CN104226890A - 铸造用的水玻璃增强剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铸造用的水玻璃增强剂及其制备方法。按照重量份数计，该水玻璃增强剂的原料包括以下组分：聚烯醇4～5份；氟硅酸盐05～0.5份；醇糖类0.1～8份；无机酸0.1～2份。采用聚乙烯醇类、氟硅酸盐、醇糖类、无机酸类化合物及水混合，并将各组分的含量限定在一定的范围内，从而得到了一种铸造用新型水玻璃增强剂。该新型水玻璃增强剂能够大大减少水玻璃的加入量，并且可显著地增加水玻璃砂的强度，提高其力学性能，使其应用范围更加广泛，对水玻璃为代表的无机粘结剂的推广应用具有长远意义。此外，该水玻璃增强剂还具有生产成本低、对环境无污染、可调性强等优点，可替代部分传统的酯类固化剂，减少发气量。

Description

铸造用的水玻璃增强剂及制备方法

技术领域

本发明涉及铸造型砂改性技术领域，尤其涉及一种铸造用的水玻璃增强剂及制备方法。

背景技术

铸件是装备制造业的基础件，因此铸造业的发展标志着一个国家的生产实力。据2008年统计，我国年产铸件3350万吨，是世界铸造第一大国。这些铸件的生成大多采用自硬砂造型、制芯，其中呋喃树脂自硬砂应用范围较广。尽管人工合成的有机树脂极大的推动了铸造技术的进步，但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，人工合成树脂给生态环境带来的不良影响越来越受到各国的重视。斯德哥尔摩公约公布的第一批12种永久性有毒物质，将呋喃和二恶英列入其中，这两种物质与铸造树脂有密切的联系。从长远的角度考虑，有毒有味物质的使用将逐步受到限制，并逐步被环保型物质取代。

水玻璃是硅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，是对环境影响最小的铸造树脂。新型水玻璃自1999年问世，到现在水玻璃加入量降低至1.8-3.0％，其具有强度高、溃散性好、旧砂可再生回用，回用率达80～90％，可使用时间可调，可用于机械化造型生产线，也可用于单件小批量生产等优点，可生产几公斤至几百吨的各种铸件，现已在铁路车辆、冶金机械、重型机械、矿山机械、通用机械厂几十家企业推广应用。

水玻璃作为型(芯)砂粘结剂，能较好地满足技术、经济和生态方面的要求，是一种具有广泛应用前途的铸造用粘结剂。但是，水玻璃粘结剂在相同加入量下，力学性能还是低于有机树脂，加上水玻璃砂溃散性差，阻碍了它的推广和应用。普通水玻璃的比强度≤0.3MPa(1％)，若加入量太少，不能满足高强度砂型(芯)的工艺要求，如一级或二级砂芯要求比强度≥0.5MPa。通过加入水玻璃增强剂，可以在限制水玻璃用量的前提下提高它的比强度。

因此，开发一种铸造用的水玻璃增强剂，以较好地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。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种铸造用的水玻璃增强剂及其制备方法，其能够显著地增加水玻璃砂的强度并降低水玻璃的加入量。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种铸造用的水玻璃增强剂，按照重量份数计，水玻璃增强剂的原料包括以下组分：聚烯醇4～5份；氟硅酸盐05～0.5份；醇糖类0.1～8份；无机酸0.1～2份。

进一步地，聚烯醇水溶液选自聚乙烯醇、聚丙烯醇和聚丁烯二醇水溶液中的一种或多种。

进一步地，聚烯醇是以3～12％质量浓度的水溶液提供，其中优选5～8％。

进一步地，氟硅酸盐为氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟硅酸钙和氟硅酸镁中的一种或多种。

