CN103212666A - 一种铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂及其制备方法，该增强剂的组分及各组分的质量百分比如下：

Description

一种铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及装备制造业中铸造技术的造型材料技术领域，具体涉及一种铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂及其制备方法。 

背景技术

铸件是装备制造业的基础件，中国是世界第一铸造大国，这些铸件的生产大多采用自硬砂造型、制芯，其中呋喃树脂自硬砂应用比例较大，由于树脂自硬砂对生态环境、劳动条件的危害日益引起人们的关注，酯固化水玻璃自硬砂获得广泛推广应用，从小到几公斤的泵、阀铸件到几十吨、几百吨的船舶、冶金、石化、矿山、水电等重大装备铸件均获成功应用。水玻璃粘结剂和配套的专用有机酯固化剂的主要特点是：型砂综合性能优良、溃散性好，水玻璃加入量可降低到1.8～3.0％；水玻璃旧砂可实现干法落砂和机械再生，旧砂回用率80％以上，大大减少铸造废砂的排放、对保护生态环境和节省原砂资源具有重大意义，水玻璃是目前对环境污染最小的铸造黏结剂，被铸造界公认为绿色环保型材料。但是，水玻璃砂的力学性能低于树脂砂，开发水玻璃砂的增强剂是国内外广大铸造工作者多年不懈的追求。随着装备制造业的发展，大型铸件、复杂铸件需求增加，水玻璃及有机酯固化剂需求增加。水玻璃自硬砂用有机酯固化剂主要包括：甘油三乙酸酯、甘油二乙酸酯、甘油一乙酸酯、乙二醇二乙酸酯、乙二醇一乙酸酯、碳酸丙烯酯等。这些酯合成工艺复杂，生产过程长，其中很多原材料始于石油，从长远考虑存在供求风险。开发水玻璃自硬砂浆状无机增 强剂替代或部分替代甘油乙酸酯、乙二醇乙酸酯、碳酸丙烯酯，提高水玻璃砂的力学性能，对水玻璃自硬砂推广应用具有长远意义。 

氟硅酸钠、氟硅酸钾是白色粉状晶体；相对密度分别为2.679和3.08，微溶于水，不溶于醇、酯类溶液，其固体粉末易潮结，化学式为Na₂SiF₆、K₂SiF₆。氟硅酸钠、氟硅酸钾是磷肥复产法：将磷肥(或者湿法磷酸)生产过程中的含四氟化硅废气用水吸收，再与氯化钠或氯化钾反应而得。综合利用，变害为利，是工业生产氟硅酸钠、氟硅酸钾的主要途径。氟硅酸钠、氟硅酸钾可使水玻璃固化，但是固体粉末材料使用性能很差，铸造车间常用连续式混砂机混砂，黏结剂、固化剂均用液料泵定量、输送。氟硅酸钠、氟硅酸钾固体粉末定量难、加入连续性差，固体粉末易结块使其分布不均匀，粘在砂粒表面，破坏了砂粒表面水玻璃膜的连续性，恶化工艺性能。经查阅国内外文献，未见氟硅酸钠、氟硅酸钾以固体粉末形式用于铸造水玻璃自硬砂增强剂的报道。 

用分散机将自来水加悬浮剂做成浆状流体，再加入氟硅酸钠、氟硅酸钾之一或其混合物，做成浆状悬浮液，再用胶体磨将氟硅酸钠、氟硅酸钾浆状悬浮液中的颗粒磨细，即可克服上述缺点，在与水玻璃混合后，使氟硅酸钠、氟硅酸钾以极小颗粒均匀分布在水玻璃中，增加氟硅酸钠、氟硅酸钾与钠离子、钾离子碰撞几率，加快反应速度，使本发明的铸造水玻璃砂用浆状无机增强剂成为有实用价值的水玻璃固化剂、增强剂，本发明可增加水玻璃的力学性能，替代或部分替代价格昂贵的甘油三乙酸酯、甘油二乙酸酯、甘油一乙酸酯、乙二醇二乙酸酯、乙二醇一乙酸酯、碳酸丙烯酯。降低水玻璃自硬砂的生产成本和经营风险，扩大水玻璃自硬砂的应用 范围。 

发明内容

本发明的目的是提供一种铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂及其制备方法。 

本发明提供了一种铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂，该增强剂的组分及各组分的质量百分比如下： 

配比中的氟硅酸钠、氟硅酸钾来自生产磷肥的副产品，氟硅酸钠的主要生产原料之一是氯化钠，氯化钠来源广、价格便宜，本发明实施时，优先选用氟硅酸钠；所述黄原胶是多糖类生物制剂，英文名称：Xanthan gum，广泛用于各行业，黄原胶是优良的水溶性增稠剂、悬浮剂。 

钠基膨润土是符合JB/T9227，PNaS-10-20要求的铸造常用的辅助材料；防腐剂为苯甲酸钠，苯甲酸钠是食品常用防腐剂，其功能为防止黄原胶发霉变质，丧失悬浮性。 

