石膏在陶瓷模具的应用现状

    随着陶瓷工业的迅速发展和机械化、自动化程度越来越高，陶瓷生产对成型模具的要求也越来越高。目前，陶瓷行业使用的模具主要有:石膏模具、塑料模具、树脂模、钢模、木模等，现在我国又利用国产设备生产出了聚氦醋橡胶模具。从20世纪初开始，德国、保加利亚、(前)苏联、法国、英国、日本等国科学家分别对其他模具材料(混凝土、陶瓷、金属、塑料等)进行了大量的研究。塑料模具的制模材料，国外除使用环氧树脂外，从70年代末开始研究试用聚氨酷材料制造模具，模具的尺寸精度提高，使用寿命最高可达8万次，达到铝合金铸造模具的使用寿命，但模具的制造费用要比铝合金模具低得多。目前西方工业发达国家的聚氨醋铸造材料己成系列化、商品化供应市场。实践证明，钢模早己实现了国产化，并从模具使用寿命来说，从几万次发展到几十万次，甚至上百万次。在国外某些行业，环氧树脂的用量己占所有模具生产的75%。美国标准卫生洁具公司采用环氧树脂制造的卫生洁具，表面性能好，尺寸稳定，成本低。从模具综合成本、制造时间以及使用寿命考虑，树脂模具适用于小到中批量生产及产品试制阶段，而钢模适用于大批量定型产品生产.由于新产品的更新愈来愈快，树脂模具的采用也日益普遍，成本越来越低。一副钢模需要差不多半年的时间才能完成，而模具树脂表面浇注法只要一个多月就可完成，且使用寿命达到4万次左右。聚氨酷弹性体用于模具，大幅度延长模具的使用寿命。冲压次数由原来的10万次增加到约40万次，降低生产成本。石膏模具是陶瓷行业生产中长期以来使用的传统模具，虽然以上提及的模具有一系列的优点，但由于石膏模具制作方便、原材料来源广泛、成本低、吸水性能好、模具质量轻、可回收利用、不易污染环境，尤其是可以灵活方便的复制清晰棱角线条等许多优点。因此，无论是可塑成型，还是注浆成型:无论是日用陶瓷工业还是卫生洁具陶瓷行业，大多还在沿用大量的石膏模具。

1 发展石膏模具的意义

    石膏模具是陶瓷工业生产中长期以来使用的传统模具，但以注浆成型为主的卫生陶瓷生产中的基础材----一成型模具己成为制约卫生陶瓷产品造型、规整度、劳动生产率和生产成本的重要因素，而卫生陶瓷行业所用的成型模具多采用石膏模具，虽然国内外有些厂家也尝试用其他材料的模具来代替石膏模具，但多因工艺复杂、吸水率低及价格昂贵等原因，只使用于某些特殊的工艺和产品。这是因为石膏具有其他材料所无法替代如下的优势:

    1) 石膏资源丰富

    石膏是我国的优势矿产资源之一我国的石膏矿藏丰富，己探明的各类石膏储量约为576亿吨，居世界首位，而且分布广，类型多。从1982年至1991年的十年间，中国石膏产量均以年平均10.90%的速度增长，远远超过世界石膏产量每年平均增长率的2%～3%，1995年石膏产量猛增到2659万吨，成为世界石膏第一生产大国。

    2) 石膏的价格低

    石膏是一种用量大、运输量也大，而价格又低廉的矿产品。目前，国内矿山交货价大致如下:特级纤维石膏每吨为150～200元;一级雪花石膏，每吨60～100元;普通石膏每吨30～60元;硬石膏每吨为50～100元。我国石膏矿产品价格平稳，山西太原石膏矿的平均价格是55元/吨，山东平邑地区石膏平均价格是40元/吨。

    3) 凝结硬化快，生产周期短，模具周转快，易实现大规模产业化生产，使用周期可大为提前。

    4) 尺寸稳定性好。由于石膏制品的伸缩比很小，其干燥收缩则更小。因而制品的尺寸稳定，变形小。

    5) 绿色环保效应和独特的“呼吸性能”。石膏材料呈中性，放射性极弱，生产和使用中均不排放不利于人体健康的有害物质，外观光滑细腻，与人体亲和性好。而且与其他材料有很好的相容性，不对其他物质产生侵蚀作用，是典型的绿色环保材料。此外，石膏制品还有独特的“呼吸效应”，可以随周围环境湿度变化而吸湿或放湿。

    因此，无论是可塑成型，还是注浆成型;无论是日用陶瓷工业还是卫生洁具陶瓷行业，都还沿用大量的模具石膏。

2 陶瓷注桨成型对石膏模具的要求

    陶瓷注浆成型对石膏模具的要求如下：

    1) 设计合理，易于脱模，各部位吸水均匀，能保证坯体各部位干燥收缩一致。

    2) 孔隙率大，吸水性能好，孔隙率要求在20%～49%之间，模具在出烘房时，须保持湿度4%～6%左右，最大许可湿度为16%～20%，过干会引起制品千裂，同时模子使用寿命缩短，过湿会延长成坯时间，甚至难于成型。

