CN111167997B - 一种铝合金水基铸造涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涂料制备技术领域，具体为一种铝合金水基铸造涂料，其原料组成和重量份数为：改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料35~40份、纳米氧化锆粉料5~10份、铬铁矿粉3~5份、粘结剂15~20份、分散剂2~5份、去离子水40~45份、乳液2~5份、消泡剂0.1~0.5份；本发明还提供了上述铝合金水基铸造涂料的制备方法。本发明涂料可涂覆在砂型磨具表面，具有较好的浸润性、涂刷性、透气性和强度，纳米石墨粉末吸附在改性凹凸棒石粘土表面，显著减少铸造涂料中添加的石墨含量，在金属铸造过程中不会产生石墨粉尘；并且本发明提供的制备方法无有害物质的添加，不污染环境，施工工艺简单，对磨具要求低，适用于工厂大规模使用。
Description
技术领域
本发明属于涂料制备技术领域，具体涉及一种铝合金水基铸造涂料及其制备方法。
背景技术
铝合金作为较轻的金属结构材料具有比强度高、刚性好、抗冲击性和减震性能优良, 在航空航天及国防工业、汽车和电子工业等领域得到广泛应用。
目前，部分铝合金铸件采用的是传统的砂型铸造法，得到的铸件表面质量较差、成形精度低，且由于铝合金活性强、易于氧化和燃烧等特点，在金属型铸造过程中，极易在模具接触面产生反应性渣气孔，不仅影响铸件的质量而且导致了铝合金原料的浪费。在铸造砂型工作表面上涂覆一层脱模剂，可以有效防止和减少逐渐表面粘砂，夹砂、砂眼等缺陷，降低铸件表面粗糙度，但传统醇基脱模剂体系易燃，不利于长距离运输，限制其使用，且传统的金属脱模剂添加大量的石墨材料，造成基体是黑色体系，高温铸造过程中产生的黑色粉尘把铸造设备、电器、工厂地面、墙壁蒙上黑色粉尘，产生令人不快的工作环境，操作人员手足、衣物被玷污，吸入工厂大气中飘浮石墨粉尘会导致支气管炎和肺尘症，损害身体健康。
专利CN103143673B制备的金属型铸造用涂料，可以有效解决铝合金易于氧化和燃烧的问题，但涂料适用于金属型磨具，要求较高。专利ZL201510919169.1制备的铝合金水基铸造涂料，采用改性凹凸棒石粘土粉末、锂基膨润土、纳米氧化锆粉料、石墨粉、铬铁矿粉作为填料，成分较多，难以保证混料的均匀性，涂覆在砂模表面易形成夹砂、砂眼等缺陷。因此，确有必要对现有技术进行改进，以解决现有技术之不足。
发明内容
本发明第一目的是针对现有技术的不足，提供一种具有良好稳定性的铝合金水基铸造涂料，将其涂覆在砂型磨具表面，可表现出较好的浸润性、涂刷性、透气性和力学强度，在铝合金液浇注过程中具有较好的稳定性、保温性和吸渣能力，所获得铝合金的铸件轮廓清晰、表面光洁；
本发明第二目的是提供一种具有良好稳定性的铝合金水基铸造涂料的制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种铝合金水基铸造涂料，由以下重量份数的原料制备而成：改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料35~40份、纳米氧化锆粉料5~10份、铬铁矿粉3~5份、粘结剂15~20份、分散剂2~5份、去离子水40~45份、乳液2~5份、消泡剂0.1~0.5份。
进一步的，所述乳液为苯丙乳液。
进一步的，所述消泡剂为二甲基聚硅氧烷。
进一步的，所述分散剂为聚丙烯酸铵。
一种铝合金水基铸造涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料的制备：
S1：称量细度为200～400目的凹凸棒石粘土放入蒸馏水中，添加草酸在80～100℃中处理1～3小时，同时搅拌2～4小时制备悬浮液；将处理后的悬浮液加入由草酸钠与六偏磷酸钠混合制备的复合活性剂，滴加烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂搅拌2～4小时，静止24～36小时后，分离出改性凹凸棒石粘土悬浮液；
S2：向上述分离出的改性凹凸棒石粘土悬浮液中加入纳米石墨，搅拌10～30min后，经2000～3000转/分离心处理，过滤回收固体物；
