CN102807336A - 铸造用硅酸盐无机粘结剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造用硅酸盐无机粘结剂及制备方法，该铸造用硅酸盐无机粘结剂由含结晶水的偏硅酸钠、硼酸、三聚磷酸钠和有机改性剂组成。该铸造用硅酸盐无机粘结剂的粘结性能好，存放时间长，无毒无害，成本低，制得的无机粘结剂具有较好的浸润性和粘结性能，采用该硅酸盐无机粘结制得的型砂流动性较好、发气性较低、耐存放较好和适用性较好，并且旧砂再生回用性较好。

Description

铸造用硅酸盐无机粘结剂及制备方法

技术领域

本发明涉及铸造型砂粘结材料，具体涉及一种铸造用硅酸盐无机粘结剂及制备方法。

背景技术

目前，铸造用的型砂粘结剂包括有机类和无机类，由于有机类的粘结剂多为树脂，因其为有机聚合物，在铸造生产过程中，从混砂、制芯、浇注、清理到废砂处理都会对人体及环境造成不良影响。另外，多数树脂为石油的衍生产品，属于不可再生资源，成本较高。而无机类的粘结剂多为硫酸盐类、磷酸盐类、水玻璃以及以中、高模数水玻璃为基础进行改性的改性水玻璃。但采用硫酸盐类无机粘结剂铸造的型砂存在强度低，铸件缺陷率高等问题；采用磷酸盐类无机粘结剂铸造的型砂存在抗湿性差，使用时间短等问题，而水玻璃和改性水玻璃铸造的型砂在其强度、精度、生产效率和环保性均优于前两者，所以在铸造中大多采用水玻璃和改性水玻璃作为型砂粘结剂。但由于水玻璃和改性水玻璃均存在耐老化性不好，导致粘结强度降低，以及制成的型砂耐存放性不好、适用性不好、抗湿性差、溃散性不好、制芯效率较低和旧砂再生回用困难等问题。因此，需要开发性能更加优越的铸造用硅酸盐无机粘结剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种铸造用硅酸盐无机粘结剂，它具有较好的粘结性能和浸润性，采用该硅酸盐无机粘结制得的型砂流动性较好、发气性较低、耐存放较好和适用性较好，并且旧砂再生回用性较好。

本发明还提供所述铸造用硅酸盐无机粘结剂的制备方法。

本发明所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂，由含结晶水的偏硅酸钠、硼酸、三聚磷酸钠和有机改性剂组成。

按重量百分比其原料组成为：含结晶水的偏硅酸钠84～91％，硼酸4.2～8.4％，三聚磷酸钠0.7～2.1％，有机改性剂2.0～5.8％。

所述含结晶水的偏硅酸钠为九水偏硅酸钠，或为八水偏硅酸钠，或为六水偏硅酸钠。

所述有机改性剂为有机羟羧酸类物质，或为阳离子型表面活性剂，或为非离子表面活性剂。

所述有机羟羧酸类物质为柠檬酸，或为α-羟基丙酸，或为酒石酸，或为水杨酸，或为3,4,5-三羟基苯甲酸。

所述阳离子型表面活性剂为山梨醇，或为失水三梨醇，或为氯化三甲基十二烷基胺，或为氯化十二烷基吡啶。

所述非离子表面活性剂为蔗糖，或为多聚葡萄糖，或为麦芽糖，或为聚多糖，或为单糖。

含结晶水的偏硅酸钠、硼酸和三聚磷酸钠在加热沸腾条件下反应形成具有一定立体结构的胶凝单体骨架，减少了[SiO₃]^2-离子间的有效碰撞，使硅酸盐无机粘结剂具有很好的耐老化性能，同时硅、硼、磷在化学交联的作用下形成稳定的空间立体结构网，大大增加了该硅酸盐无机粘结剂的粘结效能；而且经交联后的硅酸盐无机粘结剂体系中含有大量的硼酸根、多聚磷酸根等，减弱了空气中的二氧化碳对[SiO₃]^2-的固化作用，故能够延长无机砂的适用时间，提高粘结剂的适用性。另外，有机改性剂同时具有亲水和憎水基团，可较好地分散在硅酸盐无机粘结剂体系中，改善粘结剂凝胶体系的稳定性，并能提高凝胶体系的硬化速度使砂芯获得较高的即时强度和即时常温强度比。