    3) 翻制模具时，应严格控制石膏与水的比例，以保证有一定的吸水性与机械强度，并使模具质量稳定。

    4) 模具工作表面应该是光洁的，无孔洞，无润滑油迹。新模第一次使用前，应用2%的碳酸钠溶液擦拭内壁，以除去残留涂料，也可用1/4调浆水进行刷洗或用砂纸将内表面擦去一层。

3 影响石膏模具质量的因素

3．1模具石膏的陈放

    目前制作陶瓷模具所用的石膏粉，一般是将天然石膏经锻烧(170～190℃)而制成的半水石膏和少量的无水石膏:

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

    CaSO4·1/2H2O＝CaSO4＋H2O (1-2)

    这种方法所生成的半水石膏称为β一半水石膏，它具有结构缺陷和表面积大的特点.由于它制作模具时需加入水分，这一过程所表现的流变学性质，必然影响到模具的微观结构，同时也决定模具表面硬度和模具强度、气孔率和吃浆速率。影响模具微观结构的因素有:①水膏比;②制模过程中混合条件，如搅拌器类别、搅拌速度和搅拌时间。这些因素均影响二水硫酸钙的形成速度、晶体的大小。特别要注意的是模具石膏的固有易变性。

    众所周知 ，水膏比、浆体的稠度对石膏模具的强度、密度、吸水率都有直接的影响。一般来说，水膏比大，模具气孔率高，密度小，强度就低，使用寿命就短;反之，水膏比小，模具气孔率低，密度大，强度就高，但吸水率低。工厂里一般是选择恰当的水膏比以满足生产工艺的要求。如1:1.3左右。

    模具石膏的易变性还表现在炒制不久的石膏粉和经过了“充分陈放”的石膏粉的差异。新炒制的石膏粉，温度高，还没有陈放和均化，活性强，需水量大。即刻使用它来制模，可使模具表面形成很多气泡，整体强度低，所以用这种石膏制作模具是困难的，一般要存放两周后再使用。陈放过程可分成两个阶段，即任何可溶性硬石膏的迅速水合作用形成半水石膏，此后以极慢的速度吸收水分，使半水石膏晶体转向完整，而导致需水量的逐渐下降。若相对湿度不太高，石膏粉能达到恒定含水量的程度。若相对湿度非常高，则水化作用继续进行，以致形成二水化合物，给石膏粉的质量带来不好的影响。

3．2石膏模具的内部结构

    石膏模具的制作，是用半水石膏粉和水调成浆体，半水石膏水化、结晶、晶体相互交织而成硬化石膏体，经干燥而成石膏模具。在制作中其掺水量远远超过化学结合反应所需要的用水量，当石膏模具完全干燥时，多余的水使模具形成了孔隙。组成石膏模的石膏晶体好像是上百万个“牙签”无规则地结合在一起，而这些“牙签”之间的孔隙在各个方向上联结而形成不规则的连续的毛细管。石膏晶体的平均尺寸为2-5μm，晶体间的孔隙极小(坯体原料中一般最小的颗粒也不能从孔隙渗出。

    在石膏模具的整个使用周期中，水渗入并通过模具中这些细小的孔隙，而后又从这些细孔隙中排出。人们一般认为水的这种运动机理是毛细管作用原理。原则上说，石膏模宛如一块具有三度空间的硬海绵，在其整个使用周期中都存在着连续的毛细管水的运动。至于模具 中的气孔率(包括种类、分布)是和石膏浆体的流变学性质及制模的过程和条件相关的.即使确定了需水量和搅拌时间，一旦搅拌方法和条件改变，石膏模具的结构和性质也随之发生变化。例如:用真空搅拌，脱气的模具比未经真空搅拌处理的石膏模具强度高，使用寿命长。

3．3石膏模具的工作过程

    在陶瓷生产中之所以使用石膏模具，是因为它能使坯体成型、凝固和脱水。石膏模在使用前，必须经过千燥，一般新模具含水率在6%～8%为好。

    注浆成型的陶瓷制品，是泥浆浇注在石膏模具中而得以成型的。浇注工艺的确定是在含有粘土的坯料中，加入少量的电解质和少量的水就可以得到较为稀释的泥浆，石膏模具能够从泥浆中吸出部分水分，并有使泥料在模壁上形成厚层的能力，这样才能利用浇注工艺制造出有一定外形尺寸的坯件。因此石膏模具的物理性能，如气孔率、吸水率对于注浆成型的坯体影响较大。如石膏模具的气孔分布不均匀，在注浆过程中各部分的吸水量就不同，那么在相同的时间里，形成坯体厚度就不相同，于是在干燥过程中容易产生变形和龟裂，甚至严重时坯体难以脱模。保持良好的工作状态，是制造优质的石膏模具的必要条件。要确定良好的模具干燥制度，干燥温度最好在55℃以内，不要有震动和打击现象，模具湿度在6%～8%为好。

