陶瓷成型用多孔塑料模具的研究进展

      田燕，武光，姚金水(山东轻工业学院)      摘要:微孔塑料模具替代传统的石膏模具，是当今陶瓷成型用模具的重大突破，是陶瓷成型用模具的发展方向。着重阐述了微孔塑料模具的几种制备方法和各种制备方法的优缺点，介绍了其在工业应用中的情况，并阐明了其发展趋势。      1前言      石膏模具是日用陶瓷和卫生洁{TodayHot}具陶瓷工业生产中长期以来使用的传统模具，由于其制作成本低廉和自身特性，日前仍然广泛应用于注浆、旋压、滚压、塑压(冷压)等成型工艺中。随着陶瓷工业逐步向机械化与自动化生产方向的发展，石膏模具强度低、使用寿命短、质量差的致命弱点也就越来越突出了。同时，由于石膏模具的质量直接影响和决定了成型坯体的质量，并最终决定了产品的质量。因此，石膏材料本身存在的局限性，己制约了陶瓷产品向优质、高效的方向发展。      最初，人们致力于筛选优质石膏矿，研究最佳的石膏粉制备工艺，以便生产出高质量的石膏模具。继而，又对石膏进行改性和表面涂层的研究。      以石膏为基体的增强，使用寿命未大幅度提高，而且也导致吸水率下降。因此，开发新的模具材料，制作出既能保持石膏模具的优点，又有石膏模具所不具备的高强度、耐磨、耐热等特性的模具，就成了亟待解决的重要课题。从20世纪初开始，德国、保加利亚、(前)苏联、法国、英国、日本等国科学家分别对其它模具材料(混凝土、陶瓷、金属、塑料等)进行了大量的研究。 混凝土由于其自身的特性，使用寿命较短;虽然烧结金属材料(粉末冶金法)强度大，但成本太高;陶瓷材料韧性差、制造工艺相当复杂，在线操作性能差，成本也较高。从总体上说，除金属外，这些材料致命的弱点是使用寿命短，仅在10+2数量级。而塑料模具，由于其优异的性能诸如重量轻、韧弹性好、机械性能好、耐酸碱腐蚀等，能进行车、铣、刨、磨、钻、粘接等各种操作，使用寿命可达10+4数量级。可适用于各种成型工艺，是一种最佳的陶瓷成型用模具材料。该材料替代传统的模具材料{HotTag}-石膏，是陶瓷成型用模具材料研究及开发的划时代的重大突破，是未来陶瓷成型用模具材料的发展方向。      2微孔塑料模具的制备      微孔塑料模具所用的树脂种类、成形方法不尽相同，有的采用热塑性树脂，有的采用热I固性树脂;有的在常温常压下成型，有的则在较高压力下成型。迄今为止，微孔塑料模具的制备主要有两种方法:      2. 1模压成型      是依靠外压的压缩作用实现成型物料造型的一次成型技术，模压成型中，把通常被预热的粉末状原料置于被加热的模具型腔内，然后合上模具，施加压力，制品固化，冷却定型后即得到微孔塑料模具。正确控制模型的成型压力、热处理温度和混合料的均匀性是保证模型性能的关键。按其成孔机理可分为固相成孔法和气相成孔法。 2.1.1 固相成孔法:其原理是利用粉状材料自然堆积效应而形成的孔道，经过热处理，颗粒在热处理过程中，形成一定的液相，使颗粒之间互相粘接，从而形成具有一定强度的多孔材料。八十年代末，前苏      联的Liburkin,V.G.以聚氯乙烯为主要原料，再加入环氧树脂和酚醛树脂的共聚物和陶土制备了高分子模具;法国的Gaillard Jean Marie以环氧树脂粉和无机填料制备;在九十年代末，李铁军等人也以聚氯乙烯为主要原料，通过此工艺制作了用于滚压成型的模具，强度不高，干态仅提高一倍，湿态仅提高两倍。此成型用塑料必须是粉末状的，塑粉的粒度分布、粒子大小、表面形状、表观密度、比表面积、粉末流      动性、硬度以及化学组成、结构、熔流性、分了量大小及分布、热稳定性等都影响着制品的空隙率、孔的尺寸及物理机械性能。      2.1.2气相成孔法:其原理是向基体材料中加入发泡剂，在模压过程中，由于该物质在一定的温度下发生汽化而挥发逸出，产生了大量气体，进而在材料中产生孔道。八十年代初，日本的新荣机工株式会社开始研究用于塑压的塑料模具，九十年代初以聚氨酯为基体，用此法制得模具;八十年代末，高安君等人以环氧树脂和甲阶酚醛树脂为主要原料，通过此工艺制备了主要用于滚压的模具，强度提高近10倍。      2.1.3模压成型存在如下缺点:    (1)热工工艺控制复杂，孔率、孔径大小难以控制。    (2)不适合成型存在凹陷、侧面斜度或小孔等的复    杂制品。    (3)由于一般模压料熔体的粘度很高，要使之完全充模存在问题。    (4)难以成型有很高尺寸精度要求的制品(尤其对多型腔模具)，且成型制品的大小仅由模压机的能力决定。     (5)一次性投资较大，需专门设备(如液压机、高速捏合机等)和金属模具。      因此，模压成型一般用来制作滚压和塑压模具，无法作为陶瓷注浆成型用模具来生产诸如洗面器、坐便器、水箱及水箱盖等结构复杂的异型件。    2. 2浇注成型法(液相成孔法)      把主要由基体原料与水构成的油包水型乳液，倒入母模中，无需加压，在室温或加热固化成型，最后脱水即制得微孔塑料模具。 2.2.1单体微乳液聚合法      这种方法是通过利用微乳液稳定有序的微观结构，将聚合单体分散在微乳液中进行聚合，从而得到微孔塑料。