CN110407604A - 石膏材料组合物、石膏型、海绵金属，以及相应的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石膏材料组合物，包括α型半水石膏、铝矾土、七水硫酸镁和水。本发明还公开了一种石膏型，由所述的石膏材料组合物制备得到，所述石膏型具有孔状结构，所述孔状结构分布在所述石膏型的表面和内部。本发明还公开了一种石膏型的制备方法，包括：将所述的石膏材料组合物中的各组分均匀混合得到石膏浆料；将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中，使得所述石膏浆料渗入所述海绵的孔体中；以及对渗入有所述石膏浆料的所述第一模具进行焙烧。本发明还公开了一种海绵金属及其制备方法。

Description

石膏材料组合物、石膏型、海绵金属，以及相应的制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，特别是涉及一种石膏材料组合物、石膏型、海绵金属，以及相应的制备方法。

背景技术

随着汽车、医疗、航空航天等国家高精尖技术的不断发展，对于材料的性能的要求也变得更加严格。海绵铝由于其质量轻、比刚度高、密度低、耐腐蚀，吸声性能、能量吸收、缓冲减震效果良好等优点，引起了世界各国的广泛关注。开孔海绵铝可以用作塑料成型过滤器、空气过滤器和油净化过滤器中。开孔海绵铝具有优异的吸音效果，也是一种环保型的优质吸音材料。此外，作为一种结构性与功能性相结合的新型轻质材料，开孔海绵铝在航空航天、国防、能源与环境等工业领域具有重要应用前景。

单位英寸长度上平均孔数称为孔隙密度，国内现有制备开孔海绵铝制备工艺所能达到孔隙密度在30ppi以下，用于热交换、流体过滤以及吸能缓冲等效果不太理想，严重制约了我国海绵铝的产业化发展。传统的制备海绵铝的方法为熔模铸造法和渗流法。石膏型熔模铸造法具有工艺简单，生产周期短，铸件精度高，能耗少，成本低的优点，成为一种优选的海绵铝制备方法。石膏型熔模铸造法用具有海绵状孔隙的多孔石膏型预制体，通过把液态铝渗入多孔石膏型预制体中来生产开孔海绵铝，然而目前市场上的石膏材配方制备的石膏型强度低、溃散性差，得到的石膏型的性能较差，利用传统的石膏型制备的海绵铝的孔隙密度性能差。

发明内容

基于此，有必要针对传统的石膏型的强度低、溃散性差的问题，提供一种石膏材料组合物、石膏型、海绵金属，以及相应的制备方法。

一种石膏材料组合物，包括α型半水石膏、铝矾土、七水硫酸镁和水。

在其中一个实施例中，所述石膏材料组合物中的固液比为(35～50)：100。

在其中一个实施例中，所述α型半水石膏的质量百分数为30％～45％，所述七水硫酸镁的质量百分数为5％～15％。

在其中一个实施例中，所述铝矾土的质量百分数为35％～50％。

在其中一个实施例中，还包括无水硫酸镁，所述无水硫酸镁的质量百分数为5％～15％。

在其中一个实施例中，还包括缓凝剂，所述缓凝剂的质量百分数为0.5％～2％。

在其中一个实施例中，所述缓凝剂包括多聚磷酸钠、蛋白质羧酸类缓凝剂、柠檬酸钠和无水乙醇中的一种或多种。

一种石膏型，由所述的石膏材料组合物制备得到，所述石膏型具有孔状结构，所述孔状结构分布在所述石膏型的表面和内部。

一种石膏型的制备方法，包括：

将所述的石膏材料组合物中的各组分均匀混合得到石膏浆料；

将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中，使得所述石膏浆料渗入所述海绵的孔体中；以及

对所述渗入有所述石膏浆料的所述第一模具进行焙烧去除所述海绵。

在其中一个实施例中，所述焙烧为将所述渗入有所述石膏浆料的所述第一模具升温至650℃～750℃恒温保持12小时～16小时后自然冷却。

在其中一个实施例中，还包括：所述将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之前，对所述石膏浆料进行抽真空处理。

在其中一个实施例中，还包括：所述将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之前，用丙酮溶液对所述海绵进行预处理。

在其中一个实施例中，所述使得所述石膏浆料渗入所述海绵的孔体中的步骤包括：所述将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之后，将所述第一模具移至真空装置中进行抽真空处理。

