CN107243592A - 无机纳米粒子改性水玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种无机纳米粒子改性水玻璃及其制备方法，该无机纳米粒子改性水玻璃主要成分由水解沉淀的方法制备的均匀附着的无机纳米粒子和普通水玻璃组成。具体制备方法主要包括如下步骤：金属的硝酸盐或氯化盐类，经乙醇溶解后，与水玻璃进行混合，先进行超声振荡10～15min使得其混合均匀，然后再于40‑60℃的水浴温度下搅拌20～60min，之后调pH至5‑8，即得到混合均匀的无机纳米粒子改性水玻璃。本发明制备得到的无机纳米粒子改性水玻璃能有效降低型砂中的水玻璃含量，大幅度改善水玻璃砂的溃散性。该无机纳米粒子改性水玻璃制备的型砂还具有很好的综合高温性能，型砂的发气量显著减小，提高了铸件的质量。

Description

无机纳米粒子改性水玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸造领域，尤其涉及一种无机纳米粒子改性水玻璃及其制备方法。
背景技术
目前，随着工业的快速发展，能源消耗和环境污染给中国经济的可持续发展带来了巨大压力。中国国家发展的规划，将节能减排绿色制造和循环经济作为国家社会和经济发展的重点。铸造行业作为中国制造业的重要组成部分，在快速发展的同时也产生了较大的能源和环境问题。目前，我国已是世界第一铸造大国，年铸件产量3000多万吨，远超过第二铸件大国(美国)的1200万吨。然而产量越高，所产生的能源和环境问题越严重。因此，面向21世纪的铸造技术必将朝着绿色铸造工艺方法和材料装备技术的方向发展。近年来，为满足绿色铸造工艺的要求，各种改性剂被发明用于改性水玻璃，这对改善水玻璃的溃散性和提高铸件的质量起了很大的作用，但是这些改性剂中，大部分含有有机物，会释放出大量的苯、醛、硫等有毒气体，并不能解决污染环境的问题。
水玻璃无机粘结剂是无毒、无味、低成本的绿色铸造粘结剂，是目前最常用的铸造型芯砂的粘结剂。水玻璃粘结剂应用的主要工艺是CO2硬化水玻璃砂，该工艺造型制芯过程中和浇注时释放的各种有毒、有害气体数量少；在不同环境条件下贮存性好，型芯砂可使用的时间长；应用范围广等优点。虽然水玻璃砂的优点突出，但是溃散性差、旧砂回收困难的缺点也很突出：溃散性差，落砂异常困难；水玻璃旧砂的再生和回用比较困难，旧砂的废弃造成严重的环境污染。特别是水玻璃旧砂再生困难、回用率低，导致许多工厂将废砂丢弃，造成了严重的环境污染。水玻璃砂溃散性和可回用性差的主要原因是，在生产实际中水玻璃加入量的偏大。研究表明，水玻璃的加入量超过4％，水玻璃砂的溃散性就很差，旧砂回用也变得很困难。正是由于生产实际中水玻璃的加入量高达10％，加剧了砂型溃散难、旧砂再生回用难这两大难题。
纳米粒子是指材料两相显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级的材料，其中纳米粒子相是数目很少的原子或分子组成的聚集体，粒子直径小于100nm。由于纳米粒子在磁、光、化学、催化等许多方面呈现出各种各样的优异特性，近年来，采用纳米粒子改性水玻璃的方法引起了极大的关注，并迅速展开此方面的研究与开发。专利CN 101947637A通过加入部分二氧化硅等纳米粒子以及其他改性剂来改性水玻璃，使得水玻璃加入量减少，从而改善其溃散性。专利CN 101879577A公开了一种高温无机纳米粒子溃散剂来改性水玻璃。就在15年年初，专利CN 104259379A报道用于普通水玻璃中的溃散增强剂，其组分就为二氧化硅、氧化铝和石墨烯等无机纳米粒子。上述专利通过将无机纳米粒子的粉末与水玻璃直接进行混合得到改性水玻璃都有效改善了水玻璃砂的高温溃散性。然而这种直接机械混合的方法存在混合不均匀、结合力不强，影响改性效果，从而影响铸件质量。因而，本专利提出了一种化学添加的方法，使得无机纳米颗粒作为一种改善水玻璃的溃散性的改性剂，更好的与水玻璃混合，具有很好的粘结效果、很高的热稳定性和均匀性，目前还未见到有相关专利报道。
发明内容
