CN110405135A - 一种铸造用新型改性水玻璃及铸造用新型改性水玻璃砂 - Google Patents

一种铸造用新型改性水玻璃及铸造用新型改性水玻璃砂 Download PDF

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Abstract

本发明属于砂型铸造用水玻璃粘结剂的改性技术领域，更详细地说涉及一种铸造用新型改性水玻璃及铸造用新型改性水玻璃砂。一种铸造用新型改性水玻璃是在水玻璃溶液中添加改性剂制得改性水玻璃，再在改性水玻璃中添加憎水剂而制得。憎水剂包括甲基硅醇、甲基硅醇钠、甲基硅醇钾、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、甲基硅酸中的一种或其任意组合；通过添加上述改性剂，能够在提高铸造用新型改性水玻璃砂抗潮性的同时，也达到了改善铸造用新型改性水玻璃砂溃散性效果的目的。同时本发明还提供了铸造用新型改性水玻璃砂。

Description

一种铸造用新型改性水玻璃及铸造用新型改性水玻璃砂
技术领域
本发明属于砂型铸造用水玻璃粘结剂的改性技术领域，更详细地说涉及一种铸造用新型改性水玻璃及铸造用新型改性水玻璃砂。
背景技术
水玻璃作为砂型铸造用无机粘结剂，由于在铸造生产中几乎不存在发气问题，且资源丰富，成本低廉，在铸钢和铸铁生产中被广泛采用。改性水玻璃是把水玻璃改性而制得，现已广泛应用于砂铸工厂的造型、制芯。造型时，改性水玻璃在有机酯固化剂的作用下生成硅凝胶，从而把砂粒粘结成型。但在使用中存在以下致命缺点：
(1)砂型吸潮：由于砂型吸潮而造成砂型强度降低，从而造成各种铸件缺陷，使铸件成品率降低。
(2)砂型溃散性差：铸件落砂、清砂难，旧砂再生难。
由于砂型吸潮及砂型溃散性差，使旧砂再生困难，旧砂中的Na2O残留量升高，当Na2O残留量大于0.5％时，会使砂型强度降低，可使用时间变短；当Na2O残留量大于1％时，型砂无可使用时间，从而导致旧砂全部报废。为此，旧砂必须先用焙烧炉加热后再生，并且在旧砂中补充25％左右的新砂后才能用于造型或制芯，造成了旧砂再生设备成本、生产运行成本的增加。
改性水玻璃砂易吸潮和溃散性差的缺点，不仅造成了铸件成品率的降低，也造成了旧砂再生设备成本、生产运行成本的增加。
原因分析：
砂型吸潮的原因是：改性水玻璃在有机酯固化剂的作用下生成硅凝胶，硅凝胶表面的钠离子能吸附水分子，从而造成砂型吸潮现象。
砂型溃散性差的主要原因是：浇注时，改性水玻璃中的液态SiO2在高温作用下，渗入砂粒表面，冷却后，砂粒间牢固地粘结在一起，导致砂型溃散性差。
发明内容
为了解决背景技术中提到的技术问题，发明人经过长期的实践，提出一种在提高改性水玻璃砂抗潮性的同时，达到改善改性水玻璃砂溃散性效果的铸造用新型改性水玻璃及铸造用新型改性水玻璃砂。
本发明所采用的技术方案包括：
一种铸造用新型改性水玻璃，在改性水玻璃中添加改性剂，所述改性剂包括憎水剂，所述憎水剂是甲基硅醇、甲基硅醇钠、甲基硅醇钾、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、甲基硅酸中的一种或其任意组合。
所述改性水玻璃，是在水玻璃中加入木糖醇或麦芽糖醇为改性剂的水玻璃。本发明是在加入木糖醇或麦芽糖醇为改性剂的水玻璃基础上进行改进的，故称为新型改性水玻璃。
上述的铸造用新型改性水玻璃，所述改性剂还包括硼酸盐、山梨醇、氧化铝粉中的一种或其任意组合。
上述的铸造用新型改性水玻璃，所述改性剂还包括粉煤灰、硅微粉、矿渣粉中的一种或其任意组合。
上述的铸造用新型改性水玻璃，添加的改性剂占所述改性水玻璃的质量百分比为0.5-35％；添加的所述憎水剂的质量占所述改性剂的质量百分比为0.1-30％；添加的所述硼酸盐的质量占所述改性剂的质量百分比为0.5-10％；添加的所述粉煤灰的质量占所述改性剂的质量百分比为1-25％；添加的所述硅微粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-15％；添加的所述矿渣粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-10％；添加的所述氧化铝粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-7％；添加的所述山梨醇的质量占所述改性剂的质量百分比为1-3％。