本发明还提供了所述铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂的制备方法，该制备方法具体步骤如下： 

（1）先将按配比称量的自来水加入分散机搅拌罐内，开动搅拌，调节 转速，使其转速在950-1050转/min； 

（2）按配比称量黄原胶、钠基膨润土，混合均匀后，加入分散机搅拌罐内，搅拌5-10min，使其成均匀胶体； 

（3）按配比称量氟硅酸钠、氟硅酸钾之一或其混合物，加入搅拌罐内；继续搅拌8-10min，使其成浆状悬浮液； 

（4）加入配比量的防腐剂混匀，防止细菌使黄原胶降解； 

（5）上述浆料用胶体磨超细粉碎，使氟硅酸钠、氟硅酸钾之一或二者混合物成微小颗粒均匀分布在悬浊液中，得水玻璃自硬砂浆状无机增强剂。本浆状无机增强剂在常温下呈物理悬浮分散体系，放置不发生沉淀。 

浆状无机增强剂与水玻璃均匀混合后，发生如下化学反应:氟硅酸钠、氟硅酸钾在碱性溶液中水解，生成氟化氢，氟化氢和氢氧化钠反应生成氟化钠、氟化钾、正硅酸，其总化学反应式如下： 

2(Na₂O.mSiO₂)+Na₂SiF6+2(2m+1)H₂O→6NaF+(2m+1)Si(OH)₄

2(Na₂O.mSiO₂)+K₂SiF₆+2(2m+1)H₂O→4NaF+2KF+(2m+1)Si(OH)₄

反应后水玻璃Na₂O的摩尔数下降，使水玻璃模数（SiO₂/Na₂O摩尔比）增大，正硅酸增加，游离水减少，黏度随之增大，达到临界值时，水玻璃即固化。本发明提供的浆状无机增强剂可用于铸造用水玻璃自硬砂。若将本发明中的浆状无机增强剂与甘油乙酸酯、乙二醇乙酸酯、碳酸丙烯酯按不同比例混合使用，其可使用时间可在5-120min间任意调节。氟硅酸钠、氟硅酸钾在和水玻璃反应时主要生成正硅酸，增加了水玻璃黏结剂的有效量，从而使水玻璃膜强、韧性增加，因此，本发明提供的增强剂用作铸造用水玻璃自硬砂添加剂比以往的单一有机酯固化剂效果更佳。 

在制备水玻璃自硬砂的砂混合液配比为： 

上述配比中的石英砂为铸造用标准砂，天然水洗硅砂、擦洗硅砂；水玻璃为铸造用水玻璃；有机酯为甘油三乙酸酯、甘油二乙酸酯、甘油一乙酸酯、乙二醇二乙酸酯、乙二醇一乙酸酯、碳酸丙烯酯中之一或其任意几种混合物。上述水玻璃自硬砂混合料的可使用时间可用有机酯的规格调整，用于造型、制芯。使用本发明增强剂可替代有机酯30-80%，力学性能增加10-40%。 

本发明具有下述优点： 

1、本发明的增强剂生产主要原料氟硅酸钠、氟硅酸钾来自复法生产磷肥的副产品的综合利用，生产成本低； 

2、本发明中黄原胶、钠基膨润土加入量少，悬浮液稳定性好，制作的悬浮液不产生沉淀； 

3、本发明的载体介质为自来水，来源广、成本低、无污染； 

4、本发明中提供的增强剂可与有机酯混合使用，其可使用时间可在5-120min任意调节，以便其适用于大、中、小各类铸件的生产，适用范围广，可调性强； 

5、本发明中提供的增强剂，可和有机酯混合使用，可使用时间可调， 该水玻璃自硬砂混合料可使用时间长达120min，尤其适用于大型、复杂型、芯的制作； 

6、用发明的增强剂可替代30%-80%有机酯，降低生产成本，同时可使型、芯力学性能增加10%-40%； 

7、实施本发明可减轻铸造生产的污染，有利于保护环境。 

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明，但是本发明并不局限于以下实施例限定的条件，本发明权利要求书限定的范围均可实施。本发明实施例中各组分的数量均以物料中实含质量计量。 

