陶瓷成型用多孔塑料模具的研究進(jìn)展
2006-01-17
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田燕,武光,姚金水(山東輕工業(yè)學(xué)院)
摘要:微孔塑料模具替代傳統(tǒng)的石膏模具,是當(dāng)今陶瓷成型用模具的重大突破,是陶瓷成型用模具的發(fā)展方向。著重闡述了微孔塑料模具的幾種制備方法和各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn),介紹了其在工業(yè)應(yīng)用中的情況,并闡明了其發(fā)展趨勢(shì)。
1前言
石膏模具是日用陶瓷和衛(wèi)生潔具陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期以來(lái)使用的傳統(tǒng)模具,由于其制作成本低廉和自身特性,日前仍然廣泛應(yīng)用于注漿、旋壓、滾壓、塑壓(冷壓)等成型工藝中。隨著陶瓷工業(yè)逐步向機(jī)械化與自動(dòng)化生產(chǎn)方向的發(fā)展,石膏模具強(qiáng)度低、使用壽命短、質(zhì)量差的致命弱點(diǎn)也就越來(lái)越突出了。同時(shí),由于石膏模具的質(zhì)量直接影響和決定了成型坯體的質(zhì)量,并最終決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此,石膏材料本身存在的局限性,己制約了陶瓷產(chǎn)品向優(yōu)質(zhì)、高效的方向發(fā)展。
最初,人們致力于篩選優(yōu)質(zhì)石膏礦,研究最佳的石膏粉制備工藝,以便生產(chǎn)出高質(zhì)量的石膏模具。繼而,又對(duì)石膏進(jìn)行改性和表面涂層的研究。
以石膏為基體的增強(qiáng),使用壽命未大幅度提高,而且也導(dǎo)致吸水率下降。因此,開(kāi)發(fā)新的模具材料,制作出既能保持石膏模具的優(yōu)點(diǎn),又有石膏模具所不具備的高強(qiáng)度、耐磨、耐熱等特性的模具,就成了亟待解決的重要課題。從20世紀(jì)初開(kāi)始,德國(guó)、保加利亞、(前)蘇聯(lián)、法國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)科學(xué)家分別對(duì)其它模具材料(混凝土、陶瓷、金屬、塑料等)進(jìn)行了大量的研究。 混凝土由于其自身的特性,使用壽命較短;雖然燒結(jié)金屬材料(粉末冶金法)強(qiáng)度大,但成本太高;陶瓷材料韌性差、制造工藝相當(dāng)復(fù)雜,在線操作性能差,成本也較高。從總體上說(shuō),除金屬外,這些材料致命的弱點(diǎn)是使用壽命短,僅在10+2數(shù)量級(jí)。而塑料模具,由于其優(yōu)異的性能諸如重量輕、韌彈性好、機(jī)械性能好、耐酸堿腐蝕等,能進(jìn)行車、銑、刨、磨、鉆、粘接等各種操作,使用壽命可達(dá)10+4數(shù)量級(jí)??蛇m用于各種成型工藝,是一種最佳的陶瓷成型用模具材料。該材料替代傳統(tǒng)的模具材料-石膏,是陶瓷成型用模具材料研究及開(kāi)發(fā)的劃時(shí)代的重大突破,是未來(lái)陶瓷成型用模具材料的發(fā)展方向。
2微孔塑料模具的制備
微孔塑料模具所用的樹脂種類、成形方法不盡相同,有的采用熱塑性樹脂,有的采用熱I固性樹脂;有的在常溫常壓下成型,有的則在較高壓力下成型。迄今為止,微孔塑料模具的制備主要有兩種方法:
2. 1模壓成型
是依靠外壓的壓縮作用實(shí)現(xiàn)成型物料造型的一次成型技術(shù),模壓成型中,把通常被預(yù)熱的粉末狀原料置于被加熱的模具型腔內(nèi),然后合上模具,施加壓力,制品固化,冷卻定型后即得到微孔塑料模具。正確控制模型的成型壓力、熱處理溫度和混合料的均勻性是保證模型性能的關(guān)鍵。按其成孔機(jī)理可分為固相成孔法和氣相成孔法。 2.1.1 固相成孔法:其原理是利用粉狀材料自然堆積效應(yīng)而形成的孔道,經(jīng)過(guò)熱處理,顆粒在熱處理過(guò)程中,形成一定的液相,使顆粒之間互相粘接,從而形成具有一定強(qiáng)度的多孔材料。八十年代末,前蘇
聯(lián)的Liburkin,V.G.以聚氯乙烯為主要原料,再加入環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的共聚物和陶土制備了高分子模具;法國(guó)的Gaillard Jean Marie以環(huán)氧樹脂粉和無(wú)機(jī)填料制備;在九十年代末,李鐵軍等人也以聚氯乙烯為主要原料,通過(guò)此工藝制作了用于滾壓成型的模具,強(qiáng)度不高,干態(tài)僅提高一倍,濕態(tài)僅提高兩倍。此成型用塑料必須是粉末狀的,塑粉的粒度分布、粒子大小、表面形狀、表觀密度、比表面積、粉末流
