模具的石膏改性研究

赵芳 武麟

摘 要：石膏模具存在重量轻、生产效率高、能耗少等诸多优点，因此，在国内外得到广泛应用。但是，它也存在强度较低、使用寿命不长、质量不优良和抗冻性差等缺点，所以，如何有效地提高石膏模具的性能、最大限度发挥其优势成为当前需要解决的主要问题。本文着重研究了石膏模具改性方法，以优化改性剂配方，揭示改性机理，有效提高石膏模具的性能。

关键词：石膏模具;石膏性能;影响因素;改性剂;改性方法

中图分类号：TQ177.377文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0130-05

Abstract： Gypsum mold has many advantages， such as light weight， high production efficiency and low energy consumption， so it is widely used at home and abroad. However， it also has shortcomings such as low strength， short service life， poor quality and poor frost resistance.Therefore， how to effectively improve the performance of gypsum mold and maximize its advantages has become the main problem to be solved. This paper focused on the study of gypsum mold modification methods to optimize the modifier formula， reveal the modification mechanism， and effectively improve the performance of the gypsum mold.

Keywords： gypsum mold;gypsum properties;influencing factors;modifier;modification method

石膏为单斜晶系的含水硫酸盐矿物，主要化学成分为CaSO4·2H2O，晶体常呈近似菱形的板状。它是一种用途广泛的工业材料和建筑材料，资源丰富，价格低廉且绿色环保，可应用于水泥缓凝剂、石膏建筑品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料等领域。而模具是石膏最主要的应用之一，不同领域对模具也有不同的性能要求。对于复合材料缠绕成型的芯模来说，石膏模具既要在低温（或常温）下拥有优良的韧性，又要在高温（≥150 ℃）下增大脆性，便于复合材料脱模，目前并未见到针对性的公开研究报道，而本项目针对缠绕模具上述具体应用要求进行改性，建立改性方法、优化改性剂配方、揭示改性机理，有效地提高缠绕石膏模具的性能，进而为实际应用奠定坚实的基础。

芯模是决定产品形状的模具，具体要求如下：必须具有足够的强度和刚度;能满足制备的精度要求;制备工艺简单材料来源广、价格低;制品完成后，芯模能顺利清除干净，不影响制备质量。常用作芯模的材料为钢材、木材、塑料、铝、石膏、水泥、低熔点金属和低熔点盐类等。与金属材料相比，石膏芯模价格低，成型工艺简单，容易形成各种复杂形状，特别是对那些不宜进行机械加工的大型模具更为适合。

本课题拟通过试验分析与数据考察，得出石膏改性剂的最优组成配比、最佳改性步骤与方法，实现芯模性能的优化，从而使复合材料脱模更加容易。因此，此次课题研究不仅可以为高质量石膏芯模的制备提供有意义的启发，还对解决目前航空航天企业复合材料缠绕成型中的石膏模具实际问题具有重大价值。

1 研究内容与方法

1.1 研究内容

1.1.1 改性剂的设计和制备。筛选高分子改性剂，研究改性剂的物性;利用正交试验筛选出与石膏有相融性的以高分子为主体的改性剂;改变改性剂中不同配方的参数值，反复试验，分析这些影响因素对石膏性能的影响，研究改性剂的物性，筛选符合条件的改性剂，优化改性剂配方[1]。

1.1.2 石膏改性及固化研究。利用合适的改性剂对石膏进行改性，避免混合不均匀、过早或过迟凝固以及产品的浸出率较高、强度较低等问题;研究石膏固化行为和固化动力学;确定固化工艺;改变改性剂的种类和添加量，研究其對石膏固化行为和动力学的影响[2]。

1.1.3 石膏模具的制备和性能。采用改性剂改性石膏制作模具并固化，优化模具制作工艺;研究模具的耐热性能和力学性能，研究不同改性剂和添加量对模具热性能和力学性能的影响。