一种海绵金属，所述海绵金属使用所述的石膏型或所述的制备方法得到的石膏型，经熔模铸造法制备得到。

一种海绵金属的制备方法，包括：

提供容置有所述石膏型的密闭容器；

对所述密闭容器进行抽真空处理；

将液态金属渗流至所述石膏型的所述孔状结构中；

对所述液态金属进行冷却，使所述液态金属凝固，得到金属石膏型复合体；以及

用溶剂对所述金属石膏型复合体进行处理，使所述石膏型溶解而除去。

本发明的所述石膏材料组合物用于形成石膏浆料从而制备石膏型。所述石膏材料组合物以α型半水石膏作为主料，在利用所述石膏材料组合物进行焙烧制备石膏型过程中，α型半水石膏相对于β型半水石膏的收缩更小，从而在焙烧过程中不容易产生裂纹。所述石膏材料组合物中的铝矾土使得石膏在焙烧过程中发生热膨胀从而能够抵消石膏的热收缩，从而使得石膏型线量变化少，裂纹倾向小。七水硫酸镁能够在α型半水石膏溶解于水中之前析出结晶水，析出的结晶水分散在α型半水石膏周围而增强α型半水石膏的水化过程，从而增加石膏结晶网络，改善石膏型的强度和石膏型的溃散性。七水硫酸镁析出结晶水后的无水硫酸镁能够附着在石膏颗粒上，进一步增加石膏型的强度，并且硫酸镁能够提高改善了石膏型的水溶性，使得采用所述石膏型熔模铸造过程中石膏型的清理更容易。采用所述石膏材料组合物得到的石膏型制备的海绵金属的孔隙密度和形状规则性得到提高。

附图说明

图1为本发明一实施例的石膏型的制备方法流程示意图；

图2为本发明一实施例的石膏型制备的海绵铝的结构照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的石膏材料组合物、石膏型、海绵金属，以及相应的制备方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种石膏材料组合物，包括α型半水石膏、铝矾土、七水硫酸镁和水。

本发明实施例的所述石膏材料组合物用于形成石膏浆料从而制备石膏型。所述石膏材料组合物以α型半水石膏作为主料，在利用所述石膏材料组合物进行焙烧制备石膏型过程中，α型半水石膏相对于β型半水石膏的收缩更小，从而在焙烧过程中不容易产生裂纹。所述石膏材料组合物中的铝矾土使得石膏在焙烧过程中发生热膨胀从而能够抵消石膏的热收缩，从而使得石膏型线量变化少，裂纹倾向小。七水硫酸镁能够在α型半水石膏溶解于水中之前析出结晶水，析出的结晶水分散在α型半水石膏周围而增强α型半水石膏的水化过程，增加石膏结晶网络，从而改善石膏型的强度和石膏型的溃散性。七水硫酸镁析出结晶水后的无水硫酸镁能够附着在石膏颗粒上，进一步增加石膏型的强度，并且硫酸镁能够提高改善了石膏型的水溶性，使得采用所述石膏型熔模铸造过程中石膏型的清理更容易。采用所述石膏材料组合物得到的石膏型制备的海绵金属的孔隙密度和形状规则性得到提高。

在一实施例中，所述石膏材料组合物中的液体和固体的质量比可以为(35～50)：100。在该质量比范围内，所述石膏材料组合物中的固体能够在水中的溶解速度较快，并且使得石膏浆料的焙烧效果更好。

在一实施例中，所述α型半水石膏和所述七水硫酸镁的质量比可以为(30～45)：(5～15)，在该质量比范围内，所述七水硫酸镁析出的结晶水的量能够使得所述α型半水石膏的水化过程更强，得到的石膏型的结晶网络更紧密，从而增强石膏型的强度和溃散性。在一实施例中，所述α型半水石膏在所述固体中的质量百分数可以为30％～45％，所述七水硫酸镁在所述固体中的质量百分数可以为5％～15％。

铝矾土是一种耐火材料，具有受热膨胀的特性，所述石膏材料组合物形成的所述石膏浆料在焙烧制备石膏型时，所述α型半水石膏受热收缩而体积减小，所述铝矾土受热膨胀而体积增大，从而可以弥补所述石膏型的线性变化，避免所述石膏型的裂纹倾向。在一实施例中，所述铝矾土在所述固体中的质量百分数可以为35％～50％。所述铝矾土的质量和所述α型半水石膏的质量相互配合达到更好地维持所述石膏型体积稳定的作用。

