CN101450370A - 一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法 - Google Patents

Abstract

一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法，向水域加热的反应器中加入模数为2.5－4.0，密度为1.3－1.45g/cm³的水玻璃，在转数为2700－3000转/分的机械分散下，升温至50℃，在保温状态下向水玻璃中加入硅溶胶，硅溶胶加入量以重量百分比计为水玻璃总量的1－20％，搅拌4－6分钟，再加入硅烷，硅烷加入量以重量百分比计为水玻璃总量的1－10％，反应1.5－3小时后即为成品。本发明能大幅度提高硬化后高模数水玻璃粘结模在高温下的强韧性。采用本发明的改性后的高模数水玻璃作粘结剂制备金属型涂料，在反复高温作用下不易发生色裂，能大幅度提高其使用寿命，并可降低失效后涂料层的剥离强度。

Description

一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法

技术领域

本发明涉及一种粘结剂的改性方法，具体是涉及一种应用于铸造工业金属型涂料中高模数水玻璃粘结剂的改性方法。

背景技术

金属型铸造是在有色金属铸造生产中得到广泛应用的一种工艺，这是由于它具有生产效率高、劳动条件好、金属组织致密，机械性能高，铸件精度高和表面粗糙度低(精度可达7级，粗糙度可达6.3)等许多优点。但是，在生产过程中，金属型的工作表面要承受很大的热冲击，长期受到热应力的交替作用，会引起型壁的热疲劳破坏而过早的报废。对于铸铁金属型在长期受到交变热应力的作用而产生热疲劳龟裂的同时，还会发生其成分的转变，使型壁的基体组织体积长大，从而产生应力，一般这个应力与热疲劳应力方向相同，助长了疲劳裂纹的扩展，从而大大缩短了金属型的使用寿命。目前，延长金属型使用寿命最有效的办法是，在其工作表面涂敷一层保温涂料。所以，研制一种耐火度高、抗裂性好、润滑性优的保温涂料已成为亟待解决的难题。

金属型铸造特殊的服役环境对其涂料提出了很多苛刻的要求。一种性能优良的金属型涂料，首先能够承受液态金属浇注、冷却时的高温而不发生分解，因此要求涂料应具有高温耐火性和高温稳定性；另外还要能够经受长期连续浇注的热冲击，具有抗裂性、复用性或耐用性，因此性能上要求涂料能够牢固地粘附在型腔表面，并且有一定的强度，不发生龟裂，不易剥落。由于有机粘结剂的高温耐火性、高温稳定性以及高温下的耐用性较差，无法满足金属型铸造的特殊要求，因此，金属型涂料一般选用无机物作为其粘结剂，特别是水玻璃作为金属型涂料的粘结剂。

水玻璃是一种无机粘结剂，它资源丰富，成本低廉，对金属粘结强度高，无毒无污染，是一种金属型涂料较常用的绿色粘结剂。尤其是在高温下，水玻璃不发生分解，具有良好的高温耐热性以及稳定性。因此，我国的金属型涂料大多采用水玻璃作为其粘结剂。

多年的生产实践发现，采用水玻璃作金属型涂料的粘结剂也存在一些问题。首先，由于普通低模数水玻璃的高温强韧性(高温下的强度和韧性)差，所以，往往导致在金属型热节处的、以水玻璃做粘结剂的涂料在反复高温的热冲击作用下易发生龟裂，从而导致金属型涂料过早的失效。在金属型涂料失效后，其涂料层的去除又非常困难，原因在于我国的金属型涂料为了提高涂层强度所以选用了低模数水玻璃。采用低模数水玻璃作为粘结剂，其强度性能虽然较好，但是，由于水玻璃当中Na⁺含量非常高，而Na⁺与金属的亲和力较强，故水玻璃粘结模牢牢的粘附在金属型上，造成了涂料层的剥离强度非常高，难于清除，已成为影响金属型铸造的生产效率以及铸件质量的主要障碍。

为了去除其失效后的金属型的涂料层，各金属型铸造厂采用了很多处理方法，如采用钢丝刷清理、喷砂或抛丸等专用设备清理。为了提高清理效率，大多数厂家还选用了不同的喷丸材料，如硅砂、特种砂(锆砂、铬铁矿砂等)、玻璃球、陶瓷球、钢丝等。但是，采用喷丸清理方法清除失效涂层，一方面，会对金属型工作面产生严重的磨损，尤其是采用钢丝等硬物进行喷丸处理时，其坚硬而尖锐的棱角会对金属型型面上的排气槽等凹陷以及突出的棱角产生严重的冲击和磨损，从而导致金属型的使用寿命大大缩短。另一方面，清除失效涂层还需要专用的抛丸设备和耗费较多的时间和材料，从而，增加了制造成本和降低了生产效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高高模数水玻璃粘结剂使用性能的改性方法，主要特点是采用无机纳米硅溶胶对高模数水玻璃进行改性，旨在大幅度提高其常温粘结强度以及高温强韧性能。采用本发明改性的高模数水玻璃，取代普通低模数水玻璃，做金属型涂料的粘结剂，不但有利于延长金属型涂料的使用寿命，也有利于降低失效后涂料层的剥离强度，减少失效涂层清理过程中的型面的磨损以及节省清理失效涂层使用的设备和材料消耗，从而提高金属型的使用寿命及其生产效率，降低其生产成本和材料消耗，对于提高我国金属型涂料的水平和使用寿命，以及改善铸件的质量都具有极大的应用前景和现实意义。

