CN109550888B - 一种乙二胺四乙酸二钠改性的磷酸盐粘结剂及其制备与应用 - Google Patents
一种乙二胺四乙酸二钠改性的磷酸盐粘结剂及其制备与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种乙二胺四乙酸二钠改性的磷酸盐粘结剂及其制备与应用，所述粘结剂由以下原料制备而成：工业磷酸52.46份～52.94份、氢氧化铝粉末10.55份～10.65份、硅酸0.621份～0.626份、硼酸1.863份～1.879份、轻质氧化镁1.242份～1.253份、水31.04份～31.32份、氧化铜0.039份～0.31份、硫酸铁0.039份、EDTA‑2Na1.25份～1.87份。制备过程中按特定顺序添加上述原料，加热搅拌直至反应完全，最后出料。所制备的改性磷酸盐粘结剂能明显提高砂型强度以及缩短砂型固化时间。
Description
技术领域
本发明属于铸造行业领域，具体涉及到EDTA-2Na配合物改性的磷酸盐粘结剂制备方法及其使用方法。
背景技术
在铸造生产中，有机树脂带来的化学污染问题一直难以解决，磷酸盐粘结剂作为一种新型的铸造无机粘结剂，具有优良的环保性和溃散性，其无味、无毒、无污染的特点，能够明显减小对环境的污染，改善一线工人的工作环境。但相较于传统的有机树脂粘结剂其具有性能不稳定，抗吸湿性差、粘结力偏低等特点。针对磷酸盐粘结剂的相关特性，对其进行改性处理，例如添加一些简单的酸类改性剂和金属氧化物，在一定程度上改善了磷酸盐粘结剂的性能，如提高砂样的强度。如何综合改性磷酸盐粘结剂，提升粘结剂稳定性，改善抗吸湿性，优化砂型成型工艺以提高射砂效率，达到与传统有机树脂粘结剂相同的使用要求，使之满足实际生产需要，是目前存在的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明致力于提供一种乙二胺四乙酸二钠改性的磷酸盐粘结剂及其制备与使用方法，本发明所制备的粘接剂相较于传统的磷酸盐粘结剂，综合性能均明显提升。
本发明采用EDTA-2Na来改性磷酸盐粘结剂。EDTA-2Na，即乙二胺四乙酸二钠，是化学中一种良好的配合剂。经测试，在极少的粘结剂加入量的情况下，所制备砂样的强度得到明显提高，砂样固化时间明显缩短。测试表明在2.5wt％所述磷酸盐粘结剂的加入量下，使用微波固化方式，砂样即时平均抗拉强度可达1.67MPa，6h平均抗拉强度可达1.43MPa，砂样固化时间可缩短30秒；使用射芯机制作标准砂样，采用模具直接加热固化砂样，砂样即时平均抗拉强度可达1.51MPa，即时平均抗弯强度可达4.89MPa，24h平均抗拉强度可达0.74MPa，24h平均抗弯强度可达3.61MPa，砂样固化时间可缩短4min。
产生上述效果的原因可能是：EDTA-2Na是一种具有六配位原子的配合剂，具有广泛的配位性能，几乎能与所有的金属离子形成稳定的配合物。粘结剂中的铁离子、铜离子、镁离子以及稀土元素钇等都可EDTA-2Na形成稳定的水溶性配合物。EDTA-2Na作为一种多基配体，可与金属离子形成稳定的具有环状结构的配合物，能在粘结剂固化后形成复杂的晶体或非晶结构，增加位错运动的阻力，因此添加EDTA-2Na后的粘结剂具有更加优良的粘接性能与稳定性。与除此以外，硅酸、硼酸、轻质氧化镁、氧化铜、硫酸铁的加入使得磷酸盐粘接剂的稳定性进一步增强，对砂型的强度、抗吸湿性均有影响。
本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现：
一种乙二胺四乙酸二钠改性的磷酸盐粘结剂，包括以下重量份的原料：
工业磷酸：52.46份～52.94份；
氢氧化铝粉末：10.55份～10.65份；
硅酸：0.621份～0.626份；
硼酸：1.863份～1.879份；
轻质氧化镁：1.242份～1.253份；
水：31.04份～31.32份；
氧化铜：0.039份～0.31份；
硫酸铁：0.039份；
EDTA-2Na：1.25份～1.87份。
优选地，所述各原料的重量份比例为：
工业磷酸：52.46份；
氢氧化铝粉末：10.55份；
硅酸：0.621份；
硼酸：1.863份；
轻质氧化镁：1.242份；
水：31.04份；
氧化铜：0.31份；
硫酸铁：0.039份；
EDTA-2Na：1.86份。
优选地，所述工业磷酸浓度为85％。
