冯海奎 刘明坤 王红宇* 赵环宇 胡志鹏 赵雨晴 崔 勇姜喜亮 耿春杰 姜兴田 周艳艳 Murugesan Priya

（1：吉林省新英海节能减排科技有限公司，吉林 长春 130114；2：吉林建筑大学，吉林 长春 130118；3：长春理工大学，吉林 长春 130022；4：印度莎维沙工程学院，印度 泰米尔纳德邦 629175）

0 引言

实型铸造用模样板材即消失模板材，这一概念最早是在铸造领域提出来的，指的是在消失模铸造工艺中的一种铸造模型。消失模铸造法中主要使用可发性消失模板材原材料，包括可发性聚苯乙烯（EPS），苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂共聚物（STMMA）和可发性聚丙烯（EPMMA）。消失模板材广泛用于实型铸造建筑、冷冻冷藏等低温环境、保温隔热及家电等物品设备的包装等用途。近年来，全球知名公司如德国BASF、美国陶氏化学等先后用不同的工艺技术，在各自领域中大力开展对消失模板材的应用研究[1-2]。

本文对基于实际生产的基础上，针对EPS消失模板材设备与制备工艺进行了详细的介绍，对产品的结构性能进行了系统的研究，并对于生产过程中实际出现的问题，提出了解决方案。

1 制备技术

1.1 原料选择与处理

在制造消失模板材时，要重视原始珠粒的选择。这种选择主要是指对原始珠粒尺寸规格的选择。选择时所依据的标准是生产铸件的规格，壁厚等要求。同时，在选择珠粒时，要考虑到在预发泡过程中，珠粒直径随发泡倍率的变化。

1.2 主要设备与技术路线

1.2.1 生产过程中的主要设备

模样板材制作生产第1步是对珠粒进行预发泡操作。预发泡操作具体实施方法是通过蒸汽加热使珠粒膨胀，最终表现为体积的增加，进而使珠粒密度发生相应的变化，达到生产要求的密度值。预发泡原理是在一定的蒸汽压力及加热时间下，珠粒内部发泡剂发生汽化，进而发生膨胀，使珠粒的体积变大[1，3]。生产过程中使用的发泡机设备见图1。

预发泡过程结束后，经常会伴随着珠粒中液体蒸汽（如水和发泡剂）遇冷液化情况。这是在实际生产过程中应注意并避免的。因为当液化现象发生时，会使珠粒表现为其内部压力低于标准大气压，且含有一定的水分。为防止这种情况的出现，引入了熟化操作。熟化过程是将预发后的珠粒转移到熟化料仓中，放置一段时间，并保证环境通风、干燥。在熟化料仓中，珠粒内外压力会逐渐恢复一致、并且使珠粒内部的干燥程度得到提升。需要注意的是，对于不同规格的珠粒，其熟化料仓的温度，湿度及熟化时间的设置也不尽相同[2-4]。生产过程中的熟化仓见图2。

熟化操作完成后，使用真空泵将珠粒转移至板材成型机型腔里面，通过蒸汽加热、冷却成型，制成消失模板材。常用的制板设备见图3。

1.2.2 技术路线与工艺参数

消失模板材生产的技术路线可以总结如下：选料→预发泡→熟化→板材成型。

预发泡过程一般选用间歇式发泡机（W-140）见图1，在实际生产过程中，蒸汽工作压力范围为0.65 MPa～0.75 MPa，压缩空气的工作压力范围为0.65 MPa～0.75 MPa。将发泡机筒体温度加热至80℃～95℃。根据所需要板材容重，投放原料25 kg～28 kg，打入蒸汽，穿透时间为 16 s～18 s，保压时间 2 s，出料时间25 s～35 s。调整穿透时间，使每次发泡的体积一定，根据发泡密度要求定量称取珠粒。

预发泡完成后，需要对珠粒进行称重。称重后通过原料输送管道将珠粒转移到预发泡桶，向发泡桶中通以一定压力的干燥饱和蒸汽，使珠粒发生膨胀，当珠粒的体积增大至目标体积后停止通气，最后在流化床对珠粒进行干燥处理，最后由输送管道将珠粒转移送至熟化料仓进行熟化操作。熟化过程是将预发后珠粒放置在熟化仓中，在通风及干燥环境作用下使珠粒内外压力值趋于平衡、珠粒内部干燥。其过程对环境的温湿度都有一定的要求，不同密度的珠粒熟化时间要求也不相同。

板材成型的过程一般包括模具预热、加料、加热、冷却、脱模等几个主要步骤,其中关键步骤是加热和冷却。常见的加热方式有一次蒸汽加热和二次蒸汽加热。冷却过程可分为真空冷却和水冷冷却2种[1，4-5]。水冷冷却时，进水阀始终打开，模具冷却孔进水，靠水流带走热量，直接达到板材模具所需要的脱模温度。这种方法可以使板材表面光滑，使其具有很好的产品强度，缺点是水冷时间过长，不能达到节约能源的目的，并且不能达到干燥成型的目的；真空冷却是通过真空泵抽真空的形式带走模具型腔内的残余蒸汽、发泡剂，从而带走热量。这种方法的冷却时间比水冷时间要短[4-5]。

