王同言

摘要針對目前陶瓷行業(yè)廣泛使用的石膏模型強度低、使用次數(shù)少的共性問題，本文著重分析了造成其強度低、使用次數(shù)少的原因和影響因素。從優(yōu)選高強石膏粉、進行幾種外加添加劑的實驗方面，提高了石膏模型的強度，確定了優(yōu)良的添加劑，并探討了水膏比例與模型強度和吸水率的關(guān)系。

關(guān)鍵詞石膏模型，水膏比，強度，添加劑

1前 言

在當今國內(nèi)外衛(wèi)生陶瓷和日用陶瓷生產(chǎn)中，石膏模型仍然是成形生產(chǎn)的主要工具，且使用量大?？梢詳嘌裕允喾蹫椴牧现谱鞯氖嗄Ｐ?，在今后一段時間內(nèi)仍會大量地使用。由于石膏分布廣泛，儲量豐富，使用方便，且價格低廉；其與水混合攪拌后的漿體流動性能好，可以在制模過程中制出各種形狀；另外，其有無可比擬的凝結(jié)性能、吸水性能。所以，國內(nèi)外大多數(shù)陶瓷廠仍將其作為制作模型的主要材料，用于制作注漿成形、滾壓成形和冷壓成形的模型。但是，這種模型材料存在的最大缺點，就是做出來的石膏模型強度低、表面耐磨性差、使用次數(shù)少（壽命短），在生產(chǎn)中需頻繁更換模型，消耗量很大，加大了生產(chǎn)制造的成本，且影響到產(chǎn)量；石膏模型使用次數(shù)低成為制約行業(yè)發(fā)展的共性問題。從國內(nèi)情況而言，衛(wèi)生瓷石膏模型的使用壽命（次數(shù)）一般在75次左右。但各陶瓷廠由于生產(chǎn)工藝條件的不同，使用壽命會有很大的差別。條件差的企業(yè)模型使用壽命較短，僅50～60次，而條件好的企業(yè)使用壽命較長，可達到120次左右。日用陶瓷滾壓模型使用次數(shù)一般在110次左右；從國外情況來看，衛(wèi)生瓷石膏模型的使用次數(shù)可達120～150次，日用瓷滾壓模型的使用次數(shù)可達150～200次。模型使用次數(shù)低與模型強度低有關(guān)。強度是影響模型質(zhì)量、使用壽命的主要因素。

當前，隨著陶瓷工業(yè)的發(fā)展，無論是日用陶瓷還是衛(wèi)生陶瓷，成形工藝都向機械化方向發(fā)展，對石膏模型的強度要求越來越高，因此提高模型強度是擺在我們面前亟待解決的問題。目前國內(nèi)外個別衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)廠家采用樹脂模型高壓注漿成形工藝進行生產(chǎn)，雖然模型使用次數(shù)很高，但是模型成本太高，一次性投資巨大。另外模型維護成本太高，不適應(yīng)靈活變產(chǎn)的要求。本文針對目前我國陶瓷生產(chǎn)的實際，仍以陶瓷成形廣泛使用的石膏粉和石膏模型作為研究對象，就提高石膏模型強度進行了一些實驗研究，并取得了較好的效果。

2石膏模型強度及其影響因素

石膏模型在生產(chǎn)中損壞和頻繁地更換，造成其使用次數(shù)低，主要存在以下幾方面的原因：一是由于其在搬運和安裝使用過程中需要經(jīng)過多次的翻轉(zhuǎn)、擠壓，受到不同的撞擊破壞，從而產(chǎn)生磕碰掉角、斷裂、裂紋、變形；二是因為其在使用時受到擦模、擠壓、泥漿的侵蝕和泥顆粒的磨損作用，內(nèi)表面易受到磨損而變得粗糙，出現(xiàn)麻面，從而影響半成品的表面質(zhì)量、外形尺寸以及坯體的重量；三是由于其受到無機電解質(zhì)的化學侵蝕作用，內(nèi)部毛細孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，造成吸水功能下降；四是由于使用管理不當，造成對口縫隙變大，模型漏漿嚴重；五是干燥室溫濕度控制不合理，要么溫度低、濕度大，模型得不到干燥，使其強度低易變形、耐磨性差，從而影響其壽命；要么模型長期在60℃乃至更高的溫度下使用，頻繁地受熱和冷卻，因本身耐熱性差，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋而報廢。以上現(xiàn)象，都與模型的強度低有關(guān)?？梢?，強度是石膏模型的一項很重要的指標。實踐經(jīng)驗表明，石膏模型的強度越高，則硬度越大，模型表面的耐磨性越好，模型的使用次數(shù)也越多。