进一步地，醇糖类选自木糖、蔗糖、果糖、多糖、木糖醇、麦芽糖醇、山梨糖醇和乳糖醇中的一种或多种。

进一步地，无机酸盐选自硼酸、硫酸、盐酸和磷酸中的一种或多种。

根据本发明的另一方面，提供了一种生产铸造用的水玻璃增强剂的方法，包括以下步骤：S1、按照上述任一种的铸造用的水玻璃增强剂的重量份数称取原料聚乙烯醇水溶液、氟硅酸盐、醇糖类和无机酸，均匀搅拌，得到混合体系；以及S2、将混合体系置于85～95℃下反应1～3小时，得到铸造用的水玻璃增强剂。

应用本发明的技术方案，采用聚乙烯醇类、氟硅酸盐、醇糖类、无机酸类化合物及水混合，并将各组分的含量限定在一定的范围内，从而得到了一种铸造用新型水玻璃增强剂。本发明所提供的铸造用水玻璃增强剂能够大大减少水玻璃的加入量，并且可显著地增加水玻璃砂的强度，提高其力学性能，使其应用范围更加广泛，对水玻璃为代表的无机粘结剂的推广应用具有长远意义。此外，本发明所提供的铸造用水玻璃增强剂还具有生产成本低、对环境无污染、可调性强等优点，可替代部分传统的酯类固化剂，减少发气量。

具体实施方式

为了解决目前铸造用的水玻璃添加量高导致其成本较高以及目前的水玻璃增强剂效果差、无法较好地提高水玻璃砂的力学性能的问题，本发明提供了一种铸造用水玻璃增强剂，其能够显著地增加水玻璃砂的强度并大大减少水玻璃的加入量。

按照重量份数计，本发明所提供的水玻璃增强剂的原料主要是聚烯醇，以及微量的氟硅酸盐、糖或糖醇化合物和无机酸。

通常，根据本发明的水玻璃增强剂的具体原料组成为：

本发明中，聚烯醇与水玻璃可生成互穿聚合物网络(IPN)。用IPN技术对聚烯醇和水玻璃进行复合,具有聚烯醇胶的良好成膜性、粘接力、耐油性和耐溶剂性，又具有硅溶胶耐候好的优点。复合后的胶还体现出良好的弹性和耐水性,因此可用聚烯醇类溶液部分替代水玻璃，既可减少水玻璃的加入量，又保持强度不降低，并增强水玻璃砂芯的耐水性(抗湿性)及韧性，增强抗弯强度，提高砂芯的溃散性。

如果原料混合体系中，聚烯醇水溶液的重量份数过多或过少，其浓度过大或过小，均会影响水玻璃砂芯的耐水性(抗湿性)、韧性、抗弯强度以及砂芯的溃散性。因此，本发明将聚烯醇水溶液的质量份数以及重量百分比浓度控制为3～12％。优选将聚烯醇水溶液的质量百分比浓度控制为5％。

优选地，聚烯醇水溶液选自聚乙烯醇、聚丙烯醇和聚丁烯二醇水溶液中的一种或多种。配制聚烯醇水溶液所采用的聚烯醇的重均分子量可以是2.5～30万的范围，其中优选3.5～22万的范围，更优选3.5～15万的范围，最优选5～10万的范围。

氟硅酸盐及无机酸可与水玻璃反应，由于这两类物质都可以在水溶液中析出一部分氢离子，氢离子可与水玻璃中硅酸根结合形成难溶于水的硅酸。当控制无机酸及氟硅酸盐在水玻璃中的加入量时的，可适当的从水玻璃中析出部分硅酸。当少部分硅酸从液相中通过化学反应产生出来时,由于受到周围水分子的作用,逐步扩散到水中,形成一种稳定的水溶胶(因钠水玻璃本身就是一种胶体),这种水溶胶的小胶粒仅仅是由于水分子的作用才不能彼此靠拢结合、并保持稳定性,，而当水玻璃通过加热脱水时，析出的少部分硅酸可提高水玻璃砂芯的强度。

优选地，本发明所采用的氟硅酸盐为氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟硅酸钙和氟硅酸镁中的一种或多种。所采用的无机酸盐选自硼酸、硫酸、盐酸和磷酸中的一种或多种。本发明优选但并不局限于上述氟硅酸盐和无机酸盐。加入上述氟硅酸盐与无机酸类，能够更好地在水中析出氢离子与水玻璃中的硅酸根结合形成硅酸，从而促进水玻璃固化并增强水玻璃的粘结强度和抗吸湿性。