1.2 研究方法

本研究采用正交试验设计方法探究不同改性剂配方对石膏低温韧性和高温脆性的影响，从而确定最佳改性剂配方。试验分为横向对比和纵向对比两个方面。横向对比是为测试不同配方的改性剂，比较其对石膏模具的性能影响;纵向对比是指在确定改性剂配方的同时，测试在石膏芯模制作中不同条件下使用改性剂的效果，比较其石膏性能的差异和优劣。

2 模具的石膏改性及改性剂配方优化

2.1 膏水比及石膏与水的先后添加顺序对石膏性能的影响

2.1.1 石膏试样的制备。石膏粉与水的混合方式有两种：一是水→石膏，即将水加入石膏粉中;二是石膏→水，其与前一种方式相反，即先加石膏粉后加水。两种混合方式的原料添加顺序不同，但是石膏粉和水的用量都相同，如表1所示。

2.1.2 室温下石膏试样的强度分析。首先测试了室温下处理的石膏试样的弯曲强度，如表2所示，然后进行曲线图分析。

将表2数据转化为曲线图，如图1所示。理论上，从膏水比来看，水的比例越小，其性能越好，而实际操作时，受试验条件的影响，人们需要加入更多比例的水，石膏试样才会成型。

当水的用量小于28 g时，石膏试样不易成型，故其强度较弱，从图1可以看出，无论采用哪种混合方式，膏水比介于50∶28～50∶31时，石膏试样的强度较大。

2.1.3 150 ℃下石膏试样的强度分析。当温度为150 ℃时，石膏试样的弯曲强度如表3所示。同样将其转化为曲线图的形式，由图2可知，当膏水比为50∶30～50∶31时，石膏试样强度较大。

2.1.4 小结。综上所述，本试验所选的膏水比为50∶30。

2.2 纤维素对石膏的改性研究

2.2.1 乙基纤维素概述。分子式为[C6H7O2（OC2H5）3]n;软化点为135～155 ℃;熔点为165～185 ℃;相对密度为1.07～1.18 g/cm3。乙基纤维素具有黏合、填充、成膜等作用，可用于制作树脂合成塑料、涂料、橡胶代用品、油墨和绝缘材料，可用作胶黏剂、纺织品整理剂等，可用作动物饲料添加剂，可在电子产品和军工发射药中用作黏合剂。

2.2.2 石膏试样的制备。试验发现，纤维素在水中的溶解度较差，故制备纤维素质量分数为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的纤维素与水的混合液。

迅速将上述制得的纤维素混合液与称量好的石膏粉混合，并快速搅拌至均匀糊状，按试样的制备流程进行操作。

2.2.3 弯曲强度测试及分析。经检测，常温下，乙基纤维素做改性剂时的石膏试样弯曲强度如表4所示。

下面以乙基纤维素为改性剂展开研究，在不同掺量的纤维素下测得一系列石膏试样的抗折强度，其曲线图如图3所示。试验结果表明，在低掺量下，随着纤维素含量的增加，石膏试样的抗折强度均未高于未掺纤维试样。之后，其呈现先增后减的趋势。纤维在材料中起到连接增强的作用。总体上说，乙基纤维素对石膏的增强作用不大。经分析，其原因如下：纤维素和石膏之间的界面结合强度低，界面结合处结构疏松，造成许多毛细小孔，材料内部形成大量薄弱环节，大大降低了纤维的增韧效果。随着纤维含量的增加，纤维在石膏中的分散性降低，石膏内容易出现纤维聚集区，削弱了纤维与石膏的结合强度，使石膏的抗折强度下降。

2.2.4 小结。综上，乙基纤维素做改性剂不能使石膏获得人们所需的性能。

2.3 白乳胶对石膏模具的影响

2.3.1 白乳胶PVA概述。白乳胶是由醋酸乙烯单体在引发剂作用下经聚合反应制得的一种热塑性黏合剂。其可常温固化，固化较快，粘接强度较高，粘接层具有较好的韧性和耐久性，但不耐高温。

2.3.2 制备白乳胶溶液。将称量好的白乳胶加入水中并不断搅拌，进行水浴加热处理，温度为35 ℃，使白乳胶与水完全混合。其间分别制备白乳胶含量为10%、20%、30%、40%、50%的白乳胶溶液。