在生產(chǎn)實際中，我們通過采取一定的措施，可以把模型的強度提高到很高，但強度并不能無限制地提高，還要考慮模型的吸水性能。因為在陶瓷的成形生產(chǎn)中，無論是注漿成形、滾壓成形還是塑壓成形，都需要模型有一定的吸水率。要求模型有足夠的機械強度和適當?shù)臍饪茁剩ㄎ剩Ｒ簿褪钦f，既要保證模型有良好的吸水性能，又要有良好的耐用性能（壽命），以確保模型的吸水性能基本不變。因此，在模型正常生產(chǎn)使用條件下，大幅度地提高模型的強度才是生產(chǎn)所需要的。對于石膏模型而言，氣孔率高（吸水率大），模型強度低；氣孔率低（吸水率小），模型的強度高，兩者是一對矛盾。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，注漿成形石膏模型的氣孔率要求達到35～40%，滾壓成形石膏模型的氣孔率則要求在30～35%。

影響石膏模型強度和使用壽命的因素很多，概括起來有以下一些方面:石膏粉的種類和質(zhì)量；石膏粉的細度；制作模型時水的溫度；石膏和水的比例（即膏水比）；攪拌速度和攪拌時間；是否采用真空脫氣工藝；采用合適的有機或無機添加劑及外加物；攪拌后的石膏漿在注模前是否過篩和經(jīng)過震動處理；局部使用加強筋或加強纖維；對制作的模型是否有合理的烘干制度；成形室的溫度和濕度控制是否合理等。除此之外，與其在生產(chǎn)中是否合理正確的使用也有很大的關(guān)系。由此可見，影響和制約模型強度的因素很多，提高強度所采取的措施也有很多。不過，有些因素是提高模型強度的主要和顯著因素，有些則為次要因素。我們主要從影響模型強度的主要因素石膏種類、膏水比例和添加劑等方面進行實驗研究。

石膏和水的比例（即膏水比）越大，則模型的強度越高，但模型的氣孔率和吸水率會有所下降。在生產(chǎn)實際中，通過采用高強石膏粉、提高膏水比例等措施，模型的強度能提高很多，但模型的吸水率和氣孔率則會明顯地下降（見表1）。如果吸水率過小，對日用陶瓷滾壓成形而言，則容易造成卷坯不成活；對衛(wèi)生瓷注漿模型而言，則吸漿差，過軟易坍，都會影響到成形工序的正常生產(chǎn)。經(jīng)實踐證明，提高模型的膏水比例是提高模型強度最有效、最直接的方法。但膏水比例的提高會有一個限度。根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗，日用瓷滾壓成形模型的水膏比例一般為1:1.6，有的廠由于產(chǎn)品尺寸大，水膏比例提高為1:1.8也可用；衛(wèi)生瓷石膏模型的水膏比例一般為1:1.4，也有個別廠家使用1:1.46的水膏比例，也可以正常使用。

3實驗內(nèi)容

3.1 實驗條件和所使用的主要儀器設(shè)備

3.1.1 實驗條件

水溫：15℃；室溫：20℃；相對濕度：30～50%；試件烘干溫度：45℃；試條的尺寸40mm×40mm×60㎜（每個方案三個試樣）；石膏粉的細度:100目

3.1.2實驗主要的儀器設(shè)備

1000g托盤天平（最小稱量為0.5g）

小型攪拌機（轉(zhuǎn)速200r/min）

電熱恒溫熱風干燥箱（最高溫度不低于200℃）

數(shù)顯電子天平（精度1/1000）

數(shù)顯彎曲強度試驗機（最大承載為4000N）

秒 表

3.1.3計算公式和方法

（1） 凝結(jié)時間的測定方法

采用劃割試餅法（劃痕法）：

根據(jù)容器體積的大小，按配比計算石膏粉和水的用量，從石膏粉撒落在水中開始計時。按一定的攪拌時間攪拌后，石膏漿體塌落在玻璃板上變?yōu)樵囷?。每?0s用刀片劃割一次。臨近初凝時，每隔10s劃割一次。劃痕不重合、不交叉，每次將刀擦凈，試餅不得受振動和移動。當劃痕兩邊的料漿不再合攏時的累計時間即為初凝時間。接著用約50N的力在上面的試餅上連續(xù)捺撳，至印痕邊緣沒有水分出現(xiàn)時即為終凝時間。

