【使用寿命】谈石膏模型强度及其质量技术

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    谈石膏模型强度及其质量技术

当前，在国内外陶瓷生产中，石膏模型仍然是成型生产的主要工具，被广泛用于注浆成型、滚压成型和塑压成型。尽管目前国内外陶瓷行业部分企业采用了高压注浆成型新技术，取消了石膏模型的使用，但多数企业仍然使用石膏模型，而且在今后很长一段时间仍会使用。这缘于其有许多优点：取料方便、价格低、制作方便。石膏粉与水混合搅拌后浆体流动性能好。石膏有无可比拟的凝结性能，可做出各种形状。石膏模型吸水性能好、脱模性能好。但石膏模型也有其致命的缺点：强度低、耐磨性差、容易破损，故使用寿命短，在生产中需要频繁更换，消耗量很大，加大了生产制造成本。

石膏模型在实际生产中损坏和不停地更换，一方面是因为其在搬运和安装使用过程中需要经过多次的翻转、挤压、撞击，从而产生掉角、裂纹、变形。另一方面是因为其在使用时受到擦模、泥浆的侵蚀作用，内表面易磨损而出现麻面，从而影响半成品的表面质量、外形尺寸以及坯体的重量。出现以上情况都与模型的强度低有关。可见，强度低是影响模型质量、使用寿命的主要因素。从某种意义上说，模型强度高，则模型质量好，模型不易断裂、掉块和变形。表面耐磨性好，不易受到腐蚀，最终使用寿命延长，从而减少生产的消耗，降低生产制造成本。本文从多方面就提高模型强度和改善其质量进行了分析研究。

采用优质石膏粉

目前市场上石膏粉生产厂家及石膏粉的种类繁多。各石膏粉生产厂家所用石膏原矿的品位、晶相结构不同，生产加工工艺水平、设备水平和质量控制水平把关不同使石膏粉的质量有所不同。石膏原矿品位好、矿源充足、工艺设备先进、生产量较大、质量控制稳定、检测手段完备的厂家石膏粉质量好，也比较稳定。

石膏矿石的化学成分是caso4·2h2o，其内含有石英、石灰石、黄铁矿等杂质。实验表明，当杂质石英sio2的含量超过0.1%时，将明显降低模型的强度。若石膏中含有过多杂质或因其它原因在石膏浆体中带入杂质，则浇注模型时，这些杂质会沉积在模型的使用面。在模型使用到一定时间后，这些杂质会在模型的内表面显露出来，严重影响坯体的质量，同时缩短模型的使用次数。要获得高质量的石膏粉，工艺上要求石膏矿石caso4·2h2o的含量（纯度）至少大于95%，大于98%则更好。

为了提高石膏粉的质量，石膏粉生产厂家应对投产前的石膏矿石进行严格的拣选、水洗，剔除杂质，达到工艺要求，并严格控制石膏粉的炒制工艺，添置必要的检测设备和手段，实施有效的质量监控体系，才能从根本上确保石膏粉的质量和品位。世界上卫生陶瓷发达国家如日本、德国等国的一些企业很重视石膏粉的质量和模型的强度，他们把使用的石膏纯度都控制在98%以上，同时采用化学石膏制造模型，并对许多指标进行严细的工艺控制，所以它们使用的模型质量好、强度高，使用寿命长。

使用高强度α石膏粉

在模型制造中采用高强度石膏粉（即α石膏粉）是提高强度一种行之有效的方法。α石膏粉细度细、强度高，可使模型表面光洁。α石膏粉标准稠度需水量低（一般为45%-55%），即膏水比例大，所以模型强度高。而普通的β粉标准稠度需水量大（一般为70%-80%），即膏水比例小，所以模型强度低。虽然α石膏强度高，气孔率和吸水率低。而β石膏粉虽然强度低，气孔率和吸水率高，注浆成型吸浆性能良好。卫生陶瓷注浆成型生产中往往利用各自的特点，一般采用混合石膏粉（30%α+70%β或者50%α+50%β）制造模型。

这种混合石膏粉做出的模型强度高，各项性能指标优良。尤其需要注意的是，在生产中单独使用α石膏时，必须提高其膏水比例，这样才能提高模型的强度，才能体现出α石膏在提高模型强度方面的优越性。否则，若按β石膏的比例使用α石膏，在生产中凝固时间长，影响正常生产，注出的模型上面易浮水，模型的强度并不比β石膏做出的模型强度高多少，有时甚至比β石膏模型还低，而且这种模型在大生产使用中易变形，明显降低其寿命。