在一实施例中，所述石膏材料组合物还包括无水硫酸镁，所述无水硫酸镁在所述固体中的质量百分数可以为5％～15％。所述无水硫酸镁和所述七水硫酸镁的量相互配合，从而提高所述石膏材料组合物制备得到的石膏型的性能，在保持所述石膏型在作为模板制备泡沫金属时的强度的同时，能够在形成金属和石膏型复合材料之后使得所述石膏型更容易溃散而去除，从而得到结构性能更好的泡沫金属。

在一实施例中，还包括缓凝剂，所述缓凝剂可以延长所述α型半水石膏的水化硬化时间，使新混合的石膏浆料能在较长时间内保持塑性，从而调节石膏浆料的凝结时间，保证所述石膏浆料的混合均匀性和凝结效果。在一实施例中，所述缓凝剂可以包括多聚磷酸钠、蛋白质羧酸类缓凝剂、柠檬酸钠和无水乙醇中的一种或多种。所述缓凝剂的量不宜过大或过小，所述缓凝剂的量过小则不能达到更好的缓凝效果，所述缓凝剂的量过大则会造成所述石膏浆料因水分蒸发过量产生干裂收缩及收缩裂缝。在一实施例中，所述缓凝剂在所述固体中的质量百分数可以为0.5％～2％。

本发明实施例还提供一种石膏型，由所述的石膏材料组合物制备得到，所述石膏型具有孔状结构，所述孔状结构分布在所述石膏型的表面和内部。所述石膏型可以用于制备海绵金属。所述石膏型所述孔状结构的形状和孔隙密度根据制备方法确定，所述孔状结构的形状和孔隙密度决定所述石膏型制备得到的海绵金属的结构。所述孔状结构可以均匀分布在所述石膏型的表面和内部或者按照预定规则排布在所述石膏型的表面和内部。

请参阅图1，本发明实施例还提供一种石膏型的制备方法，包括：

S120，将所述的石膏材料组合物中的各组分均匀混合得到石膏浆料；

S140，将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中，使得所述石膏浆料渗入所述海绵的孔体中；以及

S160，对渗入有所述石膏浆料的所述第一模具进行焙烧。

本发明实施例以海绵为模板制备石膏型，通过将石膏浆料渗入海绵的孔体中，经焙烧使石膏浆料凝固为填充在海绵孔体中的稳定结构，在焙烧过程中，所述海绵汽化而去除，石膏浆料固化而得到具有孔状结构的石膏型。

在步骤S120中，优选的，所述混合的步骤包括搅拌，所述搅拌速度可以为250转/分钟～350转/分钟，通过搅拌使得所述石膏浆料的所述各组分混合更均匀，有利于得到组分均一的所述石膏型。

在步骤S140中，在一实施例中，所述海绵的形状尺寸可以与所述第一模具的尺寸相同，所述海绵基本填满所述第一模具，从而可以保证所述石膏浆料仅渗入所述海绵的所述孔体中，避免所述石膏浆料溢流至所述第一模具中未填充海绵的位置而形成没有孔状结构的石膏实体。

在一实施例中，所述使得所述石膏浆料渗入所述海绵的孔体中的步骤包括：在将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之后，将所述第一模具移至真空装置中进行抽真空处理。通过抽真空处理避免所述石膏浆料向下过度渗流压覆在所述海绵上造成海绵变形，并且避免所述石膏浆料直接渗流至所述海绵的底部，有利于所述石膏浆料渗流至所述海绵的孔体中，得到海绵状结构的石膏型。

优选的，所述石膏型的制备方法还包括：在将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之前，即在所述步骤S120和S140之间，对所述石膏浆料进行抽真空处理。通过抽真空处理而去除所述石膏浆料中的气泡得到均一的石膏浆料，从而有利于得到强度较高的石膏型。

优选的，所述石膏型的制备方法还包括：在将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之前，即在所述步骤S120和S140之间，所述将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之前，用丙酮溶液对所述海绵进行预处理。通过丙酮处理而将所述海绵的所述孔体中的有机杂质物去除。所述用丙酮溶液对所述海绵进行预处理可以为将所述海绵浸泡在所述丙酮溶液中静置；以及将所述浸泡后的所述海绵干燥。

在一实施例中，所述海绵可以为聚氨酯海绵。

在步骤S160中，所述焙烧可以为将所述渗入有所述石膏浆料的所述第一模具升温至650℃～750℃恒温保持12小时～16小时。所述升温可以为逐渐升温，例如可以为阶梯式升温，通过阶梯式升温，有利于避免所述石膏型迅速升温而造成的收缩裂纹。所述焙烧后可以包括自然冷却，从而得到高质量的石膏型。

