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當前位置：首頁 > 技術支持 > 建材、模型類 > 石膏在陶瓷模具的應用現狀
隨著陶瓷工業的迅速發展和機械化、自動化程度越來越高，陶瓷生產對成型模具的要求也越來越高。目前，陶瓷行業使用的模具主要有:石膏模具、塑料模具、樹脂模、鋼模、木模等，現在我國又利用國產設備生產出了聚氦醋橡膠模具。從20世紀初開始，德國、保加利亞、(前)蘇聯、法國、英國、日本等國科學家分別對其他模具材料(混凝土、陶瓷、金屬、塑料等)進行了大量的研究。塑料模具的制模材料，國外除使用環氧樹脂外，從70年代末開始研究試用聚氨酷材料制造模具，模具的尺寸精度提高，使用壽命最高可達8萬次，達到鋁合金鑄造模具的使用壽命，但模具的制造費用要比鋁合金模具低得多。目前西方工業發達國家的聚氨醋鑄造材料己成系列化、商品化供應市場。實踐證明，鋼模早己實現了國產化，并從模具使用壽命來說，從幾萬次發展到幾十萬次，甚至上百萬次。在國外某些行業，環氧樹脂的用量己占所有模具生產的75%。美國標準衛生潔具公司采用環氧樹脂制造的衛生潔具，表面性能好，尺寸穩定，成本低。從模具綜合成本、制造時間以及使用壽命考慮，樹脂模具適用于小到中批量生產及產品試制階段，而鋼模適用于大批量定型產品生產.由于新產品的更新愈來愈快，樹脂模具的采用也日益普遍，成本越來越低。一副鋼模需要差不多半年的時間才能完成，而模具樹脂表面澆注法只要一個多月就可完成，且使用壽命達到4萬次左右。聚氨酷彈性體用于模具，大幅度延長模具的使用壽命。沖壓次數由原來的10萬次增加到約40萬次，降低生產成本。石膏模具是陶瓷行業生產中長期以來使用的傳統模具，雖然以上提及的模具有一系列的優點，但由于石膏模具制作方便、原材料來源廣泛、成本低、吸水性能好、模具質量輕、可回收利用、不易污染環境，尤其是可以靈活方便的復制清晰棱角線條等許多優點。因此，無論是可塑成型，還是注漿成型:無論是日用陶瓷工業還是衛生潔具陶瓷行業，大多還在沿用大量的石膏模具。
1 發展石膏模具的意義
石膏模具是陶瓷工業生產中長期以來使用的傳統模具，但以注漿成型為主的衛生陶瓷生產中的基礎材----一成型模具己成為制約衛生陶瓷產品造型、規整度、勞動生產率和生產成本的重要因素，而衛生陶瓷行業所用的成型模具多采用石膏模具，雖然國內外有些廠家也嘗試用其他材料的模具來代替石膏模具，但多因工藝復雜、吸水率低及價格昂貴等原因，只使用于某些特殊的工藝和產品。這是因為石膏具有其他材料所無法替代如下的優勢:
1) 石膏資源豐富
石膏是我國的優勢礦產資源之一我國的石膏礦藏豐富，己探明的各類石膏儲量約為576億噸，居世界首位，而且分布廣，類型多。從1982年至1991年的十年間，中國石膏產量均以年平均10.90%的速度增長，遠遠超過世界石膏產量每年平均增長率的2%～3%，1995年石膏產量猛增到2659萬噸，成為世界石膏第一生產大國。
2) 石膏的價格低
石膏是一種用量大、運輸量也大，而價格又低廉的礦產品。目前，國內礦山交貨價大致如下:特級纖維石膏每噸為150～200元;一級雪花石膏，每噸60～100元;普通石膏每噸30～60元;硬石膏每噸為50～100元。我國石膏礦產品價格平穩，山西太原石膏礦的平均價格是55元/噸，山東平邑地區石膏平均價格是40元/噸。
3) 凝結硬化快，生產周期短，模具周轉快，易實現大規模產業化生產，使用周期可大為提前。
4) 尺寸穩定性好。由于石膏制品的伸縮比很小，其干燥收縮則更小。因而制品的尺寸穩定，變形小。
5) 綠色環保效應和獨特的“呼吸性能”。石膏材料呈中性，放射性極弱，生產和使用中均不排放不利于人體健康的有害物質，外觀光滑細膩，與人體親和性好。而且與其他材料有很好的相容性，不對其他物質產生侵蝕作用，是典型的綠色環保材料。此外，石膏制品還有獨特的“呼吸效應”，可以隨周圍環境濕度變化而吸濕或放濕。
因此，無論是可塑成型，還是注漿成型;無論是日用陶瓷工業還是衛生潔具陶瓷行業，都還沿用大量的模具石膏。
2 陶瓷注槳成型對石膏模具的要求
