石膏粉热膨胀有关问题研究探讨＊

王同言 杨齐红

（1唐山陶瓷股份有限公司 河北 唐山 063020）（2唐山华美陶瓷有限公司 河北 唐山 063020）

石膏粉热膨胀有关问题研究探讨＊

王同言1杨齐红2

（1唐山陶瓷股份有限公司 河北 唐山 063020）（2唐山华美陶瓷有限公司 河北 唐山 063020）

研究探讨了石膏粉水化过程中热膨胀的产生机理以及物理特性，研究分析了热膨胀对模型质量的影响以及影响石膏热膨胀的因素，并介绍了测定石膏粉热膨胀率的方法。

石膏粉 水膏比 热膨胀 膨胀率

前言

石膏粉（此指熟石膏粉或半水石膏粉，下同）因其物美价廉、取用方便、使用性能优良，目前仍然是制造陶瓷成形石膏模型的重要材料。其质量的好坏，直接影响到模型的质量。20世纪七、八十年代，陶瓷生产企业由于成形工艺简单，产品器型简单、品种单一，对石膏模型质量要求不严格，故对石膏粉质量的要求也不严格。改革开放以来，尤其是近20年来，随着陶瓷行业的快速发展，陶瓷成形新设备的不断采用，以及模型制造工艺技术的进步，尤其是卫生陶瓷组合立式浇注机械化成形工艺、低压快排水工艺以及日用陶瓷塑压成形等工艺技术的推广应用，使得卫生陶瓷产品体积越来越大，器型结构越来越复杂，对石膏模型质量要求的越来越严格，对陶瓷生产用石膏粉的质量也越来越重视。石膏粉与水混合反应后产生微小的膨胀，这种膨胀对注模生产和模型的质量是不利的。生产中因石膏模型的膨胀造成的模型变形、漏浆、甚至模型报废等现象影响生产的情况时有发生。故石膏的膨胀问题才引起人们的足够重视，一些企业将其列入了质量控制检测把关项目。

石膏粉的热膨胀系数，因石膏粉不同、水膏比不同，会有着不同的热膨胀率。由于半水石膏在水化过程中产生的热膨胀是有害的，对模型质量影响很大。所以，为了满足生产新工艺的要求，为了确保模型质量，有必要对石膏粉的热膨胀率进行研究和测定。笔者研究探讨了石膏粉水化过程中热膨胀的物理特性，分析了热膨胀对模型质量的影响以及影响石膏热膨胀的因素，最后介绍了测定石膏粉热膨胀率的方法，对陶瓷企业有一定的指导和借鉴作用。

1 石膏粉热膨胀产生机理

石膏粉产生热膨胀的机理有以下两个方面：

1）在石膏粉炒制加工过程中，由于二水石膏加热脱水的温度控制不严，特别是炒制加工时的搅拌不均匀，有部分二水石膏因温度过高继续脱水变成了无水石膏（也叫过烧石膏或硬石膏），这些无水石膏活性大，在水化时很快由斜方晶系转化为单斜晶系，产生微量的体积膨胀。

2）从石膏粉溶解凝固理论来看，在模型制造过程中，当半水石膏与水混合时，石膏与水产生水化作用，同时产生一种放热反应，它随时间的延长而升高。这是因为在半水石膏的饱和溶液中有晶芽不断生成，最后晶芽持续生长成二水石膏晶体，同时随之放出水化热而产生膨胀。

2 石膏粉热膨胀特性

1）石膏粉水化热膨胀的大小与注模时水和石膏的比例（即水膏比）有关。石膏粉的用量越大，膨胀率也越大。另外，热膨胀率随水化时间的延长而增大（见表1、表2）。

表1 β半水石膏的水膏比为1∶1.2时膨胀情况

表2 α半水石膏的水膏比为1∶1.3时膨胀情况

2）石膏粉水化热膨胀的大小与石膏粉的种类有关。据生产实践经验可知，单独用α半水石膏浇注的模型强度虽然高，但其膨胀率大，模型易出现变形、开缝和裂纹，其主要原因是水和石膏的比例大。实际生产中使用α半水石膏时，水和石膏的比例一般以1∶1.3～1∶1.4为宜。

采用β半水石膏浇注模型时，水和石膏的比例为1∶1.16～1∶1.2，膨胀率较小，但模型强度偏低。生产实践中，一般要求模型强度高，同时要求膨胀率低。如果将α和β2种半水石膏混合使用，就有较好的效果。当α和β2种半水石膏以各50%混合使用，水和石膏比例为1∶1.25时，其干抗压强度可达到12MPa，膨胀率有了明显减小（见表3）。可见，为了提高模型质量，α和β2种半水石膏混合使用最为理想。

表3 α和β混合粉的水膏比为1∶1.25时膨胀情况

3）石膏粉水化热膨胀的大小与是否使用缓凝剂有关。在没有加缓凝剂的情况下，水与石膏的水化反应快，所有半水石膏在2h内一般都转变为二水石膏，同时伴随着热量的产生，造成热膨胀；使用缓凝剂后，水与石膏的水化反应变慢，降低了半水石膏的溶解速度，半水石膏转变为二水石膏的时间就长，石膏热量的产生也变慢，石膏的热膨胀就小。同时，加入缓凝剂有利于增加结晶溶液的密度，对提高模型强度和质量有很好的作用。

目前，在陶瓷生产中，无论是日用陶瓷塑压成形，还是卫生陶瓷的组合浇注一次成形，由于对模型质量（膨胀率和尺寸）要求的很严格，要求石膏模型有很小的膨胀率和微小的尺寸变化，故对石膏粉提出了更加严格的要求。国内一些先进的石膏粉厂家，通过潜心研究，性能优良的高强度石膏粉、超高强度树脂石膏粉和K型粉应运而生，用于制作原模、母模以及复杂的石膏模型。国内先进厂家生产的石膏粉，可替代进口产品，且价格仅为进口产品价格的二分之一。最主要的是这些石膏粉的膨胀率很低，一般模型用石膏粉的膨胀率在0.2%以下，原模、母模用石膏粉的膨胀率控制在0.06%以下，满足了目前陶瓷成形生产新工艺的要求。

