CN104815943A

CN104815943A - 一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂及其制备方法

Info

Publication number: CN104815943A
Application number: CN201510095523.3A
Authority: CN
Inventors: 荆金龙; 陈学更
Original assignee: NINGXIA KOCEL CHEMICALS CO Ltd
Current assignee: Shared New Materials Shandong Co ltd
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: CN104815943B

Abstract

本发明涉及一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂及其制备方法，该铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂由85%（质量浓度）工业磷酸、氢氧化铝、碳酸镁、硼酸、柠檬酸、氧化锌、聚丙烯酰胺、去离子水组成。该铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂抗压强度高、粘结性能优良、溃散性能优异、绿色环保，在混砂、造型（芯）、硬化和浇注过程中不会产生任何有毒的气体和冷凝物，工艺简单，操作灵活，成本低廉。

Description

一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸造辅助材料领域，具体涉及一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂及其制备方法。

背景技术

自上世纪60年代开始，有机合成树脂作为新一代铸造粘结剂，在铸造行业得到了广泛应用。

近年来，随着铸造行业的发展，有机树脂作为砂型铸造粘结剂的不足和缺点慢慢开始显现出来。其高昂的成本、树脂砂在使用及处理过程中对环境的严重污染，及其在铸件质量控制方面的局限性等缺点，严重制约了有机树脂粘结剂的发展。为了迎合高效、节能、环保的“绿色铸造”理念，开发一种性能与有机树脂相当、环保无污染的铸造用无机粘结剂，已然成为了铸造工作者们的共识。

无机铸造粘结剂应用较早的是水玻璃,水玻璃有环保优势，但其粘结强度低、易老化和水玻璃砂溃散性差的问题至今没有解决。因此，虽然其在铝合金铸造领域已经开始部分应用，但不可能完全代替有机树脂而大面积的使用。

磷酸盐无机粘结剂是近20年发展起来的一种优质无机粘结剂，它具有良好的力学性能和稳定性，无毒、无味，不会构成环境污染。但其粘结强度较低、抗吸湿性和溃散性差等不足一直制约着其在铝合金铸造行业的发展。因此，开发一种性能优良的铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂，它具有粘结强度高、抗吸湿性好、溃散性能优异等特点。本发明还提供所述铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法。

本发明所述的一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂，由工业磷酸（85%）、氢氧化铝、碳酸镁、硼酸、柠檬酸、氧化锌、聚丙烯酰胺、去离子水组成。

按重量百分比其原料组分的比例为：85%（质量浓度）的工业磷酸31-41%、氢氧化铝4-12%、碳酸镁0.2-6.2%、硼酸0.5-4.5%、柠檬酸1-3%、氧化锌0.8-4.8%、聚丙烯酰胺0.3-0.7%、去离子水35-55%。

铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法，其步骤为：

步骤一：将氢氧化铝和去离子水加入到搪瓷反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态；

步骤二：缓慢加入工业磷酸，待反应至清澈透明后，加入硼酸，继续反应至透明，加入碳酸镁，待反应至透明后，继续搅拌反应至少30min；

步骤三：缓慢加入柠檬酸，反应至透明后，加入氧化锌，待反应至透明后，继续搅拌反应至少50min；

步骤四：加入聚丙烯酰胺，继续搅拌反应至少30min后出料。

改性剂碳酸镁作为一个反应组分，加入到粘结剂中，与磷酸盐反应，可形成聚合MgHPO₄˙xH₂O，它是一种立体网状结构，是非水溶性产物，形成的胶结物受湿度影响较小，水分子不易侵入其中，改善了型砂的抗吸湿性。

改性剂B³⁺作为一个反应组分加入到酸式磷酸铝水溶液中，可与磷酸反应生成磷酸硼，同时也可与多羟基的Al(OH)₃反应生成氢氧化铝络合硼酸盐，这两种物质的存在都可以增强粘结剂的粘结强度，同时也可使得酸式磷酸铝水溶液的稳定性增强。同时固化剂氧化锌的加入也在很大程度上增强了粘结剂的粘结强度。

