石膏半水合物的水合方法

本发明涉及制造石膏模型之一种方法，该模型主要包含从石膏半水 合物为主的原料经水合而成的石膏二水合物。

通常，石膏用作为模制陶器所用的模型材料。这项用途是利用石膏 的吸收水性质。

制造石膏模型的一般方法包括这些步骤：将石膏半水合物粉末与水 混合成为石膏浆料，将石膏浆料倾注到不透水的模型中并使浆料于模型 中保持不动，直至凝固反应完成，然后将已模制的石膏结构从模型中取 出。

在此过程中，石膏半水合物经水合反应而转化成为石膏二水合物， 可由下列反应式表明：

CaSO4・1/2H2O+3/2H2O→CaSO4・2H2O 由此表明石膏半水合物是溶解于水中，然后再结晶成为石膏二水合物。 由于石膏二水合物结晶时生长成为针状晶体，晶体之间的空隙在石膏模 型中成为毛细管，而由于毛细现象使石膏模型具有吸收水的性质。

用石膏模型模制陶器就是利用它的吸收水性质，将浇注泥浆注入石 膏模型中并在模型中保持规定的时间，就把浇注泥浆中所含的水吸收 到石膏模型中。浇注泥浆脱去水之后就发生固化，形成按最终制件形状 的坯件。在此情况下，由石膏模型吸收浇注泥浆中水分所需时间，或换 句话讲使坯件达到一定厚度所需的时间，或换句话讲使坯件达到一定厚 度所需的时间，占了制陶过程总时间的很大部分，所以，要想提高陶器 生产效率，就必须缩短吸收水所用的时间。 坯件厚度增长速率可以由下式的厚度增长速率常数K来表示： $K=\frac{L^2}{t}$ 其中K是厚度增长速率常数(厘米2/秒)，t是使坯件增至一定厚度所需 时间(秒)，L是坯件的厚度(厘米)。

此处的常数K决定于该模型的吸收水容量和浇注泥浆的性质，并且 总是一个常数而与厚度增长时间t无关。因此，为了比较不同石膏模型 的吸收水容量可以比较将相同性质的浇注泥浆注于该模型后所测得的K 值。K值越大，厚度增长所需时间越短，于是K值大的石膏模型能保证 陶器生产达到高效率。

一个石膏模型的厚度增长速率常数K是决定于石膏的毛细势差，而 毛细势越大，或换言之，即该石膏二水合物晶体越细微，并且由晶体间 空隙形成的毛细管直径越小，则其K值将越大。(但是，只有当坯件的 水渗透阻力大于该石膏模型的水渗透阻力时，这样的相互关系方才能成 立。当使用特殊类型的泥浆并且所形成的坯件的水渗透阻力很小时，则 若那些毛细管的直径太小而使石膏模型的水渗透阻力相对于坯件的阻力 是很大的话，这时得到的K值很小)。

对于石膏二水合物晶体大小的影响因素包括：该石膏二水合物的正 常稠度(或其吸收水的容量)，对该石膏浆料进行搅拌的速率和时间长短， 以及它所伴随的杂质，另外，该石膏浆料的温度也是不可忽略的因素。 石膏浆料的温度越低，所生成的晶体越微细，结果使K值更大。但是， 石膏浆料的温度越低，凝固所需时间就越长，从而使操作效率降低。由 于以上原因，一般采用的石膏浆料温度为10-20℃(将石膏半水合物和 水搅拌完毕后的温度)，特别优选的温度为15℃左右。举例来讲，由于在 搅拌过程中有水合热放出，使该浆料温度趋于上升，所以，在室温将水 与石膏掺和就不可能得到15℃左右的石膏浆料。因此，迄今为止都使用 经过冷冻的水与石膏半水合物进行掺和。因为石膏是处于粉末状态，还 由于石膏的比热很小，只有水的1/5，所以把水冷却要比把石膏冷却的效 果高得多。

本发明的目的是提供石膏半水合物进行水合的一种新方法，从而使 制出的石膏模型的K值大大超过用常规方法所制石膏模型的K值，同时 基本上不需要延长凝固时间。

通过这样一种石膏半水合物的水合方法来达到本发明的目的，此法 包括将冷却至-40-5℃的石膏半水合物与水混合，得到-5-10℃的石膏 浆料，将如此制得的石膏浆料倾注于不透水模型中，并使浆料于模型中 保持不动，直至凝固反应完成为止，然后将模制成的石膏结构从模型中 取出。

