OPOpenPith让好奇，看得见化学实验室 / 晶簇模型

关于这座实验台

翻一簇水晶模型：从两桶液体，到一件能上展台的展品。

博物馆里的大晶簇常常是模型：先用硅胶翻出阴模，再灌进透明环氧树脂。这里把制作过程拆成五个课题：称量、固化、放热、气泡，最后回答一个诚实的问题：它看起来像水晶，但它是不是水晶。

配比、密度、黏度、厚度上限与折射率是原厂数值，绑定 EpoxAcast 690、692 与 SORTA-Clear 37 这三个型号。固化快慢、温度曲线与气泡数量来自教学模型，只表示趋势，不是实测。

五个结论

五个结论

  • 称量与配比：EpoxAcast 690 按质量 100 : 30 配。要 130 g 混合料，A 称 100.0 g，B 称 30.0 g；换成 692（100 : 40），同样 130 g 要称 A 92.9 g、B 37.1 g。模型里固化剂少加 20 %，只有 88.9 % 的基团配上对；多加 50 %，只有 80.0 %。多加固化剂不会更快、更硬。
  • 液体变固体：模型里 690 在 21 °C 的第 6.9 小时到凝胶点，这时固化度 57.7 %；到原厂固化时间 24 小时是 95.0 %。室温 15 °C 时凝胶推迟到第 10.7 小时，24 小时只有 85.5 %；27 °C 时提前到第 4.5 小时。692 在 21 °C 的第 20.7 小时凝胶。
  • 厚度与放热：21 °C 下，690 按原厂最大厚度 0.95 cm 浇注，模型峰温约 28 °C；一次浇 3.81 cm，第 1.2 小时冲到约 157 °C；分 4 层浇，每层仍是约 28 °C，但总共要等 96 小时。692 一次浇 3.81 cm 约 32 °C，一次浇 7.62 cm 约 122 °C。这些温度是示意值。
  • 气泡：刚混好的 690 里，直径 1 mm 的气泡每秒上浮 2.1 mm，0.1 mm 的每秒只有 0.021 mm。6 cm 深的模腔底部，小于 65 µm 的气泡在凝胶前浮不出来。慢搅带入 28 个，全部浮出；快搅带入 249 个，残留 65 个。硅胶的黏度是 35 Pa·s，1 mm 的气泡每秒只上浮 0.017 mm。
  • 模型不是石英：同一根 60.7 cm³ 的晶体，石英 160.9 g，环氧模型 66.8 g，硅胶模型 65.6 g，石英重 2.41 倍。最小偏向角：石英 41.1°，环氧 43.0°，硅胶 29.7°。放大 3 倍，体积 27 倍，表面积 9 倍，环氧模型从 66.8 g 变成 1803 g，单位体积的散热面积只剩三分之一。

模型与来源

模型与来源

  • 原厂值：EpoxAcast 690 的 A : B = 100 : 30，混合密度 1.10 g/cm³，混合黏度 280 cP，可操作时间 5 小时，标准浇注最大厚度 0.95 cm、固化 24 小时，Shore D 80，折射率 1.565，热变形温度 46 °C。692 深浇型为 100 : 40、1.08 g/cm³、370 cP、12 小时、3.81 cm、72 小时、Shore D 80、折射率 1.5372、热变形温度 38 °C。SORTA-Clear 37 硅胶为 1.08 g/cm³、35000 cP、可操作 25 分钟、固化 4 小时、Shore A 37。条件约 21 至 23 °C。
  • 配比：把原厂配比当作两种基团恰好一对一。固化剂为应加量的 x 倍时，配对成功的基团比例是 2·min(1, x) / (1 + x)。“硬、偏软、发黏”的分界是示意。
  • 固化：一级反应 dα/dt = k(1 − α)。21 °C 时到原厂固化时间固化度取 95 %；温度每升高 10 °C 反应快一倍（活化能取 51.5 kJ/mol）。凝胶点用弗洛里–斯托克迈尔公式，按二官能环氧配四官能胺，α = 1/√3。黏度按 η₀ / (1 − α/0.577)² 上升。分子网络画在金刚石格子上，是示意图，不是商品的真实分子式。
  • 放热：集总热平衡，只有上表面散热。反应热取 300 J/g，比热取 1.8 J/(g·K)，表面换热系数取 21 W/(m²·K)。这三个数的取法让原厂最大厚度落在不失控的一侧。模型峰温 60 °C 以上判为失控，130 °C 以上画出冒烟。发红的辉光是温度着色，不是真的发光。
  • 气泡：斯托克斯公式，黏度随固化上升，所以一只气泡最多上浮 v₀·∫(η₀/η)dt。气泡的个数与直径分布是示意：慢搅 50 个、中位直径 0.3 mm，快搅 260 个、中位直径 0.09 mm，快倒再加 60 个；细流里大于 0.4 mm 的气泡会破掉。画面里的气泡比真实尺寸大。
  • 石英：a = 4.9134 Å，c = 5.4052 Å，密度 2.65 g/cm³，莫氏硬度 7，寻常光折射率 1.544。柱面与菱面的夹角由 tan ρ = (2/√3)(c/a) 算出，是 141.8°。硅胶的折射率取有机硅弹性体的典型值 1.41。光从一个柱面进、隔一个柱面出，相当于 60° 棱镜，偏向角取最小值。

没有做成可操作项的：对 690 和 692 抽真空（原厂禁止）、用喷火枪消泡、趁半固化续浇下一层、往树脂里加石英粉。实验台不给出透光率、成本、寿命和成功率，这些需要实测。

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