CN104773991B - 一种增强抗裂型模具材料及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增强抗裂型模具材料的制备方法，包括有以下步骤：1)按照要求的重量百分数称量方石英粉、α型高强石膏粉、建筑石膏粉、石膏晶须、滑石粉、超塑化剂；2)将称量好的各组分高效均匀混合；3)按重量取混合好的模具材料，加水，搅拌成浆体状态；4)浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入烘箱中8～12小时，取出自然冷却，存放待用。本发明的有益效果是：利用常压水热工艺处理天然石膏或者磷石膏等副产石膏，制备出性能稳定的α型高强石膏胶凝材料，作为模具的胶结剂；采用常压水溶液合成、培育得到的二水石膏晶须作为模具的抗裂剂，制备一种抗裂性强、热稳定性好，制备工艺简单，节能环保的模具材料。

Description

一种增强抗裂型模具材料及其成型方法

技术领域

本发明涉及到生产增强抗裂型模具材料技术领域，尤其是涉及一种利用废弃的石英坩埚、化学石膏以及含钙尾矿石等固体废弃物，低成本、低能耗、绿色环保制备增强抗裂型模具材料的方法。

背景技术

石英坩埚是生产硅材料时用的容器，一次性使用过后就废弃，使用之后的石英坩埚的主要成分是方石英。方石英在250～300℃时会发生相转变，由β型转变成α型，并伴随着体积膨胀，它的线膨胀率达到0.5％。传统石膏型铸模主要是依靠半水石膏水化硬化之后产生硬化体二水石膏，我们知道二水石膏高温热稳定性较差，主要是因为二水石膏在高温条件下会发生脱水，从而导致模具体积收缩，很难保证铸模的尺寸稳定性，从而导致铸造器件尺寸不合格，废品率大大提升。为了保证石膏型模具的体积稳定性，传统的做法是在模具生产最后一道工序增加高温焙烤，去除石膏中自由水及结晶水，让二水石膏的脱水反应在高温铸造之前发生，从而保证模具在使用过程中的体积稳定性。比如，专利申请号为200810069581.9发明专利申请中提出将干燥后的铸型置于加热炉中加热到100℃，保温7～10小时后；加热到180℃，保温4～5小时后；加热到240℃，保温6～8小时后；加热到320℃，保温5小时后；加热到400℃，保温5小时后；加热到500℃，保温5～7小时后；加热到600℃，保温5小时后；加热到700℃，保温5小时。另外，专利申请号为CN 101804442 A也提出模具终凝之后需要高温烘烤3～5小时，温度控制在600～750℃。该专利为了保证二水石膏在脱水过程中的体积稳定性，采用分段加温脱水，工艺过程极为复杂，生产周期较长，而且还需要消耗大量能源。

石膏型模具由于其硬化体主要是二水石膏，高温环境下会脱水反应从而产生体积收缩，自然界中同时又存在一些材料在高温的环境下会发生体积膨胀，比如方石英。研究发现方石英存在两种形态：一种是α型，另一种是β型。其中由β型转变成α型的时候，会伴随着体积膨胀。经过大量研究发现只要方石英和半水石膏按照一定的比例，就能实现二者在高温下的体积收缩与体积膨胀的相互抵消，从而保证模具的体积稳定性。

石膏模具材料的性能是由石膏混合料浆的性能来衡量，其中石膏胶结材的性能直接决定了模具材料的性能。目前，石膏模具材料所用的半水石膏是由二水石膏在干燥环境下加热脱水、在饱和蒸汽压下加热脱水和二水石膏在盐溶液中加热脱水得到，第一种方法生成β型半水石膏，后两种方法生成α型半水石膏。β型半水石膏由于需水量大，强度低，制得的模具材料性能不佳，逐渐被淘汰；目前生产模具材料主要采用α型半水石膏，其中主要是采用蒸压法制得，蒸压法制得的高强石膏性能不稳定，并且反应所需温度更高，会消耗大量的能源。另外，目前模具普遍存在韧性差的问题，在搬运过程中容易造成模具破损，在使用过程中容易产生裂缝等问题。因此，采用常压水热法将石膏制备成α型高强石膏粉，添加石膏晶须改善模具材料的韧性，制成模具材料的生产工艺具有节能环保的特点，生产出的模具材料性能稳定，抗裂性好，产品体积稳定性好，并且高效利用固体废弃物，生产成本低。至今国内尚未见相关的专利。

