CN110653334A - 一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，制备方法如下：1）采用乙烯基硅烷和纳米硅溶胶制得乙烯基化纳米硅；2）制备聚丙烯酸丁酯；3）利用聚丙烯酸丁酯、季戊四醇四巯基丙酸酯、偶氮二异丁腈、四氢呋喃和乙烯基化纳米硅，制得活性聚合物功能化纳米硅；4）将配置的溶液A溶液B混合，加入甲酰胺制得溶胶；5）将陶瓷纤维、聚乙烯吡咯烷酮与制备的原料混合得到功能性溶胶液，再与刚玉粉、润湿剂、消泡剂和溶剂混合即可获得溶胶涂料。该溶胶涂料可以提高铸造涂料在基底表面形成的涂层的致密性和光滑性，避免金属液在浇铸和凝固过程中发生渗透，减少铸件出现粘砂，而且可以减少金属液向铸型辐射的热量，减少夹砂缺陷的产生。

Description

一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料。

背景技术

铸造涂料是铸造过程中覆盖在型芯表面以改善其表面耐火性、化学稳定性、抗金属液冲刷性、抗粘砂性等性能的铸造辅助材料。铸造涂料是重力型金属铸造的基础涂料，适用于金属模具，其颗粒相对较粗，但绝热性能好，可防止铸造时铸件缺肉和冷隔，适用于细薄截面铸件和大平面铸件，也适用于供料口、轮毂、活塞、连杆、气缸等。铸造生产中，砂型铸造涂料量大、面广，应用广泛。

目前，铸造涂料一般以微晶石墨粉和鳞片石墨粉为基本耐火材料，能有效防止由金属渗透产生的粘砂缺陷，但是石墨粉涂料呈黑色，在制备和使用时严重污染工作环境，恶化劳动条件，而且石墨粉在高温作用下还会氧化，使涂层强度和抗金属液冲刷性能降低，例如中国专利CN2018105626325公开的一种石墨铸造涂料。近年来，采用价格低廉的铝矾土粉、石英粉、莫来石粉、镁砂粉等浅色耐火材料研制出几种铸造涂料，但是这类涂料不能同时适用于壁厚的大铸件和壁薄的小铸件，或不能同时适应浇铸温度高和浇铸温度低的铸件，使得烧结剥离性适应范围窄，限制了这类铸造涂料的应用。而且目前，铸造涂料大多采用单一的添加耐火材料的方式提高涂料的耐高温性，导致防粘砂、冲砂的效果并不理想，无法满足需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，具体制备方法如下：

1）将平均粒径为80-100nm的纳米硅溶胶加入到反应器中，加入体积比为1:1的无水乙醇和去离子水组成的混合液，在300-400W超声波下分散处理30-50min，得到固体质量分数为30-35%的纳米硅溶胶液，然后将反应器置于60-80℃水浴箱中，在转速为150-200r/min下缓慢加入纳米硅溶胶液重量10-13%的乙烯基硅烷溶液，恒温搅拌4-5h，将搅拌后的产物置于120-130℃真空干燥箱中恒温干燥4-7h，得到乙烯基化纳米硅；通过对纳米硅进行乙烯基化处理，可以提高纳米硅的分散性，避免出现团聚，而且经过乙烯基化处理，可以提高纳米硅与活性聚合物得到接枝率，从而可以提高活性聚合物功能化纳米硅的产率，同时经乙烯基化处理的纳米硅可以提高铸造涂料涂层的交联度，有助于提高涂层的致密性；

2）按照质量体积比为1g：3-5mg：30-35ml，将单体丙烯酸丁酯、偶氮二异丁腈、四氢呋喃加入到容器中，在氮气保护下加热至60-70℃，恒温反应5-6h，待反应结束后进行浓缩，然后在45-55℃真空烘箱中干燥3-5h，得到聚丙烯酸丁酯；