优选地，所述硅酸、硼酸、氧化铜、硫酸铁、轻质氧化镁与EDTA-2Na均为分析纯。
本发明还提供了上述磷酸盐粘结剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称量各组分；
(2)将工业磷酸加入反应釜中，边搅拌边加热至110～120℃；
(3)将1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，缓慢搅拌，并持续升温至110～120℃；
(4)待反应溶液清澈透明，将剩余1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，保持温度稳定，继续搅拌至反应溶液呈透明状。
(5)加入50ml水，搅拌加热至110～120℃；
(6)加入硼酸、硅酸粉末，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(7)加入50ml水，加热搅拌至110～120℃；
(8)将轻质氧化镁粉末加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(9)将氧化铜粉末、硫酸铁粉末加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(10)加入100ml水，加热搅拌至110～120℃；
(11)加入EDTA-2Na粉末，继续加热搅拌至反应溶液透明清澈，出料。
优选地，步骤(8)中轻质氧化镁粉末分2～4次，优选为3次加入反应釜中。
本发明还提供了上述磷酸盐粘结剂的应用方法，在使用所述磷酸盐粘结剂时，砂样的成型方式包括：
(1)将所述磷酸盐粘结剂与标准石英砂混合均匀后所得的型砂，采用微波加热固化成型；
(2)将所述磷酸盐粘结剂与标准石英砂混合均匀后所得的型砂，使用射芯机制作标准砂样，采用模具直接加热固化砂样。
优选地，当采用微波加热固化成型时，所述微波功率为1KW。
优选地，当采用模具直接加热固化砂样时，所述模具温度为150℃，射砂时间为2秒。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将进一步阐述本发明的具体实施例。
实施例1
原料配比：
85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末68g、硼酸12g、硅酸4g、轻质氧化镁8g、氧化铜0.25克、硫酸铁0.25克、EDTA-2Na8克、纯净水200g。
制备步骤：
(1)按上述配比称量各组分；
(2)将工业磷酸加入反应釜中，边搅拌边加热至110～120℃；
(3)将1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，缓慢搅拌，并持续升温至110～120℃；
(4)待反应溶液清澈透明，将剩余1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，保持温度稳定，继续搅拌至反应溶液呈透明状。
(5)加入50ml水，搅拌加热至110～120℃；
(6)加入硼酸、硅酸粉末，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(7)加入50ml水，加热搅拌至110～120℃；
(8)将轻质氧化镁粉末分3次加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(9)将氧化铜粉末、硫酸铁粉末加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(10)加入100ml水，加热搅拌至110～120℃；
(11)加入EDTA-2Na粉末，继续加热搅拌至反应溶液透明清澈，出料。
实施例2
原料配比：
85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末68g、硼酸12g、硅酸4g、轻质氧化镁8g，氧化铜0.25克，硫酸铁0.25克，EDTA-2Na12克，纯净水200g。
制备步骤同实施例1。
实施例3
原料配比：
85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末68g、硼酸12g、硅酸4g、轻质氧化镁8g，氧化铜1克，硫酸铁0.25克，EDTA-2Na10克，纯净水200g。