動(dòng)性、硬度以及化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、熔流性、分了量大小及分布、熱穩(wěn)定性等都影響著制品的空隙率、孔的尺寸及物理機(jī)械性能。
2.1.2氣相成孔法:其原理是向基體材料中加入發(fā)泡劑,在模壓過(guò)程中,由于該物質(zhì)在一定的溫度下發(fā)生汽化而揮發(fā)逸出,產(chǎn)生了大量氣體,進(jìn)而在材料中產(chǎn)生孔道。八十年代初,日本的新榮機(jī)工株式會(huì)社開(kāi)始研究用于塑壓的塑料模具,九十年代初以聚氨酯為基體,用此法制得模具;八十年代末,高安君等人以環(huán)氧樹脂和甲階酚醛樹脂為主要原料,通過(guò)此工藝制備了主要用于滾壓的模具,強(qiáng)度提高近10倍。
2.1.3模壓成型存在如下缺點(diǎn):
(1)熱工工藝控制復(fù)雜,孔率、孔徑大小難以控制。
(2)不適合成型存在凹陷、側(cè)面斜度或小孔等的復(fù)
雜制品。
(3)由于一般模壓料熔體的粘度很高,要使之完全充模存在問(wèn)題。
(4)難以成型有很高尺寸精度要求的制品(尤其對(duì)多型腔模具),且成型制品的大小僅由模壓機(jī)的能力決定。
(5)一次性投資較大,需專門設(shè)備(如液壓機(jī)、高速捏合機(jī)等)和金屬模具。
因此,模壓成型一般用來(lái)制作滾壓和塑壓模具,無(wú)法作為陶瓷注漿成型用模具來(lái)生產(chǎn)諸如洗面器、坐便器、水箱及水箱蓋等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異型件。
2. 2澆注成型法(液相成孔法)
把主要由基體原料與水構(gòu)成的油包水型乳液,倒入母模中,無(wú)需加壓,在室溫或加熱固化成型,最后脫水即制得微孔塑料模具。 2.2.1單體微乳液聚合法
這種方法是通過(guò)利用微乳液穩(wěn)定有序的微觀結(jié)構(gòu),將聚合單體分散在微乳液中進(jìn)行聚合,從而得到微孔塑料。W.R.P.Raj等人在由MMA, AA、水、十二烷基苯磺酸鈉組成的微乳液中,用2, 2-二甲氧
基-2-苯基-苯乙酮(DMPA)引發(fā)聚合得到微孔直徑為1μm-4 μm的聚合物。研究表明,當(dāng)體系中水含量小于20%(油包水)時(shí),可得到閉孔結(jié)構(gòu)的微孔塑料;當(dāng)水含量在20%-80%之間時(shí),則可以得到開(kāi)孔結(jié)構(gòu)
的微孔塑料,井且泡孔直徑隨著水含量的增加而增大。這種方法的缺點(diǎn)是在聚合過(guò)程中,體系中各組分之間存在的靜電作用和位阻效應(yīng)會(huì)破壞體系的微乳液狀態(tài),引起相分離,最終破壞微孔結(jié)構(gòu)。
2.2.2樹脂-水反相乳液聚合法
以樹脂為主要原料,加入水與可交聯(lián)單體,通過(guò)表面活性劑配成油包水型乳液,最后加入引發(fā)劑,最終固化為微孔模具。樹脂為高分子預(yù)聚體,在相分離前,即交聯(lián)形成不溶不熔的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而得以保護(hù)了微孔結(jié)構(gòu)。德國(guó)的G. Will在50年代末就開(kāi)始研究,有多項(xiàng)專利,最終以不飽和樹脂為基體制得一著名的WIST材料模具,來(lái)替代傳統(tǒng)石膏模具,其既適用于壓力注漿成型也適用于其他傳統(tǒng)成型。但這種方法由于不加無(wú)機(jī)填料,成本較高;而且需要復(fù)雜的表面活性劑復(fù)合體系,不易配制;制備時(shí)聚合速度太快(一般幾分鐘),澆注大型、形狀復(fù)雜的模具時(shí)較困難。
2.2.3樹脂-水-填料懸浮乳液復(fù)合體系聚合法
以樹脂為主要原料,加入水,選擇合適的表面活性劑,先配成乳液,再加入填料和固化劑,最終制成穩(wěn)定的懸浮體系,加熱或室溫固化,即制成微孔材料。1982年日本的貴島展等人以雙酚A型環(huán)氧樹脂為基體制得微孔塑料模具。1985年日本的Imada Kazuhiro等人以幾種不同環(huán)氧樹脂的共混為基體制得互穿網(wǎng)絡(luò)的微孔塑料模具。
樹脂-水-填料懸浮乳液復(fù)合體系澆注成型,雖然乳化劑的選擇和乳液配制較復(fù)雜,但其克服了模壓的缺點(diǎn),設(shè)備投資小,能成型各種復(fù)雜形狀的日用和衛(wèi)生陶瓷用模具,而且,樹脂能均勻地包覆填料,基體與填料的界面結(jié)合力大,大大增強(qiáng)了材料的宏觀力學(xué)性能,此法己成為制備微孔塑料模具的主流。
3工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)外在替代石膏的新材質(zhì)模具方面,己進(jìn)行了多年的研究工作,井己取得了巨大進(jìn)展,尤其是在微孔高分子材質(zhì)模具方面己經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。而我國(guó)科技工作者在這方面的研究工作起步較晚,現(xiàn)在只有少數(shù)機(jī)構(gòu)從事此方面的研究工作。