提高石膏粉的细度

石膏粉的细度越细，其颗粒表面活性越大，与水结合后反应充分后，形成的网络结构越多，则模型强度高。普通β石膏粉的颗粒粗糙，细度在80—90目，故其强度低。而α石膏的颗粒细，一般在120—160目，故其强度高。在生产实际中我们体会到，采用较高细度的石膏粉不仅能显著的提高模型的强度，而且更为重要的是其表面细腻光滑，耐磨性强。在模型使用到中后期，与其它模型相比其表面仍然光滑，坯体的外观质量好，减轻了工人刷坯的劳动强度，同时也延长了模型的使用寿命。石膏粉的细度越细，凝固时间越长。所以，为了提高模型的强度，可继续提高石膏和水的比例。这一点是普通β石膏粉所无法做到的。在陶瓷母摸制胎生产中，为了提高胎型的强度和减少膨胀率，采用 250—300 目的超高强原模石膏粉、母模石膏粉或树脂石膏粉，石膏和水的比例可达到（2.3—2.85）:1，可搅拌10—15min不凝固，其干后抗折强度可达到11.5mpa。

尽可能提高膏水比例

石膏和水的比例是模型制造中最重要的工艺技术指标，它对模型的强度、气孔率和吸水率起着决定性的作用。模型的强度与膏水比例成正比例关系，提高膏水比例是提高模型强度最直接、最有效的方法。随着膏水比例的增大，模型强度提高，但模型的吸水率降低，两者是一对矛盾。在日用瓷、卫生陶瓷生产中，都大量使用石膏模型，根据不同成型特点，对膏水比的要求则不同。

卫生陶瓷全部是注浆成型，日用陶瓷有注浆成型、滚压成型和塑压成型。注浆成型生产首先要强调模型的吸水性能，故模型的膏水比不宜过高，一般在（1.15—1.46）：1，根据成型工艺的不同和产品体积的大小进行调整。日用陶瓷注浆件由于体积小，其注浆模型的膏水比例一般在（1.15—1.3）：1。而卫生瓷由于体积很大，模型的膏水比例一般较大，在（1.35—1.4）：1，地摊成型及小件模型比例低些在1.2：1。随着机械化立式组合浇注工艺的发展，模型的体积也变大，模型的膏水比例也往高的方向发展，比例一般为（1.35—1.46）：1。

日用陶瓷滚压成型模型要求把模型的强度、耐磨性、耐热性放在首位，故特别强调模型有很高的强度，模型的膏水比例一般在（1.6—1.7）：1，根据件的大小和石膏的质量进行调整。日用陶瓷塑压成型模型的膏水比例一般在（1.6—1.8）：1，也是要求模型有较高的机械强度和良好的耐磨性能，同时也要求模型有良好的透气性能，其比例根据件的大小和石膏的质量进行调整。

采用适宜的水温

水的温度对石膏的凝结时间和模型的强度也有较大的影响。随着水温的升高，搅拌时间缩短，凝结时间加快，模型的强度会明显下降。实验表明，采用较低水温能提高模型的强度。日本东陶公司在卫生瓷模型制造中采用低温水，将水温控制在8—10℃，其目的是降低半水石膏在水中的溶解速率，延长石膏在水中的溶解和晶核形成时间，即延缓石膏与水的反应速度，从而可延长搅拌时间，也使浆体中的气泡顺利溢出，石膏和水充分接触反应，形成均匀的微晶结构，提高了模型的强度。

使用外加剂

外加剂的种类繁多，有有机的和无机的。常用的外加剂有焦磷酸钠、腐植酸钠、硼砂、ast剂、桃胶等。这些外加剂除了使石膏的网络结构连生有一定的增强效果外，主要的是具有缓凝作用，这为延长搅拌时间、采用真空搅拌工艺、提高膏水比例创造了条件，从而也提高了模型的强度。

掌握合理的搅拌速度

生产实践表明，搅拌速度过慢，不利于提高模型的强度。原因是石膏粉和水不能很好的混合反应。生产中我们可以通过提高搅拌机的转速来提高模型的强度，但转速的提高也有一个限度，当转速过快时（如超过150 rpm时），反而会降低模型的强度。一是因为石膏浆有其理论的凝结固化时间和过程。按石膏凝结固化理论来说，在石膏与水的混合及搅拌过程中，石膏的晶核也在逐步地形成，并不断地连生发育长大。当搅拌速度过快时，破坏了石膏晶核的正常生长和网络的结构，导致石膏晶体结构松散，强度下降。二是转速高时，会带入石膏浆体中过多的气泡，尤其浆体稠化时更为严重，模型中含有大量的气泡肯定会降低其强度。