本发明还提供一种铸造用新型改性水玻璃的制备方法，下面以湿法生产铸造用改性水玻璃的方法为例，来阐述铸造用新型改性水玻璃的制备过程，包括以下步骤：
S1，以工业用NaOH、KOH、石英粉(SiO2含量≥98％)、水为原料，其质量百分比为：NaOH 1-27％，KOH 0-31％，石英粉20-32％，水(包括加热时蒸汽带入的水)余量。
将上述原料按质量配比称量并搅拌均匀后加入到反应釜中；
S2，将S1中的混合原料加热到160-168℃，保温2-3小时；然后升温到178-218℃，保温4-6小时，泄压至0.3Mpa,用余压把物料打入冷却罐，冷却至50-70℃；用固液分离器将未反应物分离，得到澄清液体；
S3，将S2得到的澄清液体吸入水玻璃罐，自然沉淀48-72小时，从水玻璃罐的底部放掉浑浊水玻璃，得到透明的水玻璃液体；
S4，向S3得到的透明水玻璃液体中加入NaOH或KOH，用以调节SiO2、Na2O或K2O的质量百分比，得到水玻璃碱液；
S5，向S4得到的水玻璃碱液中加入木糖醇或麦芽糖醇改性剂，制得改性水玻璃。
S6，向S5得到的改性水玻璃中，按照上述铸造用新型改性水玻璃中所述改性剂的质量百分比，加入甲基硅醇、甲基硅醇钠、甲基硅醇钾、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、甲基硅酸、硼酸盐、山梨醇、氧化铝粉、粉煤灰、硅微粉、矿渣粉中的一种或其任意组合，充分搅拌均匀得到SiO2 23-31％、K2O 0.5-28％、Na2O9-21％、改性剂0.5-35％、水余量的铸造用新型改性水玻璃。
本发明还提供一种铸造用新型改性水玻璃砂，所述铸造用新型改性水玻璃砂可以用上述的铸造用新型改性水玻璃、有机酯、石英砂混合制得，也可以用上述的铸造用新型改性水玻璃中所述改性剂中的一种或多种，与改性水玻璃、有机酯、石英砂混合制得。即：用以制作铸造用新型改性水玻璃的改性剂，可以在制作铸造用新型改性水玻璃时加入，也可以在混制改性水玻璃砂时加入。
本发明的技术效果如下：
铸造用新型改性水玻璃，憎水剂的加入不但能够防潮，而且还能够增强砂型的强度，相对地减少了新型改性水玻璃的加入量，从而使砂型的溃散性得到提高；再者，由于憎水剂的加入，产生的抗吸湿性功能的拒水高分子膜或憎水化合物包裹在砂粒表面，阻挡了改性水玻璃中液态SiO2渗入砂粒表面，当铸件浇注时，此拒水高分子膜或憎水化合物在高温的作用下脆化或碳化，使砂粒间能很容易分离，从而使砂型具有了很好的溃散性。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
一种铸造用新型改性水玻璃，在改性水玻璃中添加改性剂，所述改性剂包括憎水剂，所述憎水剂是甲基硅醇、甲基硅醇钠、甲基硅醇钾、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、甲基硅酸中的一种或其任意组合。
往改性水玻璃中加入憎水剂，能够提高改性水玻璃的抗潮性。
往改性水玻璃中加入有机硅(主要成份甲基硅酸钠、甲基硅酸钾)：
有机硅在水和空气中CO2及弱酸性的有机酯的作用下生成甲基硅醇，甲基硅醇进一步结合并与改性水玻璃起化学反应，在砂粒表面生成一层几个分子厚的不溶性的防水高分子化合物——网状的有机硅树脂膜，所述网状的有机硅树脂膜具有防水、防渗、防潮的优点。另一方面，甲基硅醇与硅凝胶表面的钠离子、钾离子反应生成甲基硅醇钠、甲基硅醇钾，减少了硅凝胶表面吸水的钠离子的同时，甲基硅醇钠、甲基硅醇钾在水、空气中CO2作用下，生成甲基硅醇，甲基硅醇中的硅醇基与改性水玻璃中的硅醇基反应脱水交联，使其表面键合上烃基，也可以得到结构相同的有机硅树脂膜，也具有了防水、防渗、防潮的优点。此外，憎水的有机硅树脂膜包覆在砂粒表面，大大减小了粘结剂中金属钠离子与水分子接触而形成水合分子的机会，也从而使型砂的抗湿性得到明显的改善。
往改性水玻璃中加入甲基硅酸钠，甲基硅酸钠分子结构中的硅醇基与改性水玻璃中的硅醇基反应脱水交联，从而实现“反毛细管效应”形成憎水层，该憎水层能够提高改性水玻璃的抗潮性。