本发明中，所述糖或者糖醇是多羟基化合物，其通常是五碳糖或者六碳糖的单糖、糖醇、双糖、三糖、乃至十糖以下的低聚糖，其中优选五糖以下，更优选单糖、双糖、三糖或者糖醇。多羟基化合物的典型的例子包括木糖、蔗糖、果糖、多糖、木糖醇、麦芽糖醇、山梨糖醇和乳糖醇。这些多羟基化合物可以提高水玻璃的粘结强度，高达30％左右。首先，这些多羟基化合物吸附在硅酸胶粒表面上，阻碍后者增大。胶粒愈细，硅酸凝胶单位体积内粘结点也愈多，强度提高；其次，这些多羟基化合物具有很强的吸水性，能够使水玻璃在固化过程快速脱水，所以硬化速度和硬透性提得到高。而且由于多羟基的存在，会影响硅酸凝胶的结构，而这种结构有利于增加水玻璃的粘结强度及型砂溃散性。

本发明通过将聚烯醇水溶液、氟硅酸盐、醇糖类以及无机酸控制在一定的范围内混合，并使混合物在一定条件下反应，从而对水玻璃起到强化作用。对水玻璃强化是为了提高它的比强度，从而降低其在水玻璃砂中的加入量，在提高水玻璃砂强度的同时，也有效地改善水玻璃砂的溃散性。具体分析，水玻璃砂的强度取决于附着强度和内聚强度，水玻璃砂的破坏一般是内聚破坏。加入增强剂，对水玻璃进行增强处理，使其本身结构发生改变或细化胶凝硬结时的晶粒，则可提高水玻璃砂的内聚强度。

在生产铸造用的水玻璃增强剂时，一般是按照以下步骤：S1、按照重量份数称取各原料聚乙烯醇水溶液、氟硅酸盐、醇糖类、无机酸，均匀搅拌，得到混合体系；S2、将混合体系置于85～95℃下搅拌1～3小时，得到铸造用的水玻璃增强剂。通过加热搅拌可提高无机酸，糖或糖醇在聚烯醇溶液中的均一性，显著提高混合体系的存放时间及保质期。上述方法工艺简单，只需要在较低的温度下将原料混合搅拌反应即可。

由于本发明所生产的铸造用的水玻璃增强剂具有生产成本低、对环境无污染、可调性强等优势，通过在水玻璃砂中添加该水玻璃增强剂可降低水玻璃的添加量，并且该水玻璃增强剂可替代部分传统的酯类固化剂，减少发气量，因此可以大规模生产并推广应用，具有较明显的经济效益。

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例来进一步说明。

实施例1

取聚合度为1750±50的聚乙烯醇，加水配制成5wt％的聚乙烯醇水溶液，然后取该聚乙烯醇水溶液93g，氟硅酸钠0.2g，木糖醇5g，固体磷酸1.8g，依次加入反应釜中，搅拌均匀，得到混合体系。将混合体系加热至90℃，并保温2小时，得到述铸造用的水玻璃增强剂。

下面测试水玻璃增强剂的增强效果：

测试一：取20g实施例1中制备的水玻璃增强剂，加入到2kg的50/100目大林标准砂中，用SHY树脂砂混砂机搅拌60秒，再加入40g水玻璃(模数为2.5)搅拌60秒，搅拌均匀后出料。将混好的树脂砂在160℃下吹气加热60秒(制芯设备为苏州明治科技有限公司产的A1温芯盒试样机)，制得抗拉试样A。

空白对比测试二：在2kg的50/100目大林标准砂中，不添加水玻璃增强剂，仅加入40g水玻璃(模数为2.5)，搅拌60秒，搅拌均匀后出料。将混好的树脂砂在160℃下吹气加热60秒(制芯设配为苏州明治科技有限公司产的A1温芯盒试样机)，制得抗拉空白试样B。