按照常规的方法，是将石膏浆料的温度维持在10-20℃，而为了达 到这样的浆料温度，使用的是经冷冻的水。 

另一方面，本发明者发现，为了使石膏浆料的温度低达-5-10℃， 通过将石膏冷却而不是将水冷却但使石膏浆料同样达到上述低温，就可 以增大所制石膏模型的K值。

本发明者在这项发现的基础上进行了研究工作，即研究加入冰点降 低剂或在凝固过程中采用室温对于石膏性质有何影响，从而完成了本发 明。

在本发明中，若采取将石膏半水合物冷却至0℃或更低温度的方法， 该石膏半水合物周围的水就以滴状结成冰，因而有时就不能顺利地进行 搅拌，具体情况取决于石膏半水合物和水的温度，将石膏半水合物倾入 水中的方式，搅拌开始的时间以及搅拌所用功率。为了避免这些困难， 需要在水与石膏掺和之前，向水中加入一种冰点降低剂。

此处所用的“冰点降低剂”是指与水掺和后能降低水的冰点的物质。 适宜冰点降低剂的实例有醇类，如甲醇、乙醇、1-丙醇以及异丙醇；二 醇类，如乙二醇、丙二醇以及1，3-丙二醇；还有二醇醚类，例如二乙二 醇醚、三乙二醇醚、二丙二醇醚以及三丙二醇醚。

冰点降低剂在水中的加入比率取决于石膏半水合物和水的温度，将 石膏半水合物倾入水中的方式，搅拌开始的时间以及搅拌的功率，但加 入比率最好不超过20％(重量)，以防冰点降低剂对凝固后制件的性质有不 利影响，例如影响强度。

石膏的冷却方法可以包括在不同种类的冷藏室中进行冷却。但在工 业生产中，许多情况下都是以分批方式制备石膏浆料，通常在各制备步 骤之间要有时间拖延。适于这种情况的经济的冷却方法是将液化气体， 例如液化二氧化碳或液氮直接喷在石膏半水合物粉末上。

在本发明中，是通过降低石膏浆料的温度来增大K值的。当石膏浆 料搅拌完毕之后，以及将浆料倾注入不透水模型中之后，温度的变化也 会影响到K值，所以可通过进一步将环境保持在低温，直至石膏浆料完 成凝固为止，这样可进一步增大K值。但是，控制环境温度会使成本增 高很多，所以要不要采用温度控制系统，应取决于就其成本和增大K值 所带来益处而从经济观点来权衡的结果。

下面对本发明进行更详细描述。

配制不同温度的100份(重量)石膏半水合物粉末与70份(重量) 水的掺和物，成为石膏浆料，其搅拌后测得的温度分为四个等级，即10 ±1℃，5±1℃，0±1℃以及-5±1℃。于表1中列出各配制料所需的 凝固时间，以及对同一浇注泥浆所测得之K值，其中样品9、11、12、 13和14中示出由乙二醇替换水的量(重量份数)。(例如，对于样品9 而言，该石膏浆料含有100份(重量)的石膏半水合物，63份(重量) 水，还有7份(重量)乙醇。)以上各实验中，凝固时的环境温度均为 室温。

                                表1     样品号     1     2     3     4   5   6   7   8     9     10     11     12     13     14     石膏浆料温度      (℃)     10.5   10.0   10.3   9.7   5.9   5.6   4.8   5.3     0.6     -0.1     0.7     -4.2     -4.5     -4.6     石膏半水合物温度                       (℃)     26   -1   -10   -20   18   5   -10   -29     2     -21     -38     -18     -30     -38     水温              (℃)     4.3   11.5   14.1   17.5   1.8   4.8   9.3   14.0   -3.3     3.5     8.3     -3.2     0.5     3.2     乙二醇加入量(重量份数)     7     2      7     6     6     凝固时间(分钟)     47   46   46   45   54   52   51   50     64     56     53      68     65     64     x(厘米2/秒) 2.28×10-4  2.30×10-4 2.33×10-4 2.35×10-4 2.41×10-4 2.58×10-4 2.63×10-4 2.72×10-4 2.70×10-4  2.80×10-4 2.88×10-4   2.86×10-4   2.89×10-4  2.93×10-4

从1表可明显看到，石膏浆料的温度越低，K值就越大，而另一方面， 需要的凝固时间越长。但在所得浆料温度相同的情况下，若是将石膏半 水合物(而不是把水)冷却至低温度，则所得值趋向于更大，同时凝固 时间可较短。