陶瓷注漿成型對石膏模具的要求如下：
1) 設計合理，易于脫模，各部位吸水均勻，能保證坯體各部位干燥收縮一致。
2) 孔隙率大，吸水性能好，孔隙率要求在20%～49%之間，模具在出烘房時，須保持濕度4%～6%左右，最大許可濕度為16%～20%，過干會引起制品千裂，同時模子使用壽命縮短，過濕會延長成坯時間，甚至難于成型。
3) 翻制模具時，應嚴格控制石膏與水的比例，以保證有一定的吸水性與機械強度，并使模具質量穩定。
4) 模具工作表面應該是光潔的，無孔洞，無潤滑油跡。新模第一次使用前，應用2%的碳酸鈉溶液擦拭內壁，以除去殘留涂料，也可用1/4調漿水進行刷洗或用砂紙將內表面擦去一層。
3 影響石膏模具質量的因素
3．1模具石膏的陳放
目前制作陶瓷模具所用的石膏粉，一般是將天然石膏經鍛燒(170～190℃)而制成的半水石膏和少量的無水石膏:
CaS04·2H20 ＝CaSO4·1/2H2O＋3/2H2O(1-1)
CaSO4·1/2H2O＝CaSO4＋H2O (1-2)
這種方法所生成的半水石膏稱為β一半水石膏，它具有結構缺陷和表面積大的特點.由于它制作模具時需加入水分，這一過程所表現的流變學性質，必然影響到模具的微觀結構，同時也決定模具表面硬度和模具強度、氣孔率和吃漿速率。影響模具微觀結構的因素有:①水膏比;②制模過程中混合條件，如攪拌器類別、攪拌速度和攪拌時間。這些因素均影響二水硫酸鈣的形成速度、晶體的大小。特別要注意的是模具石膏的固有易變性。
眾所周知 ，水膏比、漿體的稠度對石膏模具的強度、密度、吸水率都有直接的影響。一般來說，水膏比大，模具氣孔率高，密度小，強度就低，使用壽命就短;反之，水膏比小，模具氣孔率低，密度大，強度就高，但吸水率低。工廠里一般是選擇恰當的水膏比以滿足生產工藝的要求。如1:1.3左右。
模具石膏的易變性還表現在炒制不久的石膏粉和經過了“充分陳放”的石膏粉的差異。新炒制的石膏粉，溫度高，還沒有陳放和均化，活性強，需水量大。即刻使用它來制模，可使模具表面形成很多氣泡，整體強度低，所以用這種石膏制作模具是困難的，一般要存放兩周后再使用。陳放過程可分成兩個階段，即任何可溶性硬石膏的迅速水合作用形成半水石膏，此后以極慢的速度吸收水分，使半水石膏晶體轉向完整，而導致需水量的逐漸下降。若相對濕度不太高，石膏粉能達到恒定含水量的程度。若相對濕度非常高，則水化作用繼續進行，以致形成二水化合物，給石膏粉的質量帶來不好的影響。
3．2石膏模具的內部結構
石膏模具的制作，是用半水石膏粉和水調成漿體，半水石膏水化、結晶、晶體相互交織而成硬化石膏體，經干燥而成石膏模具。在制作中其摻水量遠遠超過化學結合反應所需要的用水量，當石膏模具完全干燥時，多余的水使模具形成了孔隙。組成石膏模的石膏晶體好像是上百萬個“牙簽”無規則地結合在一起，而這些“牙簽”之間的孔隙在各個方向上聯結而形成不規則的連續的毛細管。石膏晶體的平均尺寸為2-5μm，晶體間的孔隙極小(坯體原料中一般最小的顆粒也不能從孔隙滲出。
在石膏模具的整個使用周期中，水滲入并通過模具中這些細小的孔隙，而后又從這些細孔隙中排出。人們一般認為水的這種運動機理是毛細管作用原理。原則上說，石膏模宛如一塊具有三度空間的硬海綿，在其整個使用周期中都存在著連續的毛細管水的運動。至于模具 中的氣孔率(包括種類、分布)是和石膏漿體的流變學性質及制模的過程和條件相關的.即使確定了需水量和攪拌時間，一旦攪拌方法和條件改變，石膏模具的結構和性質也隨之發生變化。例如:用真空攪拌，脫氣的模具比未經真空攪拌處理的石膏模具強度高，使用壽命長。
3．3石膏模具的工作過程
在陶瓷生產中之所以使用石膏模具，是因為它能使坯體成型、凝固和脫水。石膏模在使用前，必須經過千燥，一般新模具含水率在6%～8%為好。
