CN106862480B - 一种高模数无机粘结剂 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造用无机粘结剂领域，具体为一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂5‑25份、流动助剂1‑75份、活性促进剂10‑25份、固化剂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。其有效改善无机粘结剂砂的流动性、抗湿性、强度及硬化速度、溃散性等。

Description

一种高模数无机粘结剂

技术领域

本发明属于铸造用无机粘结剂领域，具体为一种高模数无机粘结剂。

背景技术

无机粘结剂，粘结强度高，可用于大无机粘结剂砂芯的组合粘结、吊芯、封箱等；高温性能好，可用于陶质浇注系统，浇口及其它耐高温部位的粘结或修补；使用方便、经济。现有铸造技术主要采用无机粘结剂制芯工艺替代具有高污染、高毒害的冷芯盒制芯工艺，所制造的铸造用型芯具有环保性能好、生产成本低等性能。在所有类型的无机结剂中，水玻璃粘结剂是应用较为广泛的一种，但纯水玻璃粘结剂存在耐水性差，粘结强度低，易粉化，固化时间长等缺陷。具体应用中需要加各类有机乳化剂或润湿剂等。如中国专利CN105440957 A，其公开了一种钾水玻璃粘结剂，其特征在于，它包括以下质量份的原料：钾水玻璃30～50份、白炭黑8～14份、氧化镁14～28份、氯化镁5～10份、硫酸镁5～10份、缩合磷酸铝5～10份、平平加O2～8份和水6～12份。但是该技术方案不能有效改善无机粘结剂砂的抗湿性以及流动性等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高模数无机粘结剂，其有效改善无机粘结剂砂的流动性、抗湿性、强度及硬化速度、溃散性等。

本发明为解决上述技术问题，所采取的具体技术方案为，一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂5-25份、流动助剂1-75份、活性促进剂10-25份、固化剂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

作为本发明改进的技术方案，包括如下重量份的各物质：离子型表面活性剂20份、流动助剂5份、活性促进剂15份、固化剂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

作为本发明改进的技术方案，阴离子表面活性剂选用HI95769-01型阴离子表面活性剂。

作为本发明改进的技术方案，固化剂为五氧化二磷与三氧化二铝按质量比3：2混合制备而成。

作为本发明改进的技术方案，固化剂为碱性酚醛树脂、酚脲醛树脂或者水性丙烯酸树脂。

作为本发明改进的技术方案，活化促进剂为非晶态改性硅灰。

作为本发明改进的技术方案，流动助剂为超细空心玻璃微珠。

作为本发明改进的技术方案，超细空心玻璃微珠的粒度为2500目。

有益效果

本发明采用多种材料改性的无机粘结剂的铸造技术，以提高芯砂的流动性、抗湿性、强度及硬化速度、溃散性等。采用离子型表面活性剂对无机粘结剂进行改性并利用加入流动助剂改变砂粒间摩擦方式以提高型芯砂的流动性；选取高活性促进剂提高型芯砂的硬化速度和即时强度并加入少量的缓释固化剂提高芯砂的硬化速度；同时加入无机纳米材料提高芯砂抗湿性能；添加有机物、碳酸盐以及磷酸盐改善芯砂的溃散性。

附图说明

图1不同阴离子表面活性剂加入量对无机粘结剂砂流动性影响的图谱；

图2 2500目流动助剂的加入量对无机粘结剂砂流动性影响的图谱；

图3活性促进剂对无机粘结剂砂强度性能影响的图谱。

具体实施例

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂5-25份、流动助剂1-75份、活性促进剂10-25份、固化剂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

优选为，一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：离子型表面活性剂20份、流动助剂5份、活性促进剂15份、碱性酚醛树脂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

优选为，一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂5份、流动助剂1份、活性促进剂10份、酚脲醛树脂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

优选为，一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂10份、流动助剂25份、活性促进剂15份、固化剂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

优选为，一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂15份、流动助剂50份、活性促进剂20份、水性丙烯酸树脂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

优选为，一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂20份、流动助剂75份、活性促进剂25份、水性丙烯酸树脂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

优选为，一种高模数无机粘结剂，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂25份、流动助剂5份、活性促进剂15份、五氧化二磷3份、三氧化二铝2份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

