CN108723295B - 纤维增强石膏型壳强度的方法 - Google Patents

纤维增强石膏型壳强度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108723295B
CN108723295B CN201810499699.9A CN201810499699A CN108723295B CN 108723295 B CN108723295 B CN 108723295B CN 201810499699 A CN201810499699 A CN 201810499699A CN 108723295 B CN108723295 B CN 108723295B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
ball milling
sample
mullite powder
roasting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201810499699.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108723295A (zh
Inventor
刘向东
路焱
吕凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inner Mongolia University of Technology
Original Assignee
Inner Mongolia University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inner Mongolia University of Technology filed Critical Inner Mongolia University of Technology
Priority to CN201810499699.9A priority Critical patent/CN108723295B/zh
Publication of CN108723295A publication Critical patent/CN108723295A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108723295B publication Critical patent/CN108723295B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/02—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by additives for special purposes, e.g. indicators, breakdown additives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/52—Producing shaped prefabricated articles from the material specially adapted for producing articles from mixtures containing fibres, e.g. asbestos cement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28C—PREPARING CLAY; PRODUCING MIXTURES CONTAINING CLAY OR CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28C5/00—Apparatus or methods for producing mixtures of cement with other substances, e.g. slurries, mortars, porous or fibrous compositions
    • B28C5/40—Mixing specially adapted for preparing mixtures containing fibres
    • B28C5/402—Methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/14—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing calcium sulfate cements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

本发明公开纤维增强石膏型壳强度的方法，包括如下步骤：(1)混料：将石膏粉和莫来石粉混合均匀，得混合料；(2)掺混：掺入纤维，搅拌所述混合料使纤维分散均匀，加入占所述混合料质量45.0‑50.0wt％的蒸馏水，在型砂搅拌机上进行搅拌制浆，得混合料浆；(3)制样：将所述混合料浆倒入模具中，刮平模具上表面，静置，脱模取样；(4)称重：取样后使用电子天平对试样称重并记录；(5)干燥：在空气中静置干燥；(6)焙烧：使用箱式电阻加热炉对干燥的试样进行焙烧，焙烧后冷却至室温，所得物即为纤维增强石膏型壳。本发明所得到的石膏型壳试样的常温抗弯强度和抗拉强度比较高，焙烧后的抗弯强度和抗拉强度增强幅度较小。