3）按照质量体积比为1g：5-9mg：3-4mg：35-40ml，将聚丙烯酸丁酯粉末、季戊四醇四巯基丙酸酯、偶氮二异丁腈和四氢呋喃加入到反应器中，然后加入与聚丙烯酸丁酯的质量比为1:1.3-1.8的乙烯基化纳米硅，在氮气保护下加热至70-80℃，加热反应4-6h，待反应结束后进行浓缩，然后在50-60℃真空烘箱中干燥8-13h，得到活性聚合物功能化纳米硅；通过将活性聚合物聚丙烯酸丁酯与乙烯基化纳米硅进行接枝聚合，利用活性聚合物携带的富余双键及乙烯基化纳米硅携带的富余双键与多巯基小分子进行巯基-烯烃化学反应并接枝，使得活性聚合物成功接枝到乙烯基化纳米硅表面，从而使得乙烯基化纳米硅可以降低铸造涂料的表面能，从而可以提高涂层与基底的结合力；

4）按照体积比为18-23:1，将冰醋酸和去离子水混合，加入适量的醋酸钡和醋酸锶粉末，在50-70℃下以80-150r/min搅拌20-30min，制得溶液A，溶液A中醋酸锶和醋酸钡的质量分数为1.5-3.2%和1.2-2.8%，然后按照摩尔比为1:2-2.5，将钛酸四正丁酯和乙酰丙酮混合制得的溶液B，在按照体积比为1:8-13，将溶液B加入到溶液A中，在加入过程中伴有100-150r/min的搅拌，待溶液充分混合后加入体系总重量1.0-1.5%的甲酰胺，在室温下以50-80r/min的转速搅拌6-10h，然后室温下静置直至完全陈化，得到溶胶备用；通过添加醋酸钡和醋酸锶，在溶胶形成游离得到钡离子和锶离子，由于浇铸使用的金属液温度高，钡、锶离子在高温下被氧化逐渐转转化为氧化物晶粒，涂层中的晶粒孔隙在剪切力的作用下不断减小，使得氧化物晶粒变得越来越致密，使得涂层的致密性得到提高，从而可以防止金属液的渗透，避免铸件出现粘砂现象；添加的甲酰胺可以使涂层在金属液浇铸和凝固过程中保持很好的光滑性；

5）将溶胶液重量15-23%的聚乙烯吡咯烷酮粉末加入到溶胶液中，再加入溶胶液重量6-9%的活性聚合物功能化纳米硅和溶胶液重量10-15%的陶瓷纤维，陶瓷纤维的直径为3-5um，在室温条件下，以100-130r/min搅拌5-7h，然后在5-15℃干燥环境下静置30-40h，得到功能性溶胶液，然后将占功能性溶胶液的质量百分数为2-6%的刚玉粉、占功能性溶胶液的质量百分比为0.5-0.8%的正辛醇、占功能性溶胶液的质量百分比为1-2%的脂肪醇聚氧乙烯醚以及适量的溶剂与功能性溶胶液混合搅拌，即可获得粘度为45-50η/s的溶胶涂料；添加的聚乙烯吡咯烷酮作为粘接剂可提高涂层与基底之间的结合力；添加的陶瓷纤维具有很好得到隔热性，可以减缓涂层中有机物的脱水分解，从而减少涂层中因气体挥发产生的气孔，同时还可以降低涂层因受热变形与基底之间产生的层间应力，从而可以使涂层具有很好的完整性和光滑性，有助于提高铸件表面的平整光滑；添加的刚玉粉可以使溶胶涂料在维持很好的悬浮稳定性的前提下，流平性得到提高，可以起到使溶胶涂料的悬浮稳定性和流平性处于平衡。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明提供的溶胶涂料可以在基底表面形成致密光滑的涂层，可以避免金属液在浇铸和凝固过程中发生渗透，从而可以减少铸件出现粘砂现象，而且溶胶涂料中含有的钡、锶离子在高温下转化成氧化物晶粒，在转化过程中会消耗浇铸的金属液中携带的大量热量，从而可以减少向铸型辐射的热量，可以减少夹砂缺陷的产生。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，具体制备方法如下：

1）将平均粒径为80nm的纳米硅溶胶加入到反应器中，加入体积比为1:1的无水乙醇和去离子水组成的混合液，在300W超声波下分散处理50min，得到固体质量分数为30%的纳米硅溶胶液，然后将反应器置于60℃水浴箱中，在转速为150r/min下缓慢加入纳米硅溶胶液重量10%的乙烯基硅烷溶液，恒温搅拌5h，将搅拌后的产物置于120℃真空干燥箱中恒温干燥7h，得到乙烯基化纳米硅；

