提高石膏模型強(qiáng)度的方法

一、 注漿成型用模型的三要素

    注漿成型用模型的主要功能是從泥漿中吸取水份，使泥漿由流體狀經(jīng)觸變狀態(tài)為具有可塑性的固態(tài)泥坯。由開始的含水近30%的泥漿，變?yōu)楹?7%的泥坯。盡管在吸收水分的同時(shí)，也有種種復(fù)雜的諸如離子交換的反應(yīng)，但主要是吸收水分，使泥漿失水13%左右而形成泥坯。當(dāng)然，形成的泥坯應(yīng)當(dāng)有一定的形狀，這也是模型的功能之一。因此，不論是什么材質(zhì)的模型具備三個(gè)要素就能用以注漿成型。這三個(gè)要素是：一能吸入并能容納一定量的水。如不能吸水，并且不能容納一定量的水，都不能使泥漿成為坯體。同時(shí)也就有將容納的水釋放出去的能力。二具有適當(dāng)?shù)奈俣取＿@種吸水速度可用擴(kuò)散系數(shù)Dg表示（Dg 在后面有詳細(xì)說明），Dg太大或太小都不利于坯體的形成。三具有理想的強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)有適應(yīng)不同要求的強(qiáng)度，能承受搬運(yùn)、安裝和使用中腐蝕、磨損和沖擊。因此應(yīng)當(dāng)有抗折、抗壓，表面硬度耐水性、耐堿性等要求。

    除三要素外，還應(yīng)當(dāng)考慮到模型的制造周期，制造工藝和制造成本應(yīng)符合"短、簡、低"的要求。如石膏模型就應(yīng)當(dāng)考慮到初凝和終凝的時(shí)間、石膏的價(jià)格等等。

    無論什么材質(zhì)，只要具備三要素都可以制作模型，因此我們可以據(jù)此而調(diào)節(jié)石膏模型的性能，也可以利用石膏以外的材質(zhì)來制作模型。

    二、 提高石膏模型強(qiáng)度的途徑
    為適應(yīng)新工藝的需要，必須將石膏模型的干后抗折強(qiáng)度由通常的2.6MPa左右提高到5MPa以上，許多新的材料和添加劑的出現(xiàn)，成型機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)為高強(qiáng)度石膏模型的制作和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。因此可以采取多種途徑提高強(qiáng)度：1、使用高純度石膏粉；2、使用高強(qiáng)度石膏粉；3、使用真空脫氣攪拌；4、使用合適的添加劑；5、使用處理后的水?dāng)嚢璩墒酀{；6、使用加強(qiáng)筋或加強(qiáng)纖維；7、使用若干種材質(zhì)的復(fù)合層模型；8、降低石膏漿的加水量，使模型致密；9、對(duì)制作的模型進(jìn)行合理的烘干；10、使用模型時(shí)的溫度和濕度應(yīng)適當(dāng)；11、攪后的石膏漿注模前過篩；12、石膏粉的細(xì)度應(yīng)當(dāng)越細(xì)越好。

    三、 通過提高石膏模型致密度來提高模型強(qiáng)度是可行的

    通常認(rèn)為注漿用模型的氣孔率應(yīng)45~55%之間，制模時(shí)的膏水比為1：0.8：0.9。但是隨著人們認(rèn)識(shí)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)都證明膏水比1：< 0.8。氣孔率<40%時(shí)，如果模型中加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?，模型的吸漿性能反而優(yōu)于膏水比1：0.85的模型。同樣的環(huán)境，同樣的泥漿形成同樣厚度的坯體，前者只需45分鐘，后者則需60分鐘模型抗折強(qiáng)度：干時(shí)前：后=2：1，濕時(shí)前：后=3：1。由此可見，選用合適的石膏粉加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?。致密的模型更有利于良好的坯體形成。由于模型致密，強(qiáng)度也隨之提高。我們的實(shí)驗(yàn)證明：膏水比為1：0.6時(shí)制成模型也是適用的。