同时，Mg²⁺、B³⁺离子半径较小，而且化合价比较高，对临近的-O-H键产生强烈的影响，从而削弱了-O-H键与H₂O分子作用，使得抗吸湿性得以提高。

改性剂柠檬酸的加入，降低了无机粘结剂的中和度，使得粘结剂体系的稳定性增强。同时，柠檬酸的加入在很大程度上改善了磷酸盐粘结剂砂的溃散性。

改性剂聚丙烯酰胺加入到粘结剂体系中，不仅可以提高粘结剂的稳定性，防止老化，同时聚丙烯酰胺也可调节粘结剂的粘度，适应使用要求。

本发明的有益效果：传统水玻璃无机粘结剂和普通磷酸盐无机粘结剂在加入量为3%（占标准砂的比重）时，其Φ50mm*50mm的标准砂试块常温抗压强度一般为2.0-2.5Mpa，该新型改性磷酸盐无机粘结剂在相同加入量下，其Φ50mm*50mm的标准砂试块常温抗压强度达到3.5-4.0Mpa，粘结强度高；该新型改性磷酸盐无机粘结剂的标准砂试块在经过600℃以上的高温烘烤后，其残留强度变得很低，尤其当烘烤温度超过800℃时，残留强度低于0.5Mpa，表明该粘结剂的溃散性能优异，应用于铸造领域时，铸件清砂容易，克服了传统水玻璃砂溃散性差的缺点；该新型改性磷酸盐无机粘结剂的标准砂试块在空气湿度大于80%的环境中存放24h后，其抗压强度降低率仅为8%左右，说明该粘结剂抗吸湿性能优异，克服了传统水玻璃无机粘结剂和普通磷酸盐无机粘结剂抗吸湿性差的缺点，延长了型砂的可使用时间；属于绿色环保材料，大量使用不会造成环境污染；在混砂、造型（芯）、硬化和浇注过程中不会产生任何有毒的气体和冷凝物，工艺简单，操作灵活，成本低廉。

具体实施方式

实施例一：

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的组成原料为：85%（质量浓度）的工业磷酸33%、氢氧化铝6%、碳酸镁2.5%、硼酸1.5%、柠檬酸0.8%、氧化锌2%、聚丙烯酰胺0.3%、去离子水53.9%。

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：将60Kg氢氧化铝和539Kg去离子水加入到搪瓷反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态；

步骤二：缓慢加入330Kg工业磷酸，待反应至清澈透明后，加入15Kg硼酸，继续反应至透明，加入25Kg碳酸镁，待反应至透明后，继续搅拌反应至少30min；

步骤三：缓慢加入8Kg柠檬酸，反应至透明后，加入20Kg氧化锌，待反应至透明后，继续搅拌反应至少50min；

步骤四：加入3Kg聚丙烯酰胺，继续搅拌反应至少30min后出料。

磷酸盐无机粘结剂在加入量为3%（占标准砂的比重）时，其Φ50mm*50mm的标准砂试块24h常温抗压强度为3.62Mpa；其标准砂试块经过800℃的高温烘烤后，残留强度为0.45Mpa;其标准砂试块在空气湿度为85%的环境中存放24h后，抗压强度降低率为7.6%。

实施例二

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的组成原料为：85%（质量浓度）的工业磷酸36%、氢氧化铝8%、碳酸镁3.5%、硼酸2.5%、柠檬酸1%、氧化锌3%、聚丙烯酰胺0.5%、去离子水45.5%。

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：将80Kg氢氧化铝和455Kg去离子水加入到搪瓷反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态；

步骤二：缓慢加入360Kg工业磷酸，待反应至清澈透明后，加入25Kg硼酸，继续反应至透明，加入35Kg碳酸镁，待反应至透明后，继续搅拌反应至少30min；

步骤三：缓慢加入10Kg柠檬酸，反应至透明后，加入30Kg氧化锌，待反应至透明后，继续搅拌反应至少50min；

步骤四：加入5Kg聚丙烯酰胺，继续搅拌反应至少30min后出料。

磷酸盐无机粘结剂在加入量为3%（占标准砂的比重）时，其Φ50mm*50mm的标准砂试块24h常温抗压强度为3.73Mpa；其标准砂试块经过800℃的高温烘烤后，残留强度为0.38Mpa;其标准砂试块在空气湿度为85%的环境中存放24h后，抗压强度降低率为6.1%。

