卫生陶瓷工作模用石膏粉的研究

摘要文章简述了卫生陶瓷工作模用石膏粉的生产工艺,较全面地介绍了模用石膏粉的质量检测项目及其检测方法;分析了制模工艺、机理及其影响因素;研究并探讨了提高模具寿命和成形速率的因素与方法。

关键词模用石膏粉,生产工艺,质量检测,影响因素,模具寿命,成形速率

1前 言

卫生陶瓷造型复杂,其成形方法基本上都是采用注浆的方法。由于卫生陶瓷体积大、坯体厚、模块多、吸浆时间长,绝大多数产品都是采用立式组合浇注成形的工艺,因此决定了卫生陶瓷工作模用石膏粉的质量和性能要求比日用陶瓷、工艺陶瓷等普通陶瓷要高得多。近十年来,我国卫生陶瓷的产量由540万件猛增到2007年的1.5亿件,增长了近28倍,产量远居世界第一,因此,对工作模用石膏粉的需求量非常大,而市场上的石膏粉品种繁多、良莠不齐,至今还没有一个有关卫生陶瓷工作模用石膏粉的国家(或行业)标准和检测方法标准,这给石膏粉的生产、科研、管理、销售以及用户(卫生陶瓷生产厂)对石膏粉的选择、使用等都带来了不少麻烦。通过有关文献检索得知,我国关于系统研究影响石膏粉性能和研究影响石膏模具性能的因素及机理的论文甚少;而通过实际调研,提出切合卫生陶瓷生产实际的卫生陶瓷工作模用石膏粉的质量和性能要求的论文就更少。本文是在完成国家科技部科研院所技术开发项目――石膏模快速成形卫生陶瓷研究的基础上,针对上述问题作了一些探讨性研究,取得了部分成果,供同行参考。

2模用石膏粉的种类、生产工艺、性能及质量控制

2.1卫生陶瓷工作模用石膏粉的种类及生产工艺

通过对我国主要的石膏粉生产企业的实际考察得知,在市场上,用作卫生陶瓷工作模的石膏粉都属于半水石膏(CaSO4・1/2H2O),从晶型上可分为α-半水石膏粉、β-半水石膏粉和α-半水石膏与β-半水石膏的混合型石膏粉三种类型。不同类型的石膏粉,其生产工艺不同。

用作生产半水石膏的石膏矿石是二水石膏(CaSO4・2H2O),二水石膏在加热过程中会发生如下反应:

α-半水石膏粉的生产工艺为:矿石捡选冲洗蒸压冷却粉碎(炒)制包装入库。

加工生产过程的关键工艺是蒸压工艺过程的晶型转化,决定晶型转化的关键设备是蒸压设备。使用不同的蒸压设备,所生产的α-半水石膏粉的晶体形状、大小、纯度就会有所不同。山东某新型建材有限公司和甘肃某石膏粉厂,采用进口设备生产α-半水石膏粉,α-半水石膏粉的晶体形状、大小能够控制;湖北某外资石膏股份有限公司和某石膏化工有限公司,采用蒸压釜生产α-半水石膏粉,α-半水石膏粉的晶型转化率高;而国内多数厂家大都采用旋转窑生产α-半水石膏粉,α-半水石膏粉的晶型转化率难以控制。图1是国外某厂的卫生陶瓷工作模用石膏粉的扫描电镜图。从图1可以看出,该石膏粉由α-半水石膏和β-半水石膏两种晶型的石膏粉组成。α-半水石膏颗粒较小,大小均匀,呈粒状、柱状;β-半水石膏颗粒较大,大小相差不大,呈板状、柱状及纤维状。α-半水石膏约占总量的30～40%;β-半水石膏约占总量的60～70%,这是一个很好的搭配比例。

β-半水石膏的生产工艺为:矿石捡选冲洗粉碎炒制包装入库

有些工厂在包装前还要进行一次均化工艺,这样产品的性能就会更加稳定。

据资料报道,陈化工艺对石膏粉性能有较大影响。图2是山东某厂的卫生陶瓷工作模用石膏粉的扫描电镜图。从图2可以看出,该石膏粉基本上是由β-半水石膏粉组成,颗粒大小不一,成针状、板状及纤维状,基本上保持了二水石膏晶型的原貌。

2.2 卫生陶瓷工作模用石膏粉的性能检测

在我国,卫生瓷工作模具用石膏粉的性能检测项目、检测方法等至今还没有一个统一的标准,下面介绍各企业常用的几种性能检测项目及检测方法:

