CN101947637B - 一种冷芯盒用改性水玻璃粘结剂及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种冷芯盒用改性水玻璃粘结剂及其制备方法。该粘结剂原料来源广、无毒、无味，粘结剂力学性能好，可用于冷芯盒机械化制芯，也可用于手工制芯。该粘结剂的化学成分质量百分比为：SiO2 20-30％、Na2O10-20％、K2O0.5-19％、改性剂1.0-20％、水余量；其中改性剂为氢氧化铝和/或氢氧化锌，也可添加糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、三聚磷酸钠、纤维素、腐殖酸、腐殖酸钠、山梨醇、木糖醇、硅酸钠中的一种或多种。
Description
技术领域
本发明涉及装备制造业中铸造技术的造型材料，特别提供了一种冷芯盒用改性水玻璃粘结剂及其制备方法。
背景技术
装备制造业是我国的支柱产业，而铸造是装备制造业的基础行业。高效制芯技术属装备制造业共性技术，该技术与铸件生产成本、生产效率、铸件质量、劳动条件、环境保护密切相关。高效制芯技术包括：热芯盒，壳芯、冷芯盒。热芯盒、壳芯属热法制芯，耗能高、劳动条件差，应用范围逐步在缩小。1968年脲烷冷芯盒技术问世，由于其具有高效、节能、砂芯尺寸稳定等特点，逐步取代了热硬油砂芯，部分取代了壳芯工艺和热芯盒工艺，成为高效制芯占比例最多的工艺。该冷芯盒粘结剂中含氮，易产生氮气孔，在有些铸件的生产中受到限制，吹硬气体有毒、有刺激性气味，劳动条件差，污染环境。1977年呋喃树脂吹二氧化硫硬化法开始应用，1985年碱性酚醛树脂吹甲酸甲酯冷芯盒法制芯建成第一条生产线。这些冷芯盒工艺弥补了吹胺冷芯盒的不足，但是这几种冷芯盒工艺均采用人工合成树脂做粘结剂。斯德哥尔摩公约公布的12种持久性有毒物质，将呋喃和二恶英列入其中，这两种有毒物质的产生与铸造树脂的采用密切相关，从环境友好考虑，有毒、有味材料的使用将逐步受到限制。水玻璃是石英砂和纯碱合成的无机粘结剂，是地球上资源最丰富的物质之一，也是目前对环境污染最小的铸造粘结剂。1997年沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司国内首创新型酯固化水玻璃自硬砂技术，并在国内推广应用，现已在国内建成几十条造型生产线，应用厂遍及铁道部、冶金部、重型机械、通用机械等。这些水玻璃造型生产线大部分采用酯固化水玻璃自硬砂制芯，制芯工部生产效率低、制芯尺寸偏差大。为提高制芯效率，部分工厂采用吹胺冷芯盒法或碱性树脂吹甲酸甲酯冷芯盒法。这样又出现了环保问题，同时产生树脂砂芯砂和水玻璃旧砂相混问题，影响了旧砂再生的质量。采用水玻璃做粘结剂，吹甲酸甲酯汽雾实现砂芯快速硬化，属冷芯盒制芯技术，可采用射芯机实现高效制芯，也可用普通芯盒手工吹芯。该冷芯盒是酯固化水玻璃自硬砂造型生产线最好的配套制芯技术。采用该项技术可以提高铸件质量，有利于旧砂的再生回用，使铸造生产实现低成本、高效率、环境友好。我国年产铸件3350万吨(2008年统计)，具有广阔的市场需求。中国发明专利ZL 01133477.0(一种吹气硬化冷芯盒制芯的方法)采用普通水玻璃砂混合料，吹气后即时抗拉强调为0.3Mpa左右，可满足中、小砂芯的生产，对于大型砂芯，起模后搬运时易破损，为提高水玻璃砂冷芯盒制芯质量，扩大应用范围·急待进一步提高水玻璃砂冷芯盒制芯的强度，以满足各种砂芯的生产的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷芯盒用改性水玻璃粘结剂及其制备方法。该粘结剂原料来源广、无毒、无味，粘结剂力学性能好，可用于冷芯盒机械化制芯，也可用于手工制芯。