发明内容

本发明提供了一种增强抗裂型模具材料及其成型方法，该工艺充分利用方石英和石膏材料二者在高温条件下体积变化的互补特性，选择合适的掺量，可以保证模具在高温条件下的体积稳定性，并且无需焙烧，工艺简单。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种增强抗裂型模具材料，其原料组分按重量百分数计为：

方石英粉：50～70％；α型高强石膏粉：10～15％；建筑石膏粉：10～15％；石膏晶须：5～10％；滑石粉：4～10％；超塑化剂：0.05～0.1％。

按上述方案，所述的方石英粉的制备方法是：利用生产硅材料过程中已使用、废弃的石英坩埚，通过氢氟酸浸泡除杂、破碎、研磨以及筛分之后得到二氧化硅质量百分数大于99％的方石英粉。

按上述方案，所述的α型高强石膏粉的制备方法是：二水石膏经过常压水热工艺，并添加晶型调控剂脱水生成的晶体形貌完整、长径比接近1的α型半水石膏，再经过快速烘干得到强度等级α30以上的高强石膏粉，标准稠度需水量为35～40％。

按上述方案，所述的二水石膏是：天然石膏、磷石膏或脱硫石膏，其CaSO₄·2H₂O含量大于或等于95％。

按上述方案，所述的建筑石膏粉是：市售建筑石膏粉，其标准稠度需水量为60～75％。

按上述方案，所述的石膏晶须是：采用钙质类物质作为原料，经过盐酸法分解提纯，得到水溶性Ca²⁺溶液与硫酸在常压水溶液中合成、培育得到的二水石膏晶须，其CaSO₄质量百分比含量≥98％，平均长径比10～200。

按上述方案，所述的钙质类物质是：加工钙质类石材过程中产生的石屑、中低品位磷矿石或者含钙尾矿。

按上述方案，所述的滑石粉是：市售滑石粉，粒度为350～500目。

所述的增强抗裂型模具材料的成型方法，包括有以下步骤：

1)按照要求的重量百分数进行称量，组分按重量百分数计为：方石英粉：50～70％；α型高强石膏粉：10～15％；建筑石膏粉：10～15％；石膏晶须：5～10％；滑石粉：4～10％；超塑化剂：0.05～0.1％

2)将称量好的各组分高效均匀混合；

3)按重量取混合好的模具材料，加占其总质量45～55％的水，搅拌成浆体状态；

4)浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入80～100℃的烘箱中8～12小时，取出自然冷却，存放待用。

本发明涉及到了多种物质的内部转换(主要是晶型转换)、物质间的反应(脱水反应、水化反应)，简单概括为石膏材料的晶型转换和脱水、水化反应，以及石英材料的晶型转换。具体描述如下：首先，二水石膏脱水反应生成半水石膏(α和β型)，具有胶凝活性的半水石膏材料通过水化反应生产二水石膏硬化体，两种晶型半水石膏特定掺量的合理搭配保证硬化体的强度，同时控制二水石膏的生产量。二水石膏硬化体能将方石英粉、滑石粉两种填充材料以及石膏晶须(纤维增强材料)胶结成一个整体的硬化体。方石英以及滑石粉均匀填充了硬化体的空隙，同时方石英能均匀将二水石膏包裹；模具使用过程中，随着温度的升高，硬化体二水石膏在200℃左右率先缓慢脱水，该过程伴随着模具的体积收缩，线膨胀大约0.25％左右，温度上升到250℃左右的时候包裹在二水石膏四周的方石英粉开始发生晶型转变，由β型转变成α型，并伴随着体积膨胀，它的线膨胀率达到0.5％；随后二水石膏脱水加速，体积收缩逐渐赶上方石英的体积膨胀，当温度超过400℃以后，两者效应基本保持平衡，从而保证模具整个过程维持体积稳定的状态。