2）按照质量体积比为1g：3mg：30ml，将单体丙烯酸丁酯、偶氮二异丁腈、四氢呋喃加入到容器中，在氮气保护下加热至60℃，恒温反应6h，待反应结束后进行浓缩，然后在45℃真空烘箱中干燥5h，得到聚丙烯酸丁酯；

3）按照质量体积比为1g：5mg：3mg：35ml，将聚丙烯酸丁酯粉末、季戊四醇四巯基丙酸酯、偶氮二异丁腈和四氢呋喃加入到反应器中，然后加入与聚丙烯酸丁酯的质量比为1:1.3的乙烯基化纳米硅，在氮气保护下加热至70℃，加热反应6h，待反应结束后进行浓缩，然后在50℃真空烘箱中干燥13h，得到活性聚合物功能化纳米硅；

4）按照体积比为18:1，将冰醋酸和去离子水混合，加入适量的醋酸钡和醋酸锶粉末，在50℃下以80r/min搅拌30min，制得溶液A，溶液A中醋酸锶和醋酸钡的质量分数为1.5%和1.2%，然后按照摩尔比为1:2，将钛酸四正丁酯和乙酰丙酮混合制得的溶液B，在按照体积比为1:8，将溶液B加入到溶液A中，在加入过程中伴有100r/min的搅拌，待溶液充分混合后加入体系总重量1%的甲酰胺，在室温下以50r/min的转速搅拌10h，然后室温下静置直至完全陈化，得到溶胶备用；

5）将溶胶液重量15%的聚乙烯吡咯烷酮粉末加入到溶胶液中，再加入溶胶液重量6%的活性聚合物功能化纳米硅和溶胶液重量10%的陶瓷纤维，陶瓷纤维的直径为3um，在室温条件下，以100r/min搅拌7h，然后在5℃干燥环境下静置40h，得到功能性溶胶液，然后将占功能性溶胶液的质量百分数为2%的刚玉粉、占功能性溶胶液的质量百分比为0.5%的正辛醇、占功能性溶胶液的质量百分比为1%的脂肪醇聚氧乙烯醚以及适量的甲醇与功能性溶胶液混合搅拌，即可获得粘度为45η/s的溶胶涂料。

本实施例提供的溶胶涂料静置一周后未出现沉淀现象，铸造65-200水泵叶轮时使用该溶胶涂料，浇铸温度为1500℃，共浇铸100件，得到的铸件表面均光滑平整，未出现粘砂、夹砂缺陷的铸件，未出现气孔缺陷的铸件。

实施例2

一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，具体制备方法如下：

1）将平均粒径为90nm的纳米硅溶胶加入到反应器中，加入体积比为1:1的无水乙醇和去离子水组成的混合液，在350W超声波下分散处理40min，得到固体质量分数为32%的纳米硅溶胶液，然后将反应器置于70℃水浴箱中，在转速为180r/min下缓慢加入纳米硅溶胶液重量12%的乙烯基硅烷溶液，恒温搅拌4.5h，将搅拌后的产物置于125℃真空干燥箱中恒温干燥5h，得到乙烯基化纳米硅；

2）按照质量体积比为1g：4mg：32ml，将单体丙烯酸丁酯、偶氮二异丁腈、四氢呋喃加入到容器中，在氮气保护下加热至65℃，恒温反应5.5h，待反应结束后进行浓缩，然后在50℃真空烘箱中干燥4h，得到聚丙烯酸丁酯；

3）按照质量体积比为1g：6mg：3.2mg：37ml，将聚丙烯酸丁酯粉末、季戊四醇四巯基丙酸酯、偶氮二异丁腈和四氢呋喃加入到反应器中，然后加入与聚丙烯酸丁酯的质量比为1:1.6的乙烯基化纳米硅，在氮气保护下加热至75℃，加热反应5h，待反应结束后进行浓缩，然后在53℃真空烘箱中干燥10h，得到活性聚合物功能化纳米硅；

4）按照体积比为21:1，将冰醋酸和去离子水混合，加入适量的醋酸钡和醋酸锶粉末，在60℃下以110r/min搅拌25min，制得溶液A，溶液A中醋酸锶和醋酸钡的质量分数为2.5%和2.0%，然后按照摩尔比为1:2.3，将钛酸四正丁酯和乙酰丙酮混合制得的溶液B，在按照体积比为1:10，将溶液B加入到溶液A中，在加入过程中伴有125r/min的搅拌，待溶液充分混合后加入体系总重量1.2%的甲酰胺，在室温下以70r/min的转速搅拌8h，然后室温下静置直至完全陈化，得到溶胶备用；