（2） 抗折強度的測定計算方法

試樣恒溫干燥后，用彎曲強度試驗機分別測三件試樣并計算其平均值。采用以下公式： F=3PL/2BH2 式中：

F——抗折強度，MPa

P——試驗機的負荷，N

L——跨距，mm

B——試樣寬度，mm

H——試樣厚度，mm

（3） 吸水率的測定計算方法

采用做抗折強度的剩余試樣，一一對應(yīng)，做成尺寸為15mm×15mm×15㎜的試樣，每組兩個。烘干試樣并冷卻到室溫，用電子天平稱其質(zhì)量為m1，放入水中浸泡1h，取出立即稱其質(zhì)量為m2。則吸水率S為：

S=（m2-m1）/m1×100%

3.2 石膏粉的試驗和選擇

筆者所在公司下屬各廠目前所使用的石膏粉有混合石膏粉和高強石膏粉。石膏粉種類較多，質(zhì)量參差不齊，這是模型使用壽命短、次數(shù)少的主要原因。我們對市場上現(xiàn)有、企業(yè)現(xiàn)用的所有石膏粉進行優(yōu)選，以確定試驗用的優(yōu)質(zhì)石膏粉。日用瓷滾壓成形模型、冷壓成形模型全部采用高強度石膏粉，水膏比例一般為1:1.6（模型的吸水率一般在30～33%左右），有的廠也由于產(chǎn)品尺寸大水膏比例為1:1.8（模型的吸水率一般在27～28%左右）；衛(wèi)生瓷石膏模型采用混合石膏粉或高強石膏粉，水膏比例一般為1:1.4，模型的吸水率一般在35～40%。對筆者公司現(xiàn)用石膏粉和國內(nèi)幾個規(guī)模較大的石膏廠家的石膏粉進行取樣并作了對比實驗，所用水膏比例與大生產(chǎn)相同（水膏比例采用1:1.6和1:1.4），檢測模型的干抗折強度和吸水率。實驗情況和結(jié)果列于表2、表3。

通過以上實驗，從表2和表3可看出，在同等實驗條件下，不同廠家生產(chǎn)的同種型號的石膏粉，其強度會有很大的差別。理論上，高強石膏粉標準稠度需水量小，故只有在較大水膏比例（例如1:1.6或以上）的條件下才能具有和體現(xiàn)出較高的強度，但在較低水膏比例下（例如1:1.4或以下），其強度降低了很多，并不能體現(xiàn)出高強度。原因是過量的水在模型內(nèi)部形成過多的氣孔，降低了模型的強度。唐山A廠高強石膏粉性能優(yōu)良，模型強度高，物理性能指標優(yōu)良，用于滾壓模型強度較高。但這種石膏粉價格較貴，每噸在1000元；而唐山B廠的石膏粉雖然強度低些，但價格僅為唐山A廠的一半，且性能優(yōu)良，物美價廉，也可用于陶瓷成形生產(chǎn)。這種石膏粉與其它外埠石膏粉相比，生產(chǎn)廠家在本地，取材方便。為考慮到企業(yè)的成本，故以下實驗均采用此石膏粉作為基準材料進行改性增強試驗（其它有些石膏粉強度也不錯，但由于路途較遠，價格較貴，本實驗不予采用）。

3.3 外加劑的實驗

本實驗選用的外加劑種類有腐植酸鈉、焦磷酸鈉、水泥、桃膠、桃膠粉、阿拉伯樹膠等六種。實驗中主要以日用瓷滾壓模型使用的水膏比（即1:1.6）進行實驗。

(1) 腐植酸鈉的實驗

有關(guān)資料顯示，腐植酸鈉是優(yōu)良的緩凝劑、增強劑，可用于模型的增強。本實驗采用事先配制好的濃度為 16.67%的腐植酸鈉水溶液(50kg水中加入10kg干料,全部溶化后使用)，實驗情況和結(jié)果見表4。