本发明的有益效果是：利用常压水热工艺处理天然石膏或者磷石膏等副产石膏，制备出性能稳定的α型高强石膏胶凝材料，作为模具的胶结剂；采用常压水溶液合成、培育得到的二水石膏晶须作为模具的抗裂剂，制备一种抗裂性强、热稳定性好，制备工艺简单，节能环保的模具材料，本发明同时解决多种固体废弃物，绿色环保，节约资源，与可持续发展战略相契合；该工艺充分利用方石英和石膏材料二者在高温条件下体积变化的互补特性，保证模具在高温条件下的体积稳定性；采用水热法生产半水石膏，由于常压温和条件下完成二水石膏脱水制备高性能的半水石膏胶凝材料的过程，节省投资成本和运行成本，过程更容易控制，产品性能更稳定；采用二水石膏晶须作为模具的抗裂剂，制得的模具材料抗裂性好，大大减少搬运过程中的破损率；适于精密铸造模具材料的工业化生产。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种增强抗裂型模具材料及其成型方法，其原料组分按重量百分数计为：

方石英粉：69.9％；α型高强石膏粉：10％；建筑石膏粉：10％；石膏晶须：5％；滑石粉：5％；超塑化剂：0.1％。

其中，方石英粉是利用生产硅材料过程中已经使用过的石英坩埚，通过氢氟酸浸泡除杂、破碎、研磨以及筛分之后得到二氧化硅质量百分数大于99％的方石英粉。α型高强石膏粉是天然二水石膏，其CaSO₄·2H₂O含量为95％，经过常压水热工艺，并添加晶型调控剂柠檬酸钠脱水生成的晶体形貌完整、长径比接近1的α型半水石膏粉，再经过快速烘干得到强度等级α30以上的高强石膏粉，标准稠度需水量为35％，绝干抗压强度为40.2Mpa。建筑石膏粉是市售建筑石膏粉，标准稠度需水量为60％，绝干抗压强度为16.5Mpa。石膏晶须是采用钙质类物质中低品位磷矿石磨细成浆体作为原料，经过盐酸法分解提纯，得到水溶性Ca²⁺溶液与废硫酸在常压水溶液中合成得到的二水石膏晶须，其CaSO₄质量百分比含量98％，平均长径比为200；所述的滑石粉是：市售滑石粉，粒度为400目；超塑化剂是采用三聚氰胺类高效减水剂F10。按照以上配比称量后进行高效均匀混合；按重量取混合好的模具材料100％，加水46％，搅拌成浆体状态；浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入100℃的烘箱中8小时，取出自然冷却。冷却后模具尺寸稳定，表面无裂纹，光洁度较好。

实施例2：

一种增强抗裂型模具材料及其成型方法，其原料组分按重量百分数计为：

方石英粉：59.92％；α型高强石膏粉：10％；建筑石膏粉：15％；石膏晶须：10％；滑石粉：5％；超塑化剂：0.08％。

其中，方石英粉是利用生产硅材料过程中已经使用过的石英坩埚，通过氢氟酸浸泡除杂、破碎、研磨以及筛分之后得到二氧化硅质量百分数大于99％的方石英粉。α型高强石膏粉是二水磷石膏，其CaSO₄·2H₂O含量为98％，经过常压水热工艺，并添加晶型调控剂柠檬酸钠脱水生成的晶体形貌完整、长径比接近1的α型半水石膏粉，再经过快速烘干得到强度等级α30以上的高强石膏粉，脱水生成的α型半水石膏粉，标准稠度需水量为37％，绝干抗压强度为34.5Mpa。建筑石膏粉是市售建筑石膏粉，标准稠度需水量为65％，绝干抗压强度为11.3Mpa。石膏晶须是采用钙质类物质加工钙质类石材过程中产生的石屑磨细成浆体作为原料，经过盐酸法分解提纯，得到水溶性Ca²⁺溶液与废硫酸在常压水溶液中合成得到的二水石膏晶须，其CaSO₄质量百分比含量98.5％，平均长径比为100；所述的滑石粉是：市售滑石粉，粒度为380目；超塑化剂是采用三聚氰胺类高效减水剂F10。按照以上配比称量后进行高效均匀混合；按重量取混合好的模具材料100％，加水50％，搅拌成浆体状态；浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入80℃的烘箱中12小时，取出自然冷却。冷却后模具尺寸稳定，表面无裂纹，光洁度较好。