实施例三

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的组成原料为：85%（质量浓度）的工业磷酸38%、氢氧化铝10%、碳酸镁4%、硼酸3%、柠檬酸1.5%、氧化锌3.5%、聚丙烯酰胺0.6%、去离子水39.4%。

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：将100Kg氢氧化铝和394Kg去离子水加入到三口反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态；

步骤二：缓慢加入380Kg工业磷酸，待反应至清澈透明后，加入30Kg硼酸，继续反应至透明，加入40Kg碳酸镁，待反应至透明后，继续搅拌反应至少30min；

步骤三：缓慢加入15Kg柠檬酸，反应至透明后，加入35Kg氧化锌，待反应至透明后，继续搅拌反应至少50min；

步骤四：加入6Kg聚丙烯酰胺，继续搅拌反应至少30min后出料。

磷酸盐无机粘结剂在加入量为3%（占标准砂的比重）时，其Φ50mm*50mm的标准砂试块24h常温抗压强度为3.97Mpa；其标准砂试块经过800℃的高温烘烤后，残留强度为0.23Mpa;其标准砂试块在空气湿度为85%的环境中存放24h后，抗压强度降低率为3.2%。

实施例四

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的组成原料为：85%（质量浓度）的工业磷酸39%、氢氧化铝9%、碳酸镁5%、硼酸3.5%、柠檬酸2%、氧化锌3.5%、聚丙烯酰胺0.5%、去离子水37.5%。

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：将90Kg氢氧化铝和375Kg去离子水加入到搪瓷反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态；

步骤二：缓慢加入390Kg工业磷酸，待反应至清澈透明后，加入35Kg硼酸，继续反应至透明，加入50Kg碳酸镁，待反应至透明后，继续搅拌反应至少30min；

步骤三：缓慢加入20Kg柠檬酸，反应至透明后，加入35Kg氧化锌，待反应至透明后，继续搅拌反应至少50min；

磷酸盐无机粘结剂在加入量为3%（占标准砂的比重）时，其Φ50mm*50mm的标准砂试块24h常温抗压强度为3.81Mpa；其标准砂试块经过800℃的高温烘烤后，残留强度为0.39Mpa;其标准砂试块在空气湿度为85%的环境中存放24h后，抗压强度降低率为5.4%。

实施例五

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的组成原料为：

85%（质量浓度）的工业磷酸35%、氢氧化铝7%、碳酸镁2%、硼酸1%、柠檬酸2.5%、氧化锌1.5%、聚丙烯酰胺0.4%、去离子水50.6%。

本实施例新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法：

步骤一：将70Kg氢氧化铝和506Kg去离子水加入到搪瓷反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态；

步骤二：缓慢加入350Kg工业磷酸，待反应至清澈透明后，加入10Kg硼酸，继续反应至透明，加入20Kg碳酸镁，待反应至透明后，继续搅拌反应至少30min；

步骤三：缓慢加入25Kg柠檬酸，反应至透明后，加入15Kg氧化锌，待反应至透明后，继续搅拌反应至少50min；

步骤四：加入4Kg聚丙烯酰胺，继续搅拌反应至少30min后出料。

磷酸盐无机粘结剂在加入量为3%（占标准砂的比重）时，其Φ50mm*50mm的标准砂试块24h常温抗压强度为3.57Mpa；其标准砂试块经过800℃的高温烘烤后，残留强度为0.41Mpa;其标准砂试块在空气湿度为85%的环境中存放24h后，抗压强度降低率为6.4%。

Claims

1.一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂，其特征在于：由85%（质量浓度）的工业磷酸、氢氧化铝、碳酸镁、硼酸、柠檬酸、氧化锌、聚丙烯酰胺、去离子水组成。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂，其特征在于：按重量百分比其原料组分的比例为： 85%（质量浓度）的工业磷酸31-41%、氢氧化铝4-12%、碳酸镁0.2-6.2%、硼酸0.5-4.5%、柠檬酸1-3%、氧化锌0.8-4.8%、聚丙烯酰胺0.3-0.7%、去离子水35-55%。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂，其特征在于：所述的铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂的制备方法为：

步骤四：加入聚丙烯酰胺，继续搅拌反应至少30min后出料。