本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种无机纳米粒子改性水玻璃及其制备方法，解决水玻璃砂面临的粘结强度低、溃散性不好和旧砂回收再生困难的问题，大大改善了水玻璃的溃散性，使旧砂的回收率大大的提高，减少了环境污染问题，推动了绿色铸造工艺的发展。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种无机纳米粒子改性水玻璃是由均匀附着的无机纳米粒子和普通水玻璃组成的，其中无机纳米粒子和普通水玻璃的质量比为1.0:100～2.0:100。
所述的无机纳米粒子改性水玻璃，其具体制备方法如下：金属的硝酸盐或氯化盐类，经乙醇溶解后，与水玻璃进行混合，先进行超声振荡10～15min使得其混合均匀，然后再于40-60℃的水浴温度下搅拌20～60min，之后调pH至5-8，即得到混合均匀的无机纳米粒子改性水玻璃。
所述的金属的硝酸盐或铝酸盐为硝酸铝、氯化铝、硝酸镁、氯化镁、硝酸铜、氯化铜、硝酸锌、氯化锌、硝酸铁、氯化铁、硝酸铍、氯化铍等一种或几种。
本发明有益的效果是：本发明创造性的采用化学添加的方法，使得无机纳米粒子改性剂均匀的添加入水玻璃中，从而全方面的改善了水玻璃的性能。无机纳米粒子的添加一方面较少了水玻璃的添加，另一方面由于不添加有机物，因而不会产生有害气体，环保经济。同时由于水玻璃与无机纳米粒子的收缩系数不同，使得纳米颗粒与水玻璃之间及无机粒子周围的粘接膜之间出现空隙和裂纹，破坏其连续性，降低了残留强度，大大改善水玻璃的溃散性，更容易回收。本发明为了保证纳米粒子和水玻璃能很好的复合在一起，采用化学添加的方法，从而使无机纳米粒子能够均匀的与水玻璃结合在一起，改善水玻璃的性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
将氯化铝、氯化铁和氯化铜溶于乙醇中(氯化铝、氯化铁、氯化铜和乙醇的质量比为4.0：2.0：1.0：3.0)，与水玻璃进行混合，先进行超声振荡10min使得其混合均匀，然后再于60℃的水浴温度下搅拌30min，之后调pH至6，即得到混合均匀的无机纳米粒子改性水玻璃。此时制成水玻璃砂的常温强度比普通水玻璃的强度提高了21.1％，而残留强度则降低了34.5％。
实施例2
将硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜和硝酸铍溶于乙醇中(硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜、硝酸铍和乙醇的质量比为4.0：1.0：1.0：0.5：3.5)，与水玻璃进行混合，先进行超声振荡15min使得其混合均匀，然后再于40℃的水浴温度下搅拌60min，之后调pH至8，即得到混合均匀的无机纳米粒子改性水玻璃。此时制成水玻璃砂的常温强度比普通水玻璃的强度提高了28.0％，而残留强度则降低了36.1％。
实施例3
将硝酸铝、硝酸锌溶于乙醇中(硝酸铝、硝酸锌和乙醇的质量比为5.5：1.5：3.0)，与水玻璃进行混合，先进行超声振荡12min使得其混合均匀，然后再于50℃的水浴温度下搅拌20min，之后调pH至5，即得到混合均匀的无机纳米粒子改性水玻璃。此时制成水玻璃砂的常温强度比普通水玻璃的强度提高了17.2％，而残留强度则降低了12.3％。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (3)

1.一种无机纳米粒子改性水玻璃，其特征是：该无机纳米粒子改性水玻璃是由均匀附着的无机纳米粒子和普通水玻璃组成，其中无机纳米粒子和普通水玻璃的质量比为1.0:100～2.0:100。
2.一种采用权利要求1所述的无机纳米粒子改性水玻璃的制备方法，其特征是：加入金属的硝酸盐或氯化盐类，经乙醇溶解后，与水玻璃进行混合，先进行超声振荡10～15min使得其混合均匀，然后再于40-60℃的水浴温度下搅拌20～60min，之后调pH至5-8，即得到混合均匀的无机纳米粒子改性水玻璃。
3.根据权利要求2所述的无机纳米粒子改性水玻璃的制备方法，其特征是：所述金属的硝酸盐或铝酸盐类为硝酸铝、氯化铝、硝酸镁、氯化镁、硝酸铜、氯化铜、硝酸锌、氯化锌、硝酸铁、氯化铁、硝酸铍、氯化铍等一种或几种。
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