CN105132732A - 一种孔结构可调的泡沫铝制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种孔结构可调的泡沫铝制备方法，属于泡沫铝制备技术领域，其特征是：所述的孔结构可调的泡沫铝依次按如下步骤进行制备：（一）、聚氨酯熔模的制备；（二）、石膏型制备；（三）、熔融态铝液浇注；（四）、铝液浇注后冷却，最后将石膏型通过射流的方式清除，得到所需的泡沫铝材料。本发明通过增加泡沫铝筋的直径，解决泡沫铝筋较细这个问题的同时，达到孔结构可调的目的，获得的开孔铸造泡沫铝孔隙率较高，并且能够增加成型后泡沫铝材料的强度，复模性好，孔尺寸分布均匀，筋的加粗可以减小铝液流动阻力，提高浇注充型能力，使浇注工艺变得简单易行。
Description
技术领域
本发明属于泡沫铝制备技术领域，特别涉及一种孔结构可调的泡沫铝制备方法。
背景技术
泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料，同时兼有金属和气泡特征的新型金属材料，是一种结构与功能一体化的新型金属材料。基于泡沫铝轻质的结构可用于建筑工程和交通工具的构件，基于泡沫铝中空多孔的结构可用于催化剂载体材料，基于泡沫铝基体不完全连续的结构可用于阻燃和隔音，基于开孔泡沫铝的气孔贯通结构可用于强制对流换热，总之，泡沫铝材料在人们生活的方方面面扮演者越来越重要的角色。
泡沫铝根据成型后泡沫铝孔的结构，泡沫铝分为开孔泡沫铝（多孔铝）和闭孔泡沫铝（胞状铝），开孔泡沫铝孔隙率在50~99%，孔径一般为Φ0.8~2mm，各孔相互连通；闭孔泡沫铝孔隙率在80%以下，孔径一般为Φ2~5mm，各孔互不相通。现有技术中常见的开孔泡沫铝的制备方法有：渗流铸造法和熔模铸造法，渗流铸造法通过所选颗粒的大小来控制泡沫金属的孔径大小，此方法所成型的泡沫铝不仅孔隙率较低，而且生产工艺较为复杂；所谓熔模铸造工艺，简单说就是用易熔材料制成可熔性模型，在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧（如采用高强度型壳时，可不必造型而将脱模后的型壳直接焙烧），铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件，该方法制备的泡沫铝铸件孔结构三维贯通，连贯性好，结构稳定，孔隙率可达94%以上，采用聚氨酯材料作为聚氨酯熔模，是泡沫铝模铸造法中常用的材料。但是，目前泡沫铝消失模铸造法中采用的聚氨酯熔模的筋较细，相应地生产出的泡沫铝筋也较细，故强度不高，同时也给浇注工艺带来相当大的困难。
发明内容
为了通过增加泡沫铝筋的直径，解决泡沫铝筋较细这个问题的同时，达到孔结构可调的目的，并且能够增加成型后泡沫铝材料的强度，使浇注工艺变得简单易行，本发明提供一种孔结构可调的泡沫铝制备方法。
本发明采用的技术方案为。
一种孔结构可调的泡沫铝制备方法，其特征是：所述的孔结构可调的泡沫铝依次按如下步骤进行制备：
（一）、聚氨酯熔模的制备
1）、准备具有孔结构的初始聚氨酯泡沫；
2）、喷胶：将初始聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以7~10r/min的转速匀速转动，在初始聚氨酯泡沫上均匀喷涂气凝胶；
3）、热塑性聚合物粉末涂覆：将涂有气凝胶的聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以7~10r/min的转速匀速转动，在涂有气凝胶的聚氨酯泡沫上均匀的涂覆热塑性聚合物粉末，直至热塑性聚合物粉末不能再粘在聚氨酯泡沫上为止；
4）、凝固：加热炉预热至50±5℃，将经过撒粉后获得的聚氨酯泡沫置于加热炉中，以7±2℃/min的加热速度加热至120±10℃，然后保温20±5min；
5）、聚氨酯泡沫筋的粗化：重复上述第1）~4）步，直至聚氨酯泡沫筋的尺寸满足使用要求，即获得聚氨酯熔模；
（二）、石膏型制备
将前步（一）处理后获得的聚氨酯熔模放入模具内，将原料组成及其重量百分比：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡溢出为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型；