由于硅酸盐和磷酸盐胶态分子团在碱性条件下易因吸潮而发生解聚，所以在用硅酸盐无机粘结剂制备覆膜砂的过程中，将按硅酸盐无机粘结剂重量的20％加入粉末固化交联剂，加入固化交联剂能够防止硅酸盐和磷酸盐胶态分子团的碱性催化而引起的解聚，防止羟基离子的生成，或在浇铸过程中其它金属进入在硅氧或磷氧的网络中形成骨架而降低铸件品质。

在140-160℃条件下，活性SiO₂和Mg、Ca、Al之类的氧化物对硅酸盐、磷酸盐和硼酸盐的硬化剂的活性高，促使硅酸盐无机粘结剂迅速固化，并与硅酸盐无机粘结剂发生化学交联反应，使凝胶体系中插入了金属元素，形成了高强度抗水的化合物，金属元素凝胶之间形成了键能高的金属键，增强凝胶的粘结力。同时粉末固化交联剂还能防止硅酸盐和磷酸盐胶态分子团的碱性催化而引起的解聚，防止羟基离子的生成，或使其它金属进入在硅氧或磷氧的网络中形成骨架，大大提高了硅酸盐无机粘结剂的抗湿能力。

铸造用硅酸盐无机粘结剂的制备方法，其步骤是：

步骤一：按重量百分比取含结晶水的偏硅酸钠84～91％加入反应釜中，均匀搅拌并加热至沸腾；

步骤二：按重量百分比取有机改性剂2.0～5.8％、硼酸4.2～8.4％和三聚磷酸钠0.7～2.1％加入反应釜中，搅拌均匀并继续加热至体系澄清透明状。

本发明的有益效果：该硅酸盐无机粘结剂的粘结性能较好，其原料来源广，无毒无害，具有较好的工程应用性，将该硅酸盐无机粘结剂用于铸造生产中，其使用量少，成本低，固化温度较低，固化速率较快，制成的型砂流动性较好、发气性较低、耐存放性较好、适用性较好、制芯效率较高，有效提高了铸件质量，并且旧砂再生回收容易，降低了生产成本，同时还降低了铸造生产对人体及环境的危害。

具体实施方式

实施例一：

本实施例硅酸盐无机粘结剂的组成原料如下：

九水偏硅酸钠：90.1g

硼酸：5.6g

三聚磷酸钠：1.4g

柠檬酸：2.9g

本实施例硅酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：取九水偏硅酸钠90.1g搅拌加热至沸腾；

步骤二：取硼酸5.6g、三聚磷酸钠1.4g和柠檬酸2.9g加入反应釜中，搅拌均匀并继续加热至体系澄清透明状。

在2kg的 70/100目标准砂中加入60g硅酸盐无机粘结剂，并加入12g固化交联剂，该固化交联剂中各组份含量为：二氧化硅92%，三氧化二铝1.2%，三氧化二铁1.0%，氧化镁0.8%，氧化钙0.4%，氧化钠1.1%和水3.5%，在160℃条件下，热固化2分钟，测得平均抗弯强度为4.2MPa，抗拉强度为1.9 MPa，最大发气量为5.6mL10S（按照GB/T2684-2008检测，温度控制在850℃±10℃）。

实施例二：

本实施例硅酸盐无机粘结剂的组成原料如下：

八水偏硅酸钠：85g

硼酸：8g

三聚磷酸钠：2g

蔗糖：5g

本实施例硅酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：取八水偏硅酸钠85g加入反应釜中，均匀搅拌并加热至沸腾；