1.2.3 产品性能

成型产品见图4。产品性能：EPS属超轻型高分子合成材料，EPS消失模板材的主要特点见表1。

表1 EPS特点简介

2 结果与讨论

2.1 工艺参数对产品质量性能的影响

在模板材的实际生产中，预发泡操作是其中一个关键的环节。在预发泡过程中，戊烷量，蒸汽压力和搅拌速率都会影响发泡密度。根据在生产过程中总结出的实际经验，当其他参数不变时，戊烷量越小，珠粒的发泡密度越大。实际生产过程中发现，将戊烷量调整至5.5%时，预发泡的效果最佳。在模板材的实际生产中，EPS的预发蒸汽压力为0.1 Mpa～0.2 Mpa，搅拌主轴转速为65转～70转。固定搅拌器速率时，在相同发泡时间下，蒸汽压力越低，发泡密度越高。但在模板材的实际生产中发现，当对EPS发泡时间超过6 min时，发泡密度和蒸汽压力会变为正相关关系，即蒸汽压力越低，发泡密度越低[6-7]。

在实际生产中，熟化操作对产品的质量和性能起到了至关重要的作用。板材融合度与熟化时间表现为正相关关系，但随熟化时间的继续增加，二者呈现为负相关关系；因为当熟化时间过长时，会导致珠粒内的发泡剂过量挥发，在板材成型与加工过程中珠粒不能充分融解。温度偏低时要达到理想熟化程度需增加熟化时间。要获得优良的熟化珠粒，需制定严格的熟化时间、温度、湿度标准。不同密度的珠粒熟化时间也不相同，一般大密度的熟化时间应当长于小密度的预发珠粒[6]。

2.2 工艺参数对产品性能的影响规律

预发泡过程是产品生产过程中至关重要的一个环节。在预发泡过程中，戊烷量的选取，蒸汽压力的调节和搅拌器速度的控制都会影响发泡密度[2]。我们通过大量的实践和经验规律的总结，归纳出戊烷量及发泡时间与发泡密度之间的关系图，见图5。需要注意的是，预发密度和各参数之间的关系在生产中确定工艺条件时可供参考使用。

由图5可知，当蒸汽压力、搅拌器速度及戊烷量不变时，预发过程中发泡密度和发泡时间呈负相关关系，随着发泡时间的增加，发泡密度不断降低。

2.3 生产过程中常见的实际问题与技术分析

预发珠粒质量与后续的板材成型质量息息相关。通过实际生产中发现的问题及积累的经验，将生产中可能遇到的问题和注意事项总结如下。

1）在预发泡过程中，如果环境中水分或水蒸气含量过多，会导致预发泡潮湿或结块，这一情况可通过蒸汽管加强保温并设疏水器来解决[1-3，6]。同时，若发泡机转速快，进料速度快或发泡温度太低，预发泡中有死料块，这种问题可通过对发泡机转速，进料速度及发泡温度进行合理调控来解决。

2）熟化过程中，若熟化仓中温度过低，会导致熟化效果变差。若熟化时间调控不合理，会导致珠粒的发泡剂含量偏低。另外熟化仓的结构不合理或带静电，会导致熟化仓放料不彻底[1]。

3）板材成型过程中，板材成形应遵循“低压大流量原理”。如果压力过高或者温度值很高时，只有少量的蒸汽能够进入板材内部，而导致板材无法融解，融合度降低且会引起板材表面烧焦、模板材之间发生粘连。若压力保持适宜，而流量不够时，同样无法实现板材的较好融合，会导致板材融合度过低。并且如果板材型腔密封不严，漏气严重，同样会导致板材融合度不好。因此在板材成型过程中，必须对加热蒸汽压力、流量进行严格的把控。同时，若预发泡熟化程度不好或冷却时间不足，会导致板材成型时变形[1-2，6]。

3 结语

1）模板材制造要重视原始珠粒的选取，在选择原始珠粒的粒度时，必须先了解目标板材的规格，表面的质量要求等。同时考虑到夏季运输工厂的储存因素，一般不建议使用太细的珠粒。在实际生产过程中，原始珠粒粒径的选择要根据铸件材质及铸件的壁厚来决定。另外在预发泡时，40倍～50倍的发泡倍率，对应要选择的原珠粒的珠粒直径是目标直径的1/3倍左右。同时在成型时要在铸件最小壁厚方向排列珠粒。

2）根据在生产过程中的实际经验，将预发泡过程中的戊烷量调整至5.5%时，预发泡的效果最佳。当蒸汽压力、搅拌器速度及戊烷量等参量不变时，预发过程中的发泡密度和发泡时间呈负相关关系，随着发泡时间的增加，发泡密度不断降低。

3）在熟化操作中，熟化时间，熟化环境对熟化效果都存在一定的影响。要获得合格甚至优质的熟化珠粒，需对熟化时间、温度、湿度标准严格把控。

4）对消失模板材生产工艺的研究，对于提高消失模板材质量具有重要的意义。在发泡珠粒确定的情况下，通过改进工艺能够最大可能地提升消失模板材的质量。本文从生产中的各个环节入手，从预发、熟化、板材成型等方面的蒸汽压力、温度、湿度等进行了研究。为消失模板材的生产提供工艺指导，为消失模板铸造提供有力的保障。