2.2.1细度测定

大部分企业采用120目筛进行检测;也有用140目筛余≤2%进行检测的。QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》中规定的产品标准为:0.15mm筛余为零,0.090mm筛余≤1.0%(一等品)。有的企业不测细度,而测残渣量,有的外资企业不但测细度而且还测颗粒级配。

2.2.2初凝时间的测定

初凝时间是指从石膏粉撒入水中至其浆体失去流动性开始变稠时所经过的时间,以小刀割试饼,切口两端不再合拢的时间来表示。

日本某石膏粉生产企业初凝时间的测定方法为:向流入金属圆筒型(尺寸)的浆中慢慢插入荷重为300g、直径为2mm的针,该针停止到距金属模具底面高1mm处所需的时间即为初凝时间。

QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》要求α-石膏粉的初凝时间>8min、β-石膏粉的初凝时间>6min。卫生陶瓷模用石膏粉的初凝时间一般要求>10min;日本某企业要求石膏粉的初凝时间>15min,但时间太长也不好。

2.2.3终凝时间的测定

终凝时间可用捺按法或维卡仪法进行测定。

捺按法:直接在测定初凝时间后的三块试饼上,用大拇指以约5kg的力连续捺按两次,通过对第一块和第三块试饼的试验判断接近终凝的时间,以第二块为准,捺按至印痕边缘没有水分出现即为终凝。记录从试样投入水中至终凝的时间间隔即为终凝时间。

维卡仪法:仪器须符合QB/T1640-1992的规定。记录试样投入水中到试针插入浆体的深度不大于1mm时所经过的时间,此时间即为试样的终凝时间。

也有企业用浆体温度达到最高时与试样投入水中的时间间隔作为终凝时间,这种测试方法更准确、更科学。

QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》产品标准规定陶瓷模用石膏粉的终凝时间

2.2.4 强度的测定

模具强度的高低与模具寿命成正比关系。模具强度测定的项目有2h湿抗折强度、干抗折强度、抗压强度和抗张强度几类。一般企业只做2h湿抗折强度,其测定方法按QB/T1640-1992《陶瓷模用石膏粉物理性能测试方法》进行。即从石膏粉投入水中开始算起,2h后,在抗折仪上测量试样的抗折强度即为湿抗折强度。干抗折强度是在试样脱模后,放入电热鼓风干燥箱内,以40±4℃的温度干燥至恒重,在烘箱(或干燥器)中自然冷却后测试。

2.2.5吸水率的测定

吸水率对于注浆用工作模特别重要,它是模具吃浆能力的反映。我们知道,半水石膏加水后,又会变成二水石膏,其反应式为:

CaSO4・1/2H2O+3/2H2O=CaSO4・2H2O+热量

半水石膏加水生成二水石膏的理论用水量是18.6%,但我门浇注模型时实际加水量为70～80%,这些过量的水填充在再生二水石膏晶体间,水分蒸发后就会形成具有一定强度和一定吸水能力的石膏模型。

加水过多,水蒸发后留下的空隙就多,吸水率就大,但强度相应会降低。不同企业对吸水率的要求和测试方法不尽相同。

吸水率的测试方法通常有以下两种:

一种方法为:试样在40±5℃下烘至恒重(g0),然后在水中再泡至恒重(g1),再按吸水率的计算公式[(g1- g0)/g0×100%]求出该试样的吸水率。

另一种方法为:将试样在40±5℃下烘至恒重,然后放入水中,测试不同时间段(1min、3min、5min、1h、3h……直到不吸水为止)的吸水率。

2.2.6 吸水速度的测定

比较常用的吸水速度测定方法有三种:

第一种方法为:将一直径为30L的圆环,放在被测试样上,在圆环内注入10mL水,同时开始计时,直至水被试样完全吸收所用的时间,即该试样的吸水速度。

第二种方法为:将试样周围密封,高度不超过5cm,放入2cm深的水中并开始计时,直至试样吸水高度达到5cm时所用的时间。

第三种方法与第二种方法较相似,不同的是,测试项目为试样放入水中后1min的吸水高度。为了便于观察,在水中可加入显色剂。

2.2.7化学分析

化学分析的分析项目主要有结晶水的百分含量和酸不溶物的百分含量,还有CaO、SO2、Fe2O3的百分含量。有的企业在测出SO2的百分含量后,再按半水石膏的理论值反算出半水石膏的含量,这是没有实际意义的,因为天然石膏矿石中一般不会含100%的二水石膏,通常含有无水石膏和各种杂质,即便有100%的二水石膏,也很难炒制出100%的半水石膏。