W.R.P.Raj等人在由MMA, AA、水、十二烷基苯磺酸钠组成的微乳液中，用2, 2-二甲氧      基-2-苯基-苯乙酮(DMPA)引发聚合得到微孔直径为1μm-4 μm的聚合物。研究表明，当体系中水含量小于20%(油包水)时，可得到闭孔结构的微孔塑料;当水含量在20％-80%之间时，则可以得到开孔结构      的微孔塑料，井且泡孔直径随着水含量的增加而增大。这种方法的缺点是在聚合过程中，体系中各组分之间存在的静电作用和位阻效应会破坏体系的微乳液状态，引起相分离，最终破坏微孔结构。     2.2.2树脂-水反相乳液聚合法      以树脂为主要原料，加入水与可交联单体，通过表面活性剂配成油包水型乳液，最后加入引发剂，最终固化为微孔模具。树脂为高分子预聚体，在相分离前，即交联形成不溶不熔的三维网状结构，从而得以保护了微孔结构。德国的G. Will在50年代末就开始研究，有多项专利，最终以不饱和树脂为基体制得一著名的WIST材料模具，来替代传统石膏模具，其既适用于压力注浆成型也适用于其他传统成型。但这种方法由于不加无机填料，成本较高;而且需要复杂的表面活性剂复合体系，不易配制;制备时聚合速度太快(一般几分钟)，浇注大型、形状复杂的模具时较困难。    2.2.3树脂-水-填料悬浮乳液复合体系聚合法      以树脂为主要原料，加入水，选择合适的表面活性剂，先配成乳液，再加入填料和固化剂，最终制成稳定的悬浮体系，加热或室温固化，即制成微孔材料。1982年日本的贵岛展等人以双酚A型环氧树脂为基体制得微孔塑料模具。1985年日本的Imada Kazuhiro等人以几种不同环氧树脂的共混为基体制得互穿网络的微孔塑料模具。      树脂-水-填料悬浮乳液复合体系浇注成型，虽然乳化剂的选择和乳液配制较复杂，但其克服了模压的缺点，设备投资小，能成型各种复杂形状的日用和卫生陶瓷用模具，而且，树脂能均匀地包覆填料，基体与填料的界面结合力大，大大增强了材料的宏观力学性能，此法己成为制备微孔塑料模具的主流。    3工业应用现状及发展趋势      国外在替代石膏的新材质模具方面，己进行了多年的研究工作，井己取得了巨大进展，尤其是在微孔高分子材质模具方面己经进入实用阶段。而我国科技工作者在这方面的研究工作起步较晚，现在只有少数机构从事此方面的研究工作。    3. 1国外现状    从上世纪60年代末到70年代塑料模具材料研究取得了突破性进展，到80年代初，装有微孔塑料模具的高压注浆机就投入了使用。1982年，德国道尔斯特(DORST)公司与瑞士劳芬(LAUFEN)公司合作，首次研制出使用微孔塑料模具的高压注浆成形技术，用于卫生瓷的注浆压力达1.5-2.0MPa。 1986年，德国内奇(NETZSCH)公司推出注浆压力为0.35-0.40MPa的中压注浆机组。日本东陶于70年代中期开始研究，80年代末以此法制作了用在高压注浆机械中的模具，东陶以此机械生产出高质量的高科技卫浴产品，其冲水马桶在中国的销量每年增长一倍。拥有微孔塑料模具技术的公司还有:意大利萨克米公司(SACMI)和西蒂公司(SITI);英国鲍威尔集团公司(PORVAIR)日本伊奈公司(INAX). SAGA. NGK、新荣机工株式会社等。    3. 2国内现状      从80年代开始，大量的先进成型装备被引进，其中高压注浆机较多，约在35台以上，中压注浆机引进约在10台以上，这些设备分布在北京、唐山、佛山、苏州等地卫生瓷生产企业中。由于直接进口模具，东陶(北京)、鹰牌等公司使用正常，而更多厂负担不起进口模具高昂的价格，致使引进的高中压注浆成型装备不能发挥其应有的作用。      3. 3发展趋势      微孔塑料模具的研究兴于德国，盛于日本。目前，研究方向主要集中在高压注浆用模具方面，由于高压注浆成型周期短、坯体质量好、不必修坯、强度高、无须干燥、表面光洁度高、机械化自动化水平高，有利于提高产品质量和档次，高中压注浆在国外应用的比较广泛，尤其是日本，高压成型所占比例很大，用它几乎可以成形所有卫生洁具产品，所以，日本在这方面做的研究比较多，日本的东陶、伊奈等公司主要研究通过填料和树脂的选择来降低模具的比重，提高强度。     4结束语      微孔塑料模具很高的使用寿命大大减少了废弃石膏的堆积，环境污染程度大大下降;高强度和较低的比重使得模具重量下降，这降低了劳动强度，从而大幅提高了生产效率;光洁的表面消除了传统模具带来的缺陷。大幅提升产品质量和档次;模具不需要干燥，也减少了能耗。总之，其带来的直接经济效益是相当大的。而且，此关键材料的研制成功能使我国大量引进的压力注浆和塑压等设备发挥预期作用，其潜在的经济效益更为可观。      更重要的是，入世后，国际陶瓷巨鳄纷纷抢滩我国，面对这种严峻形势，我们只有通过科技创新才能应对挑战。开发研究适应我国国情的微孔塑料模具任务紧迫，其成功必将增强我国陶瓷业的核心竞争力，提高产品质量和档次，从而大大提高产品的附加值，尽快摆脱目前的低价竞争，走出低价-低效益-低投入的恶性循环的困境。这将有力地推动我国由陶瓷大国向陶瓷强国的跨越式发展，重铸民族陶瓷辉煌。

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