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650±10℃预热3~5h，同时熔炼铝液，熔融态铝液经精炼剂精炼除杂后浇注入石膏型中，浇注温度为750±10℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中；
（四）、熔融的铝液浇注3~5min后，将石膏型和凝固的铝一同从负压系统中取出，并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
所述的初始聚氨酯泡沫的孔隙率为98±0.2%，孔密度为10ppi≤ρp≤40ppi。
所述的聚氨酯泡沫筋的粗化步骤可以重复进行1~6次。
所述的负压系统，制备孔隙率为98%的泡沫铝时所用的负压设定值为-0.2MP，泡沫铝的孔隙率每减少3%，负压的设定值相应减少0.02MP。
所述的泡沫铝材质为ZL102。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1、生产获得的泡沫铝筋的尺寸可根据泡沫铝应用时所承受的力的大小而进行调整。
2、获得的开孔铸造泡沫铝孔隙率较高，满足实际应用的需求。
3、复模性好，孔尺寸分布均匀。
4、筋的加粗可以减小铝液流动阻力，提高浇注充型能力。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明中初始聚氨酯泡沫立体结构示意图。
图2为本发明中初始聚氨酯泡沫平面结构示意图。
图3为本发明中聚氨酯泡沫凝固过程加热保温工艺曲线图。
图4为本发明中石膏型制备过程加热保温工艺曲线图。
图5为本发明中经实施例二制备的孔隙率为95.5%的泡沫铝孔结构扫描电子显微图。
图6为本发明中经实施例四制备的孔隙率为88.9%的泡沫铝孔结构扫描电子显微图。
图7为本发明中经实施例六制备的孔隙率为82.1%的泡沫铝孔结构扫描电子显微图。
具体实施方式
本具体实施方式中所采用的初始聚氨酯泡沫可由市场上直接购得，所使用的气凝胶是产自3M公司的super77喷胶，所使用的热塑性聚合物粉末为产自德国的FA-7035-SG412热塑性粉末涂料。
如图1-3所示，本发明可以根据以下实例实施实现，但不限于以下实例，在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。在以下的实例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公认的常规方法。
实施例一
（一）、聚氨酯熔模的制备
准备初始聚氨酯泡沫，孔隙率为98%，孔密度为10ppi，本实施例将直接购得的、聚氨酯泡沫筋未经粗化的聚氨酯泡沫直接作为聚氨酯熔模。
（二）、石膏型制备
将前步（一）所述的聚氨酯熔模放入模具内，然后将配方按质量比为：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型，所述的石膏型，首先，在加热温度为110℃、保温3.5h自硬化；其次，升高加热温度为240℃、保温2.5h烘干；再次，升高加热温度为360℃、保温2h脱模；最后，升高加热温度为720℃、保温4h焙烧后获得石膏型。
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650℃预热5h，同时熔炼ZL102铝液，用精炼剂精炼除杂后，将熔融态ZL102铝液浇注入石膏型中，浇注温度为750℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中，负压设定值为-0.2MP；
（四）、熔融的铝液浇注5min后，将石膏型和凝固的铝一同取出并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
经检测，所制备的通孔泡沫铝的孔隙率为97.9%，压缩屈服强度为16.2KPa。
实施例二
（一）、聚氨酯熔模的制备
1）、准备初始聚氨酯泡沫，孔隙率为98%，孔密度为10ppi；
2）、喷胶：将初始聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在初始聚氨酯泡沫上均匀喷涂气凝胶；
3）、热塑性聚合物粉末涂覆：将涂有气凝胶的聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在涂有气凝胶的聚氨酯泡沫上均匀的涂覆热塑性聚合物粉末，直至热塑性聚合物粉末不能再粘在聚氨酯泡沫上为止；