2.2.8 标准稠度的测定

标准稠度是指在QB/T1640-1992规定的条件下,石膏料浆自由扩展到直径达(220±5)mm时,加水量占石膏粉量的百分数。

测定方法按照QB/T1640-1992《陶瓷模用石膏粉物理性能测试方法》的要求进行测定。

在生产、销售、研究的过程中,我们经常会提到石膏粉的初凝、终凝时间、2h湿抗折强度、吸水率和吸水速度等重要性能指标,而这些指标均与混水量有直接关系。如果不讲清楚是在标准稠度条件下,还是在其它混水量的条件下,这些指标就没有实际意义,也无法对比。因为不同的石膏粉有不同的标准稠度,这都是由石膏粉本身性能所决定的,如果不做标准稠度是无法对比其性能的。表1是同一个样品在不同混水量条件下所测的性能。

2.2.9 膨胀系数

该性能对模用石膏粉非常重要。由于卫生陶瓷模具体积大且重,在注模时,若石膏粉的膨胀系数过大,终凝后很难从母模中取出,这是和日用陶瓷模用石膏粉要求所不同的地方。表2是笔者了解到的四个石膏粉生产企业所生产的石膏粉的膨胀系数。

2.2.10 酸不溶物的测定

酸不溶物的测定,其主要目的就是测试石膏粉中的杂质含量。杂质含量的多寡对模具表面性能和使用寿命有直接影响,杂质中危害最大的当数硅质。

2.2.11白度的测定

石膏粉的白度在某种程度上反映了石膏粉的纯度。杂质含量高,白度就差;但反过来,白度差,不一定石膏粉的质量就一定差。大部分南方卫生瓷企业对石膏粉的白度均有要求,其指标多规定为白度≥85度。

3与石膏粉性能相关的因素的研究

3.1 混水量对石膏粉性能的影响

石膏粉厂一般提供的是在标准稠度条件下检测的各种石膏粉产品的性能,但卫生陶瓷厂在制模时的实际加水量要比标准稠度时大得多,一般在70～85%。为了弄清混水量对石膏粉性能的影响,我们选择了湖北某厂的产品试样,应用与标准稠度相同的条件和相同的检测方法,测试不同混水量条件下的石膏粉性能,研究其变化规律,所测结果见表3及图3、图4和图5。

从表3和图3、图4、图5中,我们可以明显地看出,随着混水量的加大,石膏粉的初凝、终凝时间延长,吸水能力提高,但强度却降低。这是因为,半水石膏加入水中的反应,是一个溶解-析晶-再溶解-再析晶的过程。当混水量增加时,半水石膏的浓度相对于二水石膏就低,二水石膏相互联结p凝固的时间便延长,也就是延长了初凝p终凝时间;至于强度降低的原因则是在混水量增加的情况下,多余的水分蒸发后,留在模具中的空隙必然增加,在其它条件不变时,强度必然降低。所以,在模具制作前,对混水量的多少要作综合考虑,以便得到一个技术和经济上较合理的结果。一般来讲,α-半水石膏的混水量低,β-半水石膏的混水量高。同时,在判断石膏粉性能时,首先要弄清楚混水量究竟为多少,否则不具可比性。

3.2 搅拌时间对石膏粉性能的影响

石膏粉加到水中后,在制浆时要进行充分搅拌,搅拌时间的长短对石膏粉的性能有很大的影响。

表4及图6p图7p图8是同一石膏粉加入水中后,在不同的搅拌时间下,石膏粉的性能变化情况。

从表4和图6、图7、图8可知,制浆过程的搅拌时间要适宜,随着搅拌时间的加长,凝结时间缩短、吸水率减小、强度减小,而吸水速度则在2min时达到最小,之后再变大。

图9是同一石膏粉在相同混水量的条件下,不同搅拌时间的二水石膏晶体的生长状况SEM图。从图中可以看出,由于搅拌时间不同,二水石膏晶体的大小p排列顺序就会有所不同,从而影响到石膏粉的凝结时间p所制成模具的吸水率p强度以及吸水速度等性能。搅拌时间过长,二水石膏晶体正常生长的环境被破坏,模具的性能变差。根据经验,以搅拌4min为宜,当然各厂可根据自身的实际情况而定。

3.3 干燥温度对模具性能的影响

干燥温度对模具性能的影响试验为:将试样分别在60℃、80℃和100℃三个温度下烘至恒重后进行检测,其结果列于表5中。从表5可以看出,在100℃条件下烘干,模具会直接粉化;在80℃条件下烘干,其强度会出现下降情况。因此,模具的烘干温度以60℃左右为宜,不能超过80℃。根据经验,即使烘干温度设定为60℃,如果烘干的室温不够均匀,被烘模具固定不动,模具对着风口的部位照样会出现粉化现象。