3 石膏膨胀对模型的危害

我们在制作模型和胎型时，所使用的石膏粉都要求有较低的膨胀率，但实际情况不是这样。实际生产表明，由于在制作模型和胎型中为了增加强度，往往采用提高石膏粉加入量的方法。这种方法确实提高了模型强度，但同时也增大了石膏水化热膨胀率。在这种情况下，浇注模型时，很容易把母模胀坏，模型掉角，模型不能顺利从母模中取出，或者做出的模型不易安装、变形等，使用中漏浆，严重时造成模型报废。以卫生陶瓷模型为例，热膨胀对模型造成以下具体危害：

1）坐便器类帮模、底模对口缝不严密，使模型制造中合模困难，模型从中间部位断裂，或者出现弓形开缝，成形注浆时漏浆。

2）坐便器模型圈翘起，对缝不严密，弓形开缝，内表面棱角处有裂缝。

3）箱、盖模型对口不严密，面具类模型内表面有裂缝。

4）注模时易把母模胀坏，或者模型不易从母模中取出，损坏模型、胎型。

因此，在浇注模型或制作母模胎型时，石膏粉的水化热膨胀特性不容忽视，对所用石膏粉的热膨胀率必须及时取样检测，掌握参数情况，确保所用石膏粉产地和质量的稳定，才能保证胎型、模型的质量。

4 影响石膏粉热膨胀的相关因素

影响石膏热膨胀的因素很多，主要有石膏粉的种类、水膏比例、搅拌方法、转速、搅拌时间、水温等。

4.1 石膏粉种类

我们选用普通β石膏粉、α高强石膏粉以及α与β混合粉（各50%），采用混水量80%（水膏比1∶1.25）不变，其它外部环境条件相同，测得石膏粉膨胀率见表4。

表4 石膏粉的种类及其膨胀率

4.2 水膏比

保持搅拌时间以及其它外部环境条件不变。当混合水量增加，即当水膏比增大时，石膏的膨胀率降低；反之，当混合水量减少，即当水膏比变小时，石膏的膨胀率增大（见表5）。

4.3 搅拌方法

石膏的搅拌方法有手工搅拌、机械搅拌和真空搅拌3种。保持混水量为75%（水膏比1∶1.33）以及其它外部条件不变时，手工搅拌膨胀率最大，机械搅拌次之，真空搅拌最小（见表6）。

表6 搅拌方法及其膨胀率

4.4 搅拌机转速

在混水量为80%（水膏比1∶1.25）以及其它外部环境条件不变时，搅拌机转速越高，则膨胀率越大（见表7）。其原因是由于随着搅拌速度的加快，石膏与水的反应加快，导致膨胀率增大。

表7 转速与膨胀率的关系

4.5 搅拌时间

在混水量为75%（水膏比1∶1.33）及其它外部环境条件不变时，随着搅拌时间的延长，膨胀率增大（见表8）。

4.6 水温

在混水量为60%（水膏比1∶1.67）及其它外部环境条件不变时，随着水温的升高，膨胀率降低（见表9）。

表8 搅拌时间与膨胀率的关系

表9 水温与膨胀率的关系

除以上影响因素外，如前面所述，石膏粉热膨胀率的大小还与是否使用缓凝剂有关。在其它外部环境条件不变时，未使用缓凝剂时，石膏粉的热膨胀大；反之，使用缓凝剂时，石膏的热膨胀就变小。另外，石膏粉含杂质越多，热膨胀系数越小；石膏粉越纯净，热膨胀系数越大。

5 测定石膏粉热膨胀系数的方法

为准确测定出半水石膏粉在水化过程中的热膨胀系数，我们采用的仪器是汞池测试仪。

5.1 使用的工器具

秒表一块；0.01mm长度表（百分表）；制样模一套（模型尺寸：120mm×20mm×20mm）；1/100天平一台；汞500g。

5.2 测定方法

1）准备好汞池，并用水平尺找好水平。

2）注入4mm厚汞液于汞池中，装好百分表。

3）按比例制好石膏浆，搅拌30s，倒入制样模型内。

4）当石膏浆接近初凝时（可以开模时），立即开模轻轻取出试样。此时试样很软，要注意不要损坏，迅速放入汞池中，并将试样一端与百分表顶杠接触，将另一端汞池紧定螺栓轻轻拧紧。试样进入测试过程。

5）开启秒表，记录每5s的膨胀系数，直至停止膨胀为止。停止秒表，记录整个膨胀过程。

整个测试过程约50min。在整个试验过程中，要求记录准确、迅速，试样工作台无震动。装试样要轻拿轻放，固定试样不要用力过大或过猛，以免顶坏试样。因为此时试样还没有完全进入初凝期，强度很低。当试样进入初凝期，开始收缩（约0.05mm）；当初凝开始放热时，膨胀较快，应特别注意做好记录，不可移动或震动汞池，以防出现误差。

1 傅培贵，王树棨.陶瓷用模具制造.北京：轻工业出版社，1984

2 刘禧龄.相关使用条件对熟石膏粉物理性能的影响.全国性建材科技期刊——陶瓷，1993（4）：52～55

T177.3

A

1002－2872－（2011）06－0028－03

王同言（1963－），本科，高级工程师；研究方向为陶瓷新产品开发及生产工艺、石膏模型技术、陶瓷便器节水技术。E－mail：tswty631108@sina.com