CN111112550B - 一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂及其制备方法、浆料 - Google Patents

Abstract

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂及其制备方法、浆料，其中硅溶胶粘合剂包括：碱性硅溶胶；增强剂，增强剂为可溶性高聚物，可溶性高聚物的分子量为6万至10万；交联剂；稳定剂，稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂；其中，碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为10％～15％；碱性硅溶胶占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为30％～50％；增强剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1％～3％；交联剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.2％～5.4％；稳定剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.5％～2.7％。所述硅溶胶粘合剂的性能得到提高。

Description

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂及其制备方法、浆料

技术领域

本发明涉及熔模铸造技术领域，尤其涉及一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂及其制备方法、浆料。

背景技术：

硅溶胶是二氧化硅微粒在水中均匀分布的胶体溶液，是一种无机高分子粘结剂，广泛的应用到不同的工业领域中。例如，在精密铸造工业中熔模铸造采用的蜡模型壳，硅溶胶用作蜡模型壳的粘结剂。然而，通常的硅溶胶用作的粘结剂干燥速度慢，制备的蜡模型壳湿强度低，在搬运和涂挂的过程中蜡模型壳非常容易受到损坏，且制壳效率低。

目前，实际应用过程中需要其进行改性处理，以提高硅溶胶的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂及其制备方法、浆料，以提高硅溶胶粘合剂的性能。

为了解决上述问题，本发明提供一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂，包括：碱性硅溶胶；增强剂，所述增强剂为可溶性高聚物，所述可溶性高聚物的分子量为6万至10万；交联剂；稳定剂，所述稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂；其中，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为10％～15％；所述碱性硅溶胶占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为30％～50％；所述增强剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1％～3％；所述交联剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.2％～5.4％；所述稳定剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.5％～2.7％。

可选的，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为11％～12％。

可选的，所述交联剂与所述增强剂的质量比为1.2～1.8。

可选的，所述可溶性高聚物为聚乙烯醇、聚乙烯醇树脂、水性聚氨酯树脂、苯乙烯丁二烯的共聚物中的一种或者几种的粘合。

可选的，所述交联剂为正硅酸乙酯、碳酸锆铵、聚丙二醇中的任意一种。

可选的，所述水分稳定剂包括羟基纤维素；所述pH稳定剂包括季铵碱。

可选的，所述羟基纤维素包括羟甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基纤维素。

可选的，所述季铵碱包括四甲基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵或四乙基氢氧化铵。

相应的，本实施例还包括一种配制钛合金熔模铸造用的浆料，包括上述任意一项所述的粘合剂、和Y₂O₃粉体，所述Y₂O₃粉体均匀分布在硅溶胶粘合剂中。

相应的，本发明还提供一种制造上述任意一项所述的熔模铸造用硅溶胶粘合剂的方法，包括：配制碱性硅溶胶，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为10％～15％；配制交联剂溶液；配制增强剂溶液，所述增强剂溶液中增强剂为可溶性高聚物，所述可溶性高聚物的分子量为6万至10万；配制稳定剂溶液，所述稳定剂溶液中的稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂；将所述碱性硅溶胶、所述交联剂溶液、所述增强剂溶液、所述稳定剂溶液混合均匀；所述碱性硅溶胶占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为30％～50％；所述增强剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1％～3％；所述交联剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.2％～5.4％；所述稳定剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.5％～2.7％。

本发明技术方案技术以下有益效果：

本发明技术方案提供的熔模铸造用硅溶胶粘合剂，在涂膜应用时收缩较小，不易发生龟裂，通过引入增强剂和交联剂，使增强剂和交联剂中的有机物填充在"—Si—O—Si—"网状结构中减少成膜收缩和温差引起的胀缩变化，能更好地改善硅溶胶型壳的湿强度和改善型壳表面质量，其次，加快了制壳过程。综上，提高了熔模铸造用硅溶胶粘合剂的性能。

