CN107584069B - 一种热固化磷酸盐铸造粘结剂及其制备方法与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热固化磷酸盐铸造粘结剂，有下述重量百分比的原料制备而成：50%~57%工业磷酸、9%~12%氢氧化铝、0.75%~2.18%硼酸、0.66~2.48%柠檬酸、0.075%~0.57%硅酸、0.075%~0.47%水溶性高分子材料、碳酸镁0.75%~3.53%、3.5%~6.5%氯化镁，0.035%~0.19%硅烷偶联剂、余量为纯净水。本发明采用有机酸、无机酸及水溶性高分子材料对磷酸盐粘结剂进行改性，以达到明显改善磷酸盐粘结剂热硬砂性能的目的，本发明所得的热固化磷酸盐无机粘结剂，粘结强度高，硬化快，抗湿性好，在铸造行业具有广阔的使用前景。

Description

一种热固化磷酸盐铸造粘结剂及其制备方法与使用方法

技术领域

本发明属于铸造行业领域，具体涉及到一种热固化磷酸盐铸造粘结剂及其制备与使用方法。

背景技术

目前铸造行业广泛使用的是热固化(覆膜砂)或三乙胺冷芯盒法制造砂芯或砂型，由于用的是有机粘结剂，二者均不环保，无论是常温还是加热固化过程均有气味，对人体伤害大，在金属液浇注过程中树脂燃烧产生大量有害气体，属于逐步禁止使用的材料。

磷酸盐粘结剂作为一种绿色环保的粘结剂，具有无毒无害且溃散性好的特点，但相较于传统的有机树脂粘结剂其具有加热固化速度慢，固化后砂型抗吸湿性差等缺点。因此如果应用于代替有机树脂在加热条件下能迅速固化使用需要解决这些问题。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的不足提供一种粘结强度高，硬化快，抗湿性好的热固化磷酸盐无机粘结剂。

本发明的具体技术方案如下：

一种热固化磷酸盐铸造粘结剂，包括下述重量百分比的原料：50％～57％工业磷酸、9％～12％氢氧化铝、0.75％～2.18％硼酸、0.66～2.48％柠檬酸、0.075％～0.57％硅酸、0.075％～0.47％水溶性高分子材料、碳酸镁0.75％～3.53％、3.5％～6.5％氯化镁，0.035％～0.19％硅烷偶联剂、余量为纯净水。

作为优选项：所述工业磷酸为质量分数为85％的工业磷酸。

作为优选项：所述水溶性高分子材料为高分子聚乙烯吡咯烷酮，分子量为k30至k90的粉末状物质。

作为优选项：所述硅烷偶联剂为KH550，KH570等。

作为优选项：所述碳酸镁，氯化镁均为工业级。

本发明还提供一种制备上述热固化磷酸盐铸造粘结剂的方法，具体步骤如下：(1)将磷酸与氢氧化铝混合，加热情况下同时搅拌，缓慢加热至180～200℃；待溶液呈透明状，反应结束后，继续加热，维持温度，向上述溶液加入硼酸与柠檬酸，继续搅拌反应直至溶液呈透明状；