采用的技术方案是：

采用硅溶胶对高模数水玻璃进行改性，赋予高模数水玻璃优异的力学性能。

一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法，是向水域加热的反应器中加入设定量的模数为2.5—4.0，密度为1.30—1.45g/cm³的水玻璃，在转速为2700—3000转/分的机械分散下，升温至50℃，在保温状态下向水玻璃中加入硅溶胶，硅溶胶加入量为水玻璃总量的1—20％，搅拌4—6分钟后再加入硅烷，硅烷加入量为水玻璃总量的1—10％，反应1.5—3小时后即为成品。上述的百分比为重量百分比。

上述硅溶胶的含硅量为15—30％，胶粒大小为5—30nm。

上述硅烷为氨基硅烷，如KH5.5、KH560或KH602。

采用本发明改性的高模数水玻璃取代一般低模数水玻璃，用作金属型涂料的粘结剂，能够大幅度降低失效后涂料层的剥离强度和去除劳动量，其原因在于，低模数水玻璃之所以对金属型表面具有极强的附着力，主要原因是其中的Na⁺离子含量高，而Na⁺对金属表面的润湿性能好，附着能力强。所以，要降低涂料层对金属型表面的剥离强度的最有效方法，就是降低水玻璃中Na⁺离子的含量，也就是提高水玻璃的模数。但是，若要将高模数水玻璃用作金属型涂料的粘结剂，还必须提高其高温强韧性，这就需要对高模数水玻璃进行改性。

从纳米知识可知，当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热等性能呈现新的特性。因此，纳米材料具有许多优异的特性，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，尤其是纳米材料有着更强的力学性能的改变，如强度和韧性等都会出现明显的增大。例如，硅溶胶是水化SiO₂纳米微小粒子高度分散在水中的一种胶体溶液，其胶体粒子的粒径一般在几纳米到几十纳米之间，均属于纳米材料的一种，因此具有明显的纳米材料的各种特性。利用硅溶胶对高模数水玻璃进行改性，无疑会大大提高硬化后高模数水玻璃的力学性能，尤其是在高温的环境中，硅溶胶对高模数水玻璃的强韧性的改善有利于防止粘结模发生龟裂。因此，采用这种方法改性后的高模数水玻璃作粘结剂，金属型涂料的使用寿命会大大延长。

本发明的主要特点在于选用纳米材料——硅溶胶对高模数水玻璃进行改性，赋予高模数水玻璃优异的力学性能，尤其是大幅提高硬化后高模数水玻璃粘结模的高温下的强韧性。选用本发明提出的方法改性后的高模数水玻璃作粘结剂制备金属型涂料，在反复高温的作用下不易发生龟裂，能够大幅提高其使用寿命。另外，由于高模数水玻璃中Na⁺离子含量低，其金属型涂料失效后的涂料层的剥离强度会大幅降低，易于清除，这有利于提高金属型清理的生产效率。

但是，纳米颗粒具有极高的比表面积，与分散介质存在巨大的相界面和界面能，所以，纳米硅溶胶胶粒以及高模数水玻璃的硅酸胶粒总是会自发地趋向合并聚结，这就需要对其进行表面改性。本发明选用硅烷做表面改性剂，利用其水解后的产物与硅酸胶粒表面的羟基进行接枝反应，对硅酸胶粒进行表面改性，从而有效硅酸胶粒之间的聚合，达到阻缓老化的目的。

具体实施方式

实施例一

一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法，是向水域加热的反应器中加入水玻璃(模数2.8，密度1.40g/cm3)300克，在转速为2700转/分钟的机械分散下，升温至50℃并进行保温，然后向水玻璃中加入硅溶胶45克，5分钟后加入硅烷15克，最后反应2小时制得改性的高模数水玻璃。

实施例二

一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法，是向水域加热的反应器中加入水玻璃(模数3.5，密度1.33g/cm3)300克，在转速为2700转/分钟的机械分散下，升温至50℃并进行保温，然后向水玻璃中加入硅溶胶30克，5分钟后加入硅烷9克，最后反应2小时制得改性的高模数水玻璃。

实施例三

金属型用水基涂料包含下列重量百分数的组分：滑石粉60，硅藻土40构成100为基数，凹凸棒粘土0.3，改性后的高模数水玻璃3，硅油消泡剂0.2和水适量，其密度为1.1～1.3g/ml

具体制备方法如下：将凹凸棒土和水在胶体磨内辗磨2小时，制成甲液。将滑石粉、硅藻土放入胶体磨内，分别加入甲液和水辗磨2小时。最后加入改性高模数水玻璃和消泡剂，湿混40分钟，出料，使用前加水稀释至密度为1.15g/ml。

Claims (2)

1、一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法，其特征是向水域加热的反应器中加入模数为2.5—4.0，密度为1.3—1.45g/cm³的水玻璃，在转数为2700—3000转/分的机械分散下，升温至50℃，在保温状态下向水玻璃中加入硅溶胶，硅溶胶加入量以重量百分比计为水玻璃总量的1—20％，搅拌4—6分钟，再加入硅烷，硅烷加入量以重量百分比计为水玻璃总量的1—10％，反应1.5—3小时后即为成品。

2、根据权利要求1所述的一种金属型涂料用高模数水玻璃的改性方法，其特征在于所述的硅溶胶含硅量以重量百分比计为15—30％，胶粒大小为5—30nm，所述硅烷为氨基烷KH550、KH560或KH602。