附图说明

图1为本发明一实施例中制备熔模铸造用硅溶胶粘合剂过程的流程图；

图2为在示意本发明的硅溶胶粘合剂作用机理时的示图。

具体实施方式

由背景技术可知，硅溶胶粘合剂的性能有待提高。

为此，提出了一种含聚合物的硅溶胶稳定混合物，包括：硅溶胶、以及PVA或者甲基纤维素，并在pH值为2.7～7.0下生成，并对硅溶胶进行高要求的酸化、去离子化和金属离子表面改性。然而，对硅溶胶进行高要求的酸化、去离子化和金属离子表面改性，增加了工艺的复杂性，增加了生产成本；其次，酸性硅溶胶对熔模铸造用耐火材料的性能要求较高，特别是对纯度和浸出物的要求很高，增加了生产成本；再次，在实际的生产过程中，采用水基硅溶胶作为粘结剂的熔模铸造厂家，所用的硅溶胶一般是碱性的，上述方法中硅溶胶的pH值和通常熔模铸造厂家用的硅溶胶pH值差别较大，这会导致不利于推广。

还提出了一种PVA或改性淀粉或改性纤维改性的硅溶胶粘结剂，其中，包括碱性硅溶胶、PVA或者改性淀粉或者改性纤维。该硅溶胶粘结剂的制备方法包括：先配制PVA或改性淀粉或改性纤维改性的水溶液，然后准备好碱性硅溶胶，将所述碱性硅溶胶和所述PVA或改性淀粉或改性纤维改性的水溶液混合均匀，形成硅溶胶粘结剂。该硅溶胶粘结剂是碱性的，克服了酸性硅溶胶带来的缺陷。但是，在实际生产过程中，并不能较为显著的达到缩短熔模铸造制壳的干燥时间，并不能较显著的达到提高型壳湿强度的效果。

还提出了一种聚合物改性的硅溶胶粘合剂，包含碱性硅溶胶和聚乙烯吡咯烷酮，其中，碱性硅溶胶中的SiO₂占据所述聚合物改性的硅溶胶的质量百分比为20％～36％，聚乙烯吡咯烷酮占据所述聚合物改性的硅溶胶粘合剂的质量百分比为0.1％～5％。该聚合物改性的硅溶胶的制备方法包括：配制聚乙烯吡咯烷酮水溶液；配制碱性硅溶胶；按照所需的比例将聚乙烯吡咯烷酮水溶液和碱性硅溶胶混合均匀，得到聚合物改性的硅溶胶。该方法中使用的聚乙烯吡咯烷酮中含有N元素，高温焙烧后会产生氮氧化物，不利于环境的保护；此外，聚乙烯吡咯烷酮价格较贵，不利于工业化的生产；再次，聚乙烯吡咯烷酮的分子量较大，聚乙烯吡咯烷酮与硅溶胶离子的大小相差较大，不易匹配，因此对型壳的湿强度改善也有限。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂，包括：碱性硅溶胶；增强剂，增强剂为可溶性高聚物，可溶性高聚物的分子量为6万至10万；交联剂；稳定剂，稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂；其中，碱性硅溶胶中SiO2的质量百分比为10％～15％；碱性硅溶胶占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为30％～50％；增强剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1％～3％；交联剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.2％～5.4％；稳定剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.5％～2.7％。

制备上述熔模铸造用硅溶胶粘合剂的方法，请参考图1，包括以下步骤：

S01:配制碱性硅溶胶，所述碱性硅溶胶中SiO2的质量百分比为10％～15％；

S02：配制交联剂溶液；

S03：配制增强剂溶液，所述增强剂溶液中增强剂为可溶性高聚物，所述可溶性高聚物的分子量为6万至10万；

S04:配制稳定剂溶液，所述稳定剂溶液中的稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂；

S05:将所述碱性硅溶胶、所述交联剂溶液、所述增强剂溶液、所述稳定剂溶液混合均匀。

实施例一

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂，包括：碱性硅溶胶38.33g，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为30％；增强剂，所述增强剂为可溶性高聚物，1.6g，所述可溶性高聚物为聚乙烯醇树脂，聚乙烯醇树脂的分子量为75000；交联剂，所述交联剂为聚丙二醇，2.4g，聚丙二醇的分子量为425；稳定剂，所述稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂，水分稳定剂为羟丙基纤维素，水分稳定剂为1g，pH稳定剂为四乙基氢氧化铵，pH稳定剂为0.6g。