Description

纤维增强石膏型壳强度的方法
技术领域
本发明涉及型壳制备方法。更具体地，涉及纤维增强石膏型壳强度的方法。
背景技术
熔模铸造产业规模随着航空市场需求的增加不断扩大，大部分产品为具有高附加值的铝合金铸件，例如：航空发动机整体机匣等。此背景下，对石膏型壳的性能提出更高的要求。特别是在生产结构复杂、尺寸较大的薄壁铝合金铸件时，对石膏型壳的常温强度及焙烧强度及透气性的要求更高。石膏型壳强度不足，运输过程中易破损；石膏型壳强度过高，则不利于浇注后铸件表面的清理；透气性不佳，则铸件易产生针孔等缺陷。因此，在兼顾透气性的前提下提高石膏型壳的强度是获得高质量铸件的基础。
近年来，建筑行业应用纤维增强工艺制备水泥基、混凝土基复合材料逐渐成为研究热点。有文献报道，水泥、混凝土以及建筑石膏等材料中掺入不同种类纤维后，无序大量的纤维分布于复合材料基体中，可以有效抑制裂纹的产生及扩展，进而能够明显改善其脆性较大的缺陷，对石膏型壳的增强而言，这些技术成果值得借鉴和吸收。聚丙烯纤维弹性好，强度较高，同时其熔点较低(65～173℃)，经过高温焙烧后，纤维烧尽的同时在基体上形成孔洞，能够改善型壳的透气性。另外，聚丙烯纤维应用广泛，成本低廉，是目前复合材料中常用的增强用纤维。因此，用聚丙纤维作为石膏型壳的增强纤维是首选。但是，聚丙烯纤维的长度、直径、掺混方法、改性处理等因素如何影响熔模铸造石膏型的增强以及增强理论的相关研究却比较少见。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种常温强度高、焙烧后强度较低的纤维增强石膏型壳强度的方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：纤维增强石膏型壳强度的方法，包括如下步骤：
(1)混料：将石膏粉和莫来石粉混合均匀，得混合料；
(2)掺混：掺入纤维，搅拌所述混合料使纤维分散均匀，加入占所述混合料质量45.0-50.0wt％的蒸馏水，在型砂搅拌机上进行搅拌制浆，得混合料浆；
(3)制样：将所述混合料浆倒入模具中，刮平模具上表面，静置，脱模取样；
(4)称重：取样后使用电子天平对试样称重并记录；
(5)干燥：在空气中静置干燥；
(6)焙烧：使用箱式电阻加热炉对干燥的试样进行焙烧，焙烧后冷却至室温，所得物即为纤维增强石膏型壳。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，在所述步骤(1)中，所述石膏粉和所述莫来石粉的质量比为(2-4)：(6-8)；在所述步骤(2)中，所述型砂搅拌机的转速为120r/min，搅拌时间为2min；在所述步骤(3)中，静置时间为1h-2h；在步骤(5)中，静置干燥时间为24h。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，在所述步骤(1)中，所述莫来石粉为市购莫来石粉或对市购莫来石粉进行改性得到的改性莫来石粉；改性莫来石粉的制备方法为：将莫来石粉、二甲亚砜和N-甲基吡咯烷酮按照质量比为100：(10-20)：(5-15)混合后进行球磨，球磨频率为10-12Hz，球磨时间为20-120min；然后在500-600℃下煅烧2-3h，冷却至室温，研磨成粉末；接着再加入固体粉末质量10-20％的山梨糖醇和甘油进行球磨，山梨糖醇和甘油的质量比1:(5-10)，球磨时间为30-40min，球磨频率为8-10Hz，烘干，粉碎并过300目筛，所得粉末即为改性莫来石粉。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，在所述步骤(1)混料之前，先对石膏粉和莫来石粉进行球磨，球磨时加入球磨溶剂，所述球磨溶剂为醚类、烷类和腈类一种或多种混合溶剂；所述球磨频率为8-12Hz，球磨时间为正转时间为2-15min，球磨反转时间为2-15min；球磨后烘干至球磨溶剂完全挥发。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，所述球磨溶剂为石油醚，或氯仿，或乙腈，或石油醚与氯仿体积比为3:1的混合溶剂，或氯仿与乙腈体积比为1:2的混合溶剂，或石油醚、氯仿和乙腈体积比为3:1:2的混合溶剂，所述球磨溶剂的加入量为每克石膏粉和莫来石粉混合物加入2-3mL。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，在所述步骤(1)中，所述纤维为玻璃纤维、短切聚丙烯纤维和硅酸铝纤维中的一种或多种。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，所述纤维的长度为4-6mm；所述纤维的掺入质量为所述石膏粉和莫来石粉的混合料质量的0.05～0.50wt％。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，所述聚丙烯纤维为市购聚丙烯纤维或改性聚丙烯纤维；所述改性聚丙烯纤维的制备方法为：将聚丙烯纤维置于N，N-二甲基乙酰胺和乙醇按照体积比为(8-5):1组成的混合溶液中，加热至100-120℃，保温1-2h后，冷却至室温，然后过滤，40-50℃烘干，得到改性聚丙烯纤维。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，在步骤(6)中，所述焙烧的工艺为：先升温至200℃，保温1h，然后升温至400℃，保温1h，再升温至500℃，保温1h，接下来升温至600℃，保温1h，最后升温至700℃保温1h，然后随炉冷却至室温后取出，在焙烧工艺中升温的速度为2℃/min。