制备步骤同实施例1。
实施例4
原料配比：
85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末68g、硼酸12g、硅酸4g、轻质氧化镁8g，氧化铜2克，硫酸铁0.25克，EDTA-2Na12克，纯净水200g。
制备步骤同实施例1。
制备对比粘结剂
实施例5
原料配比：
85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末68g、硼酸12g、硅酸4g、轻质氧化镁8g，氧化铜0.25克，硫酸铁0.25克，纯净水200g。
制备步骤：
1.将磷酸加入反应釜中，边搅拌边加热至110～120℃；
2.将1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，缓慢搅拌，并持续升温至110～120℃；
3.待反应溶液清澈透明，且温度升至110～120℃，将剩余1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，继续搅拌至反应溶液呈透明状。
4.加入50ml水，加热搅拌至110～120℃；
5.加入硼酸、硅酸粉末，继续加热搅拌至反应溶液透明；
6.加入50ml水，加热搅拌至110～120℃；
7.将轻质氧化镁粉末分3次加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
8.将氧化铜粉末、硫酸铁粉末加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
9.加入100ml水，加热搅拌至110～120℃，出料；
实施例6
原料配比：
85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末68g、硼酸12g、硅酸4g、轻质氧化镁8g，氧化铜1克，硫酸铁0.25克，纯净水200g。
制备步骤同实施例5。
产品测试
使用微波固化制样：
称取500g标准50-100目石英砂，再称取12.5g实施例1～6所得磷酸盐粘结剂(分别记为粘结剂1、2、3、4、5、6)加入500g标准石英砂中，充分搅拌均匀。将搅拌后的砂倒入8字样模具中，使用微波加热，并记录制样时间。
性能测试：测试砂样硬化即时强度与6小时后强度(40％～52％RH恒湿库)并进行对比(每组测试6个样品，取均值)。
测试结果如下表所示：
表1实施例1～6所得粘接剂制备的砂型微波固化性能测试结果
如表1所示，粘结剂6在粘结剂5的基础上仅仅增加氧化铜的含量，在使用微波固化时，砂样的强度提升明显，即时抗拉平均强度由1.29MPa提升至1.49MPa，6h平均抗拉强度由1.13MPa增加至1.28MPa。
粘结剂3在粘结剂6的基础上继续进行EDTA-2Na配合物改性，砂样即时平均抗拉强度达到1.62MPa，6h平均抗拉强度达到1.46MPa，并且砂样固化时间缩短30秒。粘结剂1与粘结剂2在粘结剂5的基础上，进行EDTA-2Na配合物改性，使用微波加热固化，砂样即时平均抗拉强度由1.29MPa提升至1.39Mpa、1.46MPa，6h抗拉平均强度由1.13M提升至1.31MPa、1.39MPa，且砂样固化时间缩短15秒。粘结剂2与粘结剂4采用EDTA-2Na配合物改性，在增加氧化铜的基础上，砂样即时平均抗拉强度可达1.67MPa，6h平均抗拉强度可达1.43MPa。表明EDTA-2Na配合物的改性与适量氧化铜配合使用可达到更佳的使用效果。
使用实验用射芯机制样：
称取800g标准70-140目石英砂，再称取20g磷酸盐粘结剂加入800g标准石英砂中，充分搅拌均匀。将搅拌后的砂倒入射砂筒中，射芯机采用模具直接加热固化砂样，射砂时间2秒，模具温度150℃，并记录制样时间。
性能测试：测试砂样硬化即时强度与24小时后强度(45％～60％RH恒湿库)并进行对比。
测试结果如下表所示：
表2实施例1、2、4、5所得粘接剂制备的砂型加热固化性能测试结果
如表2所示，粘结剂1与粘结剂2在粘结剂5的基础上，进行EDTA-2Na配合物改性，使用射芯机射砂成型，砂样即时平均抗拉强度由1.30MPa提升至1.45Mpa、1.37MPa，即时平均抗弯强度由2.59MPa提升至4.61Mpa、4.99MPa，24小时抗拉强度提升不明显，24h平均抗弯强度由1.18MPa提升至3.23Mpa、3.36MPa，且砂样固化时间最多可缩短120秒。