4）、凝固：加热炉预热至50℃，将经过撒粉后获得的聚氨酯泡沫置于中加热炉中，以7℃/min的加热速度加热至120℃，然后保温20min；
5）、聚氨酯泡沫筋的粗化：重复上述第1）~4）步，聚氨酯泡沫筋粗化一次，最终获得聚氨酯熔模；
（二）、石膏型制备
将前步（一）聚氨酯泡沫筋粗化一次处理后获得的聚氨酯熔模放入模具内，然后将配方按质量比为：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型，所述的石膏型，首先，在加热温度为110℃、保温3.5h自硬化；其次，升高加热温度为240℃、保温2.5h烘干；再次，升高加热温度为360℃、保温2h脱模；最后，升高加热温度为720℃、保温4h焙烧后获得石膏型。
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650℃预热5h，同时熔炼ZL102铝液，用精炼剂精炼除杂后浇注入石膏型中，浇注温度为750℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中，负压设定值为-0.18MP；
（四）、熔融的铝液浇注5min后，将石膏型和凝固的铝一同取出并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
经检测，所制备的通孔泡沫铝的孔隙率为95.5%，压缩屈服强度为30.1KP。
实施例三
（一）、聚氨酯熔模的制备
1）、准备初始聚氨酯泡沫，孔隙率为98%，孔密度为10ppi；
2）、喷胶：将初始聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在初始聚氨酯泡沫上均匀喷涂气凝胶；
3）、热塑性聚合物粉末涂覆：将涂有气凝胶的聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在涂有气凝胶的聚氨酯泡沫上均匀的涂覆热塑性聚合物粉末，直至热塑性聚合物粉末不能再粘在聚氨酯泡沫上为止；
4）、凝固：加热炉预热至50℃，将经过撒粉后获得的聚氨酯泡沫置于中加热炉中，以7℃/min的加热速度加热至120℃，然后保温20min；
5）、聚氨酯泡沫筋的粗化：重复上述第1）~4）步，聚氨酯泡沫筋粗化两次，最终获得聚氨酯熔模；
（二）、石膏型制备
将前步（一）聚氨酯泡沫筋粗化两次处理后获得的聚氨酯熔模放入模具内，然后将配方按质量比为：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型，所述的石膏型，首先，在加热温度为110℃、保温3.5h自硬化；其次，升高加热温度为240℃、保温2.5h烘干；再次，升高加热温度为360℃、保温2h脱模；最后，升高加热温度为720℃、保温4h焙烧后获得石膏型。
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650℃预热5h，同时熔炼ZL102铝液，用精炼剂精炼除杂后浇注入石膏型中，浇注温度为750℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中，负压设定值为-0.16MP；
（四）、熔融的铝液浇注5min后，将石膏型和凝固的铝一同取出并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
经检测，所制备的通孔泡沫铝的孔隙率为92.3%，压缩屈服强度为43.2KP。
实施例四
（一）、聚氨酯熔模的制备
1）、准备初始聚氨酯泡沫，孔隙率为98%，孔密度为10ppi；
2）、喷胶：将初始聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在初始聚氨酯泡沫上均匀喷涂气凝胶；
3）、热塑性聚合物粉末涂覆：将涂有气凝胶的聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在涂有气凝胶的聚氨酯泡沫上均匀的涂覆热塑性聚合物粉末，直至热塑性聚合物粉末不能再粘在聚氨酯泡沫上为止；
4）、凝固：加热炉预热至50℃，将经过撒粉后获得的聚氨酯泡沫置于中加热炉中，以7℃/min的加热速度加热至120℃，然后保温20min；
5）、聚氨酯泡沫筋的粗化：重复上述第1）~4）步，聚氨酯泡沫筋粗化三次，最终获得聚氨酯熔模；
（二）、石膏型制备