往改性水玻璃中加入甲基硅酸钾，甲基硅酸钾主要由钾和甲基氨烷化合的碱性水溶液构成，可与空气中的CO2反应，形成活性物质聚甲基硅酸，在砂粒表面形成一层不能溶解的网状防水透气膜，产生防水性能。
往改性水玻璃中加入甲基硅酸或甲基硅醇，甲基硅酸或甲基硅醇与硅凝胶表面的钠离子或钾离子反应，生成甲基硅酸钠、甲基硅酸钾或甲基硅醇钠、甲基硅醇钾，也具有了甲基硅酸钠、甲基硅酸钾或甲基硅醇钠、甲基硅醇钾的防水效果。
上述的铸造用新型改性水玻璃，所述改性剂还包括硼酸盐、山梨醇、氧化铝粉中的一种或其任意组合。
在改性水玻璃中加入硼酸盐、山梨醇、氧化铝粉三者之中的一种或者任意之间的组合，能够减少改性水玻璃粘结剂中钠离子的数量，对粘结剂的网状硅胶进行络合反应，从结构上提高粘结体系的致密性，提高改性水玻璃砂的抗潮性，而且能提供多余的负电荷，吸附Na+离子，减少与水分子的结合，从而也提高了抗潮性。
在改性水玻璃中加入少量硼酸盐等表面活性剂，硼酸盐能与水玻璃形成[BO4]、[SiO4]复合络合物形成硼的络合物，[BO4]可吸附阳离子，减少钠离子的迁移，使改性水玻璃的抗吸湿性得到改善。所述络合物在改性水玻璃溶液中能稳定存在，不但能使砂型、砂芯强度得到提高，而且还可以使改性水玻璃砂的抗潮能力得到提高。
通过添加硼酸盐等络合剂，可提高改性水玻璃粘结膜的致密度，在提高改性水玻璃砂抗潮性的同时，也提高了改性水玻璃砂的强度。
上述的铸造用新型改性水玻璃，所述改性剂还包括煤灰、硅微粉、矿渣粉中的一种或其任意组合。
在改性水玻璃中加入粉煤灰、硅微粉、矿渣粉中的一种或其任意组合，主要是基于减少改性水玻璃中对改性水玻璃粘结桥攻击的水的含量，通过添加粉煤灰、硅微粉、矿渣粉对改性水玻璃进行复合改性，利用其水化反应的强吸水性，吸收改性水玻璃中的残留水分，在提高改性水玻璃砂强度的同时，大大增强了改性水玻璃砂的抗潮性。粉煤灰、硅微粉和碱渣一起做胶凝材料可以加快其水化反应速度，并使强度增高，改性水玻璃的强碱性可以使粉煤灰活化，通过加入粒化矿渣等材料可以使水化反应提前进行。通过加入碱渣，利用碱渣发生的集料反应，转变为高粘强度、非水溶性的水合铝酸钙和水合硅酸钙，降低改性水玻璃砂中水分含量，减少硅胶的吸水量，并能提高改性水玻璃砂强度。
在改性水玻璃中，加入甲基硅醇、甲基硅醇钠、甲基硅醇钾、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、甲基硅酸、硼酸盐、山梨醇、氧化铝粉、粉煤灰、硅微粉、碱渣中的一种或多种改性剂，使改性水玻璃具有抗吸湿性的同时也增强了砂型强度，使改性水玻璃的加入量降低，提高了砂型的溃散性。加入憎水剂后产生抗吸湿性功能的拒水高分子膜或憎水化合物包裹在砂粒表面，阻挡了改性水玻璃中液态SiO2渗入砂粒表面。当铸件浇注时，此拒水高分子膜或憎水化合物在高温的作用下脆化或碳化，使砂粒间能很容易分离，从而使砂型具有了很好的溃散性。
此外，发明人经过长期实践得出：在改性水玻璃中加入的改性剂采用以下质量百分比，使铸造用新型改性水玻璃砂达到的抗潮性和较好的溃散性效果最佳：
添加的改性剂占改性水玻璃的质量百分比为0.5-35％；添加的所述憎水剂的质量占所述改性剂的质量百分比为0.1-30％；添加的所述硼酸盐的质量占所述改性剂的质量百分比为0.5-10％；添加的所述粉煤灰的质量占所述改性剂的质量百分比为1-25％；添加的所述硅微粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-15％；添加的所述矿渣粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-10％；添加的所述氧化铝粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-7％；添加的所述山梨醇的质量占所述改性剂的质量百分比为1-3％。
本发明还提供了一种铸造用新型改性水玻璃的制备方法，包括以下步骤：
S1，以工业用NaOH、KOH、石英粉(SiO2含量≥98％)、水为原料，其质量百分比为：NaOH 1-27％，KOH 0-31％，石英粉20-32％，水(包括加热时蒸汽带入的水)余量。
将上述原料按质量配比称量后加入到反应釜中；
