而增加了模型表面的硬度和光洁度。由于大批量生产的石膏粉中难免有粗颗粒，大批量制作模型时难免搅不均匀，搅拌桶和管道中也许有残存的渣子，这些杂质进入模型中，必定影响强度、光洁度和表面硬度。如在石膏浆注入模型前经过一道30月左右筛网，就可以有效地挡住杂质，从而提高模型的强度，光洁度和表面硬度。过筛大兴安岭有一个作用：即由于过筛缓冲了石膏浆的入模速度，从而破坏了可能产生的冲击气泡，使模型更致密。 
八、应当在提高强度的同时减薄石膏模型厚度 
    普通石膏模型的厚度都相当厚：一般在65~90mm左右，究其原因，主要是由于石膏的强强度太差，薄了不行，易破损。结果有的达到100mm。既费了石膏，增加了成本，又搬运困难，加大了工人的劳动强度，并且也不容易干燥，同时也增大了所占有空间，不利于提高单位作业面积的生产率。也许有人认为薄了会影响模型容纳的水量，是否真的这样呢？减少到多少厚度才合格呢？本文暂不考虑强度，而只从最小的厚度为多少进行一下分析计算： 
    通常注浆用泥浆比重为1.8，干重71.2%，可塑状态的湿坯比重为2.07，干重为83%；设形成面积为1cm2厚度为1.3cm的坯块，需要面积为1cm2气孔率36%的石膏模型厚度Xcm则有如下计算： 
    湿坯体重：2.07×1.3×1×1=2.691g 
    湿坯体含干物料2.691×0.83=2.2335g 
    湿坯体的形成需泥浆2.2335÷ 0.712=3.317g 
    泥浆形成湿坯体失水3.317-2.691=0.446g 
    如认为所失水全为模型所吸收（实际并非如此）并且只占模型气孔率的1 /3，即12%（实际也高于此值） 
    则有：X×1×1×12%=0.446 
    所以，单面吃浆的模型只需X=3.71cm厚即可，如果双面吃浆，每面为2cm足够了。可见，如用高强度，气孔率在36%左右的模型，单面吃浆可设计厚 40~50 mm，双面吃浆可设计成厚25~35mm ，按此数值计算可以比目前的模型少用1/3~1/2的石膏粉，可以大大降低成本和重量。 
九、石膏模型的外型（非工作面）设计应当重视 
    某厂的模型外型几乎全是凹凸不平的，有的类似暖气片状。经思考良久受到启示，认为设计相当科学：1、模型的上沿、边棱外较厚，其余处较薄，便于搬运；2、有薄有厚，厚处有加强筋的作用，有助于提高整体强度，符合材料力学的原理；3、薄厚不一，可节省石膏粉减轻重量，但强度不受影响；4、增大水分蒸发的面积，有利于模型的快速干燥。 
    这种设计如能和减薄模型的可行性结合起来将更科学、更完善。 
十、选用合适的添加剂，可以提高石膏模型的开口气孔率、耐水性能和韧性 
    注成的石膏块脱模后立即称重为W1（此时水份蒸发不多），干燥至恒重后再以水充分浸泡至恒重为W2。普通石膏粉制成256cm3的试块W1-W2= 25g，如用加入添加剂的石膏粉制成的同样的石膏块，则W1-W2=10g，甚至W1-W2=6g 。（这种实验是在相同的条件下进行的，石膏块的容重也相同）显然加入某种添加剂可以使开口气孔率提高5%以上，这无异有利于模型性能的改善和吸水能力的增加。 
    注浆用石膏模型是在干湿交替的状态下工作的。石膏模型干时和湿时的抗折强度、抗压强度、表面硬度相差很大。通常的石膏模型抗折强度干：湿=3：1，硬度干：湿>5：1。干时相当硬的石膏块浸湿后和软木无异，模型在湿时也易断、易表面脱落。要提高石膏模型的寿命，增加湿太太下的强度和硬度是重点，应当设法以添加剂增加石膏模型的耐水性。据资料和实验，我们发现加入添加剂可使抗折强度干，硬度和耐磨度也有成倍提高。 
    加入添加剂还可以增加模型的韧性，解决模型由于太脆而致使在使用中破损的难题。