    四、 提高致密度有利于石膏模型使用后期吸漿速度的穩(wěn)定

    實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)都證明這樣一個(gè)事實(shí)：模型經(jīng)幾十次的使用后，由于受水、電解質(zhì)、泥料的侵蝕和表面的磨損，變薄了，也變得疏松了。疏松容重變小意味著模型內(nèi)的毛細(xì)客直徑變大了。氣孔率增加了，相當(dāng)于膏水比變小了，與此同時(shí)強(qiáng)度下降，或坯速度變慢，同時(shí)這也是模型后期易損壞的原因之一。

    在一定范圍內(nèi)，成坯速度與膏水比呈如圖（a）關(guān)系：如新模型開始膏水比為B，則后期移向C，成坯速度Wp呈下降趨勢(shì)；如新模型開始膏水比為A，后期向B移動(dòng)，Wp呈穩(wěn)定趨勢(shì)。
    由上可以看出模型適當(dāng)致密是有利的。

    五、 石膏模型的Dg與Wp的關(guān)系

    擴(kuò)散系數(shù)表示在單位時(shí)間內(nèi)液體在多孔材料中擴(kuò)散的面積。石膏模型的擴(kuò)散系數(shù)表示為：

Dg=X2 / t。其中：t為時(shí)間（秒），X為水上升的高度（厘米）。WP為一定時(shí)間內(nèi)形成坯體厚度（厘米）。
Dg和WP的關(guān)系如圖（b）所示。

    在一定范圍內(nèi)Dg大，WP的反而小，在一定范圍在Dg 變化，WP不變；在一定范圍內(nèi)Dg增大，WP也增大。
    Dg大，則吸水能力大，Dg太大，泥漿在模型表面最初形成太密，從而影響進(jìn)一步吸水，妨妨礙坯體繼續(xù)形成；Dg太小，吸力小，也不利于坯體的形成；Dg適當(dāng)，可使坯體初形成層保持多孔性，不影響內(nèi)層水的通過，使坯體形成快而均勻，使坯體內(nèi)外層密度相差不太大，也減少坯體收縮時(shí)的缺陷發(fā)生，那么如何使Dg適中呢？請(qǐng)看下文。

    六、 影響石膏模型Dg的因素及其調(diào)節(jié)

    影響石膏模型Dg因素的有：1、石膏粉的種類和純度；2、膏水比；3、攪拌時(shí)間；4、是否真空脫氣攪拌；6、添加劑的種類和數(shù)量；7、石膏粉的細(xì)度。

    如果采用θ石膏粉，純度較高，膏水比、攪拌時(shí)間和速度適中，使用真空脫氣均能使Dg提高，而采用合適的添加劑則可使Dg提高，也可以使Dg下降。據(jù)目前了解：有機(jī)的、水溶性較強(qiáng)的、粘度大的可使Dg下降；而粘度小的、無機(jī)的、水溶性差的可以使Dg不變或者使Dg提高。因?yàn)镈g太大太小均不好，而Dg又受諸因素共同影響，因而要依據(jù)不同的條件和需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)Dg也難以規(guī)定確切的數(shù)值，比如泥漿組成不同則需要不同的Dg值。

    七、 真空攪拌和注模前過篩有利強(qiáng)度、光潔度和硬度的提高

    真空攪拌有利于提高模型的強(qiáng)度已成為共識(shí)。但是作用不僅如此，它還有利于光潔度和硬度的提高。由于真空攪拌，減少了許多氣泡，使模更加致密，從而增加了模型表面的硬度和光潔度。由于大批量生產(chǎn)的石膏粉中難免有粗顆粒，大批量制作模型時(shí)難免攪不均勻，攪拌桶和管道中也許有殘存的渣子，這些雜質(zhì)進(jìn)入模型中，必定影響強(qiáng)度、光潔度和表面硬度。如在石膏漿注入模型前經(jīng)過一道30月左右篩網(wǎng)，就可以有效地?fù)踝‰s質(zhì)，從而提高模型的強(qiáng)度，光潔度和表面硬度。過篩大興安嶺有一個(gè)作用：即由于過篩緩沖了石膏漿的入模速度，從而破壞了可能產(chǎn)生的沖擊氣泡，使模型更致密。