S2，将S1中的混合原料加热到160-168℃，保温2-3小时；然后升温到178-218℃，保温4-6小时，泄压至0.3Mpa,用余压把物料打入冷却罐，冷却至50-70℃；用固液分离器将未反应物分离，得到澄清液体；
S3，将S2中澄清液体吸入水玻璃罐，自然沉淀48-72小时，从水玻璃罐的底部放掉浑浊水玻璃，得到透明的水玻璃液体；
S4，向S3得到的透明水玻璃液体中加入NaOH或KOH，用以调节SiO2、Na2O或K2O的质量百分比，得到水玻璃碱液；
S5，向S4得到的水玻璃碱液中加入木糖醇或麦芽糖醇改性剂，制得改性水玻璃。
S6，向S5得到的改性水玻璃中，按照上述铸造用新型改性水玻璃中所述改性剂的质量百分比，加入甲基硅醇、甲基硅醇钠、甲基硅醇钾、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、甲基硅酸、硼酸盐、山梨醇、氧化铝粉、粉煤灰、硅微粉、矿渣粉中的一种或其任意组合，充分搅拌均匀得到SiO2 23-31％、K2O 0.5-28％、Na2O9-21％、改性剂0.5-35％、水余量的铸造用新型改性水玻璃。
此外，本发明还提供一种铸造用新型改性水玻璃砂，所述铸造用新型改性水玻璃砂可以用上述的铸造用新型改性水玻璃、有机酯、石英砂混合制得，也可以用上述的铸造用新型改性水玻璃中所述改性剂中的一种或多种，与改性水玻璃、有机酯、石英砂混合制得。
在石英砂中加入2.6％的新型改性水玻璃(占石英砂重)，16％的有机酯(占新型改性水玻璃重)而混制的8字型砂样，其24h抗拉强度可达0.42MPa,72h抗湿强度为0.41MPa,1000℃残留强度为0.08MPa，铸造用新型改性水玻璃砂具有很高的强度、很好的抗潮性和更高的溃散性。
当铸造用新型改性水玻璃砂具有了抗潮性和高溃散性后，铸造用新型改性水玻璃砂不用焙烧炉加热，用机械法可直接再生，再生砂Na2O残留量小于0.5％；再生砂中除粉尘及烧结砂外，其余会全部回用，回用率达到90％左右，只需往再生砂中补充10％左右的新砂即可，以维持整个砂量的平衡。
铸造用新型改性水玻璃砂克服了改性水玻璃砂易吸潮和溃散性差的缺点，不仅使铸件的成品率得到了提高，也使旧砂再生设备成本和生产运行成本得到了降低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种铸造用新型改性水玻璃，其特征在于，在改性水玻璃中添加改性剂，所述改性剂包括憎水剂，所述憎水剂是甲基硅醇、甲基硅醇钠、甲基硅醇钾、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、甲基硅酸中的一种或其任意组合。
2.根据权利要求1所述的铸造用新型改性水玻璃，其特征在于，所述改性剂还包括硼酸盐、山梨醇、氧化铝粉中的一种或其任意组合。
3.根据权利要求2所述的铸造用新型改性水玻璃，其特征在于，所述改性剂还包括粉煤灰、硅微粉、矿渣粉中的一种或其任意组合。
4.根据权利要求3所述的铸造用新型改性水玻璃，其特征在于，添加的改性剂占所述改性水玻璃的质量百分比为0.5-35％；添加的所述憎水剂的质量占所述改性剂的质量百分比为0.1-30％；添加的所述硼酸盐的质量占所述改性剂的质量百分比为0.5-10％；添加的所述粉煤灰的质量占所述改性剂的质量百分比为1-25％；添加的所述硅微粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-15％；添加的所述矿渣粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-10％；添加的所述氧化铝粉的质量占所述改性剂的质量百分比为1-7％；添加的所述山梨醇的质量占所述改性剂的质量百分比为1-3％。
5.一种铸造用新型改性水玻璃砂，其特征在于，所述铸造用新型改性水玻璃砂是用权利要求1至权利要求4任一项所述的铸造用新型改性水玻璃、有机酯、石英砂混合而制得。
6.一种铸造用新型改性水玻璃砂，其特征在于，所述铸造用新型改性水玻璃砂是用权利要求1至权利要求4任一项所述的铸造用新型改性水玻璃中的所述改性剂中的一种或多种，与改性水玻璃、有机酯、石英砂混合而制得。
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