一種增強抗裂型模具材料及其成型方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到生產增強抗裂型模具材料技術領域，尤其是涉及一種利用廢棄的石英坩禍、化學石膏以及含鈣尾礦石等固體廢棄物，低成本、低能耗、綠色環保制備增強抗裂型模具材料的方法。
【背景技術】
[0002]石英坩禍是生產硅材料時用的容器，一次性使用過后就廢棄，使用之后的石英坩禍的主要成分是方石英。方石英在250?300°C時會發生相轉變，由β型轉變成α型，并伴隨著體積膨脹，它的線膨脹率達到0.5%。傳統石膏型鑄模主要是依靠半水石膏水化硬化之后產生硬化體二水石膏，我們知道二水石膏高溫熱穩定性較差，主要是因為二水石膏在高溫條件下會發生脫水，從而導致模具體積收縮，很難保證鑄模的尺寸穩定性，從而導致鑄造器件尺寸不合格，廢品率大大提升。為了保證石膏型模具的體積穩定性，傳統的做法是在模具生產最后一道工序增加高溫焙烤，去除石膏中自由水及結晶水，讓二水石膏的脫水反應在高溫鑄造之前發生，從而保證模具在使用過程中的體積穩定性。比如，專利申請號為200810069581.9發明專利申請中提出將干燥后的鑄型置于加熱爐中加熱到100°C，保溫7?10小時后；加熱到180°C，保溫4?5小時后；加熱到240°C，保溫6?8小時后；加熱到320°C，保溫5小時后；加熱到400°C，保溫5小時后；加熱到500°C，保溫5?7小時后；加熱到600。。，保溫5小時后；加熱到700。。，保溫5小時。另外，專利申請號為CN 101804442A也提出模具終凝之后需要高溫烘烤3?5小時，溫度控制在600?750°C。該專利為了保證二水石膏在脫水過程中的體積穩定性，采用分段加溫脫水，工藝過程極為復雜，生產周期較長，而且還需要消耗大量能源。
[0003]石膏型模具由于其硬化體主要是二水石膏，高溫環境下會脫水反應從而產生體積收縮，自然界中同時又存在一些材料在高溫的環境下會發生體積膨脹，比如方石英。研宄發現方石英存在兩種形態:一種是α型，另一種是β型。其中由β型轉變成α型的時候，會伴隨著體積膨脹。經過大量研宄發現只要方石英和半水石膏按照一定的比例，就能實現二者在高溫下的體積收縮與體積膨脹的相互抵消，從而保證模具的體積穩定性。
[0004]石膏模具材料的性能是由石膏混合料漿的性能來衡量，其中石膏膠結材的性能直接決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環境下加熱脫水、在飽和蒸汽壓下加熱脫水和二水石膏在鹽溶液中加熱脫水得到，第一種方法生成β型半水石膏，后兩種方法生成α型半水石膏。β型半水石膏由于需水量大，強度低，制得的模具材料性能不佳，逐漸被淘汰；目前生產模具材料主要采用α型半水石膏，其中主要是采用蒸壓法制得，蒸壓法制得的高強石膏性能不穩定，并且反應所需溫度更高，會消耗大量的能源。另外，目前模具普遍存在韌性差的問題，在搬運過程中容易造成模具破損，在使用過程中容易產生裂縫等問題。因此，采用常壓水熱法將石膏制備成α型高強石膏粉，添加石膏晶須改善模具材料的韌性，制成模具材料的生產工藝具有節能環保的特點，生產出的模具材料性能穩定，抗裂性好，產品體積穩定性好，并且高效利用固體廢棄物，生產成本低。至今國內尚未見相關的專利。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種增強抗裂型模具材料及其成型方法，該工藝充分利用方石英和石膏材料二者在高溫條件下體積變化的互補特性，選擇合適的摻量，可以保證模具在高溫條件下的體積穩定性，并且無需焙燒，工藝簡單。
[0006]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是:一種增強抗裂型模具材料，其原料組分按重量百分數計為:
[0007]方石英粉:50?70% ; α型高強石膏粉:10?15% ;建筑石膏粉:10?15% ;石膏晶須:5?10% ;滑石粉:4?10% ;超塑化劑:0.05?0.1%。
[0008]按上述方案，所述的方石英粉的制備方法是:利用生產硅材料過程中已使用、廢棄的石英坩禍，通過氫氟酸浸泡除雜、破碎、研磨以及篩分之后得到二氧化硅質量百分數大于99%的方石英粉。
[0009]按上述方案，所述的α型高強石膏粉的制備方法是:二水石膏經過常壓水熱工藝，并添加晶型調控劑脫水生成的晶體形貌完整、長徑比接近I的α型半水石膏，再經過快速烘干得到強度等級α 30以上的高強石膏粉，標準稠度需水量為35?40%。
[0010]按上述方案，所述的二水石膏是:天然石膏、磷石膏或脫硫石膏，其CaSO4.2Η20含量大于或等于95%。
[0011]按上述方案，所述的建筑石膏粉是:市售建筑石膏粉，其標準稠度需水量為60?75%。