3.4 石膏粉细度对其性能的影响

通过对同一种石膏粉不同细度的产品进行性能检测,结果表明,细度细的产品强度高,吸水率略有下降但下降幅度不大,且模具表面细腻。通过实测发现,国外卫生陶瓷工作模用石膏粉的显著特点之一,就是颗粒细、粒度均匀。

4卫生陶瓷工作模用石膏粉的性能要求

4.1 品种的要求

对于卫生陶瓷工作模用石膏粉的三种类型,由于其晶型不同,所以其物理性能也不同,主要表现在强度和吸水性能方面,反映在卫生陶瓷的生产上,就是成形速率和模具使用寿命的不同。α-半水石膏标准稠度小,制模时需要加的水量少、强度大,模具使用寿命长,但成形时吸浆速度慢,这样就不能满足快速成形的需要,国内市场上的α-半水石膏由于设备和技术的原因,不可能制得纯的α-半水石膏,只有少数企业在制作母模时使用纯α-半水石膏。而β-半水石膏与α-半水石膏的性能正好相反,更换模具频繁、劳动效率低,工人的劳动强度大,也不是一种理想的产品,由于其价格低,所以国内有不少做中低档产品的企业还在使用。制作高档卫生陶瓷,最为理想的石膏粉是α-半水石膏与β-半水石膏的混合型石膏粉。α-半水石膏与β-半水石膏的混合比例,没有一个固定的模式,视各企业的要求而定。一般来说,要求模具使用时间长,α-半水石膏的比例需适当提高,反之亦然。通常情况,α-半水石膏与β-半水石膏的混合比例为1:1.3。

4.2 纯度的要求

这里所指的纯度是半水石膏和杂质的百分含量。再好的工作模用石膏粉,都不可能是百分之百的半水石膏,根据手头资料进行分析,国内较好的工作模用石膏粉半水石膏的含量为90%,工作模用石膏粉纯度的检测方法有两种:一种方法是化学分析的方法,测结晶水的含量和酸不溶物的含量。半水石膏的理论含水量是6.2%,所以检测半水石膏的含水量,大致就可以判断出半水石膏的纯度。

QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》产品标准要求模用石膏粉的结晶水>5.6%,国内有的企业要求结晶水>5%,笔者对某国外半水石膏进行了测试,发现其含水量为6.02%。酸不溶物的含量主要是指杂质的含量,杂质含量的多寡对模具的表面性能和使用寿命都有直接影响。杂质中危害最大的当数硅质和Fe2O3;另一种方法就是测筛余的多少,这种方法较简单。

4.3 细度的要求

细度对模具质量有重要影响,好的石膏粉一般都很细,石膏粉细的话,所制得模具表面光滑、细腻,但细的石膏粉,生产成本高、价格贵,所以须确定一个合适的细度,比较合适的细度要求应该是120目筛余为零。

4.4 初凝时间和终凝时间的要求

初凝时间和终凝时间的长短,对模具制作工艺、制作质量和制作效率有重要影响。初凝时间太短,制模工艺不能充分完成,必然造成所制的模具内部结构不均匀,以及出现气泡、边角缺失等缺陷,致使模具吸浆不均匀、强度降低。QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》产品标准要求α-石膏粉的初凝时间>8min、β-石膏粉的初凝时间>6min。卫生陶瓷模用石膏粉的初凝时间一般要求>10min,而日本某企业要求石膏粉的初凝时间>15min。也不是说初凝时间越长就越好,各个卫生瓷厂要结合自己的实际情况,如产品大小、设备的机械化程度、工人的操作水平和混水量的大小等进行综合考虑。因为半水石膏的初凝、终凝时间都是有关联的,初凝时间长了,终凝时间也会变长。根据笔者的经验,卫生陶瓷工作模用石膏粉的初凝时间在12～15min较为合适。QB/T1639-1992《陶瓷模用石膏粉》产品标准要求模用石膏粉的终凝时间

4.5 强度的要求

强度从大类上可分为2h湿抗折强度和干抗折强度。从施力方式上可分为抗折强度、抗压强度和抗张强度三类。由于受时间和设备的限制,大部分企业只测2h湿抗折强度,因为知道了2h湿抗折强度,基本上也就可以估算出该试样的干抗折强度。据笔者的实测经验,一般情况下,半水石膏粉的干抗折强度是2h湿抗折强度的1.5～1.8倍。我们知道,卫生陶瓷工作模用的半水石膏粉有三种类型,不同类型的石膏粉强度不同,纯的α-半水石膏的干抗折强度有的能达到8MPa以上,这种石膏粉一般不能用于制作卫生陶瓷工作模,其吸水能力太低;普通β-半水石膏2h湿抗折强度约为2MPa左右。根据高档卫生陶瓷工作模用石膏粉的要求,在标准稠度情况下,2h湿抗折强度不应小于4MPa。