步骤二：取硼酸8g、三聚磷酸钠2g和蔗糖5g加入反应釜中，搅拌均匀并继续加热至体系澄清透明状

在2kg的70/100目标准砂中加入60g硅酸盐无机粘结剂，并加入12g固化交联剂，该固化交联剂中各组份含量为：二氧化硅75%，三氧化二铝1.2%，三氧化二铁1.2%，氧化镁0.8%，氧化钙0.4%，氧化钠1.5%和水19.9%，在160℃条件下，热固化2分钟，测得平均抗弯强度为3.8MPa，抗拉强度为1.7 MPa，最大发气量为5.3mL10S（按照GB/T2684-2008检测，温度控制在850℃±10℃）。

实施例三：

本实施例硅酸盐无机粘结剂的组成原料如下：

六水偏硅酸钠：87g

硼酸：7g

三聚磷酸钠：1.7g

山梨醇：4.3g

本实施例硅酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：取六水偏硅酸钠87g加入反应釜中，均匀搅拌并加热至沸腾；

步骤二：取硼酸7g、三聚磷酸钠1.7g和山梨醇4.3g加入反应釜中，搅拌均匀并继续加热至体系澄清透明状。

在2kg的70/100目标准砂中加入60g硅酸盐无机粘结剂，并加入12g固化交联剂，该固化交联剂中各组份含量为：二氧化硅96%，三氧化二铝0.8%，三氧化二铁0.6%，氧化镁0.6%，氧化钙0.2%，氧化钠1.1%和水0.7%，在160℃条件下，热固化2分钟，测得平均抗弯强度为3.9MPa，抗拉强度为1.8 MPa，最大发气量为4.7mL10S（按照GB/T2684-2008检测，温度控制在850℃±10℃）。

实施例一、二、三中的有机改性剂还可以为α-羟基丙酸，或为酒石酸，或为水杨酸，或为3,4,5-三羟基苯甲酸，或为失水三梨醇，或为氯化三甲基十二烷基胺，或为氯化十二烷基吡啶，或为多聚葡萄糖，或为麦芽糖，或为聚多糖，或为单糖构成另外的实施例。

以上九水偏硅酸钠、八水偏硅酸钠、六水偏硅酸钠、三聚磷酸钠、硼酸、柠檬酸、山梨醇、蔗糖、α-羟基丙酸、酒石酸、水杨酸、3,4,5-三羟基苯甲酸、失水三梨醇、氯化三甲基十二烷基胺、氯化十二烷基吡啶、多聚葡萄糖、麦芽糖、聚多糖、单糖均为分析纯试剂。

Claims (8)

1.一种铸造用硅酸盐无机粘结剂，其特征在于：由含结晶水的偏硅酸钠、硼酸、三聚磷酸钠和有机改性剂组成。

2.根据权利要求1所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂，其特征在于：按重量百分比其原料组成为：含结晶水的偏硅酸钠84～91％，硼酸4.2～8.4％，三聚磷酸钠0.7～2.1％，有机改性剂2.0～5.8％。

3.根据权利要求1或2所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂，其特征在于：所述含结晶水的偏硅酸钠为九水偏硅酸钠，或为八水偏硅酸钠，或为六水偏硅酸钠。

4.根据权利要求1或2所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂，其特征在于：所述有机改性剂为有机羟羧酸类物质，或为阳离子型表面活性剂，或为非离子表面活性剂。

5.根据权利要求4所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂，其特征在于：所述有机羟羧酸类物质为柠檬酸，或为α-羟基丙酸，或为酒石酸，或为水杨酸，或为3,4,5-三羟基苯甲酸。

6.根据权利要求4所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂，其特征在于：所述阳离子型表面活性剂为山梨醇，或为失水三梨醇，或为氯化三甲基十二烷基胺，或为氯化十二烷基吡啶。

7.根据权利要求4所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂，其特征在于：所述非离子表面活性剂为蔗糖，或为多聚葡萄糖，或为麦芽糖，或为聚多糖，或为单糖。

8.如权利要求1或2所述的铸造用硅酸盐无机粘结剂的制备方法，其步骤是：

步骤一：按重量百分比取含结晶水的偏硅酸钠84～91％加入反应釜中，均匀搅拌并加热至沸腾；

步骤二：按重量百分比取有机改性剂2.0～5.8％、硼酸4.2～8.4％和三聚磷酸钠0.7～2.1％加入反应釜中，搅拌均匀并继续加热至体系澄清透明状。