上述纤维增强石膏型壳强度的方法，所述聚丙烯纤维的掺入质量为所述石膏粉和莫来石粉的混合料质量的0.10wt％；所述石膏粉和莫来石粉的质量比为3:7。
本发明的有益效果如下：
1)将0.05wt％-0.50wt％的不同纤维掺入石膏粉和莫来石粉的混合料后能够显著改善石膏型的抗弯及抗拉强度。聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维对改善石膏型壳的抗弯及抗拉强度的效果不同。
试样抗弯强度随着聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维掺量的增加先增加后降低，聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维分别在掺入量为0.10wt％、0.10wt％和0.20wt％，型壳的常温抗弯强度达到最大值，分别1.70MPa，1.706MPa和1.492MPa，相比未掺入纤维时，分别提高38.0％、35.5％和21.8％。型壳的常温抗拉强度分别在聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维掺入量为0.10wt％、0.30wt％和0.40wt％出现最大值，最大值分别为0.938MPa、0.921MPa和0.732MPa，比未掺入聚丙烯纤维时提高了63.1％、60.2％和27.3％。
2)经逐级分段增温焙烧后，掺入纤维石膏型壳试样的抗弯强度及抗拉强度较常温强度下降明显，但较未加入纤维得到了增强。
3)石膏型壳试样断裂失效的形式为脆性断裂，石膏硬化体与纤维间的桥联搭接遭到破坏，影响石膏型纤维增强效果的主要因素为纤维的脱拔、变形以及石膏硬化体-纤维间界面结合强度的变化。
4)球磨对掺入聚丙烯纤维的石膏型壳试样的抗弯强度和抗拉强度有增强作用。
5)对莫来石粉和聚丙烯纤维进行改性处理，所得到的石膏型壳试样的常温抗弯强度和抗拉强度均得到了明显的增强，焙烧后的抗弯强度和抗拉强度增强的幅度有所降低。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1(a)纤维掺量为0的石膏型壳抗弯试样断口的SEM像；
图1(b)纤维掺量为0.05％的石膏型壳抗弯试样断口的SEM像；
图1(c)纤维掺量为0.10％的石膏型壳抗弯试样断口的SEM像；
图1(d)纤维掺量为0.20％的石膏型壳抗弯试样断口的SEM像；
图1(e)纤维掺量为0.30％的石膏型壳抗弯试样断口的SEM像；
图1(f)纤维掺量为0.40％的石膏型壳抗弯试样断口的SEM像；
图2(a)纤维掺量对石膏型壳常温抗弯强度的影响；
图2(b)纤维掺量对石膏型壳常温抗拉强度的影响；
图3(a)焙烧前石膏型壳试样断口形貌,未掺纤维；
图3(b)焙烧后石膏型壳试样断口形貌,未掺纤维；
图3(c)焙烧前石膏型壳试样断口形貌，纤维掺量＝0.10％
图3(d)焙烧后石膏型壳试样断口形貌，纤维掺量＝0.10％；
图3(e)焙烧前石膏型壳试样断口形貌，纤维掺量＝0.40％；
图3(f)焙烧后石膏型壳试样断口形貌，纤维掺量＝0.40％；
图4(a)纤维掺量对石膏型壳焙烧后抗弯强度的影响；
图4(b)纤维掺量对石膏型壳焙烧后抗拉强度的影响；
图5(a)掺入不同纤维后对石膏型壳常温抗弯强度的影响；
图5(b)掺入不同纤维后对石膏型壳常温抗拉强度的影响；
图6掺入不同纤维后对石膏型壳焙烧后抗弯强度的影响；
图7掺入不同纤维后对石膏型壳焙烧后抗拉强度的影响。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
1.实验过程
1.1实验原材料
试验用α型半水石膏为湖北产，其具体物理性能如表1所示。莫来石粉为河北产，粒度为100目。聚丙烯纤维选用河北产圆形束状单丝纤维，其主要规格及性能如表2所示。
表1试验用α型半水石膏的物理性能
表2试验用纤维的主要性能
1.2试验方法：
α型半水石膏和莫来石粉按质量比3:7配制混合料，掺入混合料质量0.05～0.50wt％的聚丙烯纤维，搅拌混合料使聚丙烯纤维分散并混匀。将占混合料质量45.0wt％的蒸馏水加入其中，在型砂搅拌机上进行搅拌制浆，型砂搅拌机转速为120r/min，搅拌时间为2min，得混合料浆。将混合料浆浇入模具中，2h后脱模取样，并对试样称重，将试样在空气中静置24h后测量其常温强度。取部分试样在加热炉中进行烘干及焙烧：先升温至200℃，保温1h，然后升温至400℃，保温1h，再升温至500℃，保温1h，接下来升温至600℃，保温1h，最后升温至700℃保温1h，然后随炉冷却至室温后取出，在烘干及焙烧工艺中升温的速度均为2℃/min，随炉冷至室温后测试其焙烧强度。