此外，为了研究石膏浆料凝固时环境温度的影响，将100份(重量) 的石膏半水合物于-25℃与70份(重量)的水于13.0℃进行掺和搅拌， 形成6.1℃的石膏浆料，将如此制成的浆料倾注于不透水模型中并分别 于20℃、10℃、-10℃和-20℃环境温度凝固。测定了凝固时间和对于 同一浇注泥浆所测得的K值。结果示于表2。

                         表2     样品号     1     2     3     4     5 环境温度(℃)     -20     -10     0     10     20 凝固时间(分钟))     58     54     51     50     48 K(厘米/秒))  3.13×10-4  3.01×10-4  3.01×10-4  2.30×10-4  2.76×10-4

如表2所示，在石膏浆料凝固过程中，降低环境温度可进一步增大 K值。

本发明所规定的石膏半水合物温度为-40-5℃，因为若低于-40℃， 仅靠加入冰点降低剂就难于防止石膏半水合物周围的水发生结冰，而高 于5℃，实质上不能期望得到本发明的增大K值的有益效应。

本发明规定的石膏浆料温度为-5-10℃范围，因为若低于-5℃，浆 料凝固需时过久，使操作效率下降，而若高于10℃，得不到本发明所要 求的增大K值的有益效果。

下文将以具体实例对本发明作更全面描述。

在下述实例和对比实例中，按照下面所提出的方法测定了凝固时间、 干件弯曲强度和K值。

凝固时间：

将石膏浆料倾入模型后，用热电偶测定其温度随时间之变化，从完 成搅拌至该浆料达到其最高温度所需时间定义为凝固时间。

干件弯曲强度：

将15×15×150毫米试验件于干燥后进行三点弯曲试验，试验条件 为跨距100毫米，试头速率2.5毫米/分钟，所得之值定义为干件弯曲 强度。

K值：

将直径75毫米，厚度30毫米的试验件子干燥后置于30℃恒温室中24 小时。

然后将试验件用透明圆筒套住，然后将主成分为粘土、长石和瓷石 并且比重为1.7的浇注泥浆于30℃倾注入该圆筒中。通过透明筒壁测量 所形成的坯饼的厚度，然后按方程式K＝L2/t计算出数值，定义为K 值。

此项厚度增长试验应于30℃恒温室中进行。

实例1

取20公斤石膏半水合物(由日本Nitt0 Sekko K.K.供应的β石膏)， 通过向其中鼓入液化二氧化碳而冷却至-20℃，然后与14.5公斤6.0℃ 的水以500转/分钟速率搅拌3.5分钟，得到温度为2.5℃的石膏浆料。 将此石膏浆料倾注于不透水模型中并于室温放置，该浆料于48分钟内凝 固。

然后将模制的石膏结构从模型中取出，并于50℃干燥48小时。测得 其干件弯曲强度和k值分别为54.4公斤/厘米2和2.87×10-4厘米2/ 秒。

实例2 

取20公斤石膏半水合物(日本Nitt0 Sekko K.K.供应的β石膏)，通 过向其中鼓入液化二氧化碳而冷却至-30℃，然后与14.2公斤4.5℃的 水以及0.3公斤乙二醇于实例1的相同条件下混合搅拌，得到-1.5℃的 石膏浆料。将这样得到的石膏浆料倾注于不透水模型中，并放置于-5℃ 的冷藏室中，该浆料于52分钟内凝固。

按实例1的相同条件测定其干件弯曲强度和K值，分别为56.3公斤 /厘米2和3.05×10-4厘米2/秒。

对比实施例

将20公斤石膏半水合物(日本Nitt0 Sekko K.K.供应的β-石膏) 于20℃与14.5公斤于13.5℃的水按实例1的相同条件搅拌，得到15.3℃ 的石膏浆料。将此浆料倾注于不透水的模型中并于室温放置，该浆料于 44分钟内凝固。

按实例1的相同条件测定干件弯曲强度和K值，分别为51.8公斤/ 厘米和2.29×10-4厘米2/秒。

按本发明的实例1及2与应用常规方法的对比实例相比较，其K值 可以显著增大，同时不需要延伸凝固时间。

按本发明的方法从水合石膏半水合物来制造石膏模型，与采用常规 方法所制者相比较，前者的K值要高得多(厚度增长速率更高)，同时基 本上不需要延长凝固时间。