请参阅图2，本发明实施例还提供一种海绵金属，所述海绵金属使用所述的石膏型，经熔模铸造法制备得到。所述海绵金属可以为海绵铝。

本发明实施例还提供一种海绵金属的制备方法，包括：

S210，将容置有所述石膏型的第二模具放置于密闭容器；

S220，对所述密闭容器进行抽真空处理；

S230，将液态金属渗流至所述石膏型的所述孔状结构中；

S240，对所述液态金属进行冷却，使所述液态金属凝固，得到金属石膏型复合体；以及

S250，用溶剂对所述金属石膏型复合体进行处理，使所述石膏型溶解而除去。

在步骤S210中，所述石膏型的形状尺寸可以与所述第二模具的尺寸相同，所述石膏型基本填满所述第二模具。

在步骤S220中，通过抽真空，使所述密闭容器内部的压力小于外部的压力，有利于在S230中进一步通入外部气体后液态金属能够顺利渗流入所述石膏型的所述孔状结构之中。并且，在所述抽真空条件下，压力不足，所述液态金属不会向下渗流入所述石膏型中，保证所述液态金属能够在进一步通入气体作用下一次性渗入所述石膏型中，避免液态金属分次渗流造成液态金属在所述石膏型的所述孔状结构的分布不均匀。在一实施例中，所述抽真空处理后的所述密闭容器内的真空度可以为-0.1MPa。所述气体优选为氧气含量小于25％的气体。所述气体可以选自空气或者惰性气体。

优选的，所述步骤S220可以包括：在所述抽真空过程中，关闭所述真空泵检查所述密闭容器内的真空度是否能够保持不变，如果关闭真空泵时，所述密闭容器内在一定时间段内维持住所述真空度不变，这说明所述密闭容器的密封良好。

在步骤S230中，所述液态金属的来源可以为在所述石膏型上放置固态金属块，通过加热所述固态金属块形成所述液态金属或者直接提供液态金属。所述加热条件用于熔化固体金属或者保持所述液态金属不发生凝固。所述液态金属的温度可以为730℃～750℃。优选的，所述渗流前的所述石膏型的温度为730℃～750℃，避免所述石膏型和所述液态金属的温差过大而影响所述液态金属的渗流效果或造成石膏型的破坏。

优选的，所述加热过程中保持所述密闭容器内的真空度，保证所述液态金属在所述加热过程中不会提前渗入所述石膏型中。

优选的，所述渗流步骤包括对所述密闭容器内部进行加压，所述密闭容器可以通过管体与外部大气或气体源连通，通过关闭真空泵并打开所述管体连通外部大气或气体源的阀门，使气体进入所述密闭容器，在压力差和重力作用下，使所述液态金属渗流入所述石膏型中。所述气体源可以为惰性气体，如氩气。所述加压时间可以为10分钟～30分钟。

在步骤S240中，所述冷却可以为将所述密闭容器进行自然冷却。

在步骤S250中，所述海绵金属为海绵铝，所述溶剂可以为醋酸钠，所述醋酸钠为强碱弱酸盐，可以溶解所述石膏型并且不腐蚀金属铝，从而可以得到结构精度较高的海绵铝。

所述溶剂处理可以为将所述金属石膏型复合体放置于所述溶剂中浸泡；以及利用高压流水对所述溶剂浸泡后的所述金属石膏型复合体进行冲洗，使得所述石膏型从所述金属石膏型复合体去除而得到海绵金属。

实施例1

将组分为α半水石膏、铝矾土、七水硫酸镁、无水硫酸镁、柠檬酸钠和水的石膏材料组合物混合搅拌3-5分钟得到石膏浆料，所述石膏材料组合物中的α半水石膏、铝矾土、七水硫酸镁、无水硫酸镁、柠檬酸钠在固体中的质量百分数分别为40％、45％、9.5％、5％、0.5％，水和固体的质量比为1:2。

将石膏混合浆料放入抽真空设备中进行抽真空处理。

将20ppi的长方体聚氨酯海绵浸入丙酮溶液中，干燥后将海绵放入第一模具中。将石膏浆料倒入容置有海绵的第一模具中，随后对第一模具进行抽真空处理，将第一模具放入大气中静置24h，随后采用阶梯式升温法对石膏在700℃焙烧，得到石膏型。