采用XQY-Ⅱ型智能型砂强度仪测试型壳试样的常温抗弯轻度和抗拉强度，以及型壳试样的焙烧后的抗弯强度和抗拉强度进行检测。
所用长条形抗弯强度试样和“8”字型抗拉强度试样按照GB/T2684-2009标准制备。用S-3400型扫描电子显微镜对断口形貌进行观察。
2.试验结果及分析
2.1未焙烧石膏型壳试样的断口形貌
图1(a)到图1(f)所示为常温条件下不同纤维掺量石膏型壳试样的断口形貌。
如图1(a)所示，试样的基体为α-半水石膏吸水后胶凝所形成的石膏硬化体，基体中夹杂的块状颗粒为莫来石晶体，颗粒尺寸大小不一，均匀分布在基体上。同时，基体上还分布着少量气泡破裂后形成的坑洞，坑洞直径约为150μm。由于断口表面并没有明显的韧性特征，当石膏型壳试样在受到外应力作用时，其断裂方式属于脆性断裂，导致常温条件下无纤维掺加试样的抗弯及抗拉强度都不高。图1(b)中，石膏型壳试样中掺入0.05wt％的聚丙烯纤维后，纤维嵌合在石膏硬化体内，纤维的微观形貌基本维持原状，与基体的连接处纤维发生弯曲现象，说明纤维和基体具备了一定的结合强度，在应力作用下，纤维被拉弯。同时，基体上面还分布着纤维与界面脱粘后被拔出所留下的孔。图1(c)中，纤维的形貌发生变化，纤维被拉伸后发生断裂，断裂位置位于纤维根部，如图中放大部分所示，纤维与基体的界面结合较为紧密，外应力作用于纤维，使纤维自根部断裂，纤维/基体界面的结合依然牢固，说明了纤维对石膏硬化体起到了增强作用。图1(d)、图1(e)、图1(f)中，当纤维掺量高于0.10wt％，随着试样纤维掺量的增加，大部分纤维被拔出基体，纤维与基体间的界面粘结被破坏，纤维沿径向发生界面脱粘，致纤维脱粘后的孔洞数目也随之增加，说明纤维-石膏界面的结合强度降低，易引发应力集中。未被拔出的纤维直径基本保持不变，但大多数纤维发生弯曲变形，部分纤维还会缠绕并团聚，如图1(e)中箭头所指。另外，大量柔性纤维在混合料浆体中分散能力变得很差，纤维之间纠结交错，减弱了纤维的增强作用。此外，气泡产生的坑洞也在增多，坑洞直径相比低纤维掺量时变大，纤维掺量为0.40wt％时尤为显著，直径达到300-400μm，如图1(f)所示。当坑洞一旦位于纤维/基体界面连接处，这片区域的空隙将大幅增加，势必影响纤维与基体界面间的结合强度，使试样的宏观强度性能进一步减弱。这一分析结果与2.2节中的强度试验结果相对应。
2.2聚丙烯纤维掺量对石膏型壳常温强度的影响
混合料加入不同掺量聚丙烯纤维后制备的石膏型壳试样在脱模24h后进行常温强度测试，石膏型壳试样常温抗弯强度和抗拉强度在纤维掺入后的变化曲线如图2(a)和图2(b)所示。
图2(a)中，当混合料中未掺入纤维时，石膏型壳试样的常温抗弯强度为1.23MPa；混合料中掺入纤维后，石膏型壳试样的抗弯强度明显增加，并随着纤维掺量的增加呈现先上升后下降的趋势，当纤维掺量为0.10wt％时，试样的抗弯强度达到最大值1.70MPa，较未加纤维的型壳试样提高了38.2％。纤维与石膏硬化体界面结合后，对于断裂过程的裂纹扩展起到阻碍作用，能够增加界面处的能量消耗，这对试样的增韧有积极的影响。当纤维掺量超过0.10wt％后，试样的抗弯强度开始逐渐下降，在纤维掺量为0.40wt％时，石膏型壳试样的强度达到最低值1.33MPa，较未加纤维的试样提高了8.13％，但降低趋势相比其他纤维掺量试样更明显。图2(b)中，石膏型壳试样抗拉强度的变化规律和抗弯强度的变化相似，在纤维掺量低于0.10wt％时，抗拉强度逐渐上升，其最大值达到0.94MPa，相比未掺加纤维试样，抗拉强度增加了63.1％。因此，掺入纤维对石膏型有显著的增强效果，但掺入量不宜过大，应控制在0.10wt％较为适宜。
当纤维掺量增加后，石膏型强度降低的原因在于：一，聚丙烯纤维表面含有部分极性基团，可以吸附少量水分，增加的纤维会导致混合体加水后产生更多的气泡，这些气泡在半水石膏胶凝后排出混合体，在基体中留下大量的坑洞，导致基体自身强度降低，部分坑洞位置接近于纤维，则会使纤维与周围基体的结合强度进一步降低。二，纤维在基体中的分布要均匀并且分散是纤维增强的必要条件，聚丙烯纤维在胶凝材料中的分布状态受纤维掺量的影响，当纤维掺量超过0.2wt％时，纤维易团聚不易分散，并且聚丙烯纤维直径过大易产生弯曲，更容易造成石膏型的强度下降。三，聚丙烯纤维表面光滑，致使纤维与基体间的结合强度并不稳定，在外应力作用下更容易发生脱粘。
2.3焙烧后石膏型壳试样的断口形貌
图3(a)到图3(f)所示为焙烧前后石膏型壳试样断口形貌的对比。
由图3(a)可知，较短的大量棒柱状物为CaSO4·2H2O硬化体，其分布杂乱、疏松；与硬化体夹杂在一起的块状颗粒为莫来石晶体，两种晶体颗粒相互搭接形成网状结构。由图3(b)可知，石膏型的断口形貌发生显著变化，短棒状硬化体与莫来石晶体颗粒间相互粘结，断口上出现石膏脱水后留下的少量孔隙，结构紧密度较焙烧前更为致密。图3(c)、图3(e)中，纤维与石膏硬化体间形成结合界面，在承受外部应力载荷时，纤维会传递应力，进而变形弯曲。当纤维-石膏硬化体界面结合强度降低时，部分纤维则被拔出界面，其余则留在基体中。图3(d)中，基体上出现纤维燃尽后留下的孔洞，在不均匀热收缩的影响下，孔洞直径较焙烧前纤维的直径明显减少，孔径为60μm。图3(f)中，由于纤维掺量的增加，纤维燃尽后留下的孔洞数量增加。然而，CaSO4·2H2O经逐级分段增温焙烧后基本排尽了结构水和自由水，脱水产物为Ⅱ型CaSO4，Ⅱ型CaSO4与莫来石晶体颗粒粘结在一起形成片状结构，焙烧前试样的网状搭接结构遭到破坏。硬化体内部的相互搭接，是承载外部载荷的有效受力结构，因此，焙烧工艺导致试样焙烧后的强度处于较低水平。