注漿成型的陶瓷制品，是泥漿澆注在石膏模具中而得以成型的。澆注工藝的確定是在含有粘土的坯料中，加入少量的電解質和少量的水就可以得到較為稀釋的泥漿，石膏模具能夠從泥漿中吸出部分水分，并有使泥料在模壁上形成厚層的能力，這樣才能利用澆注工藝制造出有一定外形尺寸的坯件。因此石膏模具的物理性能，如氣孔率、吸水率對于注漿成型的坯體影響較大。如石膏模具的氣孔分布不均勻，在注漿過程中各部分的吸水量就不同，那么在相同的時間里，形成坯體厚度就不相同，于是在干燥過程中容易產生變形和龜裂，甚至嚴重時坯體難以脫模。保持良好的工作狀態，是制造優質的石膏模具的必要條件。要確定良好的模具干燥制度，干燥溫度最好在55℃以內，不要有震動和打擊現象，模具濕度在6%～8%為好。
3.4石膏模具在使用中的變化
石膏模具是多孔的微溶的物體，注漿成型用的泥漿，為了使其有良好的流動性和穩定性都加有電介質。一般使用的是Na2C03和Na2S04，這兩種物質會在模具表面發生化學反應:
Na2C03+ CaSO4＝Na2S04+CaCO3(1-3)
Na2SiO3+CaSO4＝Na2S04+Casi03(1-4)
由于泥漿中的電介質和石膏模具中的硫酸鈣發生化學反應，慢慢積存于模具體內.另外陶瓷泥漿中的粘土膠體也會進入石膏模具的氣孔中。堿性電解質中從碳酸鈉分解出來的堿容易滲入模具內部，它與硫酸鈣發生反應生成硫酸鈉。這種硫酸鈉依干燥條件的不同，或是積存于模具體內，或是析出模具內壁。一旦硫酸鈉積存多了，并結晶化，這時產生的壓力會使模具膨脹并開裂。
石膏模具干燥時，模具表面上長出堿毛，它是可溶性物質，其成分主要是硫酸鈉。這種物質可使模具的功能有所減弱。上述現象表明模具的腐蝕效應更多地是受陶瓷泥料的影響，從石膏模具方面來說，應將電解質的用量限制在最小的限度.模具被侵蝕的情況通常有三種:①溶解磨損;②溶解引起的孔洞;③化學腐蝕和機械磨損。這些物理、化學腐蝕現象的發生和加深，最終將使模具報廢。目前陶瓷石膏模具使用的次數通常在70～90次左右。
4 石膏模具的國內外研究概況
由于石膏制品具有重量輕、生產效率高、耐火性能好、易澆注、資源豐富、能耗少等一系列優點，因此有廣泛的用途。如在塑制工藝品、制作牙科、陶瓷、機械鑄造中當作模具石膏來使用。模具石膏分普通模具石膏和高強石膏兩種。
關于石膏模具的增強，國內外己做了大量的研究，目前主要的增強方法有以下幾種:
1) 尋找石膏模的替代材料
例如研制多孔塑料模、樹脂模具、粉末燒結的青銅滾壓成型模，使用次數大幅度提高，但多因工藝復雜、吸水率低及價格昂貴等原因，只使用于某些特殊的工藝和產品，所以陶瓷成型的主要模具還是石膏模。
2) 采用高強石膏—α半水石膏
a一半水石膏晶體呈棱柱狀，結構致密，標準稠度用水量低，因此強度很高，但是其吸水性不好，生產工藝復雜，生產成本高，所以很少有企業采用純α-半水石膏來制作石膏模具。
3) 對β一半 水石膏進行改性
如加入增強劑，如中科院上海硅酸鹽研究所研制的QA型石膏增強劑，江蘇建科院研制的JS-11的石膏高效增強劑，河北理工大學研究了以甲基纖維素為主要成分的增強劑。研究表明在增強劑加入量為3%時抗折強度最大，而且能夠提高模具石膏的抗堿侵蝕能力，還可以在石膏中加入減水劑、緩凝劑等各種外加劑。這是目前對石膏模具增強最為常用的方法。
4) 采用α一半水石膏與β一半水石膏混合制成石膏模具
這種方法最先在國外研究成功，但是現在我國很多陶瓷廠也采用此方法來制作石膏模具，研究表明當α-半水石膏與β一半水石膏的比例為3:7的時候所制得的石膏模具使用壽命最好。
5) 石膏模具高強涂層
這種增強方法研究的人很少。山東省硅酸鹽研究設計院，采用環氧樹脂和酚醛樹脂作復合膠粘劑，用石膏粉和鐘乳石作復合填料，加入適量的添加劑，制備出了石膏模具用涂料。石膏模具涂上該涂料后，在保持良好透水性的基礎上，強度、耐磨耐腐蝕性能顯著提高，使用壽命延長。
5 石膏模具的發展趨勢
由于石膏模具有制作方便、原材料來源廣泛、成本低、吸水性能好、可回收利用，尤其是可以靈活方便地復制清晰棱角線條等許多優點。因此，陶瓷工業還普遍采用石膏模具作為重要的成型工具，國外現在普遍采用α一半水石膏與β一半水石膏混合制成石膏模具，而我國都還普遍單獨采用p一半水石膏為原材料，但β一半水石膏強度普遍不高，耐磨性、耐水性、耐溶蝕性差，造成使用壽命短。因此，對模具石膏進行改性以延長其使用壽命仍是科研工作者和企業長期的研究目標。