2.3.3 石膏试样的制备。迅速将上述制得的白乳胶溶液与称量好的石膏粉混合，并快速搅拌至均匀糊状，按试样制备流程进行操作。

2.3.4 弯曲强度测试及分析。经检测，白乳胶做改性剂所得石膏试样的弯曲强度如表5所示。其曲线图如图4所示，分析可知，白乳胶在室温下对石膏试样起到一定的增强效果，并且在150 ℃处理后，强度会有所降低，对比空白组，衡量其在室温下与150 ℃下的弯曲强度。

经分析，在常温下，白乳胶固化，与石膏颗粒黏结在一起，增强了石膏颗粒之间的黏结性，减少石膏孔隙的产生率，因此在常温下提高了石膏的弯曲强度。而在150 ℃下，白乳胶发生变性，在石膏内形成大量的孔隙，因而降低了石膏的彎曲强度。

2.4 聚氧乙烯水溶液对石膏模具的影响

2.4.1 聚氧化乙烯概述。聚氧化乙烯（PEO）又称聚环氧乙烷，是一种结晶性、热塑性的水溶性聚合物。分子式为H-（-O-CH2-CH2-）n-OH;外观为白色粒状粉末（粒径>20目）;软化点为65～67 ℃;熔点为87～140 ℃;密度为0.93 g/mL（25 ℃）;真密度为1.15～1.22 kg/L。聚氧化乙烯是一种具有水溶性和热塑性的非离子型线性高分子聚合物，具有絮凝、增稠、缓释、润滑、分散、助留和保水等性能，无毒无刺激性。因此，其在造纸、涂料、油墨、纺织印染、日化等行业均有着极为广泛的应用。

2.4.2 聚氧化乙烯溶液制备。虽然聚氧化乙烯作为水溶性聚合物，水溶性较好，但在加热溶解时，溶液中存在肉眼可见的絮状物，经搅拌后仍无法溶解，水溶液呈凝胶状，加入石膏粉后，石膏中存在不可分散的絮状物，与石膏混合不均匀，倒入模具成型后强度差，稍微施加外力就会破碎，因此不能将聚氧化乙烯溶液与石膏混合。

聚氧化乙烯低浓度水溶液（1%以下）具有很高的黏性，因此，本研究将其水溶液作为石膏表面加强剂来增强石膏的弯曲强度。

笔者将称量好的聚氧化乙烯加入水中并不断搅拌，使聚氧化乙烯溶于水。其间分别制备聚氧化乙烯含量为0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的聚氧化乙烯溶液。

2.4.3 石膏试样的制备。将空白石膏试样置于上述不同浓度的聚氧化乙烯溶液中，浸泡30 min，按试样制备流程进行操作。

2.4.4 弯曲强度测试及分析。经检测，聚氧化乙烯溶液做表面增强剂所得石膏试样的弯曲强度如表6所示。其曲线如图5所示，分析可得，聚氧化乙烯在室温下作为表面加强剂，对石膏试样有一定的增强效果，但在150 ℃处理后，强度会有所降低，但降低的强度有限，因此不能实现高温脆性作用。

聚氧化乙烯作为胶黏剂覆盖在石膏表面，将石膏试样表面及其内一定深度的石膏黏结成一体，形成坚硬的外壳，提高了石膏试样的抗弯曲能力。

在150 ℃高温下，聚氧化乙烯达到熔点，成为液态，试样表面凝聚的聚氧化乙烯脱离石膏试样，无法形成孔隙，同时人们无法将聚氧化乙烯从试样表面清除干净。恢复常温后，试样中仍存在残余的聚氧化乙烯，因此高温降低的强度有限。综合其常温高温力学性能，暂选用0.3%的聚氧化乙烯溶液。

2.5 聚氧乙烯水溶液与白乳胶共同作用对石膏模具的影响

2.5.1 石膏试样的制备。将经10%、20%、30%、40%、50%白乳胶溶液处理后的石膏试样分别置于0.3%浓度的聚氧化乙烯溶液中，浸泡30 min，按试样制备流程进行操作。