    八、 應(yīng)當(dāng)在提高強(qiáng)度的同時(shí)減薄石膏模型厚度

    普通石膏模型的厚度都相當(dāng)厚：一般在65~90mm左右，究其原因，主要是由于石膏的強(qiáng)強(qiáng)度太差，薄了不行，易破損。結(jié)果有的達(dá)到100mm。既費(fèi)了石膏，增加了成本，又搬運(yùn)困難，加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且也不容易干燥，同時(shí)也增大了所占有空間，不利于提高單位作業(yè)面積的生產(chǎn)率。也許有人認(rèn)為薄了會(huì)影響模型容納的水量，是否真的這樣呢？減少到多少厚度才合格呢？本文暫不考慮強(qiáng)度，而只從最小的厚度為多少進(jìn)行一下分析計(jì)算：

    通常注漿用泥漿比重為1.8，干重71.2%，可塑狀態(tài)的濕坯比重為2.07，干重為83%；設(shè)形成面積為1cm2厚度為1.3cm的坯塊，需要面積為1cm2氣孔率36%的石膏模型厚度Xcm則有如下計(jì)算：
濕坯體重：2.07×1.3×1×1=2.691g
濕坯體含干物料2.691×0.83=2.2335g
濕坯體的形成需泥漿2.2335÷ 0.712=3.317g
泥漿形成濕坯體失水3.317-2.691=0.446g

如認(rèn)為所失水全為模型所吸收（實(shí)際并非如此）并且只占模型氣孔率的1 /3，即12%（實(shí)際也高于此值）
則有：X×1×1×12%=0.446

    所以，單面吃漿的模型只需X=3.71cm厚即可，如果雙面吃漿，每面為2cm足夠了?？梢?，如用高強(qiáng)度，氣孔率在36%左右的模型，單面吃漿可設(shè)計(jì)厚 40~50 mm，雙面吃漿可設(shè)計(jì)成厚25~35mm ，按此數(shù)值計(jì)算可以比目前的模型少用1/3~1/2的石膏粉，可以大大降低成本和重量。

    九、 石膏模型的外型（非工作面）設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重視
    某廠的模型外型幾乎全是凹凸不平的，有的類似暖氣片狀。經(jīng)思考良久受到啟示，認(rèn)為設(shè)計(jì)相當(dāng)科學(xué)：1、模型的上沿、邊棱外較厚，其余處較薄，便于搬運(yùn)；2、有薄有厚，厚處有加強(qiáng)筋的作用，有助于提高整體強(qiáng)度，符合材料力學(xué)的原理；3、薄厚不一，可節(jié)省石膏粉減輕重量，但強(qiáng)度不受影響；4、增大水分蒸發(fā)的面積，有利于模型的快速干燥。這種設(shè)計(jì)如能和減薄模型的可行性結(jié)合起來將更科學(xué)、更完善。

    十、 選用合適的添加劑，可以提高石膏模型的開口氣孔率、耐水性能和韌性

    注成的石膏塊脫模后立即稱重為W1（此時(shí)水份蒸發(fā)不多），干燥至恒重后再以水充分浸泡至恒重為W2。普通膏粉制成256cm3的試塊W1-W2= 25g，如用加入添加劑的石膏粉制成的同樣的石膏塊，則W1-W2=10g，甚至W1-W2=6g 。（這種實(shí)驗(yàn)是在相同的條件下進(jìn)行的，石膏塊的容重也相同）顯然加入某種添加劑可以使開口氣孔率提高5%以上，這無異有利于模型性能的改善和吸水能力的增加。
    注漿用石膏模型是在干濕交替的狀態(tài)下工作的。石膏模型干時(shí)和濕時(shí)的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、表面硬度相差很大。通常的石膏模型抗折強(qiáng)度干：濕=3：1，硬度干：濕>5：1。干時(shí)相當(dāng)硬的石膏塊浸濕后和軟木無異，模型在濕時(shí)也易斷、易表面脫落。要提高石膏模型的壽命，增加濕太太下的強(qiáng)度和硬度是重點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)設(shè)法以添加劑增加石膏模型的耐水性。據(jù)資料和實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)加入添加劑可使抗折強(qiáng)度干：?gt;3：2，硬度和耐磨度也有成倍提高。加入添加劑還可以增加模型的韌性，解決模型由于太脆而致使在使用中破損的難題。