测试三：取20g实施例1中制备的水玻璃增强剂，加入到2kg的50/100目大林标准砂中，再加入30g水玻璃(模数为2.5)，搅拌60秒，搅拌均匀后出料。将混好的树脂砂在160℃下吹气加热60s(制芯设备为苏州明治科技有限公司产的A1温芯盒试样机)，制得抗拉试样C。

用液压强度试验机(由无锡市三峰仪器设备有限公司提供)测得试样A 24小时的平均抗拉强度为2.3MPa，测得试样B 24小时的平均抗拉强度为1.6MPa,测得试样C 24小时的平均抗拉强度为1.9MPa。

从以上数据可以看出，试样A中加入了20g的水玻璃增强剂，而试样B中未加入任何水玻璃增强剂，其与相同条件下的试样A相比，试样B的平均抗拉强度降低了0.7MPa。与试样B相比，虽然试样C中仅加入了30g水玻璃，比试样B中加入的40g水玻璃还少10g，但是试样C中的抗拉强度却比试样B的抗拉强度高出0.3MPa。

因此，可以看出，采用本发明的新型水玻璃增强剂，可大大增强水玻璃砂的力学性能，并能降低水玻璃的加入量，提高水玻璃的溃散性，使其应用范围更加广泛，对水玻璃为代表的无机粘结剂的推广应用具有长远意义。

实施例2-5和对比例1-2

其制备步骤与实施例1相同，不同之处在于所采用的的原料及配比以及加热温度、时间等。

表1

对实施例2-5以及对比例1-2中制备的水玻璃增强剂进行性能测试，测试方法同实施例1中的测试一、空白测试二和测试三的方法相同。具体测试结果详见表2。

表2

从表2中可以看出，采用本发明的技术方案，通过将聚乙烯醇类、氟硅酸盐、醇糖类、无机酸类化合物及水混合，并将各组分的含量限定在一定的范围内，从数据可以看出，采用本发明的方案在相同条件下减少了水玻璃的添加量，并且可显著地增加水玻璃砂的强度，提高其力学性能。

其中，实施例2-5中的制备的水玻璃增强剂，在相同条件下的增强效果要比实施例1中稍微差些。而对比例1-2中，由于所采用的各原料组分不在本发明的范围内，因此其制备的水玻璃增强剂的效果要比实施例1-5中的效果差。

Claims (9)

1.一种铸造用的水玻璃增强剂，其特征在于，按照重量份计由下列原料制成：

2.如权利要求1所述的水玻璃增强剂，其特征在于，所述聚烯醇选自聚乙烯醇、聚丙烯醇和聚丁烯二醇中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的水玻璃增强剂，其特征在于，所述聚烯醇以水溶液形式提供，质量百分比浓度为3～12％。

4.如权利要求1所述的水玻璃增强剂，其特征在于，所述聚烯醇的重均分子量是2.5～30万的范围。

5.如权利要求1所述的水玻璃增强剂，其特征在于，所述聚烯醇的重均分子量是5～10万。

6.如权利要求1所述的水玻璃增强剂，其特征在于，所述氟硅酸盐为氟硅酸钠、氟硅酸钾、氟硅酸钙和氟硅酸镁中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的水玻璃增强剂，其特征在于，所述糖或糖醇是五碳糖/六碳糖的单糖、双糖、三糖或者其糖醇。

8.如权利要求1所述的水玻璃增强剂，其特征在于，所述无机酸盐选自硼酸、硫酸、盐酸和磷酸中的一种或多种。

9.一种生产铸造用的水玻璃增强剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按照权利要求1-7中任一项所述的铸造用的水玻璃增强剂的重量份数称取原料聚乙烯醇水溶液、氟硅酸盐、醇糖类和无机酸，均匀搅拌，得到混合体系；以及

S2、将所述混合体系置于85～95℃下反应1～3小时，得到所述铸造用的水玻璃增强剂。