将密闭井式炉连接抽真空装置，进行抽真空处理，真空度达到-0.1MPa。将石膏型放入第一模具中，预热至730℃备用，保温1-2h。将溶质有石膏型的第一模具放置于井式炉中，将铝块放置于石膏型上，在730-750℃加热熔化为液态铝。关闭真空装置，通入高纯氩气到200kPa，保压20min使液态铝渗流入石膏型中。停止加热随炉自然冷却至室温得到金属石膏型复合体。

将金属石膏型复合体从第一模具中取出，放入醋酸钠溶液中浸泡，随后利用高压流水将石膏去除，获得石膏型。

利用所述石膏型制备开孔海绵铝。

所制备开孔海绵铝参数如下：孔隙密度：20ppi，孔隙率：95％，平均孔径：2.7mm。

实施例2

实施例2与实施例1的制备方法基本相同，区别仅在于聚氨酯海绵为30ppi。

所制备开孔海绵铝参数如下：孔隙密度：30ppi，孔隙率：94％，平均孔径：1.53mm。

实施例3

实施例3与实施例1的制备方法基本相同，区别仅在于聚氨酯海绵为40ppi。

所制备开孔海绵铝参数如下：孔隙密度：40ppi，孔隙率：93％，平均孔径：1.11mm。

实施例4

实施例4与实施例1的制备方法基本相同，区别仅在于聚氨酯海绵为50ppi。

所制备开孔海绵铝参数如下：孔隙密度：50ppi，孔隙率：90％，平均孔径：0.47mm。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，区别仅在于石膏材料组合物中没有加入七水硫酸镁。

对比例1的石膏型在焙烧后裂纹倾向严重，并且在加压液态铝渗流时石膏型强度不能够支撑而孔状结构断裂，因此不能用于制备高质量的海绵铝。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种石膏材料组合物，其特征在于，包括α型半水石膏、铝矾土、七水硫酸镁和水。

2.根据权利要求1所述的石膏材料组合物，其特征在于，所述石膏材料组合物中的液体和固体的质量比为(35～50)：100。

3.根据权利要求2所述的石膏材料组合物，其特征在于，所述α型半水石膏的在所述固体中的质量百分数为30％～45％，所述七水硫酸镁在所述固体中的质量百分数为5％～15％，所述铝矾土在所述固体中的质量百分数为35％～50％。

4.根据权利要求3所述的石膏材料组合物，其特征在于，还包括无水硫酸镁，所述无水硫酸镁在所述固体中的质量百分数为5％～15％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的石膏材料组合物，其特征在于，还包括缓凝剂，所述缓凝剂在所述固体中的质量百分数为0.5％～2％，所述缓凝剂选自多聚磷酸钠、蛋白质羧酸类缓凝剂、柠檬酸钠和无水乙醇中的一种或多种。

6.一种石膏型，其特征在于，由如权利要求1-5任一项所述的石膏材料组合物制备得到，所述石膏型具有孔状结构，所述孔状结构分布在所述石膏型的表面和内部。

7.一种石膏型的制备方法，包括：

将如权利要求1-6任一项所述的石膏材料组合物中的各组分均匀混合得到石膏浆料；

将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中，使得所述石膏浆料渗入所述海绵的孔体中；以及

对渗入有所述石膏浆料的所述第一模具进行焙烧，所述焙烧为将渗入有所述石膏浆料的所述第一模具升温至650℃～750℃恒温保持12小时～16小时。

8.根据权利要求7所述的石膏型的制备方法，其特征在于，

所述石膏型的制备方法还包括：在将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之前，对所述石膏浆料进行抽真空处理；

所述使得所述石膏浆料渗入所述海绵的孔体中的步骤包括：在将所述石膏浆料倒入装有海绵的第一模具中之后，将所述第一模具移至真空装置中进行抽真空处理。

9.一种海绵金属，其特征在于，使用如权利要求6所述的石膏型或如权利要求7-8任一项所述的制备方法得到的石膏型，经熔模铸造法制备得到。

10.一种海绵金属的制备方法，包括：

将容置有如权利要求6所述的石膏型或如权利要求7-8任一项所述的制备方法得到的石膏型的第二模具放置于密闭容器；

对所述密闭容器进行抽真空处理；

将液态金属渗流至所述石膏型的所述孔状结构中；

对所述液态金属进行冷却，使所述液态金属凝固，得到金属石膏型复合体；以及

用溶剂对所述金属石膏型复合体进行处理，使所述石膏型溶解而除去。