将前步（一）聚氨酯泡沫筋粗化三次处理后获得的聚氨酯熔模放入模具内，然后将配方按质量比为：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型，所述的石膏型，首先，在加热温度为110℃、保温3.5h自硬化；其次，升高加热温度为240℃、保温2.5h烘干；再次，升高加热温度为360℃、保温2h脱模；最后，升高加热温度为720℃、保温4h焙烧后获得石膏型。
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650℃预热5h，同时熔炼ZL102铝液，用精炼剂精炼除杂后浇注入石膏型中，浇注温度为750℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中，负压设定值为-0.14MP；
（四）、熔融的铝液浇注5min后，将石膏型和凝固的铝一同取出并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
经检测，所制备的通孔泡沫铝的孔隙率为88.9%，压缩屈服强度为62.4KP。
实施例五
（一）、聚氨酯熔模的制备
1）、准备初始聚氨酯泡沫，孔隙率为98%，孔密度为10ppi；
2）、喷胶：将初始聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在初始聚氨酯泡沫上均匀喷涂气凝胶；
3）、热塑性聚合物粉末涂覆：将涂有气凝胶的聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在涂有气凝胶的聚氨酯泡沫上均匀的涂覆热塑性聚合物粉末，直至热塑性聚合物粉末不能再粘在聚氨酯泡沫上为止；
4）、凝固：加热炉预热至50℃，将经过撒粉后获得的聚氨酯泡沫置于中加热炉中，以7℃/min的加热速度加热至120℃，然后保温20min；
5）、聚氨酯泡沫筋的粗化：重复上述第1）~4）步，聚氨酯泡沫筋粗化四次，最终获得聚氨酯熔模；
（二）、石膏型制备
将前步（一）聚氨酯泡沫筋粗化四次处理后获得的聚氨酯熔模放入模具内，然后将配方按质量比为：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型，所述的石膏型首先，在加热温度为110℃、保温3.5h自硬化；其次，升高加热温度为240℃、保温2.5h烘干；再次，升高加热温度为360℃、保温2h脱模；最后，升高加热温度为720℃、保温4h焙烧后获得石膏型。
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650℃预热5h，同时熔炼ZL102铝液，用精炼剂精炼除杂后浇注入石膏型中，浇注温度为750℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中，负压设定值为-0.12MP；
（四）、熔融的铝液浇注5min后，将石膏型和凝固的铝一同取出并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
经检测，所制备的通孔泡沫铝的孔隙率为85.4%，压缩屈服强度为85.8KP。
实施例六
（一）、聚氨酯熔模的制备
1）、准备初始聚氨酯泡沫，孔隙率为98%，孔密度为10ppi；
2）、喷胶：将初始聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在初始聚氨酯泡沫上均匀喷涂气凝胶；
3）、热塑性聚合物粉末涂覆：将涂有气凝胶的聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以10r/min的转速匀速转动，在涂有气凝胶的聚氨酯泡沫上均匀的涂覆热塑性聚合物粉末，直至热塑性聚合物粉末不能再粘在聚氨酯泡沫上为止；
4）、凝固：加热炉预热至50℃，将经过撒粉后获得的聚氨酯泡沫置于中加热炉中，以7℃/min的加热速度加热至120℃，然后保温20min；
5）、聚氨酯泡沫筋的粗化：重复上述第1）~4）步，聚氨酯泡沫筋粗化五次，最终获得聚氨酯熔模；
（二）、石膏型制备
将前步（一）聚氨酯泡沫筋粗化五次处理后获得的聚氨酯熔模放入模具内，然后将配方按质量比为：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型，所述的石膏型首先，在加热温度为110℃、保温3.5h自硬化；其次，升高加热温度为240℃、保温2.5h烘干；再次，升高加热温度为360℃、保温2h脱模；最后，升高加热温度为720℃、保温4h焙烧后获得石膏型。