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂的制备方法，包括：

(1)配制碱性硅溶胶：取一种二氧化硅含量为30％的碱性硅溶胶38.33g；

(2)配制增强剂溶液，所述增强剂溶液中增强剂为聚乙烯醇树脂：取1.6g分子量为75000的聚乙烯醇树脂，加入30.4g水，在90℃热水下搅拌溶解，得到质量百分比为5％的聚乙烯醇树脂水溶液，也就是增强剂溶液；

(3)配制交联剂溶液：取分子量为425的聚丙二醇2.4g；

配制稳定剂溶液，所述稳定剂溶液中的稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂。

(4)配制水分稳定剂溶液为羟丙基纤维素水溶液：取7.701g水加热到60℃，充分搅拌下将1g羟丙基纤维素慢慢加入，待所有羟丙基纤维素加入后,再加入17.969g水，完全溶解后静置；

(5)配制pH稳定剂溶液：取四乙基氢氧化铵0.6g；

将步骤(1)至步骤(5)制备的溶液混合均匀后得到100gSiO₂含量为11.5％的熔模铸造用硅溶胶粘合剂。

所述硅溶胶粘合剂用于钛合金熔模铸造。

实施例2

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂，包括：碱性硅溶胶30g，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为40％；增强剂，所述增强剂为可溶性高聚物，1.8g，所述可溶性高聚物为聚乙烯醇，聚乙烯醇的分子量为80000；交联剂，所述交联剂为正硅酸乙酯，2.88g，正硅酸乙酯的分子量为208；稳定剂，所述稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂，水分稳定剂为羟甲基纤维素，水分稳定剂为1.2g，pH稳定剂为四甲基氢氧化铵，pH稳定剂为0.8g。

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂的制备方法，包括：

(1)配制碱性硅溶胶：取一种二氧化硅含量为40％的碱性硅溶胶30g；

(2)配制增强剂溶液，所述增强剂溶液中增强剂为聚乙烯醇：取1.8g分子量为80000的聚乙烯醇，加入22.2g g水，在90℃热水下搅拌溶解，得到质量百分比为7.5％的聚乙烯醇水溶液，也就是增强剂溶液；

(3)配制交联剂溶液：取分子量为208的正硅酸乙酯2.88g；

配制稳定剂溶液，所述稳定剂溶液中的稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂。

(4)配制水分稳定剂溶液为羟甲基纤维素水溶液：取10g水加热到60℃，充分搅拌下将1.2g羟甲基纤维素慢慢加入，待所有羟甲基纤维素加入后,再加入31.12g水，完全溶解后静置；

(5)配制pH稳定剂溶液：取四甲基氢氧化铵0.8g；

将步骤(1)至步骤(5)制备的溶液混合均匀后得到100gSiO₂含量为12％的熔模铸造用硅溶胶粘合剂。

所述硅溶胶粘合剂用于钛合金熔模铸造。

实施例3

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂，包括：碱性硅溶胶36.67g，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为30％；增强剂，所述增强剂为可溶性高聚物，1.4g，所述可溶性高聚物为聚氨酯树脂，聚氨酯树脂的分子量为60000；交联剂，所述交联剂为碳酸锆铵，2.1g，碳酸锆铵的分子量为427；稳定剂，所述稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂，水分稳定剂为羟乙基纤维素，水分稳定剂为1.5g，pH稳定剂为四丙基氢氧化铵，pH稳定剂为1.0g。

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂的制备方法，包括：

(1)配制碱性硅溶胶：取一种二氧化硅含量为30％的碱性硅溶胶36.67g；

(2)配制增强剂溶液，所述增强剂溶液中增强剂为聚氨酯树脂：取1.4g分子量为60000的聚氨酯树脂；

(3)配制交联剂溶液：取分子量为427的碳酸锆铵2.1g，溶解于10g热水中，温度为30摄氏度至50摄氏度；

配制稳定剂溶液，所述稳定剂溶液中的稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂。

(4)配制水分稳定剂溶液为羟乙基纤维素水溶液：取15g水加热到60℃，充分搅拌下将1.5g羟乙基纤维素慢慢加入，待所有羟乙基纤维素加入后,再加入32.33g水，完全溶解后静置；