实施例1 

制备工艺： 

1、称量黄原胶3.0g、钠基膨润土3.0g，并将2粉末混匀； 

2、称量自来水990g，加入FS-10分散机搅拌罐内，开动搅拌使其转速在950-1050转/min。均匀加入步骤1黄原胶、钠基膨润土混合物，搅拌8min； 

3、称量氟硅酸钠1000g，加入FS-10分散机搅拌罐内，继续搅拌10min； 

4、加入苯甲酸钠(防腐剂)4g继续搅拌5min； 

5、上述浆料用JTM-50胶体磨超细粉碎，得水玻璃自硬砂浆状无机增强剂A。 

实施例2 

制备工艺与实施例1相同。得水玻璃自硬砂浆状无机增强剂B。 

实施例3 

制备工艺与实施例1相同。得水玻璃自硬砂浆状无机增强剂C。 

实施例4 

称取检测黏结剂用标准砂1000g，加入叶片式实验室用混砂机，加Q/HYT s-103铸造用水玻璃30g，搅拌1min，加入浆状无机增强剂A8g， 搅拌1min，出砂，打制标准“8”形试样块，检测可使用时间（min），在室温下（25℃）放置24h，检测24h抗拉强度，并将结果列入表1。用浆状无机增强剂B，浆状无机增强剂C替代浆状无机增强剂A重复上述试验，并将实验结果列入表1。 

从表1实施例实验结果可证明本发明的浆状无机增强剂用于水玻璃自硬砂，可使用时间大于2h,24h抗拉强度大于1.2MPa。 

对比实验： 

在采用同一种原砂，同一种水玻璃，相同水玻璃加入量条件下，只变化有机酯和本发明水玻璃自硬砂浆状无机增强剂加入量，对比本发明水玻璃自硬砂浆状无机增强剂对水玻璃自硬砂力学性能的影响。 

对比例1： 

称取检测黏结剂用标准砂1000g，加入叶片式实验室用混砂机，加Q/HYT S-103铸造用水玻璃30g，甘油三乙酸酯4.5g，搅拌1min，出砂，打制标准“8”形试样块，检测可使用时间（min），在室温下（25℃）放置24h，检测24h抗拉强度，并将结果列入表2。 

对比例2： 

称取检测黏结剂用标准砂1000g，加入叶片式实验室用混砂机，加Q/HYT S-103铸造用水玻璃30g，再加浆状无机增强剂A4g,甘油三乙酸酯3g，搅拌1min，出砂，打制标准“8”形试样块，检测可使用时间（min），在室温下（25℃）放置24h，检测24h抗拉强度，并将结果列入表2。 

分别用浆状无机增强剂B、浆状无机增强剂C替代浆状无机增强剂A重复上述试验，并将实验结果列入表2。 

对比例3： 

试验用原砂采用水洗硅砂、擦洗硅砂、精选硅砂、水玻璃砂旧砂再生砂替代标准砂，固化剂用甘油二乙酸酯、乙二醇二乙酸酯、乙二醇一乙酸酯、碳酸丙烯酯替代甘油三乙酸酯，加入不同比例的浆状无机增强剂A。重复上述试验，检测可使用时间（min），在室温下（25℃）放置24h，检测24h抗拉强度，并将结果列入表2。 

从表2实施例实验结果可证明本发明的浆状无机增强剂用于水玻璃自硬砂，可使用时间可调节，可替代有机酯30-80%，与普通酯硬化水玻璃砂相比，24h抗拉强度增加10-40%。 

表1：实施例实验结果 

表2：对比实验结果 

注：“浆状”一词来源于铸造手册:铸造涂料分三中：浆状涂料、膏状涂料、粉状涂料。浆状涂料是粉料、载体、悬浮剂、黏结剂、助剂组成的物理悬浮分散体系。 

“铸造手册”第3版.（4）造型材料：231.北京：机械工业出版社，2012。 

Claims (6)

1.一种铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂，其特征在于：该增强剂的组分及各组分的质量百分比如下： 

。

2.按照权利要求1所述铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂，其特征在于：所述防腐剂为苯甲酸钠。 

3.权利要求1所述铸造水玻璃自硬砂用浆状无机增强剂的制备方法，其特征在于：该制备方法具体步骤如下： 

（1）先将按配比称量的自来水加入分散机搅拌罐内，开动搅拌，调节转速，使其转速在950-1050转/min； 

（2）按配比称量黄原胶、钠基膨润土，混合均匀后，加入分散机搅拌罐内，搅拌5-10min，使其成均匀浆状流体； 

（3）按配比称量氟硅酸钠、氟硅酸钾之一或其混合物，加入搅拌罐内；继续搅拌8-10min，使其成浆状悬浮液； 

（4）加入配比量的防腐剂混匀； 

（5）上述浆胶体磨超细粉碎，使氟硅酸钠、氟硅酸钾之一或二者混合物成微小颗粒均匀分布在悬浊液中，得水玻璃自硬砂浆状无机增强剂。 

4.权利要求1所述的增强剂应用于制备水玻璃自硬砂。 

5.按照权利要求4所述增强剂应用于制备水玻璃自硬砂，其特征在于：在制备水玻璃自硬砂中的混合液配比为： 

。

6.按照权利要求5所述增强剂应用于制备水玻璃自硬砂，其特征在于：所述有机酯为甘油三乙酸酯、甘油二乙酸酯、甘油一乙酸酯、乙二醇二乙酸酯、乙二醇一乙酸酯、碳酸丙烯酯中之一或其任意几种混合物。