采用真空搅拌、脱气工艺

模型在混料、搅拌过程中，会带入许多气泡。气泡致因：①石膏倒入水中时，由石膏粉带入。②石膏与水反应时产生。③搅拌时，由于搅拌产生的旋涡而裹入，而且转速越大，则带入浆体中的气泡越多。石膏浆体粘稠时，气泡不易逸出。浆体中含有气泡，对其强度有很大的影响。在实际检测中还发现，在同等实验条件下，即便是同一种石膏浆，由于浇注时微小的操作差异，试块中断面含有气泡的模块强度变得很低。

过去人们根据实践经验采取了一些减少气泡的措施，如将石膏粉放入水中而严禁将水倒入石膏中，石膏粉在水中浸泡0.5—1min，石膏浆缓缓注入，振动胎型，用手或专用工具赶走浆体中的气泡等，所有这些措施对减少气泡起到一定的作用 。生产实际经验表明，注模中采用真空脱泡搅拌工艺是一种行之有效的方法。进行真空脱泡处理，可使模型结构变得致密，会明显提高模型的强度。

适当延长搅拌时间

生产实践表明，搅拌时间短，不利于提高模型的强度。主要表现为模型糠，强度低，耐磨性能差，使用寿命短。原因是石膏和水不能有效的混合反应。在石膏搅拌过程中，适当地延长搅拌的时间，有利于石膏粉与水的充分接触和反应，石膏浆体中气泡的排出，也提高模型的强度。但搅拌时间也不是无限地延长，尤其是当石膏浆体将近稠化时仍在搅拌，会破坏石膏晶核的正常生长和网络的结构，降低模型的强度。正常合理的搅拌时间应在2—4min。

采用高质量的母模胎型

母模胎型在模型制造中尤为关键。高质量的母模胎型可提高模型的质量，延长其使用寿命。应优先采用表面光滑的玻璃钢或树脂胎型。这种胎型倒出的模型表面光洁，模型对口缝小。使用中不易漏浆，坯体表面光滑。最主要的是延长模型的使用次数，减少模型的更换次数，降低生产成本。

合理操作

石膏粉倒入水中后，应有0.5—1min的浸泡时间，确保石膏粉润湿。但也不要过长，否则会硬化。搅拌速度应使用在300 rpm左右，适当延长搅拌时间，搅拌时间应在2—4min。这样可使石膏粉与水的充分接触和反应，有利于石膏浆体中气泡的排出，有利于提高模型的强度。石膏浆缓缓注入，振动胎型，用手或专用工具赶走浆体中的气泡等，所有这些措施对减少气泡提高模型强度起到一定的作用。脱模时间应合理掌握，在终凝时间模型硬化发热时起模。不能过早或过晚，过早时，还未终凝，模型强度低易掉块。过晚时，由于模型放热和膨胀，造成脱模困难，还会损坏胎型。

模型合理设计

模型设计制作时应做到各部位厚度合理、均匀一致。这样在使用中能承受挤压和磕碰。卫生陶瓷模型体积大，在生产中易损坏，造成使用次数低，主要是因模型断裂和变形引起。在模型内部置入直径12mm左右的钢筋，可解决以上问题，将明显提高其抗折强度，延长模型使用次数，同时还确保操作者的人身安全。

确保模型干燥

干燥是模型生产和成型使用的一个很重要的环节。模型是否干燥对其强度和使用寿命有很大的影响。模型经干燥可明显提高约2—2.5倍强调。为确保模型的强度，一是干燥温度不要超过60℃，二是干燥时注意空气的流动，三是模型脱模倒出后应在常温下保持24h，再推入干燥室干燥。四是确保干燥的模型上线使用，同时在模型使用中也要保持干燥。这既可保证成型正常生产，又可提高模型的强度和耐磨性能，确保坯体尺寸和质量的稳定，防止模型发生变形，最终延长模型的使用次数。

模型内部放置增强筋

总之，影响模型强度和质量的因素很多，故提高强度和质量的的方法和措施也很多。各种因素和方法并不是孤立起作用的，而是相互关联一起起作用的。只有各种因素达到最佳值，才能起到整体的增强效果，从而为延长模型的使用次数创造条件。