3.4石膏模具在使用中的变化

    石膏模具是多孔的微溶的物体，注浆成型用的泥浆，为了使其有良好的流动性和稳定性都加有电介质。一般使用的是Na2C03和Na2S04，这两种物质会在模具表面发生化学反应:

    Na2C03+ CaSO4＝Na2S04+CaCO3(1-3)

    Na2SiO3+CaSO4＝Na2S04+Casi03(1-4)

    由于泥浆中的电介质和石膏模具中的硫酸钙发生化学反应，慢慢积存于模具体内.另外陶瓷泥浆中的粘土胶体也会进入石膏模具的气孔中。碱性电解质中从碳酸钠分解出来的碱容易渗入模具内部，它与硫酸钙发生反应生成硫酸钠。这种硫酸钠依干燥条件的不同，或是积存于模具体内，或是析出模具内壁。一旦硫酸钠积存多了，并结晶化，这时产生的压力会使模具膨胀并开裂。

    石膏模具干燥时，模具表面上长出碱毛，它是可溶性物质，其成分主要是硫酸钠。这种物质可使模具的功能有所减弱。上述现象表明模具的腐蚀效应更多地是受陶瓷泥料的影响，从石膏模具方面来说，应将电解质的用量限制在最小的限度.模具被侵蚀的情况通常有三种:①溶解磨损;②溶解引起的孔洞;③化学腐蚀和机械磨损。这些物理、化学腐蚀现象的发生和加深，最终将使模具报废。目前陶瓷石膏模具使用的次数通常在70～90次左右。

4 石膏模具的国内外研究概况

    由于石膏制品具有重量轻、生产效率高、耐火性能好、易浇注、资源丰富、能耗少等一系列优点，因此有广泛的用途。如在塑制工艺品、制作牙科、陶瓷、机械铸造中当作模具石膏来使用。模具石膏分普通模具石膏和高强石膏两种。

    关于石膏模具的增强，国内外己做了大量的研究，目前主要的增强方法有以下几种:

    1) 寻找石膏模的替代材料

    例如研制多孔塑料模、树脂模具、粉末烧结的青铜滚压成型模，使用次数大幅度提高，但多因工艺复杂、吸水率低及价格昂贵等原因，只使用于某些特殊的工艺和产品，所以陶瓷成型的主要模具还是石膏模。

    2) 采用高强石膏—α半水石膏

    a一半水石膏晶体呈棱柱状，结构致密，标准稠度用水量低，因此强度很高，但是其吸水性不好，生产工艺复杂，生产成本高，所以很少有企业采用纯α-半水石膏来制作石膏模具。

    3) 对β一半 水石膏进行改性

    如加入增强剂，如中科院上海硅酸盐研究所研制的QA型石膏增强剂，江苏建科院研制的JS-11的石膏高效增强剂，河北理工大学研究了以甲基纤维素为主要成分的增强剂。研究表明在增强剂加入量为3%时抗折强度最大，而且能够提高模具石膏的抗碱侵蚀能力，还可以在石膏中加入减水剂、缓凝剂等各种外加剂。这是目前对石膏模具增强最为常用的方法。

    4) 采用α一半水石膏与β一半水石膏混合制成石膏模具

    这种方法最先在国外研究成功，但是现在我国很多陶瓷厂也采用此方法来制作石膏模具，研究表明当α-半水石膏与β一半水石膏的比例为3:7的时候所制得的石膏模具使用寿命最好。

    5) 石膏模具高强涂层

   这种增强方法研究的人很少。山东省硅酸盐研究设计院，采用环氧树脂和酚醛树脂作复合胶粘剂，用石膏粉和钟乳石作复合填料，加入适量的添加剂，制备出了石膏模具用涂料。石膏模具涂上该涂料后，在保持良好透水性的基础上，强度、耐磨耐腐蚀性能显著提高，使用寿命延长。

5 石膏模具的发展趋势

    由于石膏模具有制作方便、原材料来源广泛、成本低、吸水性能好、可回收利用，尤其是可以灵活方便地复制清晰棱角线条等许多优点。因此，陶瓷工业还普遍采用石膏模具作为重要的成型工具，国外现在普遍采用α一半水石膏与β一半水石膏混合制成石膏模具，而我国都还普遍单独采用p一半水石膏为原材料，但β一半水石膏强度普遍不高，耐磨性、耐水性、耐溶蚀性差，造成使用寿命短。因此，对模具石膏进行改性以延长其使用寿命仍是科研工作者和企业长期的研究目标。