2.4聚丙烯纤维掺量对石膏型壳焙烧后强度的影响
石膏型壳试样经焙烧后进行强度测试，掺入纤维的石膏型壳试样焙烧后的抗弯强度和抗拉强度的变化分别如图4(a)和图4(b)所示。
由图4(a)和图4(b)可知，随着纤维掺量的增加，石膏型壳试样焙烧后的抗弯强度和抗拉强度逐渐上升，当纤维掺量为0.10wt％时，均达到最大值0.45MPa和0.30MPa，相比未掺入纤维试样分别提高了116％和42.5％；随着纤维掺量的继续增加，焙烧后试样的强度开始下降，纤维掺量为0.40wt％时，试样的抗弯强度和抗拉强度均为掺入纤维后的最低值0.37MPa和0.23MPa。石膏型壳试样在焙烧后的强度变化与两个因素有关，其一是焙烧前石膏硬化体为CaSO4·2H2O，其晶体结构为Ca2+及[SO4]2-组成的离子结合层和水分子层交替形成的层状结构，以化学键结合为主，其结构稳定性佳；但CaSO4·2H2O在逐级分段增温焙烧过程中要发生相变，相变产物Ⅱ型CaSO4，Ⅱ型CaSO4晶体结构是以范德华力相互连接，其结构强度较低。其二是聚丙烯纤维燃烧后熔缩并在基体上留下孔洞，这些孔洞可以抵御裂纹进一步向周围扩展。因此，当纤维掺量较少时，这些直径较小的孔洞在硬化体内部产生增强作用。但当纤维掺量增加后，纤维燃尽后的孔洞数量也随之增加，硬化体内部形成多孔结构，大量的孔洞导致基体被割裂，基体紧密程度较纤维掺量低时有所增大，有效承载面积减少，使试样在焙烧后的强度随纤维掺量的增加先上升后下降。
2.5不同纤维对石膏型壳常温强度的影响
在对聚丙烯纤维充分研究的基础上，申请人还对不同纤维对石膏强度的影响进行了研究。
图5(a)和图5(b)为掺入不同纤维后对型壳常温抗弯强度和常温抗拉强度的影响。从图中可以看出不同纤维的掺入，对石膏型壳的常温抗拉强度和抗弯强度的影响不同。
图5(a)中，混合料中掺入纤维后，石膏型壳试样的抗弯强度均有不同程度的增加，但是不同纤维的增强能力和变化趋势不同。掺入聚丙烯纤维后，型壳的常温抗弯强度在掺入量为0.10wt％时，达到最大值1.70MPa，相比未掺入聚丙烯纤维时提高了38.0％，然后随着掺入量的增加，抗弯强度逐渐变小。掺入玻璃纤维后，随着玻璃纤维掺入量的增加，型壳的常温抗弯强度先增大，后减小，再增大，在掺入量为0.20wt％时，达到最大值1.706MPa，相比未掺入玻璃纤维时提高了35.5％，在掺入量为0.40wt％时，达到最小值1.455MPa。掺入硅酸铝纤维后，型壳的抗弯强度性能增强最小，随着硅酸铝纤维掺入量的增加型壳的常温抗弯强度也是先增大，后减小，再增大，在掺入量为0.10wt％时，达到最大值1.492MPa，相比未掺入硅酸铝纤维时提高了21.8％，在掺入量为0.40wt％时，达到最小值1.389MPa。
图5(b)中，混合料中掺入聚丙烯纤维后，石膏型壳试样的抗拉强度明显增加，并随着纤维掺量的增加呈现先上升后下降的趋势，聚丙烯纤维在纤维掺量为0.10wt％时出现最大值，为0.938MPa，比未掺入聚丙烯纤维时提高了63.1％。混合料中掺入玻璃纤维后，石膏型壳试样的抗拉强度呈现出先减小、再增大、再减小、再增大的变化。玻璃纤维在纤维掺量为0.30wt％时出现最大值，最大值为0.921MPa，比未掺入玻璃纤维时提高了60.2％。掺入硅酸铝纤维后，石膏型壳试样的抗拉强度呈现出基本不变、随之减小、然后又基本不变、随后增大、最后急剧减小的变化，在硅酸铝纤维掺量为0.40wt％时出现最大值，最大值为0.732MPa，比未掺入硅酸铝纤维时提高了27.3％，对石膏型壳抗拉强度增强能力最小。
2.6不同纤维对石膏型焙烧后强度的影响
图6和图7为掺入不同纤维后对石膏型壳焙烧后抗弯强度和焙烧后抗拉强度的影响。
图6中随着不同纤维掺量的增加，石膏型型壳试样焙烧后的抗弯强度均呈现先上升，再下降的趋势。当纤维掺量为0.10wt％时，玻璃纤维和聚丙烯纤维的抗弯强度达到最大值分别为0.463MPa和0.451MPa，比未掺入纤维试样分别提高了123％和117％，而硅酸铝纤维在纤维掺量为0.20wt％时，抗弯强度达到最大值为0.552MPa，比未掺入纤维试样提高了165％，增强最为显著。
图7中，石膏型壳试样焙烧后的抗拉强度，当纤维掺量为0.10wt％时，掺入聚丙烯纤维的石膏型壳试样的抗拉强度，达到最大值0.295MPa，比未掺入纤维试样提高了42.5％；而掺入玻璃纤维和硅酸铝纤维的石膏型壳试样的抗拉强度随着纤维掺入量的增加先降低，然后再升高，但即使到达最大值，也比未掺入纤维时石膏型壳试样的抗拉强度还要小。