從表4所列的實驗結(jié)果來看，腐植酸鈉除了對石膏有一定的緩凝作用外，還對提高模型的強度有一定的幫助，但提高強度效果不明顯。當加入量為水的1%時（此時混合水溶液的濃度為0.2%），強度出現(xiàn)一個最大值，超過這一加入量時，強度反而下降。另外我們還發(fā)現(xiàn)，加入腐植酸鈉的石膏模型脆性大，易磕碰損壞。

(2) 焦磷酸鈉的實驗

在60℃溫水中把焦磷酸鈉配制成飽和溶液（濃度為15%），冷卻至室溫后使用，實驗情況及結(jié)果見表5。

從表5可以看出，石膏中加入一定比例的焦磷酸鈉飽和溶液，有明顯的緩凝作用，還對提高模型的強度有一定的作用，且提高強度效果明顯高于腐植酸鈉。當加入量為石膏的1%時，強度出現(xiàn)一個最大值，超過這一加入比例時，強度反而下降。

從上面兩種實驗結(jié)果可看出，以上兩種添加劑都有明顯的緩凝效果，但提高模型強度的效果都不太明顯。

(3) 樹膠類添加劑的實驗

取樹膠類添加劑三種固體物，分別是桃膠一級、桃膠粉、阿拉伯樹膠。事先均按2.5g兌100g水的比例配制成濃度為2.44%的樹膠水溶液（在常溫下溶解過60目篩后使用）；按水膏比1:1.6進行實驗，攪拌時間均為2.5min，實驗情況及結(jié)果見表6。

從表6所列的實驗結(jié)果可知，桃膠一級、桃膠粉凝固時間過長，若在生產(chǎn)中使用，無法進行后續(xù)的生產(chǎn)操作，而且增強效果不如阿拉伯樹膠明顯，故生產(chǎn)中不宜采用；而阿拉伯樹膠凝固時間適中，增強效果很明顯，是優(yōu)良的增強外加劑。

(4) 加入水泥的實驗

據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和文獻資料介紹，水泥對提高石膏模型的強度有很明顯的作用。于是筆者也進行了一些實驗研究，采用525#普通硅酸鹽水泥（水泥按表中的百分比例替代石膏粉，確?？偦伊坎蛔儯?，實驗情況及結(jié)果見表7。

水泥加入量的實驗表明，在石膏中加入水泥，確實能提高模型的強度，而且當加入量在5%時強度最大。但是，在攪拌澆注后，等到終凝時間前，漿體不易凝固，上面還浮著水。分析其原因為：水泥的細度遠遠細于石膏粉，水泥的凝固時間還遠遠遲于石膏粉，兩者凝固時間不一致，這樣反而不利于生產(chǎn)中的注模操作。且當凝固硬化后，瞬間發(fā)熱量大，模型塊表面的溫度明顯高于純石膏的模塊。這種情況在實際生產(chǎn)中不利于操作使用，會破壞胎型，故此方法也不可行。

4實驗結(jié)論

(1) 采用唐山本地B廠生產(chǎn)的高強度石膏粉，價格低廉，取用方便，性能優(yōu)良，適合于企業(yè)的使用。該石膏粉在水膏比為1:1.6時，其抗折強度為5.186 MPa。

（2） 石膏的種類、水膏比例的大小對模型的增強起到很重要的作用。在水膏比為1:1.4時，抗折強度一般在4.2～4.8MPa；在水膏比為1:1.6時，抗折強度一般在5～6.5MPa；強度與膏水比例成正比例關(guān)系。對于高強石膏粉，只有在膏水比例較高時使用才會有較高的強度。

（3） 腐植酸鈉、焦磷酸鈉、樹膠等六種添加劑對石膏模型的增強都有一定的作用，但增強效果不一。添加劑增強效果由大到小的次序依次為：阿拉伯樹膠＞水泥＞焦磷酸鈉＞腐植酸鈉。從實驗情況來看，通過石膏粉的選擇和添加劑的加入，石膏模型的強度都提高到5.2 MPa以上，其中以阿拉伯樹膠增強效果最為顯著，其干后抗折強度達到6.786MPa。

（4） 在水膏比不變的情況下，各種添加劑對模型吸水率的影響不大，基本不變，不會對成形生產(chǎn)造成影響。

（5） 水膏比例的大小對模型的吸水率起到很直接的作用。在水膏比為1:1.4時，吸水率一般在35～40%；在水膏比為1:1.6時，吸水率一般在31～33%；吸水率與膏水比例成反比例關(guān)系。