5）将溶胶液重量20%的聚乙烯吡咯烷酮粉末加入到溶胶液中，再加入溶胶液重量7%的活性聚合物功能化纳米硅和溶胶液重量12%的陶瓷纤维，陶瓷纤维的直径为4um，在室温条件下，以110r/min搅拌6h，然后在10℃干燥环境下静置35h，得到功能性溶胶液，然后将占功能性溶胶液的质量百分数为5%的刚玉粉、占功能性溶胶液的质量百分比为0.7%的正辛醇、占功能性溶胶液的质量百分比为1.5%的脂肪醇聚氧乙烯醚以及适量的乙醇与功能性溶胶液混合搅拌，即可获得粘度为47η/s的溶胶涂料。

本实施例提供的溶胶涂料静置一周后未出现沉淀现象，铸造65-200水泵叶轮时使用该溶胶涂料，浇铸温度为1520℃，共浇铸100件，得到的铸件表面均光滑平整，未出现粘砂、夹砂缺陷的铸件，有气孔缺陷的铸件1个。

实施例3

一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，具体制备方法如下：

1）将平均粒径为100nm的纳米硅溶胶加入到反应器中，加入体积比为1:1的无水乙醇和去离子水组成的混合液，在400W超声波下分散处理30min，得到固体质量分数为35%的纳米硅溶胶液，然后将反应器置于80℃水浴箱中，在转速为200r/min下缓慢加入纳米硅溶胶液重量13%的乙烯基硅烷溶液，恒温搅拌4h，将搅拌后的产物置于130℃真空干燥箱中恒温干燥4h，得到乙烯基化纳米硅；

2）按照质量体积比为1g：5mg：35ml，将单体丙烯酸丁酯、偶氮二异丁腈、四氢呋喃加入到容器中，在氮气保护下加热至70℃，恒温反应5h，待反应结束后进行浓缩，然后在55℃真空烘箱中干燥3h，得到聚丙烯酸丁酯；

3）按照质量体积比为1g：9mg：4mg：40ml，将聚丙烯酸丁酯粉末、季戊四醇四巯基丙酸酯、偶氮二异丁腈和四氢呋喃加入到反应器中，然后加入与聚丙烯酸丁酯的质量比为1:1.8的乙烯基化纳米硅，在氮气保护下加热至80℃，加热反应4h，待反应结束后进行浓缩，然后在60℃真空烘箱中干燥8h，得到活性聚合物功能化纳米硅；

4）按照体积比为23:1，将冰醋酸和去离子水混合，加入适量的醋酸钡和醋酸锶粉末，在70℃下以150r/min搅拌20min，制得溶液A，溶液A中醋酸锶和醋酸钡的质量分数为3.2%和2.8%，然后按照摩尔比为1:2.5，将钛酸四正丁酯和乙酰丙酮混合制得的溶液B，在按照体积比为1:13，将溶液B加入到溶液A中，在加入过程中伴有150r/min的搅拌，待溶液充分混合后加入体系总重量1.5%的甲酰胺，在室温下以80r/min的转速搅拌6h，然后室温下静置直至完全陈化，得到溶胶备用；

5）将溶胶液重量23%的聚乙烯吡咯烷酮粉末加入到溶胶液中，再加入溶胶液重量9%的活性聚合物功能化纳米硅和溶胶液重量15%的陶瓷纤维，陶瓷纤维的直径为5um，在室温条件下，以130r/min搅拌5h，然后在15℃干燥环境下静置30h，得到功能性溶胶液，然后将占功能性溶胶液的质量百分数为6%的刚玉粉、占功能性溶胶液的质量百分比为0.8%的正辛醇、占功能性溶胶液的质量百分比为2%的脂肪醇聚氧乙烯醚以及适量的丙醇与功能性溶胶液混合搅拌，即可获得粘度为50η/s的溶胶涂料。

本实施例提供的溶胶涂料静置一周后未出现沉淀现象，铸造65-200水泵叶轮时使用该溶胶涂料，浇铸温度为1550℃，共浇铸100件，得到的铸件表面均光滑平整，存在粘砂、夹砂缺陷的铸件1个，有气孔缺陷的铸件1个。

