蒸壓法制備高強石膏的研究

蒸壓法制備高強石膏的研究

高性能石膏材料是指由含有30ml的半水石膏組成的橡膠材料，抗壓強度高于9mpa。主要用于石膏陶瓷母模、精密鑄造、工藝美術(shù)品和玩具的制造、永久建筑模型、裝飾板、隔離板和塑料薄膜。目前α型半水石膏的制備方法主要有蒸壓法、鹽溶液法、干悶法、水熱合成法等,但是以上幾種制備方法并不能有效地控制α型半水石膏的晶體形狀,只能制備抗壓強度較低的高強石膏材料,而不能制備出高強石膏材料。α型半水石膏的結(jié)晶形態(tài)是影響制品強度的關(guān)鍵。不同結(jié)晶形態(tài)的α型半水石膏其制品的強度往往差距很懸殊,只有發(fā)育完整的短柱狀晶體才能獲得很高的強度。因此,如何控制α型半水石膏的晶形是獲得高強石膏材料的關(guān)鍵。研究表明,采用外加劑技術(shù)能有效地控制α型半水石膏的晶體形狀。作者著重研究了蒸壓法和水熱發(fā)制備α型半水石膏,用正交試驗確定最優(yōu)化工藝,并探討了不同的石膏品種,不同的轉(zhuǎn)晶劑加入量對制品性能的影響。1實驗1.1k3o,馬來酸,水楊酸鈉kc2o纖維石膏(湖北應(yīng)城),雪花石膏,泥膏,檸檬酸鈉Na3C6H5O7·2H2O,琥珀酸(CH2COOH)2,馬來酸(C4H4O4),草酸鉀(K2C2O4·H2O),硫酸鋁。反應(yīng)釜為FYXD型(5L)的高壓釜及其控溫系統(tǒng)FDK型高壓釜智能控制器,WE-10A型萬能材料試驗機。1.2半水石膏的制備將二水石膏破碎成3～5mm的塊狀,分別采用蒸壓法和水熱法制備高強石膏材料。蒸壓法的制備工藝是把一定質(zhì)量的二水石膏塊放入蒸壓釜,升溫、恒溫一定時間,即可制得α型半水石膏。出釜后立即放入已升溫至一定溫度的烘箱內(nèi),恒溫干燥12h后取出,放入研缽中研磨,使所得的α型半水石膏粉能通過60目的標(biāo)準(zhǔn)篩,然后置于密封塑料袋中備用。水熱法的制備工藝:把一定質(zhì)量的二水石膏放入高壓釜,加入適量的水。在一定的溫度和壓力下經(jīng)過一定的時間,二水石膏便轉(zhuǎn)變成α型半水石膏,將料漿過濾,用沸水沖洗,干燥后即可得α型半水石膏粉。將制備出的α型半水石膏按照一定的水灰比成型,2h后測定其抗壓強度。2結(jié)果與討論2.1半水石膏的制備二水石膏的品種和制品的性能之間有著密切的聯(lián)系,從表1可看出纖維石膏制得的α型半水石膏制品的強度最高,雪花石膏制得的α型半水石膏強度最低,即所制得的α型半水石膏強度隨CaSO4·2H2O含量增大而增大,二者呈正相關(guān)性。2.2半水石膏性能的正交試驗大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在蒸壓過程中,二水石膏脫水成α半水石膏的形成機理為溶解-析晶過程。蒸壓釜中溫度(或壓力)過高或過低,都會使得二水石膏溶解轉(zhuǎn)化速度與α半水石膏析晶成長速度不一致,影響α半水石膏發(fā)育長大成密實完美的晶體。另外蒸壓時間和升溫時間也會對α半水石膏的晶體生長產(chǎn)生影響,如升溫太快會使α半水石膏生成速度過快,使得結(jié)晶過小。因此,只有選擇合適的蒸壓制度才能保證α半水石膏的結(jié)晶完整密實。實驗采用正交試驗來確定蒸壓制度,選擇蒸壓溫度、恒溫時間,升溫時間和干燥溫度4個影響α半水石膏性能的因素進(jìn)行正交試驗,上述4個因素分別選取3個水平。因素位級表如表2所示。