本发明具体提供了一种冷芯盒用改性水玻璃粘结剂，其特征在于：该粘结剂的化学成分质量百分比为：
SiO2 20-30％
Na2O 10-20％
K2O 0.5-19％
改性剂 1.0-20％
水 余量；
其中改性剂为氢氧化铝和/或氢氧化锌，也可添加糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、三聚磷酸钠、纤维素、腐殖酸、腐殖酸钠、山梨醇、木糖醇、硅酸钠中的一种或多种。其中改性剂的最佳选择为氢氧化铝和/或氢氧化锌。
本发明还提供了该种水玻璃粘结剂的最佳成分配比，其特征在于：所述粘结剂的化学成分质量百分比为：
SiO2 22％
Na2O 10.7％
K2O 4.7％
改性剂 1.0％
水 余量；
其中改性剂为氢氧化铝和/或氢氧化锌。
本发明还提供了所述冷芯盒用改性水玻璃黏结的制备方法：其特征在于：所述粘结剂是以硅酸钠和/或硅酸钾、氢氧化钠和/或氢氧化钾、改性剂及水为原料制备而成；
其中改性剂中的氢氧化铝和氢氧化锌为难溶于水的物质，可以将其溶入氢氧化钠水溶液(优选浓度为40％的氢氧化钠水溶液)中生成铝酸钠或锌酸钠，从而制成改性剂中间水溶液，其反应为：Al(OH)3+NaOH＝Na[Al(OH)4]，Zn(OH)2+2NaOH＝Na2[Zn(OH)4]。
本发明提供了所述粘结剂的两种制备方法，具体如下：
干法制备：按质量配比计算并称量固体硅酸钠(可选择工业固体硅酸钠)、固体硅酸钾(可选择工业固体硅酸钾)、氢氧化钠、氢氧化钾、改性剂、改性剂中间水溶液及水的加入量，将全部原料加入高压转鼓内，加热(可用蒸汽加热)到158-169℃，在此温度下保温4～8h，使原料全部溶解，打入贮罐，沉淀24～72h，即得澄清的冷芯盒用改性水玻璃粘结剂；
湿法制备：按质量配比计算并称量硅酸钠的水溶液(可以为工业液体硅酸钠)、硅酸钾的水溶液(可以为工业液体硅酸钾)、氢氧化钠、氢氧化钾、改性剂、改性剂中间水溶液及水的加入量，将全部原料加入高压反应釜内，加热到(可用蒸汽或电加热)70-100℃，在此温度下保温1～2h，使原料全部溶解，打入贮罐，沉淀24h～72h，即得澄清的冷芯盒用改性水玻璃粘结剂。
本发明所述冷芯盒用改性水玻璃粘结剂在吹气硬化制芯方法中的用途，其特征在于：制芯砂混合料质量百分比为：
原砂 95.5-99％
水玻璃 1.0-4.5％
吹硬气体为甲酸甲酯和/或甲酸乙酯，载体气体为空气、二氧化碳或氮气，吹硬气体与载体气体的体积比为25-99∶1-75。所述原砂为：标准砂、水洗硅砂、擦洗硅砂、精选硅砂、整形硅砂、锆砂、铬铁矿砂、镁橄榄石砂、宝珠砂中的一种或多种。
本发明所述粘结剂原料来源广，其中硅酸钠、硅酸钾可来自干法生产固体硅酸钠、固体硅酸钾或湿法生产的液体硅酸钠、液体硅酸钾(即硅酸钠、硅酸钾的水溶液)。
用标准砂加3％本发明改性水玻璃粘结剂，打标准”8”试样，吹甲酸甲酯气体8s，起模后即时抗拉强度≥0.5Mpa，24h后抗拉强度≥1.0Mpa。
本发明具有如下优点：
1本发明提供的改性水玻璃粘结剂的原料来源广、无毒、无味，有利于改善劳动环境，该粘结剂是人工合成树脂的优选替代品。
2、制芯时水玻璃粘结剂的加入量少，溃散性好，可防止铸件产生热裂缺欠。
3、该水玻璃粘结剂在冷芯盒制芯吹气时硬化快，起模强度高，可制小、中、大各种砂芯。
4、冷芯盒制芯中所用吹硬气体与三乙胺、二氧化硫比相对无毒、无刺激性气味。
5、旧砂可再生回用，回用率80-90％。减少固体废弃物的排放，有利于保护生态环境。
具体实施方式
加料配比计算方法：
1、用硅酸钠、硅酸钾中所含SiO2量之和，计算改性水玻璃中SiO2质量百分比量。