优选为，阴离子表面活性剂选用HI95769-01型阴离子表面活性剂。

优选为，固化剂为五氧化二磷与三氧化二铝按质量比3：2混合制备而成。

优选为，固化剂为有机树脂，活化促进剂为非晶态改性硅灰(厂家为深圳市吉田化工有限公司，型号为MGW-801，目数为2500目)。

优选为，流动助剂为超细空心玻璃微珠。

优选为，超细空心玻璃微珠的粒度为2500目。

其产生的效果为，提高无机粘结剂砂的流动性，原理为：采用离子型表面活性剂对无机粘结剂进行改性以提高无机粘结剂砂的流动性，主要是通过电离产生不同的阴阳离子，中和颗粒表面电荷，直接改变了颗粒的表面电位，从而改变了颗粒间的静电力；粉体颗粒的流动性将得到很大改善。

利用加入流动助剂改变砂粒间摩擦方式提高无机粘结剂砂流动性，对于砂粒这种刚性和硬度都较大，并且形状不规则的材质，砂粒间的相对移动会由滑动摩擦和咬合摩擦的效应共同影响。

对提高无机粘结剂砂的流动性的效果进行检测，

一、选取阴离子表面活性剂为HI95769-01；阳离子表面活性剂为2180T；非离子表面活性剂为Dowfax 20A64。其改性方法为：无机粘结剂中加入活性剂，搅拌均匀即可。

侧孔质量法：

取100重量份标准砂，加入2或2.5重量份无机粘结剂，混制1min后停止混砂，称取185g倒入试验筒中，将它放在锤击式制样机上，拔出塞柱舂击10次，用顶样柱将试样顶出，把留在小孔中的砂子刮下来，连同被挤出的砂子一起进行称量，被挤出砂子的质量作为砂子流动性的指标。

无机粘结剂砂流动性试验数据及结果如表1：

表1无机粘结剂砂流动性试验数据及结果

注：1、粘结剂加入量相对于硅砂质量的百分含量；

2、表面活性剂加入量相对于无机粘结剂质量的百分含量。

阳离子表面活性剂与无机粘结剂发生化学反应，不能共存，无法使用，非离子表面活性剂并没有起作用，在阴离子聚丙烯酰胺、脂肪酸盐表面活性剂、烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、烷基磺酸盐、α-磺基单羧酸酯、脂肪酸磺烷基酯、琥珀酸酯磺酸盐、烷基萘磺酸盐、石油磺酸盐、木质素磺酸盐、烷基甘油醚磺酸盐、硫酸酯盐型阴离子表面活性剂以及HI95769-01阴离子表面活性剂中，阴离子表面活性剂HI95769-01改性的无机树脂砂流动性最好。本申请中的HI95769-01阴离子表面活性剂采购于北京精诚华泰仪表有限公司。

对阴离子表面活性剂HI95769-01加入量进行试验分析，选取阴离子表面活性剂HI95769-01加入量占无机粘结剂质量比为0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％进行改性实验，其改性方法及流动性检验方法同上。实验结果如图1，当阴离子表面活性剂的加入量达到为2.0％时，无机粘结剂无机粘结剂砂流动性已经达到较理想的数值，而再加大阴离子表面活性剂的加入量时，其无机粘结剂砂的流动性并无明显变化。

二、选取流动助剂，在玻璃微珠、空心玻璃微珠中进行初步流动性测试，综合考虑成本以及性能后，本申请中优选采用超细空心玻璃微珠作为流动助剂。

流动助剂性能测试：选用不同粒度的超细空心玻璃微珠作为流动助剂，加入量为砂无机粘结剂砂量的0.5％，加入方法：混砂时直接加入。

侧孔质量法：

取100重量份标准砂，加入2或2.5重量份1000目流动助剂、2或2.5重量份2000目流动助剂、2或2.5重量份2500目流动助剂、2或2.5重量份3000目流动助剂，混制1min后停止混砂，称取185g倒入试验筒中，将它放在锤击式制样机上，拔出塞柱舂击10次，用顶样柱将试样顶出，把留在小孔中的砂子刮下来，连同被挤出的砂子一起进行称量，被挤出砂子的质量作为砂子流动性的指标。