實驗結(jié)果如表3所示,采用極差分析法對結(jié)果進(jìn)行分析,由各因素的極差值R可知,選定的試驗件下,蒸壓溫度極差最大,其次為烘干溫度,蒸壓時間極差最小,因而上述4因素在蒸壓法制備α半水石膏的過程中的影響依次為:恒溫溫度>干燥溫度>升溫時間>恒溫時間,恒溫溫度的極差值最大,因而它對α半水石膏性能的影響也最顯著。從同一因素各位級的均值可以看出:隨著蒸壓溫度的上升,產(chǎn)品抗壓強度降低,110℃時強度最高。隨著蒸壓時間的增加,α半水石膏的抗壓強度先增大后減少,在8h時達(dá)到最大值,但變化并不顯著,由于蒸壓時間是影響最小的因素,為了節(jié)約能源故可選擇蒸壓時間為6h,干燥溫度和升溫時間對α半水石膏的抗壓強度的影響也較為顯著,分別選取110℃和90min。試驗中發(fā)現(xiàn)從出釜到進(jìn)烘箱的時間間隔也是影響半水石膏性能的重要因素,時間間隔越短,石膏性能越好。因為當(dāng)溫度低于97℃時,α半水石膏溶解度高于二水石膏,使溶有半水石膏的液相成為過飽和狀態(tài),產(chǎn)生二水石膏結(jié)晶。因此要迅速將剛出釜的α半水石膏轉(zhuǎn)入至少已升溫至97℃的烘箱中,以減少α半水石膏轉(zhuǎn)化為二水石膏的機率。此外為了對進(jìn)行比較,實驗又采用水熱法制備α半水石膏,把二水石膏和水按一定的比例混合放入高壓釜,加入適量的轉(zhuǎn)晶劑,升溫至所需的溫度,經(jīng)過一定時間的高溫高壓熱處理,二水石膏便轉(zhuǎn)變成α型半水石膏,將試樣過濾,用沸水沖洗,干燥后即可得α型半水石膏粉。實驗結(jié)果如表4所示。對比2種制備方法,蒸壓法能更有效地控制α半水石膏的晶體生長,可以制備出強度較高的α半水石膏,如加入轉(zhuǎn)晶劑,其強度能得到進(jìn)一步提高。2.3轉(zhuǎn)晶劑對半水石膏晶形轉(zhuǎn)化的影響守山逸郎指出,α半水石膏結(jié)晶形態(tài)和大小主要決定于相對飽和程度的大小,若溫度一定,石膏的二水物與半水物溶解度一定,過飽和度為定值,要改變結(jié)晶形狀和大小,只能依靠外來因素,如添加晶形轉(zhuǎn)化劑,亦稱轉(zhuǎn)晶劑。在α半水石膏生產(chǎn)中加入少量的晶形改良劑,可以使α半水石膏的結(jié)晶形態(tài)發(fā)生極大的變化,能顯著提高α半水石膏的性能。綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)資料,目前常用的轉(zhuǎn)晶劑主要有無機鹽和有機酸鹽(如二元羧酸鹽及其衍生物、烷基芳基磺酸鹽等)2大類,從對α半水石膏晶形轉(zhuǎn)化效果來看,二者復(fù)合使用效果更好。實驗使用自行配制的轉(zhuǎn)晶劑。蒸壓時分別加入不同質(zhì)量的轉(zhuǎn)晶劑進(jìn)行試驗,比較所得結(jié)果見表5和圖1。從表5和圖1可以看出,半水石膏的強度隨轉(zhuǎn)晶劑摻量的增加而增加,但當(dāng)摻量大于0.03%后強度又開始下降,繼續(xù)增加轉(zhuǎn)晶劑的量,強度會繼續(xù)下降。這可能是加入過多的轉(zhuǎn)晶劑后半水石膏晶格上出現(xiàn)很多缺陷,使得晶體結(jié)構(gòu)不完整,導(dǎo)致半水石膏的強度下降。如圖1所示,轉(zhuǎn)晶劑的摻量在0.025%～0.035%之間時,α半水石膏能夠獲得較高的強度。3型半水石膏的制備a.不同的石膏品種對α型半水石膏的性能有很大的影響,實驗證明以天然的纖維石膏為原料能夠制得強度很高