综上所述，使用短切聚丙烯纤维，掺杂量为0.1％时可以获得比较理想的湿强度以及干强度，并且短切聚丙烯纤维的掺杂量比较少(仅为0.1％)；玻璃纤维掺杂量为0.2％时的型壳试样湿强度才能达到1.706MPa，而无论掺杂多少硅酸铝纤维均不能使型壳试样湿强度超过1.5MPa。从型壳试样湿强度以及成本考虑来看，优选采用掺杂短切聚丙烯纤维。此外，虽然掺杂0.1％硅酸铝纤维焙烧后的型壳试样抗弯强度高于掺杂短切聚丙烯纤维的型壳试样抗弯强度，且掺杂0.1％硅酸铝纤维焙烧后的型壳试样抗拉强度则显著低于掺杂短切聚丙烯纤维的型壳试样抗弯强度，但考虑到型壳试样的湿强度比较低，也不选择掺杂短切聚丙烯纤维；对于玻璃纤维也同样如此；况且掺杂0.1％短切聚丙烯纤维焙烧后的抗弯强度和抗拉强度分别为0.45MPa和0.30MPa，相比未掺入纤维试样分别提高了116％和42.5％，抗弯强度增强不多，但抗拉强度大大降低。因此，从焙烧后型壳试样强度以及成本考虑来看，也优选采用掺杂短切聚丙烯纤维。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，在其他实验条件变的情况下，掺杂短切聚丙烯纤维(掺杂量为0.1％)之前，先使用行星球磨机对石膏和莫来石粉进行球磨处理；球磨时加入的球磨溶剂分别为石油醚，氯仿，乙腈，石油醚和氯仿按照体积比3:1组成的混合溶液，石油醚、氯仿和乙腈按照体积比3:1：2组成的混合溶液，球磨溶剂的加入量为每100克固体粉末加入200mL；球磨频率设置为10Hz，球磨时间为6min(正转3min，反转3min)。最终所得型壳试样焙烧前后的强度如表3所示。
表3
球磨溶剂 焙烧前抗弯强度 焙烧前抗拉强度 焙烧后抗弯强度 焙烧后抗拉强度
石油醚 1.72MPa 0.95MPa 0.42MPa 0.30MPa
氯仿 1.68MPa 0.93MPa 0.40MPa 0.28MPa
乙腈 1.70MPa 0.93MPa 0.41MPa 0.29MPa
石油醚和氯仿 1.73MPa 0.95MPa 0.40MPa 0.28MPa
石油醚、氯仿和乙腈 1.71MPa 0.91MPa 0.36MPa 0.26MPa
由表3可知，虽然在掺杂短切聚丙烯纤维之前，先使用行星球磨机对石膏和莫来石粉进行球磨处理，焙烧前抗弯强度和抗拉强度增强效果不够明显，但是焙烧后的抗弯强度和抗拉强度增强效果相比没有球磨则普遍有所降低。
实施例3
本实施例在实施例2的基础上，选择最佳球磨溶剂(石油醚、氯仿和乙腈)，在其他实验条件变的情况下，分别对莫来石和短切聚丙烯纤维进行改性处理后再使用。
改性莫来石粉的制备方法如下：
将莫来石粉、二甲亚砜和N-甲基吡咯烷酮按照质量比为100:15:10混合，球磨频率设置为10Hz，球磨时间为50min，然后在600℃下煅烧2h，冷却至室温，研磨成粉末；再加入固体粉末质量15％的山梨糖醇和甘油进行球磨(山梨糖醇和甘油的质量比1:6)，球磨时间为40min，球磨频率设置为10Hz，烘干，粉碎并过300目筛，所得粉末即为改性莫来石粉。
改性聚丙烯纤维的制备方法如下：
所将短切聚丙烯纤维置于N，N-二甲基乙酰胺和乙醇按照体积比5:1组成的混合溶液中，加热至120℃，保温2h，冷却至室温，过滤，50℃烘干，得到改性聚丙烯纤维。所得型壳试样焙烧前抗弯强度为2.13MPa、焙烧前抗拉强度为1.21MPa、焙烧后抗弯强度为0.31MPa、焙烧后抗拉强度为0.24MPa。本实施例由于对市售莫来石和短切聚丙烯纤维进行改性处理，使得焙烧前抗弯强度和抗拉强度增强效果明显，焙烧后的抗弯强度和抗拉强度增强效果较小。
结论
1)将0.05wt％-0.50wt％的不同纤维掺入石膏粉和莫来石粉的混合料后能够显著改善石膏型的抗弯及抗拉强度。聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维对改善石膏型壳的抗弯及抗拉强度的效果不同。
试样抗弯强度随着聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维掺量的增加先增加后降低，聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维分别在掺入量为0.10wt％、0.10wt％和0.20wt％，型壳的常温抗弯强度达到最大值，分别1.70MPa，1.706MPa和1.492MPa，相比未掺入纤维时，分别提高38.0％、35.5％和21.8％。型壳的常温抗拉强度分别在聚丙烯纤维、玻璃纤维和硅酸铝纤维掺入量为0.10wt％、0.30wt％和0.40wt％出现最大值，最大值分别为0.938MPa、0.921MPa和0.732MPa，比未掺入聚丙烯纤维时提高了63.1％、60.2％和27.3％。
2)经逐级分段增温焙烧后，掺入纤维石膏型壳试样的抗弯强度及抗拉强度较常温强度下降明显，但较未加入纤维得到了增强。
3)石膏型壳试样断裂失效的形式为脆性断裂，石膏硬化体与纤维间的桥联搭接遭到破坏，影响石膏型纤维增强效果的主要因素为纤维的脱拔、变形以及石膏硬化体-纤维间界面结合强度的变化。
4)球磨对掺入聚丙烯纤维的石膏型壳试样的抗弯强度和抗拉强度有增强作用。
5)对莫来石粉和聚丙烯纤维进行改性处理，所得到的石膏型壳试样的常温抗弯强度和抗拉强度均得到了明显的增强，焙烧后的抗弯强度和抗拉强度增强的幅度有所降低。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.纤维增强石膏型壳强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)混料：将石膏粉和莫来石粉混合均匀，得混合料；在所述步骤(1)中，所述石膏粉和所述莫来石粉的质量比为(2-4)：(6-8)；