4.6 吸水率和吸水速度的要求

吸水率和吸水速度是注浆用石膏工作模的最基本功能之一。注浆用石膏工作模吸水率和吸水速度的大小,与石膏粉的细度、晶型,特别是混水量的多少关系密切。表6列出了不同混水量时吸浆速度的实验结果。从前面的论述及表6可知,随着混水量的增加,吸水率和吸水速度也随之增加。从该结果可知,并不是吸水率越大,吸水速度及吸浆速度也越大。这是因为,吸水太快,会在成形一开始便在模具表面形成一层相对的致密层,给后续吃浆造成更大的阻力,反而使吸浆速度减慢。另外,石膏工作模的吸水率和吸水速度增大的副作用便是降低模具强度,减少模具寿命。所以,卫生陶瓷石膏工作模的吸水率和吸水速度大小的选择要合适。根据笔者的研究,吸水率以不小于35%、吸水速度以不小于3～4mm/min为宜。

4.7 膨胀系数的要求

半水石膏加水后又变成二水石膏,这个结晶过程伴随着有放热效应和体积膨胀的现象。石膏粉膨胀系数太大的主要坏处有三点:第一是损坏母模;第二是翻制工作模时,不易脱模;第三是所翻制的工作模精度会越来越差。所以,卫生陶瓷厂在购买石膏粉时会提出膨胀系数的要求。石膏粉膨胀系数的主要影响因素是石膏粉本身的性能,其次是制模工艺的影响。石膏粉的膨胀系数越小越好,一般要求石膏粉的膨胀系数

4.8 白度的要求

大部分企业对石膏粉的白度不作要求,我国南方的卫生瓷厂要求石膏粉的白度>85%。需要注意的是,石膏粉的白度大致反映了石膏粉的纯度,但也有石膏粉纯度不低,而白度却不高的情况出现,这与所选用的石膏矿石的种类有关。

5结论

(1) 卫生陶瓷体积大、坯体厚、模块多、吸浆时间长,而且绝大多数产品都采用立式组合浇注成形的工艺,所以卫生陶瓷工作模用石膏粉的质量和性能要比其它普通陶瓷的要求高得多。

(2) 卫生陶瓷工作模用石膏粉有三种类型,作高档卫生陶瓷最为理想的石膏粉是α-半水石膏与β-半水石膏的混合型石膏粉,α-半水石膏与β-半水石膏的混合比例,视各企业的要求而定。要求模具使用时间长,那么α-半水石膏的比例就要适当提高,反之亦然。

(3) 影响卫生陶瓷工作模用石膏粉质量的主要因素有石膏粉的晶型、纯度、细度和生产工艺。检测控制石膏粉质量的主要项目有石膏粉的结晶水含量、酸不溶物、初凝时间和终凝时间、2h湿抗折强度、抗张强度、吸水率和吸水速度等。

(4) 影响卫生陶瓷工作模具性能的因素主要有石膏粉的质量、制模时的混水量、搅拌时间、水温、母模质量、制作工艺、干燥制度和成形环境及成形操作等。

参考文献

[1] 马养志等.卫生陶瓷工作模用石膏粉的调查研究[J].中国陶瓷,2008,9:49-53.

[2] 轻工部陶瓷工业科学研究所.QB/T1640-1992陶瓷模用石膏粉物理性能测试方法[S].

[3] 轻工部陶瓷工业科学研究所.QB/T1639-1992陶瓷模用石膏粉[S].

[4] 中国硅酸盐学会陶瓷分会建筑卫生陶瓷专业委员会.现代卫生陶瓷工程师手册[M].北京:中国建材工业出 版社,1998.

Study on Gypsum Powder in Sanitary Ceramic Working Mold

Ma YangzhiCheng ZhiwenCai XiumingZhao Changqing

(Xianyang Research and Design Institute of CeramicsXianyangShannxi712000)

Abstract: The article elaborated the production technology of gypsum powder used in sanitary ceramic working mold, introduced comprehensively the gypsum powder used in mold quality test items and test methods; analysis of the tooling technology, mechanism and influencing factors; studyed and discussed the factors and methods to improve the life of mold and the rate of forming.

Keywords: gypsum powder used in mold, production technology, quality detection, influencing factors, die life, forming rate