S3：将S2回收的固体物80～100℃烘干，研细过200目细筛，即得所述改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料；
（2）铝合金水基铸造涂料的制备：
S1：将步骤（1）制备的的改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料、纳米氧化锆粉料、铬铁矿粉按配比混合，加入去离子水球磨2～3h，200目细筛过筛得混合物；
S2：在上述混合物中加入分散剂、乳液再进行球磨1～3h，添加粘结剂和消泡剂，再次球磨2～3h，得到铝合金水基铸造涂料。
进一步的，步骤（1）中，所述凹凸棒石粘土、蒸馏水、草酸、复合活性剂、烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂和纳米石墨的重量份数比为1∶（8 ～10）∶（0.2 ～0.3）∶（0.15～0.2）∶（0.1～0.15）∶（0.1～0.2）。
进一步的，所述复合活性剂是由草酸钠与六偏磷酸钠混合制备而成，其中，草酸钠与六偏磷酸钠按照重量比为1∶1~1∶1.5。
进一步的，步骤（2）中，采用行星球磨机进行球磨，转速为188转/分。
上述铝合金水基铸造涂料在砂型磨具表面用涂料中的应用。
本发明的有益效果：
（1）本发明涂料可涂覆在砂型磨具表面，具有较好的浸润性、涂刷性、透气性和强度，在铝合金液浇注过程中具有较好的稳定性、保温性和吸渣能力，所获得铝合金的铸件轮廓清晰、表面光洁，且本发明涂料中纳米石墨粉末吸附在改性凹凸棒石粘土表面，显著减少铸造涂料中添加的石墨含量，在金属铸造过程中不会产生石墨粉尘；
（2）本发明改性凹凸棒石粘土粉料在水溶液中的悬浮性能提高，利用其特殊纤维状晶体形态的层链状结构，在粘合剂、乳液、分散剂的作用下能在水溶液中形成空间网状结构；纳米氧化锆粉末活性高，能吸附在改性凹凸棒石粘土粉料表面，提高膜层的耐高温性；石墨具有很高的耐火度和热化学稳定性，易附着于砂型磨具表面，具有一定的隔热作用，可避免在高温下与氧化能力极强的铝合金反应。
（3）本发明提供的制备方法无有害物质的添加，不污染环境，施工工艺简单，对磨具要求低，适用于工厂大规模使用。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种铝合金水基铸造涂料，由以下重量份数的原料制备而成：改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料35~40份、纳米氧化锆粉料5~10份、铬铁矿粉3~5份、粘结剂15~20份、分散剂2~5份、去离子水40~45份、乳液2~5份、消泡剂0.1~0.5份。
具体的，所述乳液可选用苯丙乳液；所述消泡剂可选用二甲基聚硅氧烷；所述分散剂为聚丙烯酸铵，具体可以选用南京霄科纳米陶瓷技术开发有限公司生产的产品SD-00，主要成分是聚丙烯酸铵；所述粘结剂可选用世林胶业的产品SL8311耐高温胶水，是一种高温固化的单组分胶粘剂，其具有阻燃性能，耐温性好，固化后耐水，并有一定的胶接强度和密封作用，使用方便，主要用于金属表面高温涂膜保护。
上述铝合金水基铸造涂料的制备方法，包括以下步骤：
（1）改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料的制备：
S1：称量细度为200～400目的凹凸棒石粘土放入蒸馏水中，添加草酸在80～100℃中处理1～3小时，同时搅拌2～4小时制备悬浮液；将处理后的悬浮液加入由草酸钠与六偏磷酸钠混合制备的复合活性剂，滴加烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂搅拌2～4小时，静止24～36小时后，分离出改性凹凸棒石粘土悬浮液；
S2：向上述分离出的改性凹凸棒石粘土悬浮液中加入纳米石墨，搅拌10～30min后，经2000～3000转/分离心处理，过滤回收固体物；
S3：将S2回收的固体物80～100℃烘干，研细过200目细筛，即得所述改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料；