在所述步骤(1)中，所述莫来石粉为对市购莫来石粉进行改性得到的改性莫来石粉；改性莫来石粉的制备方法为：将莫来石粉、二甲亚砜和N-甲基吡咯烷酮按照质量比为100：(10-20)：(5-15)混合后进行球磨，球磨频率为10-12Hz，球磨时间为20-120min；然后在500-600℃下煅烧2-3h，冷却至室温，研磨成粉末；接着再加入固体粉末质量10-20％的山梨糖醇和甘油进行球磨，山梨糖醇和甘油的质量比1:(5-10)，球磨时间为30-40min，球磨频率为8-10Hz，烘干，粉碎并过300目筛，所得粉末即为改性莫来石粉；
在所述步骤(1)混料之前，先对石膏粉和莫来石粉进行球磨，球磨时加入球磨溶剂，所述球磨溶剂为醚类、烷类和腈类一种或多种混合溶剂；所述球磨频率为8-12Hz，球磨时间为正转时间为2-15min，球磨反转时间为2-15min；球磨后烘干至球磨溶剂完全挥发；所述球磨溶剂为石油醚，或氯仿，或乙腈，或石油醚与氯仿体积比为3:1的混合溶剂，或氯仿与乙腈体积比为1:2的混合溶剂，或石油醚、氯仿和乙腈体积比为3:1:2的混合溶剂，所述球磨溶剂的加入量为每克石膏粉和莫来石粉混合物加入2-3mL；
(2)掺混：掺入纤维，搅拌所述混合料使纤维分散均匀，加入占所述混合料质量45.0-50.0wt％的蒸馏水，在型砂搅拌机上进行搅拌制浆，得混合料浆；在所述步骤(2)中，所述型砂搅拌机的转速为120r/min，搅拌时间为2min；
在所述步骤(2)中，所述纤维为短切聚丙烯纤维；所述纤维的长度为4-6mm；所述纤维的掺入质量为所述石膏粉和莫来石粉的混合料质量的0.05～0.50wt％；所述聚丙烯纤维为改性聚丙烯纤维；所述改性聚丙烯纤维的制备方法为：将聚丙烯纤维置于N，N-二甲基乙酰胺和乙醇按照体积比为(8-5):1组成的混合溶液中，加热至100-120℃，保温1-2h后，冷却至室温，然后过滤，40-50℃烘干，得到改性聚丙烯纤维；
(3)制样：将所述混合料浆倒入模具中，刮平模具上表面，静置，脱模取样；在所述步骤(3)中，静置时间为1h-2h；
(4)称重：取样后使用电子天平对试样称重并记录；
(5)干燥：在空气中静置干燥；在所述步骤(5)中，静置干燥时间为24h；
(6)焙烧：使用箱式电阻加热炉对干燥的试样进行焙烧，焙烧后冷却至室温，所得物即为纤维增强石膏型壳。
2.根据权利要求1所述的纤维增强石膏型壳强度的方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述焙烧的工艺为：先升温至200℃，保温1h，然后升温至400℃，保温1h，再升温至500℃，保温1h，接下来升温至600℃，保温1h，最后升温至700℃保温1h，然后随炉冷却至室温后取出，在焙烧工艺中升温的速度为2℃/min。
3.根据权利要求1所述的纤维增强石膏型壳强度的方法，其特征在于，所述聚丙烯纤维的掺入质量为所述石膏粉和莫来石粉的混合料质量的0.10wt％；所述石膏粉和莫来石粉的质量比为3:7。
CN201810499699.9A 2018-05-23 2018-05-23 纤维增强石膏型壳强度的方法 Expired - Fee Related CN108723295B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810499699.9A CN108723295B (zh) 2018-05-23 2018-05-23 纤维增强石膏型壳强度的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810499699.9A CN108723295B (zh) 2018-05-23 2018-05-23 纤维增强石膏型壳强度的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108723295A CN108723295A (zh) 2018-11-02
CN108723295B true CN108723295B (zh) 2019-09-06

Family

ID=63936200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810499699.9A Expired - Fee Related CN108723295B (zh) 2018-05-23 2018-05-23 纤维增强石膏型壳强度的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108723295B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111730029B (zh) * 2020-07-02 2022-04-12 连云港源钰金属制品有限公司 一种基于3d打印的精密铸造方法
CN112279616B (zh) * 2020-10-28 2022-03-01 国舜绿建科技有限公司 用于对钢结构进行防护的石膏膜壳及其制备方法与防护结构

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1104942A (zh) * 1994-01-03 1995-07-12 南昌航空工业学院 镁合金石膏型熔模铸造工艺