使用EDTA-2Na配合物改性的粘结剂4，采用射芯机射砂成型，对比粘结剂1、2、5，砂样即时抗拉强度可达到1.51MPa，且砂样固化时间相对于粘结剂5缩短4min，砂样成型效率大幅度提升。表明，粘结剂4所使用的配方可达到最佳使用效果。
结果表明，加热固化与微波固化一样，使用EDTA-2Na配合物改性的粘结剂均可明显提升砂样的强度，缩短砂样固化时间，但微波固化得到的样品即时抗拉强度略高于加热固化。
综上，EDTA-2Na配合物可以明显改善磷酸盐粘结剂的性能，配合适量氧化铜改性后，不仅提升砂样的强度，还可以大幅度缩短砂样固化时间，提升生产效率，节约生产成本，具有非常显著的意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种乙二胺四乙酸二钠改性的磷酸盐粘结剂，其特征在于，包括以下重量份的原料：
工业磷酸：52.46份～52.94份；
氢氧化铝粉末：10.55份～10.65份；
硅酸：0.621份～0.626份；
硼酸：1.863份～1.879份；
轻质氧化镁：1.242份～1.253份；
水：31.04份～31.32份；
氧化铜：0.039份～0.31份；
硫酸铁：0.039份；
EDTA-2Na：1.25份～1.87份。
2.根据权利要求1所述的磷酸盐粘结剂，其特征在于：所述各原料的重量份比例为：
工业磷酸：52.46份；
氢氧化铝粉末：10.55份；
硅酸：0.621份；
硼酸：1.863份；
轻质氧化镁：1.242份；
水：31.04份；
氧化铜：0.31份；
硫酸铁：0.039份；
EDTA-2Na：1.86份。
3.根据权利要求1所述的磷酸盐粘结剂，其特征在于：所述工业磷酸浓度为85％。
4.根据权利要求1所述的磷酸盐粘结剂，其特征在于：所述硅酸、硼酸、氧化铜、硫酸铁、轻质氧化镁与EDTA-2Na均为分析纯。
5.如权利要求1～4任一项所述的磷酸盐粘结剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按比例称量各组分；
(2)将工业磷酸加入反应釜中，边搅拌边加热至110～120℃；
(3)将1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，缓慢搅拌，并持续升温至110～120℃；
(4)待反应溶液清澈透明，将剩余1/2的氢氧化铝粉末加入反应釜中，保持温度稳定，继续搅拌至反应溶液呈透明状；
(5)加入50ml水，搅拌加热至110～120℃；
(6)加入硼酸、硅酸粉末，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(7)加入50ml水，加热搅拌至110～120℃；
(8)将轻质氧化镁粉末加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(9)将氧化铜粉末、硫酸铁粉末加入反应釜中，继续加热搅拌至反应溶液透明；
(10)加入100ml水，加热搅拌至110～120℃；
(11)加入EDTA-2Na粉末，继续加热搅拌至反应溶液透明清澈，出料。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(8)中轻质氧化镁粉末分2～4次加入反应釜中。
7.如权利要求1～4任一项所述的磷酸盐粘结剂的应用，其特征在于，使用所述磷酸盐粘结剂时，砂样的成型方式包括：
(1)将所述磷酸盐粘结剂与标准石英砂混合均匀后所得的型砂，采用微波加热固化成型；
(2)将所述磷酸盐粘结剂与标准石英砂混合均匀后所得的型砂，使用射芯机制作标准砂样，采用模具直接加热固化砂样。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，当采用微波加热固化成型时，所述微波功率为1KW。
9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，当采用模具直接加热固化砂样时，所述模具温度为150℃，射砂时间为2秒。
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