(2)向上步所得透明溶液中加入硅酸，继续搅拌至溶液呈透明状；

(3)向步骤2所得透明溶液中加入硅烷偶联剂，继续搅拌约10min，直至溶液呈透明状；

(4)向步骤3所得溶液中加入水溶性高分子材料，继续搅拌至溶液呈透明状；

(5)将碳酸镁溶于水中，缓慢加入到步骤4所得溶液中，继续搅拌至溶液呈透明状；

(6)向步骤5所得溶液中加入氯化镁，继续搅拌至完全溶解，即得；

上述步骤均在180～200℃条件下进行。

作为优选项：所述硅酸为固体粉末状。

本发明采用有机酸、无机酸及水溶性高分子材料对磷酸盐粘结剂进行改性，以达到明显改善磷酸盐粘结剂热硬砂性能的目的；其中硼酸，硅酸作为粘结剂的主要无机增强剂，提升型砂的表面稳定性，水溶性高分子为有机增强剂，碳酸镁、氯化镁可加快硬化速度及提高抗吸湿性；硅烷偶联剂作为粘结剂中无机增强剂和有机增强剂之间的偶联成分，使粘结剂中磷酸盐链状分与高分子化合物链状分子偶联，形成高强度网状结构；高分子化合物为具有溶解于水中，耐酸解，且稳定存在水中的一类水溶高分子材料，其加入粘结剂中形成稳定链状分子，弥补粘结剂中磷酸盐链状分子吸湿水解带来的强度下降。

本发明还提供所得的热固化磷酸盐铸造粘结剂的使用方法，步骤如下：将砂与占砂量3％的粘结剂混制均匀后，填入聚四氟乙烯试样模内，然后微波加热，待其硬化后冷却至室温即可；所述微波功率为1000W。

本发明的有益技术效果如下：(1)本发明所得的热固化磷酸盐无机粘结剂固化速度快、粘结强度高，硬化快，抗湿性好；

(2)本发明采用有机酸、无机酸及水溶性高分子材料对磷酸盐粘结剂进行改性，以达到明显改善磷酸盐粘结剂热硬砂性能的目的；本发明生产工艺简单，产品具有广阔的应用前景，较好的经济效益和社会效益显著

(3)本粘结剂制备砂样在整个铸造工艺及生产过程中，从混砂，造型、制芯、浇注没有任何难闻的气味，无毒无味，绿色环保，成本也不高，对现有铸造设备基本没有特殊要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实例一：

按比例称取85％工业磷酸342g、氢氧化铝粉末60g、硼酸6g、柠檬酸4.8g、硅酸2.04g、PVP1.14克，碳酸镁8.28克，氯化镁31.2克，KH550 0.54g，水144克；

制备步骤：

1、将342g工业磷酸与60g氢氧化铝粉末加入到三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；

2、待反应釜内反应结束后即溶液呈透明状后，将6g硼酸与4.8g柠檬酸加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状，此过程约为15min；

3、加入2.04g硅酸，继续搅拌约15min，硅酸粉末溶解，反应釜中溶液恢复透明；

4、加入KH550 0.54g，搅拌5分钟；

5、加入PVP1.14克，继续搅拌约30min，PVP逐渐溶解，反应釜中溶液恢复透明；

6、将碳酸镁8.28克加入144克水中，搅拌均匀，然后缓慢加入反应釜中，加完后继续搅拌20分，至溶液透明为止；

7、加入氯化镁31.2克，继续搅拌10分钟，粘结剂即合成完毕。

上述步骤均在180～200℃条件下进行。

砂样制备：

称取1000g标准砂，30g磷酸盐粘结剂，先将砂加入混砂机、启动搅拌机，然后慢慢倒入粘结剂，加完后搅拌2分钟，然后出砂的型砂混合料。将混合料填入聚四氟乙烯材质的“8字型”试样模内，将其放入实验用微波炉内，关好炉门，启动微波炉，所述微波功率为1000W，烘干5分钟，取出模具内的砂样，冷却至室温即可测试试样硬化后的抗拉强度，随机测试3个试样，取三者平均值为最终的抗拉强度，将剩余试样放入相对湿度为40％的恒湿室，以后每隔一定时间取3个试样测试强度，结果见表1。

表1不同条件下试样的抗拉强度

硬化强度(MPa)	12小时强度(MPa)	24小时强度(MPa)	48小时强度(MPa)	60小时强度(MPa)
					1.82	1.61	1.43	1.32	1.01

实例二：

按比例称取85％工业磷酸330g、氢氧化铝粉末60g、硼酸7.8g、柠檬酸10.14g、硅酸1.14g、PVP1.74克，碳酸镁11.64克，氯化镁39克，KH570 0.54g，水138克；