试验数据及分析结果如表2所示：

表2不同粒度的超细空心玻璃微珠对无机粘结剂砂流动性的影响

由表2得出，流动助剂的粒度越细，无机粘结剂砂流动性越好，当粒度大于2500目时，能够达到项目要求，当粒度由2500目提高到3000目时，流动性提高有限，而粒度为2500目的超细空心玻璃微珠的吨价仅为2.5万元，3000目的超细空心玻璃微珠的吨价为7万元以上，所以综合考虑，最终选择2500目的超细空心玻璃微珠。

选取2500目的超细空心玻璃微珠加入量分别为0.1％、0.25％、0.5％、0.75％、1.0％(与无机粘结剂砂质量比)进行流动性实验，其加入方法及流动性检验方法同上。试验结果如图2所示，2500目流动助剂加入量为0.5％时(占无机粘结剂砂重)，无机粘结剂砂流动性为3.5g以上，而当加入量大于0.5％后，对流动性的影响不明显。

2、提高无机粘结剂砂的硬化速度和即时强度；

非晶态改性硅灰，其粒度细小、比表面积大以及材料晶体形式都更有利于提高无机粘结剂砂的各项性能指标。本文中非晶态改性硅灰生产为厂家深圳市吉田化工有限公司，型号为MGW-801，非晶态改性硅灰颗粒尺寸为2500目。

本申请对活性促进剂的化学成分、粒度对无机粘结剂砂的硬化速度和即时强度等性能进行检验，如表3，并分析其活性，最终选择经过活化的非晶态改性硅灰，其SiO2含量达到97.6％。粒度细小、比表面积大以及材料晶体形式都更有利于提高无机粘结剂砂的各项性能指标。

表3非晶态改性硅灰与普通硅灰数据对比

对非晶态改性硅灰进行无机粘结剂砂强度的系列试验对比，其中水玻璃模数2.8，粘结剂已经由阴离子表面活性剂改性，添加占砂量0.5％的空心玻璃微珠混制。采用射芯机制样，制成“8”字型试块，取出立即测得即时强度，冷却至30℃后测得冷却后强度，将试块放置于湿度80％，温度为30℃的恒温恒湿箱中放置8小时候测得抗湿强度。其试验结果如下图3所示，非晶态改性硅灰的加入量1.5％时，无机粘结剂砂的综合性能最优。

3、加入少量的缓释固化剂或有机树脂提高无机粘结剂的硬化速度，选用不同种类的缓释固化剂或有机树脂等，对无机粘结剂进行改性，对经改性后的无机粘结剂进行强度性能检测，结果如表4。

本试验选取的缓释固化剂为：

A——三环氧丙基异氰尿酸酯；

B——五氧化二磷(P2O5)60％+三氧化二铝(Al2O3)40％；

C——三缩水甘油异氰尿酸酯；

选取的有机树脂为：

A——碱性酚醛树脂；

B——酚脲醛树脂；

C——水性丙烯酸树脂。

本试验制样方法：

取100份标准砂，加入2.0份或2.5份改性无机粘结剂，混制1min后，加入活性促进剂(非晶态改性硅灰)、0.1份固化剂，继续混制1min后停止混砂，取出。采用射芯机制样，制成8字型试块，检测六组强度取平均值，为即时强度，冷却至室温后测量的冷却后抗拉强度。

试验数据及分析结果如表4：

表4不同固化剂添加前后即使强度及室温强度对比

通过试验分析，缓释固化剂B(五氧化二磷60％+三氧化二铝40％)对水玻璃的硬化速度有一定提高，提高型砂的即时强度，对冷却至室温后强度无明显影响，满足项目要求。

4、提高无机粘结剂砂的抗湿性，原理为：含硅氧化物、纳米氧化物、硅铝氧化物等粉料抗湿剂具有颗粒小、比表面积大等特点，能够吸附水分，在硬化过程中，能够加速水玻璃脱水，从而产生更高的粘结强度，并且能够有效阻止外界水分对已固化水玻璃膜的破坏，在高湿环境中是水玻璃能够保持较高的粘结强度，有效提高了水玻璃砂的抗湿性能。

对提高无机粘结剂砂的抗湿性进行验证，本申请所选取抗湿剂：纳米氧化锌、纳米氧化硅、纳米氧化铝；

取100份标准砂，加入2份无机粘结剂，混制1min后，加入粉料抗湿剂，继续混制1min后停止混砂，取出。采用射芯机制样，制成“8”字型试块，待试样冷却到30℃后检测三组强度，将三组试块放入恒温恒湿箱(30℃，相对湿度80％)，静置8h后测量试块抗拉强度，与放入恒温恒湿箱前相比，得强度下降率。