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，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，其特征在于，具体制备方法如下：

1）将纳米硅溶胶加入到反应器中，加入适量的无水乙醇和去离子水组成的混合液，在300-400W超声波下分散处理30-50min，得到纳米硅溶胶液，然后将反应器置于60-80℃水浴箱中，在转速为150-200r/min下缓慢加入乙烯基硅烷溶液，恒温搅拌4-5h，将搅拌后的产物置于120-130℃真空干燥箱中恒温干燥4-7h，得到乙烯基化纳米硅；

2）将单体丙烯酸丁酯、偶氮二异丁腈、四氢呋喃加入到容器中，在氮气保护下加热至60-70℃，恒温反应5-6h，待反应结束后进行浓缩，然后在45-55℃真空烘箱中干燥3-5h，得到聚丙烯酸丁酯；

3）将聚丙烯酸丁酯粉末、季戊四醇四巯基丙酸酯、偶氮二异丁腈和四氢呋喃加入到反应器中，然后加入乙烯基化纳米硅，在氮气保护下加热至70-80℃，加热反应4-6h，待反应结束后进行浓缩，然后在50-60℃真空烘箱中干燥8-13h，得到活性聚合物功能化纳米硅；

4）将冰醋酸和去离子水混合，加入适量的醋酸钡和醋酸锶粉末，在50-70℃下以80-150r/min搅拌20-30min制得溶液A，然后将钛酸四正丁酯和乙酰丙酮混合制得的溶液B加入到溶液A中，在加入过程中伴有100-150r/min的搅拌，待溶液充分混合后加入少量的甲酰胺，在室温下以50-80r/min的转速搅拌6-10h，然后室温下静置直至完全陈化，得到溶胶备用；

5）将聚乙烯吡咯烷酮粉末加入到溶胶液中，再加入活性聚合物功能化纳米硅以及陶瓷纤维，在室温条件下，以100-130r/min搅拌5-7h，然后在5-15℃干燥环境下静置30-40h，将得到的功能性溶胶液与刚玉粉、润湿剂、消泡剂和溶剂混合搅拌，即可获得溶胶涂料。

2.如权利要求1所述的一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，其特征在于，制备步骤1）中，所述混合液中，无水乙醇和去离子水的体积比为1:1；所述纳米硅溶胶液中，纳米硅的固体质量分数为30-35%，平均粒径为80-100nm；所述乙烯基硅烷溶液的用量为纳米硅溶胶液重量的10-13%。

3.如权利要求1所述的一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，其特征在于，制备步骤2）中，所述单体丙烯酸丁酯、偶氮二异丁腈、四氢呋喃的质量体积比为1g：3-5mg：30-35ml。

4.如权利要求1所述的一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，其特征在于，制备步骤3）中，所述聚丙烯酸丁酯粉末、季戊四醇四巯基丙酸酯、偶氮二异丁腈和四氢呋喃的质量体积比为1g：5-9mg：3-4mg：35-40ml；所述乙烯基化纳米硅的用量与聚丙烯酸丁酯的质量比为1:1.3-1.8。

5.如权利要求1所述的一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，其特征在于，制备步骤4）中，所述冰醋酸与去离子水的体积比为18-23:1；所述醋酸锶和醋酸钡在溶液A中的质量分数为1.5-3.2%和1.2-2.8%；所述溶液B中钛酸四正丁酯和乙酰丙酮的摩尔比为1:2-2.5，溶液B与溶液A的体积比为1:8-13；所述甲酰胺的用量为体系总重量的1.0-1.5%。

6.如权利要求1所述的一种用于砂型铸造的功能性溶胶涂料，其特征在于，制备步骤5）中，所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为溶胶液重量的15-23%，活性聚合物功能化纳米硅的添加量为溶胶液重量的6-9%，陶瓷纤维的直径为3-5um，添加量为溶胶液重量的10-15%；所述溶胶涂料的粘度为45-50η/s，刚玉粉占功能性溶胶液的质量百分数为2-6%，消泡剂为正辛醇，占功能性溶胶液的质量百分比为0.5-0.8%，润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，占功能性溶胶液的质量百分比为1-2%，溶剂为甲醇、乙醇或丙醇中至少一种。