制备步骤：

1、将330g工业磷酸与60g氢氧化铝粉末加入到三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；

2、待反应釜内反应结束后即溶液呈透明状后，将7.8g硼酸与10.14g柠檬酸加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状，此过程约为15min；

3、加入1.14g硅酸，继续搅拌约15min，硅酸粉末溶解，反应釜中溶液恢复透明；

4、加入KH570 0.54g，搅拌5分钟；

5、加入PVP1.74克，继续搅拌约30min，PVP逐渐溶解，反应釜中溶液恢复透明；

6、将碳酸镁11.64克加入138克水中，搅拌均匀，然后缓慢加入反应釜中，加完后继续搅拌20分，至溶液透明为止；

7、加入氯化镁39克，继续搅拌10分钟，粘结剂即合成完毕。

上述步骤均在180～200℃条件下进行。

砂样制备：

称取1000g标准砂，30g磷酸盐粘结剂，先将砂加入混砂机、启动搅拌机，然后慢慢倒入粘结剂，加完后搅拌2分钟，然后出砂的型砂混合料。将混合料填入聚四氟乙烯材质的“8字型”试样模内，将其放入实验用微波炉内，关好炉门，启动微波炉，所述微波功率为1000W，烘干5分钟，取出模具内的砂样，冷却至室温即可测试试样硬化后的抗拉强度，随机测试3个试样，取三者平均值为最终的抗拉强度，将剩余试样放入相对湿度为40％的恒湿室，以后每隔一定时间取3个试样测试强度，结果见表2。

表2不同条件下试样的抗拉强度

硬化强度(MPa)	12小时强度(MPa)	24小时强度(MPa)	48小时强度(MPa)	60小时强度(MPa)
					1.62	1.67	1.47	1.32	0.91

实例三：

按比例称取85％工业磷酸324g、氢氧化铝粉末54g、硼酸9.6g、柠檬酸14.88g、硅酸1.68g、PVP2.28克，碳酸镁15.42克，氯化镁33克，KH550 1.14g，水144克；

制备步骤：

1、将324g工业磷酸与54g氢氧化铝粉末加入到三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；

2、待反应釜内反应结束后即溶液呈透明状后，将9.6g硼酸与14.88g柠檬酸加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状，此过程约为15min；

3、加入1.68g硅酸，继续搅拌约15min，硅酸粉末溶解，反应釜中溶液恢复透明；

4、加入KH550 1.14g，搅拌5分钟；

5、加入PVP2.28克，继续搅拌约30min，PVP逐渐溶解，反应釜中溶液恢复透明；

6、将碳酸镁15.42克加入144克水中，搅拌均匀，然后缓慢加入反应釜中，加完后继续搅拌20分，至溶液透明为止；

7、加入氯化镁33克，继续搅拌10分钟，粘结剂即合成完毕。

上述步骤均在180～200℃条件下进行。

砂样制备：

称取1000g标准砂，30g磷酸盐粘结剂，先将砂加入混砂机、启动搅拌机，然后慢慢倒入粘结剂，加完后搅拌2分钟，然后出砂的型砂混合料。将混合料填入聚四氟乙烯材质的“8字型”试样模内，将其放入实验用微波炉内，关好炉门，启动微波炉，所述微波功率为1000W，烘干5分钟，取出模具内的砂样，冷却至室温即可测试试样硬化后的抗拉强度，随机测试3个试样，取三者平均值为最终的抗拉强度，将剩余试样放入相对湿度为40％的恒湿室，以后每隔一定时间取3个试样测试强度，结果见表3。

表3不同条件下试样的抗拉强度

硬化强度(MPa)	12小时强度(MPa)	24小时强度(MPa)	48小时强度(MPa)	60小时强度(MPa)
					1.92	1.51	1.45	1.36	1.21

实例四：

按比例称取85％工业磷酸318g、氢氧化铝粉末66g、硼酸12.6g、柠檬酸3.96g、硅酸3.42g、PVP2.82克，碳酸镁21.18克，氯化镁21克，KH570 1.02g，水150克；