实施例3：

一种增强抗裂型模具材料及其成型方法，其原料组分按重量百分数计为：

方石英粉：50.95％；α型高强石膏粉：15％；建筑石膏粉：15％；石膏晶须：9％；滑石粉：10％；超塑化剂：0.05％。

其中，方石英粉是利用生产硅材料过程中已经使用过的石英坩埚，通过氢氟酸浸泡除杂、破碎、研磨以及筛分之后得到二氧化硅质量百分数大于99％的方石英粉。α型高强石膏粉是二水脱硫石膏，其CaSO₄·2H₂O含量为97％，经过常压水热工艺，并添加晶型调控剂柠檬酸钠脱水生成的晶体形貌完整、长径比接近1的α型半水石膏粉，再经过快速烘干得到强度等级α30以上的高强石膏粉，标准稠度需水量为40％，绝干抗压强度为30.8Mpa。建筑石膏粉是市售建筑石膏粉，标准稠度需水量为70％，绝干抗压强度为9.3Mpa。石膏晶须是采用钙质类物质中低品位磷矿石磨细成浆体作为原料，经过盐酸法分解提纯，得到水溶性Ca²⁺溶液与废硫酸在常压水溶液中合成得到的二水石膏晶须，其CaSO₄质量百分比含量98.4％，平均长径比为50；所述的滑石粉是：市售滑石粉，粒度为350目；超塑化剂是采用三聚氰胺类高效减水剂F10。按照以上配比称量后进行高效均匀混合；按重量取混合好的模具材料100％，加水52％，搅拌成浆体状态；浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入90℃的烘箱中10小时，取出自然冷却。冷却后模具尺寸稳定，表面无裂纹，光洁度较好。

实施例4：

一种增强抗裂型模具材料及其成型方法，其原料组分按重量百分数计为：

方石英粉：60.95％；α型高强石膏粉：10％；建筑石膏粉：10％；石膏晶须：9％；滑石粉：10％；超塑化剂：0.05％。

其中，方石英粉是利用生产硅材料过程中已经使用过的石英坩埚，通过氢氟酸浸泡除杂、破碎、研磨以及筛分之后得到二氧化硅质量百分数大于99％的方石英粉。α型高强石膏粉是二水磷石膏，其CaSO₄·2H₂O含量为98％，经过常压水热工艺，并添加晶型调控剂柠檬酸钠脱水生成的晶体形貌完整、长径比接近1的α型半水石膏粉，再经过快速烘干得到强度等级α30以上的高强石膏粉，标准稠度需水量为40％，绝干抗压强度为30.8Mpa。建筑石膏粉是市售建筑石膏粉，标准稠度需水量为75％，绝干抗压强度为8.1Mpa。石膏晶须是采用钙质类物质中低品位磷矿石磨细成浆体作为原料，经过盐酸法分解提纯，得到水溶性Ca²⁺溶液与废硫酸在常压水溶液中合成得到的二水石膏晶须，其CaSO₄质量百分比含量98.4％，平均长径比为50；所述的滑石粉是：市售滑石粉，粒度为400目；超塑化剂是采用三聚氰胺类高效减水剂F10。按照以上配比称量后进行高效均匀混合；按重量取混合好的模具材料100％，加水55％，搅拌成浆体状态；浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入90℃的烘箱中10小时，取出自然冷却。冷却后模具尺寸稳定，表面无裂纹，光洁度较好。