2、用硅酸钠、氢氧化钠、锌酸钠、铝酸钠中所含Na2O总量计算改性水玻璃中的Na2O质量百分比量。
3、用硅酸钾、氢氧化钾中所含K2O总量计算改性水玻璃中的K2O质量百分比量。
4、用加入糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸胺、三聚磷酸钠、纤维素、腐殖酸、腐殖酸钠、山梨醇、木糖醇、氢氧化铝、氢氧化锌的总量计算改性水玻璃中的改性剂质量百分比量。
5、用100减去1、2、3、4中的质量百分比量，即为加入水的质量百分比量。
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。本实施例采用的工业硅酸钠符合国家标准GB/T 4209-2008，工业固体硅酸钾符合青岛泡花碱厂标准QPY-401。
实施例1
将4g工业氢氧化铝以及4g工业氢氧化锌溶入10g浓度为40％的氢氧化钠水溶液中制成改性剂中间水溶液，工业固体硅酸钠，固-1型330g，然后将工业氢氧化钾13g，工业氢氧化钠54g，改性剂中间水溶液18g，自来水350g，加入2L的高压反应釜，加盖密封，开动搅拌，缓慢升温至158℃，保温6h，自然冷却至室温，沉淀48h，开盖得本发明水玻璃，记为A1，并列入表1。
实施例2
将2g工业氢氧化铝和4g工业氢氧化锌溶入7g浓度为40％的氢氧化钠水溶液中制成改性剂中间水溶液，然后将工业固体硅酸钠，固-2型300g，工业氢氧化钾55g，工业氢氧化钠27g，山梨醇4g，木糖醇10g，改性剂中间水溶液13g，自来水398g，加入2L的高压反应釜，加盖密封，开动搅拌，缓慢升温至160℃，保温8h，自然冷却至室温，沉淀72h，开盖得本发明水玻璃，记为A2，并列入表1。
实施例3
将10g工业氢氧化铝和20g工业氢氧化锌溶入33g浓度为40％的氢氧化钠水溶液中制成改性剂中间水溶液，然后将工业固体硅酸钠，固-3型300g工业固体硅酸钾34g，工业氢氧化钾42g，工业氢氧化钠15g，山梨醇20g，木糖醇20g甘油20g，改性剂中间水溶液63g，自来水475g，加入2L的高压反应釜，加盖密封，开动搅拌，缓慢升温至165℃，保温5h，自然冷却至室温，沉淀48h，开盖得本发明水玻璃，记为A3，并列入表1。
实施例4
将1g工业氢氧化铝和10g工业氢氧化锌溶入12g浓度为40％的氢氧化钠水溶液中制成改性剂中间水溶液，然后将工业固体硅酸钠，固-2型330g，工业氢氧化钾13g，工业氢氧化钠81g，山梨醇10g，木糖醇9g，改性剂中间水溶液23g，自来水446g，加入2L的高压反应釜，加盖密封，开动搅拌，缓慢升温至165℃，保温4h，自然冷却至室温，沉淀48h，开盖得本发明水玻璃，记为A4，并列入表1。
实施例5
将6g工业氢氧化铝和24g工业氢氧化锌溶入32g浓度为40％的氢氧化钠水溶液中制成改性剂中间水溶液，然后将工业固体硅酸钠，固-2型300g，工业氢氧化钾27g，工业氢氧化钠27g，山梨醇10g，改性剂中间水溶液62g，自来水428g，加入2L的高压反应釜，加盖密封，开动搅拌，缓慢升温至169℃，保温5h，自然冷却至室温，沉淀24h，开盖得本发明水玻璃，记为A5，并列入表1。
实施例6
将20g工业氢氧化铝和工业氢氧化锌30g溶入56g浓度为40％的氢氧化钠水溶液中制成改性剂中间水溶液，然后将工业液体硅酸钠，液-4型734g，工业氢氧化钾7g，山梨醇50g，木糖醇50g，改性剂中间水溶液106g，自来水7g，加入2L的高压反应釜，加盖密封，开动搅拌，缓慢升温至90℃，保温1.5h，自然冷却至室温，沉淀48h，开盖得本发明水玻璃，记为A6，并列入表1。