[0012]按上述方案，所述的石膏晶須是:采用鈣質類物質作為原料，經過鹽酸法分解提純，得到水溶性Ca2+溶液與硫酸在常壓水溶液中合成、培育得到的二水石膏晶須，其CaSO 4質量百分比含量多98%，平均長徑比10?200。
[0013]按上述方案，所述的鈣質類物質是:加工鈣質類石材過程中產生的石肩、中低品位磷礦石或者含鈣尾礦。
[0014]按上述方案，所述的滑石粉是:市售滑石粉，粒度為350?500目。
[0015]所述的增強抗裂型模具材料的成型方法，包括有以下步驟:
[0016]I)按照要求的重量百分數進行稱量，組分按重量百分數計為:方石英粉:50?70% ； α型高強石膏粉:10?15% ;建筑石膏粉:10?15% ;石膏晶須:5?10% ;滑石粉:4?10% ;超塑化劑:0.05?0.1%
[0017]2)將稱量好的各組分高效均勻混合；
[0018]3)按重量取混合好的模具材料，加占其總質量45?55%的水，攪拌成漿體狀態；
[0019]4)澆筑到母模中成型，終凝之后脫模放入80?100°C的烘箱中8?12小時，取出自然冷卻，存放待用。
[0020]本發明涉及到了多種物質的內部轉換(主要是晶型轉換)、物質間的反應(脫水反應、水化反應)，簡單概括為石膏材料的晶型轉換和脫水、水化反應，以及石英材料的晶型轉換。具體描述如下:首先，二水石膏脫水反應生成半水石膏(α和β型)，具有膠凝活性的半水石膏材料通過水化反應生產二水石膏硬化體，兩種晶型半水石膏特定摻量的合理搭配保證硬化體的強度，同時控制二水石膏的生產量。二水石膏硬化體能將方石英粉、滑石粉兩種填充材料以及石膏晶須(纖維增強材料)膠結成一個整體的硬化體。方石英以及滑石粉均勻填充了硬化體的空隙，同時方石英能均勻將二水石膏包裹；模具使用過程中，隨著溫度的升高，硬化體二水石膏在200°C左右率先緩慢脫水，該過程伴隨著模具的體積收縮，線膨脹大約0.25%左右，溫度上升到250°C左右的時候包裹在二水石膏四周的方石英粉開始發生晶型轉變，由β型轉變成α型，并伴隨著體積膨脹，它的線膨脹率達到0.5%;隨后二水石膏脫水加速，體積收縮逐漸趕上方石英的體積膨脹，當溫度超過400°C以后，兩者效應基本保持平衡，從而保證模具整個過程維持體積穩定的狀態。
[0021]本發明的有益效果是:利用常壓水熱工藝處理天然石膏或者磷石膏等副產石膏，制備出性能穩定的α型高強石膏膠凝材料，作為模具的膠結劑；采用常壓水溶液合成、培育得到的二水石膏晶須作為模具的抗裂劑，制備一種抗裂性強、熱穩定性好，制備工藝簡單，節能環保的模具材料，本發明同時解決多種固體廢棄物，綠色環保，節約資源，與可持續發展戰略相契合；該工藝充分利用方石英和石膏材料二者在高溫條件下體積變化的互補特性，保證模具在高溫條件下的體積穩定性；采用水熱法生產半水石膏，由于常壓溫和條件下完成二水石膏脫水制備高性能的半水石膏膠凝材料的過程，節省投資成本和運行成本，過程更容易控制，產品性能更穩定；采用二水石膏晶須作為模具的抗裂劑，制得的模具材料抗裂性好，大大減少搬運過程中的破損率；適于精密鑄造模具材料的工業化生產。
【具體實施方式】
[0022]為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0023]實施例1:
[0024]一種增強抗裂型模具材料及其成型方法，其原料組分按重量百分數計為:
[0025]方石英粉:69.9% ； α型高強石膏粉:10% ;建筑石膏粉:10% ;石膏晶須:5% ;滑石粉;超塑化劑:0.1%。
[0026]其中，方石英粉是利用生產硅材料過程中已經使用過的石英坩禍，通過氫氟酸浸泡除雜、破碎、研磨以及篩分之后得到二氧化硅質量百分數大于99%的方石英粉。α型高強石膏粉是天然二水石膏，其CaSO4.2Η20含量為95 %，經過常壓水熱工藝，并添加晶型調控劑檸檬酸鈉脫水生成的晶體形貌完整、長徑比接近I的α型半水石膏粉，再經過快速烘干得到強度等級α 30以上的高強石膏粉，標準稠度需水量為35%，絕干抗壓強度為40.2Mpa。建筑石膏粉是市售建筑石膏粉，標準稠度需水量為60%，絕干抗壓強度為16.5Mpa。石膏晶須是采用鈣質類物質中低品位磷礦石磨細成漿體作為原料，經過鹽酸法分解提純，得到水溶性Ca2+溶液與廢硫酸在常壓水溶液中合成得到的二水石膏晶須，其CaSO4質量百分比含量98%，平均長徑比為200;所述的滑石粉是:市售滑石粉，粒度為400目；超塑化劑是采用三聚氰胺類高效減水劑F10。按照以上配比稱量后進行高效均勻混合；按重量取混合好的模具材料100%，加水46%，攪拌成漿體狀態；澆筑到母模中成型，終凝之后脫模放入100°C的烘箱中8小時，取出自然冷卻。冷卻后模具尺寸穩定，表面無裂紋，光潔度較好。
[0027]實施例2:
[0028]一種增強抗裂型模具材料及其成型方法，其原料組分按重量百分數計為: