CN112355231B - 一种铸造用水玻璃覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造用水玻璃覆膜砂，通过在砂粒表面包覆一层有机树脂膜，然后利用硅烷偶联剂将水玻璃粘结剂包覆在有机树脂膜表面，形成有机膜与无机膜结合的复合型覆膜砂。该覆膜砂在浇铸过程中有机树脂膜会受高温燃烧分解，有效改善水玻璃砂的溃散性能。在优选的方案中，该水玻璃覆膜砂在水玻璃粘结剂膜外还包覆有疏水性气相二氧化硅层，能够有效隔绝空气中水分对该覆膜砂的影响。且由于疏水性气相二氧化硅具有高流动性和小尺寸效应，能使砂芯表面更加致密细洁，铸件表面质量更好。本发明还提供了该水玻璃覆膜砂的制备方法。

Description

一种铸造用水玻璃覆膜砂及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸造材料技术领域，具体涉及一种铸造用水玻璃覆膜砂，以及该覆膜砂的制备方法。

背景技术

无机粘结剂(如硅酸钠，俗称水玻璃)是一种环境友好型铸造粘结剂，在生产过程中无烟无尘，有效改善铸造生产作业环境和保护工人身体健康。但无机粘结剂需要现场混制后即刻使用，造成企业设备改造大，原材料现场管理占用场地资源多。且无机粘结剂的使用存在受环境影响较大，混砂质量难于控制以及溃散性差等诸多问题。因此，无机粘结剂一直未能在铸造生产中得到广泛应用。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种铸造用水玻璃覆膜砂。

本发明的第二目的在于提供上述覆膜砂的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明涉及一种铸造用水玻璃覆膜砂，由包括以下重量份数的原料制备得到：原砂90.5-98份，酚醛树脂0.6-1.3份，乌洛托品0.07-0.1份，硅烷偶联剂0.2-0.8份，水玻璃粘结剂1.2-2.0份。

优选地，所述水玻璃覆膜砂还含有疏水性气相二氧化硅0.08-0.11份。

优选地，所述乌洛托品以乌洛托品水溶液的形式加入，所述乌洛托品水溶液中含有水0.03-0.08份，乌洛托品0.07-0.1份。

优选地，所述硅烷偶联剂以硅烷偶联剂水溶液的形式加入，所述硅烷偶联剂溶液中含有水0.4-1.0份，KH550型硅烷偶联剂0.2-0.8份。

本发明还涉及所述水玻璃覆膜砂的制备方法，包括将原砂加热后与酚醛树脂混合均匀，然后依次加入乌洛托品水溶液、硅烷偶联剂水溶液、水玻璃粘结剂和疏水性气相二氧化硅，搅拌均匀后得到所述水玻璃覆膜砂。

优选地，所述水玻璃覆膜砂的制备方法包括以下步骤：

1)将原砂加热后，与酚醛树脂加入到混砂桶内，搅拌均匀；

2)将乌洛托品溶液加入到混砂桶内，搅拌均匀；

3)将硅烷偶联剂溶液加入到混砂桶内，搅拌均匀；

4)将水玻璃粘结剂加入到混砂桶内，通入热风并搅拌均匀；

5)将疏水性气相二氧化硅加入到混砂桶内，搅拌均匀后过筛，得到所述水玻璃覆膜砂。

优选地，步骤1)中，原砂的加热温度为120℃-170℃。

优选地，步骤1)中，加入酚醛树脂后的搅拌时间为10-20s。

优选地，步骤2)中，加入乌托托品水溶液后的搅拌时间为30-50s。

优选地，步骤3)中，加入硅烷偶联剂水溶液后的搅拌时间为20-45s。

优选地，步骤4)中，加入水玻璃粘结剂后的搅拌时间为40-60s，热风温度为50-80℃，风速为8-15m/s。

优选地，步骤5)中，加入疏水性气相二氧化硅后的搅拌时间为20-45s。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种铸造用水玻璃覆膜砂，通过在砂粒表面包覆一层有机树脂膜，然后利用硅烷偶联剂将水玻璃粘结剂包覆在有机树脂膜表面，形成有机膜与无机膜结合的复合型覆膜砂。该覆膜砂在浇铸过程中有机树脂膜会受高温燃烧分解，有效改善水玻璃砂的溃散性能。

在优选的方案中，该水玻璃覆膜砂在水玻璃膜外还包覆有疏水性气相二氧化硅层，能够有效隔绝空气中水分对该覆膜砂的影响。由于疏水性气相二氧化硅具有高流动性和小尺寸效应，能使砂芯表面更加致密细洁，铸件表面质量更好。