实施例5：

一种增强抗裂型模具材料及其成型方法，其原料组分按重量百分数计为：

方石英粉：50.9％；α型高强石膏粉：15％；建筑石膏粉：15％；石膏晶须：9％；滑石粉：10％；超塑化剂：0.1％。

其中，方石英粉是利用生产硅材料过程中已经使用过的石英坩埚，通过氢氟酸浸泡除杂、破碎、研磨以及筛分之后得到二氧化硅质量百分数大于99％的方石英粉。α型高强石膏粉是二水脱硫石膏，其CaSO₄·2H₂O含量为96％，经过常压水热工艺，并添加晶型调控剂柠檬酸钠脱水生成的晶体形貌完整、长径比接近1的α型半水石膏粉，再经过快速烘干得到强度等级α30以上的高强石膏粉，标准稠度需水量为35％，绝干抗压强度为40.2Mpa。建筑石膏粉是市售建筑石膏粉，标准稠度需水量为60％，绝干抗压强度为16.5Mpa。石膏晶须是采用钙质类物质加工钙质类石材过程中产生的石屑磨细成浆体作为原料，经过盐酸法分解提纯，得到水溶性Ca²⁺溶液与废硫酸在常压水溶液中合成得到的二水石膏晶须，其CaSO₄质量百分比含量98.4％，平均长径比为50；所述的滑石粉是：市售滑石粉，粒度为500目；超塑化剂是采用三聚氰胺类高效减水剂F10。按照以上配比称量后进行高效均匀混合；按重量取混合好的模具材料100％，加水45％，搅拌成浆体状态；浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入90℃的烘箱中10小时，取出自然冷却。冷却后模具尺寸稳定，表面无裂纹，光洁度较好。

Claims (8)

1.一种增强抗裂型模具材料，其原料组分按重量百分数计为：

方石英粉：50～70％；α型高强石膏粉：10～15％；建筑石膏粉：10～15％；石膏晶须：5～10％；滑石粉：4～10％；超塑化剂：0.05～0.1％；所述的石膏晶须是：采用钙质类物质作为原料，经过盐酸法分解提纯，得到水溶性Ca²⁺溶液与硫酸在常压水溶液中合成、培育得到的二水石膏晶须，其CaSO₄质量百分比含量≥98％，平均长径比10～200。

2.根据权利要求1所述的增强抗裂型模具材料，其特征在于所述的方石英粉的制备方法是：利用生产硅材料过程中已使用、废弃的石英坩埚，通过氢氟酸浸泡除杂、破碎、研磨以及筛分之后得到二氧化硅质量百分数大于99％的方石英粉。

3.根据权利要求1所述的增强抗裂型模具材料，其特征在于所述的α型高强石膏粉的制备方法是：二水石膏经过常压水热工艺，并添加晶型调控剂脱水生成的晶体形貌完整、长径比接近1的α型半水石膏，再经过快速烘干得到强度等级α30以上的高强石膏粉，标准稠度需水量为35～40％。

4.根据权利要求3所述的增强抗裂型模具材料，其特征在于所述的二水石膏是：天然石膏、磷石膏或脱硫石膏，其CaSO₄·2H₂O含量大于或等于95％。

5.根据权利要求1所述的增强抗裂型模具材料，其特征在于所述的建筑石膏粉是：市售建筑石膏粉，其标准稠度需水量为60～75％。

6.根据权利要求1所述的增强抗裂型模具材料，其特征在于所述的钙质类物质是：加工钙质类石材过程中产生的石屑、中低品位磷矿石或者含钙尾矿。

7.根据权利要求1所述的增强抗裂型模具材料，其特征在于所述的滑石粉是：市售滑石粉，粒度为350～500目。

8.权利要求1所述的增强抗裂型模具材料的成型方法，包括有以下步骤：

1)按照要求的重量百分数进行称量，组分按重量百分数计为：方石英粉：50～70％；α型高强石膏粉：10～15％；建筑石膏粉：10～15％；石膏晶须：5～10％；滑石粉：4～10％；超塑化剂：0.05～0.1％

2)将称量好的各组分高效均匀混合；

3)按重量取混合好的模具材料，加占其总质量45～55％的水，搅拌成浆体状态；

4)浇筑到母模中成型，终凝之后脱模放入80～100℃的烘箱中8～12小时，取出自然冷却，存放待用。