2.5.2 弯曲强度测试及分析。经检测，不同含量白乳胶处理后的试样再经3%聚氧乙烯溶液浸泡所得石膏试样的弯曲强度如表7所示。其曲线图如图6所示，分析可得，聚氧化乙烯溶液与白乳胶共同作用对比于聚氧化乙烯溶液单独作用，常温下，弯曲强度有所提高，但不是很大。150 ℃下，弯曲强度变大，对比于白乳胶单独作用，其在常温下的弯曲强度提升较小，而150 ℃下的弯曲强度提升较大。

经分析，试样的弯曲强度大部分取决于试样上下表面的强度，聚氧化乙烯溶液对于石膏试样表面的加强作用明显要强于白乳胶，因此，当聚氧化乙烯溶液与白乳胶共同作用时，试样的弯曲强度很大程度上是受聚氧化乙烯溶液影响的。

综上，聚氧化乙烯与白乳胶共同作用无法实现低温下增韧、高温下变脆的要求。

2.6 加热制备的糊化淀粉对石膏改性的研究。淀粉的分解温度较高，可以采用加热方法使其糊化而降低分解温度。本试验对淀粉分别进行加热、加酸处理。

2.6.1 采用加热的方式制备糊化淀粉。采用水浴加热的方法，控制其温度为68 ℃，加热时间为8～10 min。边加热边搅拌，待淀粉完全溶解后，加水至所需量并搅拌均匀。分别制备淀粉含量为0.5%、1%、2%、3%的糊化淀粉溶液。

2.6.2 石膏试样的制备。将上述制得的淀粉溶液与称量好的石膏粉混合，并快速搅拌至均匀糊状，按试样的制备流程图进行操作。

2.6.3 弯曲强度测试及分析。68 ℃水浴加热处理淀粉作改性剂及石膏试样的弯曲强度如表8所示。

68 ℃水浴加热处理淀粉的含量对石膏试样强度的影响如图7所示。在添加淀粉后，石膏试样的强度有所增加。试样在150 ℃处理后，其强度有所下降。室温下较合适的淀粉含量为0.7%～1.5%，150 ℃下，强度下降较多的试样对应的淀粉含量为0.75%～1.5%。综合来看，淀粉含量可选作0.7%～0.8%。

3 结论

碳纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料，以其比强度和比模量高、热膨胀系数小、可設计性好、易于整体成型等突出优点在航空航天结构中得到广泛应用，现已成为航空航天四大结构材料之一。复合材料产品的制造技术迥异于常规的金属材料，复合材料的成型通常要在模具中完成，在新材料成型的同时，其也完成了最终结构（毛坯）的成型。模具决定了制品的几何边界，明确了与其他零部件的关系，在很大程度上影响着制品的内部质量和表面状态，这些都决定了模具在复合材料产品制造过程中起着举足轻重的作用。

由于原材料石膏成型容易，适合制作各种复杂形状芯模，并且模具重量轻、生产效率高、能耗少，因此石膏芯模在国内外得到广泛的应用。但是，石膏芯模存在强度较低、使用寿命不长、质量不优良和抗冻性差等缺点，此外，现有的芯模结构存在不足，导致脱模过程不顺利，影响产品的质量和使用，所以，如何有效地提高石膏模具的性能、最大限度发挥其优势成为需要解决的主要问题。而针对复合材料缠绕成型的芯模，模具不仅要在低温（或常温）下拥有优良的韧性，也要在高温（≥150 ℃）下具有脆性增大的能力，即脆化，便于复合材料脱模。因此，对石膏芯模开展针对性的改性研究具有重要的现实意义。

由于试验条件有限，本文只研究了乙基纤维素、白乳胶、聚氧乙烯水溶液对石膏性能的影响，并取得了一定的成果。符合条件的改性剂还有很多，对石膏改性的研究会一直继续下去。

参考文献：

[1]邹海凤，李航.改性剂种类对改性磷石膏/HDPE性能的影响[J].新型能原材料，2020（10）：89-92.

[2]张立乾，李海燕，王能.改性增强天然建筑石膏的应用研究[J].绿色环保建材，2020（2）：14-15.