其中，所述凹凸棒石粘土、蒸馏水、草酸、复合活性剂、烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂和纳米石墨的重量份数比为1∶（8 ～10）∶（0.2 ～0.3）∶（0.15～0.2）∶（0.1～0.15）∶（0.1～0.2）；所述复合活性剂是由草酸钠与六偏磷酸钠混合制备而成，其中，草酸钠与六偏磷酸钠按照重量比为1∶1~1∶1.5；
（2）铝合金水基铸造涂料的制备：
S1：将步骤（1）制备的的改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料、纳米氧化锆粉料、铬铁矿粉按配比混合，加入去离子水球磨2～3h，200目细筛过筛得混合物；
S2：在上述混合物中加入分散剂、乳液再进行球磨1～3h，添加粘结剂和消泡剂，再次球磨2～3h，得到铝合金水基铸造涂料；
其中，球磨采用行星球磨机进行，转速为188转/分。
本发明所提供的铝合金水基铸造涂料可广泛应用在砂型磨具表面用涂料上，具有较好的浸润性、涂刷性、透气性和强度，在铝合金液浇注过程中具有较好的稳定性、保温性和吸渣能力，所获得铝合金的铸件轮廓清晰、表面光洁，且该涂料中纳米石墨粉末吸附在改性凹凸棒石粘土表面，显著减少铸造涂料中添加的石墨含量，在金属铸造过程中不会产生石墨粉尘；本发明中改性凹凸棒石粘土粉料在水溶液中的悬浮性能提高，利用其特殊纤维状晶体形态的层链状结构，在粘合剂、乳液、分散剂的作用下能在水溶液中形成空间网状结构；纳米氧化锆粉末活性高，能吸附在改性凹凸棒石粘土粉料表面，提高膜层的耐高温性；石墨具有很高的耐火度和热化学稳定性，具有一定的隔热作用，能够在高温下不与氧化能力极强的铝合金反应且易附着于砂型磨具表面；本发明提供的制备方法无有害添加物质，不污染环境，施工工艺简单，对磨具要求低，适用于工厂大规模使用。
实施例1
一种铝合金水基铸造涂料，组成为：改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料35g、纳米氧化锆粉料5g、铬铁矿粉3g、粘结剂15g、分散剂3g、去离子水45g、苯丙乳液3g、二甲基聚硅氧烷0.2g；分散剂选用南京霄科纳米陶瓷技术开发有限公司生产的产品SD-00；粘结剂选用世林胶业的产品SL8311耐高温胶水；具体制备方法包括以下步骤：
（1）改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料的制备：
S1：称量100g细度为300目的凹凸棒石粘土放入1000ml蒸馏水中，添加草酸25g在80℃中处理2小时，同时搅拌4小时制备悬浮液；将处理后的悬浮液加入由草酸钠与六偏磷酸钠按照质量比1：1制备的复合活性剂15g，滴加10ml烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂（OP-10）溶液搅拌3小时，静止24小时后，分离出改性凹凸棒石粘土悬浮液；
S2：向上述分离出的改性凹凸棒石粘土悬浮液中加入15g纳米石墨，搅拌30min后，经2000转/分离心处理，过滤回收固体物；
S3：将S2回收的固体物100℃烘干，研细过200目细筛，即得所述改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料；
（2）铝合金水基铸造涂料的制备：
S1：将步骤（1）制备的改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料35g、纳米氧化锆粉料5g、铬铁矿粉3g混合，加入45g去离子水，用行星磨机以188转/分的转速球磨3h，200目细筛过筛得混合物；
S2：在上述混合物中加入分散剂3g、苯丙乳液3g，放入球磨机再进行188转/分球磨3h，添加粘结剂15g和二甲基聚硅氧烷0.2g，再次以188转/分球磨3h，得到铝合金水基铸造涂料。
实施例2
一种铝合金水基铸造涂料，组成为：改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料40g、纳米氧化锆粉料8g、铬铁矿粉5g、粘结剂20g、分散剂2g、去离子水45g、苯丙乳液2g、二甲基聚硅氧烷0.5g；分散剂选用南京霄科纳米陶瓷技术开发有限公司生产的产品SD-00；粘结剂选用世林胶业的产品SL8311耐高温胶水；具体制备方法包括以下步骤：