(5)配制pH稳定剂溶液：取四丙基氢氧化铵1.0g；

将步骤(1)至步骤(5)制备的溶液混合均匀后得到100gSiO₂含量为11％的熔模铸造用硅溶胶粘合剂。

所述硅溶胶粘合剂用于钛合金熔模铸造。

实施例4

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂，包括：碱性硅溶胶37.5g，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为40％；增强剂，所述增强剂为可溶性高聚物，3g，所述可溶性高聚物为苯乙烯丁二烯的共聚物，苯乙烯丁二烯的共聚物的分子量为80000；交联剂，所述交联剂为聚丙二醇，4.5g，聚丙二醇的分子量为1025；稳定剂，所述稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂，水分稳定剂为羟甲基纤维素，水分稳定剂为1.3g，pH稳定剂为四甲基氢氧化铵，pH稳定剂为1.2g。

一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂的制备方法，包括：

(1)配制碱性硅溶胶：取一种二氧化硅含量为40％的碱性硅溶胶37.5g；

(2)配制增强剂溶液，所述增强剂溶液中增强剂为苯乙烯丁二烯的共聚物：取3g分子量为80000的苯乙烯丁二烯的共聚物；

(3)配制交联剂溶液：取分子量为1025的聚丙二醇4.5g；

配制稳定剂溶液，所述稳定剂溶液中的稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂。

(4)配制水分稳定剂溶液为羟甲基纤维素水溶液：取20g水加热到60℃，充分搅拌下将1.3g羟甲基纤维素慢慢加入，待所有羟甲基纤维素加入后,再加入32.5g水，完全溶解后静置；

(5)配制pH稳定剂溶液：取四甲基氢氧化铵1.2g；

将步骤(1)至步骤(5)制备的溶液混合均匀后得到100gSiO₂含量为15％的熔模铸造用硅溶胶粘合剂。

所述硅溶胶粘合剂用于钛合金熔模铸造。

相应的，本发明的一个实施例还提供一种用于配制钛合金熔模铸造用的浆料,包括上述的任意的硅溶胶粘合剂、和Y₂O₃粉体，所述Y₂O₃粉体均匀分布在硅溶胶粘合剂中。

本发明各实施例形成的硅溶胶粘合剂，在涂膜应用时收缩较小，不易发生龟裂，通过引入增强剂和交联剂，使有机物填充在"—Si—O—Si—"网状结构中减少成膜收缩和温差引起的胀缩变化，能更好地改善硅溶胶型壳的湿强度和改善型壳表面质量，其次，加快了制壳过程。

具体的机理如下：

一开始，Y₂O₃颗粒被硅胶粒子包覆，随着水分的蒸发，硅胶离子接触处的Si-OH键不断缩合成Si-O-Si，不断拉近Y₂O₃颗粒之间的距离，进而将Y₂O₃颗粒牢牢固定住，使其镶嵌在无数Si-O键形成的环中，形成一个三维的网状结构(参考图2)。由于增强剂采用的可溶性高聚物分子的分子量为6万至10万，因此增强剂的粒子与硅胶粒子大小相差较小，增强剂和硅胶粒子容易匹配，增强剂的粒子可以牢牢绑缚住硅胶粒子，在硅胶粒子缩合的过程中，不断拉近Y₂O₃颗粒之间的距离，进而使得硅溶胶粘合剂的成膜致密化，对于改善型壳表面质量、提高型壳强度具有很好的增强作用。

另外，交联剂可以在可溶性高聚物分子的线性分子之间产生化学键，使可溶性高聚物的线性分子之间相互连在一起，形成网状结构，改善可溶性高聚物的线性分子没交联时强度低易拉断的情况，从而提高采用硅溶胶粘合剂配制的面层涂料的面层的致密度，进而提高型壳的强度。此外，增强剂和交联剂的结合使用还能够加快制壳过程，缩短型壳干燥时间，而且增强剂和交联剂中的高分子有机物在高温焙烧时可以被烧掉，从而可以提高型壳的透气性，降低型壳的残留强度，有利于后续对铸件的清理。