通过正交试验分析，A3纳米氧化硅加入量3.0％，B3纳米氧化锌2.0％，C1纳米氧化铝加入量为0时(如下表5、6所示)，抗湿性能最佳，经补充试验强度下降率为18％。

表5抗湿性正交试验数据一

表6抗湿性正交试验数据二

5、提高无机粘结剂砂的抗粘模能力，改善无机粘结剂砂的溃散性；原理为：采用有机物和含磷无机物对无机粘结剂进行改性，由于改性溶液中各组分兼有粘结及表面活性等作用，并在无机粘结剂中形成高分散度的骨架结构，因而在其固化时，限制凝胶胶粒的长大，使其细小，从而提高无机粘结剂砂的粘结强度。高温时，改性溶液中的有机组分因挥发、燃烧使粘结膜中产生气泡、缝隙。而无机粘结剂砂冷却时，改性溶液中的无机组分会析出对粘结膜产生破坏、割裂作用的晶相，而且其热膨胀系数远大于硅酸盐玻璃，从而产生较大应力，导致粘结膜开裂；含磷无机物选为磷酸盐、磷酸盐可谓磷酸钙、磷酸镁等，但在本申请中优选为磷酸钙。

在混砂时添加碳酸盐为溃散剂，碳酸盐可为碳酸钠、碳酸锂等，但本申请中优选碳酸锂溃散剂，由于该种溃散剂为碱金属碳酸盐，制样过程中并不会降低无机粘结剂砂强度，而在高温下，此组分因受热而剧烈分解，造成无机粘结剂粘结膜割裂，其残留灰分还能降低熔融无机粘结剂对砂粒的润湿性，能够有效提高无机粘结剂砂的退让性和溃散性。

对提高无机粘结剂砂的抗粘模能力，改善无机粘结剂砂的溃散性进行试验检测，在高温时，改性溶液中的有机组分因挥发、燃烧使粘结膜中产生气泡、缝隙。而无机粘结剂砂冷却时，改性溶液中的无机组分会析出对粘结膜产生破坏、割裂作用的晶相，而且改性组分的热膨胀系数远大于硅酸盐玻璃，从而产生较大应力，导致粘结膜开裂，改善无机粘结剂砂的溃散性。

取100份标准砂，加入2.0或2.5份水玻璃，混制1min后，加入粉料抗湿剂，继续混制1min后停止混砂，取出。采用射芯机制样，(模具温度190℃，热空气温度190℃，在模具表面及射砂口喷涂一层脱模剂进行试验)制成8字型试块及长条抗弯曲试块。射芯至射砂口堵塞或样块粘模为止记录射砂次数。

通过正交试验分析，有机物对残留强度的影响最大，碳酸盐对残留强度的影响最小。即A2氢化淀粉加入量为2.0％、B2磷酸钙加入量为1.0％、C2碳酸锂加入量为0.5％(如表7、8所示)，粘结剂砂的残留强度最低；经补充试验，无机粘结剂砂在经过850℃焙烧30min后的残留强度为0.33MPa。

表7抗湿性正交试验数据二

水平	因素A氢化淀粉	因素B磷酸钙	因素C碳酸锂
				1	0	0	0
2	2.0％	1.0％	0.5％
				3	4.0％	2.0％	1.0％

表8抗湿性正交试验数据二

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高模数无机粘结剂，其特征在于，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂5-25份、流动助剂1-75份、活性促进剂10-25份、固化剂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份，其中，固化剂为五氧化二磷与三氧化二铝按质量比3：2混合制备而成，活性促进剂为非晶态改性硅灰，流动助剂为超细空心玻璃微珠，超细空心玻璃微珠的粒度为2500目。

2.根据权利要求1所述的一种高模数无机粘结剂，其特征在于，包括如下重量份的各物质：阴离子表面活性剂20份、流动助剂5份、活性促进剂15份、固化剂5份、纳米氧化硅30份、纳米氧化锌20份、氢化淀粉20份、磷酸盐10份以及碳酸盐5份。

3.根据权利要求1或2所述的一种高模数无机粘结剂，其特征在于，阴离子表面活性剂选用HI95769-01型阴离子表面活性剂。