3. 1國(guó)外現(xiàn)狀
從上世紀(jì)60年代末到70年代塑料模具材料研究取得了突破性進(jìn)展,到80年代初,裝有微孔塑料模具的高壓注漿機(jī)就投入了使用。1982年,德國(guó)道爾斯特(DORST)公司與瑞士勞芬(LAUFEN)公司合作,首次研制出使用微孔塑料模具的高壓注漿成形技術(shù),用于衛(wèi)生瓷的注漿壓力達(dá)1.5-2.0MPa。 1986年,德國(guó)內(nèi)奇(NETZSCH)公司推出注漿壓力為0.35-0.40MPa的中壓注漿機(jī)組。日本東陶于70年代中期開(kāi)始研究,80年代末以此法制作了用在高壓注漿機(jī)械中的模具,東陶以此機(jī)械生產(chǎn)出高質(zhì)量的高科技衛(wèi)浴產(chǎn)品,其沖水馬桶在中國(guó)的銷量每年增長(zhǎng)一倍。擁有微孔塑料模具技術(shù)的公司還有:意大利薩克米公司(SACMI)和西蒂公司(SITI);英國(guó)鮑威爾集團(tuán)公司(PORVAIR)日本伊奈公司(INAX). SAGA. NGK、新榮機(jī)工株式會(huì)社等。
3. 2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
從80年代開(kāi)始,大量的先進(jìn)成型裝備被引進(jìn),其中高壓注漿機(jī)較多,約在35臺(tái)以上,中壓注漿機(jī)引進(jìn)約在10臺(tái)以上,這些設(shè)備分布在北京、唐山、佛山、蘇州等地衛(wèi)生瓷生產(chǎn)企業(yè)中。由于直接進(jìn)口模具,東陶(北京)、鷹牌等公司使用正常,而更多廠負(fù)擔(dān)不起進(jìn)口模具高昂的價(jià)格,致使引進(jìn)的高中壓注漿成型裝備不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。
3. 3發(fā)展趨勢(shì)
微孔塑料模具的研究興于德國(guó),盛于日本。目前,研究方向主要集中在高壓注漿用模具方面,由于高壓注漿成型周期短、坯體質(zhì)量好、不必修坯、強(qiáng)度高、無(wú)須干燥、表面光潔度高、機(jī)械化自動(dòng)化水平高,有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和檔次,高中壓注漿在國(guó)外應(yīng)用的比較廣泛,尤其是日本,高壓成型所占比例很大,用它幾乎可以成形所有衛(wèi)生潔具產(chǎn)品,所以,日本在這方面做的研究比較多,日本的東陶、伊奈等公司主要研究通過(guò)填料和樹脂的選擇來(lái)降低模具的比重,提高強(qiáng)度。
4結(jié)束語(yǔ)
微孔塑料模具很高的使用壽命大大減少了廢棄石膏的堆積,環(huán)境污染程度大大下降;高強(qiáng)度和較低的比重使得模具重量下降,這降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,從而大幅提高了生產(chǎn)效率;光潔的表面消除了傳統(tǒng)模具帶來(lái)的缺陷。大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量和檔次;模具不需要干燥,也減少了能耗??傊?,其帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)大的。而且,此關(guān)鍵材料的研制成功能使我國(guó)大量引進(jìn)的壓力注漿和塑壓等設(shè)備發(fā)揮預(yù)期作用,其潛在的經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。
更重要的是,入世后,國(guó)際陶瓷巨鱷紛紛搶灘我國(guó),面對(duì)這種嚴(yán)峻形勢(shì),我們只有通過(guò)科技創(chuàng)新才能應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)研究適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的微孔塑料模具任務(wù)緊迫,其成功必將增強(qiáng)我國(guó)陶瓷業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力,提高產(chǎn)品質(zhì)量和檔次,從而大大提高產(chǎn)品的附加值,盡快擺脫目前的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng),走出低價(jià)-低效益-低投入的惡性循環(huán)的困境。這將有力地推動(dòng)我國(guó)由陶瓷大國(guó)向陶瓷強(qiáng)國(guó)的跨越式發(fā)展,重鑄民族陶瓷輝煌。
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