（1）改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料的制备：
S1：称量100g细度为400目的凹凸棒石粘土放入900ml蒸馏水中，添加草酸30g在90℃中处理3小时，同时搅拌4小时制备悬浮液；将处理后的悬浮液加入由草酸钠与六偏磷酸钠按照质量比1：1.5制备的复合活性剂20g，滴加15ml烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂（OP-10）溶液搅拌4小时，静止36小时后，分离出改性凹凸棒石粘土悬浮液；
S2：向上述分离出的改性凹凸棒石粘土悬浮液中加入20g纳米石墨，搅拌30min后，经3000转/分离心处理，过滤回收固体物；
S3：将S2回收的固体物100℃烘干，研细过200目细筛，即得所述改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料；
（2）铝合金水基铸造涂料的制备：
S1：将步骤（1）制备的改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料40g、纳米氧化锆粉料8g、铬铁矿粉5g混合，加入45g去离子水，用行星磨机以188转/分的转速球磨3h，200目细筛过筛得混合物；
S2：在上述混合物中加入分散剂2g、苯丙乳液2g，放入球磨机再进行188转/分球磨3h，添加粘结剂20g和二甲基聚硅氧烷0.5g，再次以188转/分球磨3h，得到铝合金水基铸造涂料。
实施例3
一种铝合金水基铸造涂料，组成为：改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料37g、纳米氧化锆粉料10g、铬铁矿粉4g、粘结剂18g、分散剂5g、去离子水40g、苯丙乳液5g、二甲基聚硅氧烷0.1g；分散剂选用南京霄科纳米陶瓷技术开发有限公司生产的产品SD-00；粘结剂选用世林胶业的产品SL8311耐高温胶水；具体制备方法包括以下步骤：
（1）改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料的制备：
S1：称量100g细度为400目的凹凸棒石粘土放入800ml蒸馏水中，添加草酸20g在100℃中处理2小时，同时搅拌3小时制备悬浮液；将处理后的悬浮液加入由草酸钠与六偏磷酸钠按照质量比1：1.25制备的复合活性剂18g，滴加12ml烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂（OP-10）溶液搅拌3小时，静止30小时后，分离出改性凹凸棒石粘土悬浮液；
S2：向上述分离出的改性凹凸棒石粘土悬浮液中加入18g纳米石墨，搅拌20min后，经3000转/分离心处理，过滤回收固体物；
S3：将S2回收的固体物100℃烘干，研细过200目细筛，即得所述改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料；
（2）铝合金水基铸造涂料的制备：
S1：将步骤（1）制备的改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料37g、纳米氧化锆粉料10g、铬铁矿粉4g混合，加入40g去离子水，用行星磨机以188转/分的转速球磨2h，200目细筛过筛得混合物；
S2：在上述混合物中加入分散剂5g、苯丙乳液5g，放入球磨机再进行188转/分球磨2h，添加粘结剂18g和二甲基聚硅氧烷0.1g，再次以188转/分球磨3h，得到铝合金水基铸造涂料。
取实施例1和实施例2制备的铝合金水基铸造涂料喷涂在砂型磨具表面，喷涂次数为3~4 次，后一次喷涂必须在前一次喷涂的涂膜实干后才可进行，最终涂膜厚度为0.08mm~0.09mm，将铝合金液浇注在砂型磨具中成型；涂膜在室温下放置7 天分别进行拉伸强度、剥离强度、耐水性和耐盐水性测试，最后测试结果如表1所示：
表1 实施例1、2制备得到的铝合金水基铸造涂料性能指数
| 项目 | 实施例1指标 | 实施例2指标 | 备注 |
| 拉断强度Mpa | 5.5 | 5.3 | GB/T1040.3-2006 |
| 剥离强度kN/m | 0.25 | 0.27 | GB/T2790-1995 |