CN1539571A (zh) * 2003-10-30 2004-10-27 上海交通大学 多孔石膏铸型的制备方法
CN105436410A (zh) * 2015-12-25 2016-03-30 西安奥邦科技有限责任公司 一种用于钛合金铸造的石膏模具
CN105921679A (zh) * 2016-05-12 2016-09-07 杜忠维 改性陶瓷壳型及其制作方法
CN107812888A (zh) * 2017-12-14 2018-03-20 泰兴市长江密封材料有限公司 石膏型精密铸造工艺

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1104942A (zh) * 1994-01-03 1995-07-12 南昌航空工业学院 镁合金石膏型熔模铸造工艺
CN1539571A (zh) * 2003-10-30 2004-10-27 上海交通大学 多孔石膏铸型的制备方法
CN105436410A (zh) * 2015-12-25 2016-03-30 西安奥邦科技有限责任公司 一种用于钛合金铸造的石膏模具
CN105921679A (zh) * 2016-05-12 2016-09-07 杜忠维 改性陶瓷壳型及其制作方法
CN107812888A (zh) * 2017-12-14 2018-03-20 泰兴市长江密封材料有限公司 石膏型精密铸造工艺

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
蒲绒纤维增强精铸石膏型壳的性能研究;胡凤霞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20170215;B022-582

Also Published As

Publication number Publication date
CN108723295A (zh) 2018-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105834361B (zh) 一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法
CN108723295B (zh) 纤维增强石膏型壳强度的方法
CN109439940A (zh) 一种大气气氛下热压烧结制备颗粒增强铝基复合材料的方法
CN109020512A (zh) 干法生产特高压棒形支柱瓷绝缘子用坯体及其制备方法和应用
CN107164661B (zh) 一种高耐腐蚀性铝合金复合材料及其制备方法
CN104355673A (zh) 多孔陶瓷轴承及其制造方法
CN109704662A (zh) 一种纳米氮化硅增强水泥基材料及其制备方法
CN108017404A (zh) 一种莫来石结合碳化硅复相陶瓷材料的制备方法
CN108913927A (zh) 热沉用钼铜合金的原料混合方法、制备工艺及产品
CN106518027A (zh) 一种矿化剂和短切碳纤维复合改性型壳的制备方法
CN105418058B (zh) 一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法
CN108796306A (zh) 一种氧化石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法
CN109321804B (zh) 一种用于切割碳纤维复合材料的硬质合金刀具主体制备方法
CN107034379B (zh) 一种高体积分数氧化铝陶瓷增强铝复合材料的制备方法
CN101948326A (zh) 一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料及其制备方法
CN113430439A (zh) 一种高强韧活性钨合金的相分布均匀性控制方法
JP5938477B2 (ja) 精製白色セラミックス材料の調製方法
CN106746811A (zh) 一种无缓凝剂耐水性磷酸铵镁水泥及其制备方法
Lu et al. Properties and fracture surface features of plaster mold reinforced with short polypropylene fibers for investment casting
CN101817675B (zh) 氮化硼纳米管增强的二氧化硅陶瓷的制备方法
CN106699192A (zh) 一种功能陶瓷凝胶流延浆料及其制备方法
CN106830984B (zh) 一种制备高体积分数碳化硅陶瓷增强硅复合材料的方法
CN107963882A (zh) 具有平行排列石墨烯/陶瓷复合材料及低成本制备方法
CN108893639A (zh) 一种短流程真空热挤压制备大锭型SiCP/Al复合材料坯料方法
CN113979724A (zh) 一种烧结砖及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20190906

Termination date: 20210523