制备步骤：

1、将318g工业磷酸与66g氢氧化铝粉末加入到三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；

2、待反应釜内反应结束后即溶液呈透明状后，将12.6g硼酸与3.96g柠檬酸加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状，此过程约为15min；

3、加入3.42g硅酸，继续搅拌约15min，硅酸粉末溶解，反应釜中溶液恢复透明；

4、加入KH570 1.02g，搅拌5分钟；

5、加入PVP2.82克，继续搅拌约30min，PVP逐渐溶解，反应釜中溶液恢复透明；

6、将碳酸镁21.18克加入150克水中，搅拌均匀，然后缓慢加入反应釜中，加完后继续搅拌20分，至溶液透明为止；

7、加入氯化镁21克，继续搅拌10分钟，粘结剂即合成完毕。

上述步骤均在180～200℃条件下进行。

砂样制备：

称取1000g标准砂，30g磷酸盐粘结剂，先将砂加入混砂机、启动搅拌机，然后慢慢倒入粘结剂，加完后搅拌2分钟，然后出砂的型砂混合料。将混合料填入聚四氟乙烯材质的“8字型”试样模内，将其放入实验用微波炉内，关好炉门，启动微波炉，所述微波功率为1000W，烘干5分钟，取出模具内的砂样，冷却至室温即可测试试样硬化后的抗拉强度，随机测试3个试样，取三者平均值为最终的抗拉强度，将剩余试样放入相对湿度为40％的恒湿室，以后每隔一定时间取3个试样测试强度，结果见表4。

表4不同条件下试样的抗拉强度

硬化强度(MPa)	12小时强度(MPa)	24小时强度(MPa)	48小时强度(MPa)	60小时强度(MPa)
					1.72	1.63	1.23	1.1	0.9

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种热固化磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于：包括下述重量百分比的原料：50%~57%工业磷酸、9%~12%氢氧化铝、0.75%~2.18%硼酸、0.66~2.48%柠檬酸、0.075%~0.57%硅酸、0.075%~0.47%水溶性高分子材料、碳酸镁0.75%~3.53%、3.5%~6.5%氯化镁，0.035%~0.19%硅烷偶联剂、余量为纯净水；所述水溶性高分子材料为高分子聚乙烯吡咯烷酮，分子量为k30至k90的粉末状物质；所述硅烷偶联剂为KH550，KH570；

所述热固化磷酸盐铸造粘结剂的制备方法，步骤如下：

（1）将磷酸与氢氧化铝混合，加热情况下同时搅拌，缓慢加热至180~200℃，待溶液呈透明状后，向上述溶液加入硼酸与柠檬酸，继续搅拌反应直至溶液恢复透明状；

（2）向上步所得透明溶液中加入硅酸，继续搅拌至溶液呈透明状；

（3）向步骤2所得透明溶液中加入硅烷偶联剂，继续搅拌至溶液呈透明状；

（4）向步骤3所得溶液中加入水溶性高分子材料，继续搅拌至高分子材料完全溶解，溶液呈透明状；

（5）将碳酸镁溶于水中，缓慢加入到步骤4所得溶液中，继续搅拌至溶液呈透明状；

（6）向步骤5所得溶液中加入氯化镁，继续搅拌至完全溶解，即得；

上述步骤均在180~200℃条件下进行；

所述热固化磷酸盐铸造粘结剂的使用方法的步骤如下：

将砂与占砂量3%的粘结剂混制均匀后，填入聚四氟乙烯试样模内，然后微波加热，待其硬化后冷却至室温即可。

2.如权利要求1所述的热固化磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于：所述工业磷酸为质量分数为85%的工业磷酸。

3.如权利要求1所述的热固化磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于：所述碳酸镁，氯化镁均为工业级。

4.如权利要求1所述的热固化磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于：所述硅酸为固体粉末状。