| 耐酸性 | 酸洗后，无腐蚀、无脱落、无渗透、容易剥离 | 酸洗后，无腐蚀、无脱落、无渗透、容易剥离 | 将40wt%的硫酸滴2ml在样品的表面膜层上，于25℃条件下保持24小时，观察膜层表面有起泡腐蚀现象。 |
| 耐碱性 | 碱洗后，无腐蚀、无脱落、无渗透、容易剥离 | 碱洗后，无腐蚀、无脱落、无渗透、容易剥离 | 将0.1标准浓度的氢氧化钠滴在样品的表面膜层上，在25℃条件下保持24 小时，观察膜层表面有起泡腐蚀现象。 |
| 耐温性 | 700℃无脱落、无渗透、容易剥离 | 750 ℃无脱落、无渗透、容易剥离 | 将涂刷有铝合金水基铸造涂料的马口铁放在马弗炉中处理2小时，观察磨成表面有气泡脱落现象。 |
由表1可知，本发明制备得到的铝合金水基铸造涂料拉断强度和剥离强度高，酸洗后和碱洗后，无腐蚀、无脱落、无渗透、容易剥离，750 ℃无脱落、无渗透，具有良好的耐酸碱性和耐高温性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种铝合金水基铸造涂料，其特征在于，由以下重量份数的原料制备而成：改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料35~40份、纳米氧化锆粉料5~10份、铬铁矿粉3~5份、粘结剂15~20份、分散剂2~5份、去离子水40~45份、乳液2~5份、消泡剂0.1~0.5份；
改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料的制备：
S1：称量细度为200～400目的凹凸棒石粘土放入蒸馏水中，添加草酸在80～100℃中处理1～3小时，同时搅拌2～4小时制备悬浮液；将处理后的悬浮液加入由草酸钠与六偏磷酸钠混合制备的复合活性剂，滴加烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂搅拌2～4小时，静止24～36小时后，分离出改性凹凸棒石粘土悬浮液；
S2：向上述分离出的改性凹凸棒石粘土悬浮液中加入纳米石墨，搅拌10～30min后，经2000～3000转/分离心处理，过滤回收固体物；
S3：将S2回收的固体物80～100℃烘干，研细过200目细筛，即得所述改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料。
2.根据权利要求1所述的铝合金水基铸造涂料，其特征在于，所述乳液为苯丙乳液。
3.根据权利要求1所述的铝合金水基铸造涂料，其特征在于，所述消泡剂为二甲基聚硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的铝合金水基铸造涂料，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸铵。
5.根据权利要求1所述的铝合金水基铸造涂料，其特征在于，所述凹凸棒石粘土、蒸馏水、草酸、复合活性剂、烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂和纳米石墨的重量份数比为1∶（8 ～10）∶（0.2 ～0.3）∶（0.15～0.2）∶（0.1～0.15）∶（0.1～0.2）。
6.根据权利要求5所述的铝合金水基铸造涂料，其特征在于，所述复合活性剂是由草酸钠与六偏磷酸钠混合制备而成，其中，草酸钠与六偏磷酸钠按照重量比为1∶1~1∶1.5。
7.一种根据权利要求1所述的铝合金水基铸造涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将改性凹凸棒石粘土/纳米石墨混合粉料、纳米氧化锆粉料、铬铁矿粉按配比混合，加入去离子水球磨2～3h，200目细筛过筛得混合物；
S2：在上述混合物中加入分散剂、乳液再进行球磨1～3h，添加粘结剂和消泡剂，再次球磨2～3h，得到铝合金水基铸造涂料。
8.根据权利要求7所述的铝合金水基铸造涂料的制备方法，其特征在于，采用行星球磨机进行球磨，转速为188转/分。
9.权利要求1-8任一所述铝合金水基铸造涂料在砂型模具表面用涂料中的应用。
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