本发明制得的硅溶胶性能稳定、使用寿命长且生产成本低，用其配制的面层涂料稳定使用时间可延长到30天以上，并且配制硅溶胶粘合剂时可在室温下进行，例如在18摄氏度～35摄氏度，因而硅溶胶粘合剂能够在普通的恒温恒湿环境中进行制备和保存，简化了硅溶胶粘合剂配制和保存的工艺控制。

综上，提高了硅溶胶粘合剂的性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种熔模铸造用硅溶胶粘合剂，其特征在于，包括：

碱性硅溶胶；

增强剂，所述增强剂为可溶性高聚物，所述可溶性高聚物的分子量为6万至10万；所述可溶性高聚物为聚乙烯醇、聚乙烯醇树脂、水性聚氨酯树脂、苯乙烯丁二烯的共聚物中的一种或者几种的粘合；

交联剂，所述交联剂为正硅酸乙酯、碳酸锆铵、聚丙二醇中的任意一种；

稳定剂，所述稳定剂包括水分稳定剂和pH稳定剂，所述水分稳定剂包括羟基纤维素;所述pH稳定剂包括季铵碱；

其中，所述碱性硅溶胶中 SiO₂ 的质量百分比为10%~15%；所述碱性硅溶胶占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为30%~50%；所述增强剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1%~3%；所述交联剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.2%~5.4%；所述稳定剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.5%~2.7%；

增强剂和交联剂中的有机物适于填充在"—Si—O—Si—"网状结构中减少成膜收缩和温差引起的胀缩变化。

2.根据权利要求1所述的熔模铸造用硅溶胶粘合剂，其特征在于，所述碱性硅溶胶中SiO₂的质量百分比为11%~12%。

3.根据权利要求1所述的熔模铸造用硅溶胶粘合剂，其特征在于，所述交联剂与所述增强剂的质量比为1.2~1.8。

4.根据权利要求1所述的熔模铸造用硅溶胶粘合剂，其特征在于，所述羟基纤维素包括羟甲基纤维素、羟乙基纤维素或羟丙基纤维素。

5.根据权利要求1所述的熔模铸造用硅溶胶粘合剂，其特征在于，所述季铵碱包括四甲基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵或四乙基氢氧化铵。

6.一种配制钛合金熔模铸造用的浆料,其特征在于，包括权利要求1~5中的任意一项的硅溶胶粘合剂、和Y₂O₃粉体，所述Y₂O₃粉体均匀分布在硅溶胶粘合剂中。

7.一种制造权利要求1至5中任意一项所述的熔模铸造用硅溶胶粘合剂的方法，其特征在于，包括：

配制碱性硅溶胶，所述碱性硅溶胶中 SiO₂的质量百分比为10%~15%；

配制交联剂溶液，所述交联剂为正硅酸乙酯、碳酸锆铵、聚丙二醇中的任意一种；

配制增强剂溶液，所述增强剂溶液中增强剂为可溶性高聚物，所述可溶性高聚物的分子量为6万至10万；所述可溶性高聚物为聚乙烯醇、聚乙烯醇树脂、水性聚氨酯树脂、苯乙烯丁二烯的共聚物中的一种或者几种的粘合；

配制稳定剂溶液，所述稳定剂溶液中的稳定剂包括水分稳定剂和 pH稳定剂；所述水分稳定剂包括羟基纤维素；所述pH稳定剂包括季铵碱；

将所述碱性硅溶胶、所述交联剂溶液、所述增强剂溶液、所述稳定剂溶液混合均匀；

所述碱性硅溶胶占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为30%~50%；所述增强剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1%~3%；所述交联剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.2%~5.4%；所述稳定剂占据所述硅溶胶粘合剂的质量百分比含量为1.5%~2.7%；

增强剂和交联剂中的有机物适于填充在"—Si—O—Si—"网状结构中减少成膜收缩和温差引起的胀缩变化。

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