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650℃预热5h，同时熔炼ZL102铝液，用精炼剂精炼除杂后浇注入石膏型中，浇注温度为750℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中，负压设定值为-0.10MP；
（四）、熔融的铝液浇注5min后，将石膏型和凝固的铝一同取出并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
经检测，所制备的通孔泡沫铝的孔隙率为82.1%，压缩屈服强度为112.5KP。
实施例一~六中不同工艺参数的对比（表一）
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
| 处理次数nth | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 设定负压值（MP） | -0.2 | -0.18 | -0.16 | -0.14 | -0.12 | -0.10 |
| 孔隙率 | 97.90% | 95.50% | 92.30% | 88.90% | 85.40% | 82.10% |
| 压缩强度(KP) | 16.2 | 30.1 | 43.2 | 62.4 | 85.8 | 112.5 |
上表表明，通过多次粗化聚氨酯泡沫的筋，可调整最终制得的泡沫铝的孔结构，从而达到调整泡沫铝孔隙率的目的；同时，通过有限次地增加聚氨酯泡沫筋的粗化次数，能获得更好的压缩强度，使泡沫铝更符合工程实际的需求。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种孔结构可调的泡沫铝制备方法，其特征是：所述的孔结构可调的泡沫铝依次按如下步骤进行制备：
（一）、聚氨酯熔模的制备
1）、准备具有孔结构的初始聚氨酯泡沫；
2）、喷胶：将初始聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以7~10r/min的转速匀速转动，在初始聚氨酯泡沫上均匀喷涂气凝胶；
3）、热塑性聚合物粉末涂覆：将涂有气凝胶的聚氨酯泡沫置于转盘上，并连同转盘以7~10r/min的转速匀速转动，在涂有气凝胶的聚氨酯泡沫上均匀的涂覆热塑性聚合物粉末，直至热塑性聚合物粉末不能再粘在聚氨酯泡沫上为止；
4）、凝固：加热炉预热至50±5℃，将经过撒粉后获得的聚氨酯泡沫置于加热炉中，以7±2℃/min的加热速度加热至120±10℃，然后保温20±5min；
5）、聚氨酯泡沫筋的粗化：重复上述第1）~4）步，直至聚氨酯泡沫筋的尺寸满足使用要求，即获得聚氨酯熔模；
（二）、石膏型制备
将前步（一）处理后获得的聚氨酯熔模放入模具内，将原料组成及其重量百分比：石膏粉：硫酸镁：水=85：15：54的石膏浆原料混合，并将石膏浆原料均匀搅拌，直至石膏浆中没有气泡溢出为止，然后将石膏浆缓慢灌入模具内，最后石膏浆经自硬化、烘干、脱模及焙烧后获得石膏型；
（三）、熔融态铝液浇注
将前步（二）获得的石膏型在650±10℃预热3~5h，同时熔炼铝液，熔融态铝液经精炼剂精炼除杂后浇注入石膏型中，浇注温度为750±10℃，将浇注有熔融铝液的石膏型置于负压系统中；
（四）、熔融的铝液浇注3~5min后，将石膏型和凝固的铝一同从负压系统中取出，并放置于20℃水中冷却，然后将石膏型通过射流的方式清除，最终得到所需的泡沫铝材料。
2.根据权利要求1所述的一种孔结构可调的泡沫铝制备方法，其特征是：初始聚氨酯泡沫的孔隙率为98±0.2%，孔密度为10ppi≤ρp≤40ppi。
3.根据权利要求1或2所述的一种孔结构可调的泡沫铝制备方法，其特征是：所述的聚氨酯泡沫筋的粗化步骤可以重复进行1~6次。
4.根据权利要求1所述的一种孔结构可调的泡沫铝制备方法，其特征是：所述的负压系统，制备孔隙率为98%的泡沫铝时所用的负压设定值为-0.2MP，泡沫铝的孔隙率每减少3%，负压的设定值相应减少0.02MP。
5.根据权利要求1或4所述的一种孔结构可调的泡沫铝制备方法，其特征是：所述的泡沫铝材质为ZL102。
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