对比例1
水玻璃为符合JB/T 8835-2009铸造用水玻璃ZS-2.40，其成分列入表1。
表1 实施例以比较例中水玻璃成分表
| 实施例水玻璃 | SiO2 | Na2O | K2O | Zn(HO)2 | Al(HO)3 |
| A1 | 30 | 14.8 | 1.3 | 0.5 | 0.5 |
| A2 | 27 | 11 | 5.1 | 0.25 | 0.5 |
| A3 | 22 | 10.7 | 4.7 | 1.0 | 2.08 |
| A4 | 26.4 | 15 | 1.1 | 0.1 | 1.1 |
| A5 | 26 | 10.7 | 2.3 | 0.73 | 2.92 |
| A6 | 22.7 | 10. | 0.54 | 2.08 | 3.65 |
| 对比例水玻璃 | 29.2 | 12.8 | 0 | 0 | 0 |
实施例7
称取检定铸造粘结剂用标准砂1000g放入SHY叶片式芯砂混砂机，再加A1改性水玻璃30g混20s出砂，将砂混合料装入射砂筒，用Z861射芯机在0.4Mpa，气压下射实标准“8”形试样，取下射砂筒，密封射砂口，开启FXS气体发生器电磁阀，使含60％甲酸甲酯与空气的混合气体通入芯盒12s，关闭硬化气体气源，开启芯盒，取出“8”形试样。用SWY型液压强度试验机测量“8”试样即时抗拉强度和室内放置24h的抗拉强度，将测量结果列入表2。
实施例8、实施例9、实施例10、实施例11、实施例12、实施例13实施例14、实施例15、实施例16、实施例17、实施例18、实施例19，分别取A2、A3、A4、A5、A6、A1、A2、A3、A4、A5、A6、对比例水玻璃，实施方法参照实施例7。并将实施条件、测量结果列入表2。
表2实施例的实施条件及测量结果
Claims (4)
1.一种冷芯盒用改性水玻璃粘结剂，其特征在于：该粘结剂的化学成分质量百分比为：
其中改性剂为氢氧化铝和/或氢氧化锌。
2.按照权利要求1所述冷芯盒用改性水玻璃粘结剂，其特征在于：所述改性剂选自氢氧化铝、氢氧化锌中的一种或多种，以及糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、三聚磷酸钠、纤维素、腐殖酸、腐殖酸钠、山梨醇、木糖醇、硅酸钠中的一种或多种。
3.按照权利要求1所述冷芯盒用改性水玻璃粘结剂，其特征在于：所述粘结剂的化学成分质量百分比为：
其中改性剂为氢氧化铝和/或氢氧化锌。
4.一种权利要求1或2所述冷芯盒用改性水玻璃粘结剂的制备方法：
其特征在于：所述粘结剂是以硅酸钠和/或硅酸钾、氢氧化钠和/或氢氧化钾、改性剂及水为原料制备而成；
其中改性剂中的氢氧化铝和氢氧化锌为难溶于水的物质，需将其溶入氢氧化钠水溶液中制成改性剂中间水溶液；
所述粘结剂的制备方法为：
干法制备：按质量配比计算并称量固体硅酸钠、固体硅酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、改性剂、改性剂中间水溶液及水的加入量，将全部原料加入高压转鼓内，加热到158-169℃，在此温度下保温4～8h，使原料全部溶解，打入贮罐，沉淀24～72h，即得澄清的冷芯盒用改性水玻璃粘结剂；
湿法制备：按质量配比计算并称量硅酸钠的水溶液、硅酸钾的水溶液、氢氧化钠、氢氧化钾、改性剂、改性剂中间水溶液及水的加入量，将全部原料加入高压反应釜内，加热到70-100℃，在此温度下保温1～2h，使原料全部溶解，打入贮罐，沉淀24h～72h，即得澄清的冷芯盒用改性水玻璃粘结剂。
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