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。

本发明实施例涉及一种铸造用水玻璃覆膜砂，由包括以下重量份数的原料制备得到：原砂90.5-98份，酚醛树脂0.6-1.3份，乌洛托品0.07-0.1份，硅烷偶联剂0.2-0.8份，水玻璃粘结剂1.2-2.0份。

在本发明的一个实施例中，该水玻璃覆膜砂还含有疏水性气相二氧化硅0.08-0.11份。

在本发明的一个实施例中，乌洛托品以乌洛托品水溶液的形式加入，乌洛托品水溶液中含有水0.03-0.08份，乌洛托品0.07-0.1份。

在本发明的一个实施例中，硅烷偶联剂以硅烷偶联剂水溶液的形式加入，硅烷偶联剂溶液中含有水0.4-1.0份，硅烷偶联剂0.2-0.8份。

本发明实施例还涉及水玻璃覆膜砂的制备方法，包括将原砂加热后与酚醛树脂混合均匀，然后依次加入乌洛托品水溶液、硅烷偶联剂水溶液、水玻璃粘结剂，最后选择性地加入疏水性气相二氧化硅，搅拌均匀后得到水玻璃覆膜砂。

进一步地，上述水玻璃覆膜砂的制备方法包括以下步骤：

1)将原砂加热后，与酚醛树脂加入到混砂桶内，搅拌均匀；

2)将乌洛托品溶液加入到混砂桶内，搅拌均匀；

3)将硅烷偶联剂溶液加入到混砂桶内，搅拌均匀；

4)将水玻璃粘结剂加入到混砂桶内，通入热风并搅拌均匀；

5)将疏水性气相二氧化硅加入到混砂桶内，搅拌均匀后过筛，得到水玻璃覆膜砂。

在本发明的一个实施例中，步骤1)中，原砂为粒径50-100目的内蒙焙烧砂，原砂的加热温度为120℃-170℃。加热的作用为将酚醛树脂与加热后的原砂混合后，加热后原砂的温度使酚醛树脂熔化，使之均匀包覆在砂粒表面。

在本发明的一个实施例中，步骤1)中，加入酚醛树脂后的搅拌时间为10-20s。上述酚醛树脂主要作为粘结剂使用，也可以使用改性酚醛树脂。

在本发明的一个实施例中，步骤2)中，加入乌托托品水溶液后的搅拌时间为30-50s。乌洛托品化学名为六亚甲基四胺，用作树脂和塑料的固化剂。当覆膜砂受热时，包覆在沙粒表面的树脂熔融，在乌洛托品分解出的亚甲基作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变为不熔融的体型结构，从而使覆膜砂固化成型。

在本发明的一个实施例中，步骤3)中，加入硅烷偶联剂水溶液后的搅拌时间为20-45s。硅烷偶联剂的分子结构式一般为Y-R-Si(OR)₃，式中Y为有机官能基，SiOR为硅烷氧基。硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性。因此，当硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间时，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层。加入硅烷偶联剂能够提高有机树脂的覆膜效果，以增加该覆膜砂的机械强度。本发明中的硅烷偶联剂可选自KH550、KH560、KH570中的至少一种，优选KH550。

在本发明的一个实施例中，步骤4)中，加入水玻璃粘结剂后的搅拌时间为40-60s，热风温度为50-80℃，风速为8-15m/s。水玻璃粘结剂的主要成分为硅酸钠，在原砂表面形成包覆膜后能够提高原砂的流动性和硬化速度，进而提高铸件质量。但由于硅酸钠具有易吸湿的特性，因此水玻璃砂一直存在在湿度较高环境下的存放问题，且铸件浇铸后水玻璃在高温状态下组织结构发生玻璃化，导致残余强度高，溃散性差。

为解决上述问题，本发明将酚醛树脂与加热后的原砂加入到混砂桶内，利用加热后原砂的温度熔化酚醛树脂，使之均匀包覆在砂粒表面，形成一层有机树脂膜。然后加入硅烷偶联剂水溶液和水玻璃粘结剂，在通入热风的作用下，水玻璃粘结剂中的水分迅速蒸发，形成一层水玻璃粘结剂膜。而在硅烷偶联剂的作用下，在酚醛树脂和水玻璃粘结剂界面之间，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层，能够使水玻璃粘结剂膜很好包覆在酚醛树脂膜表面。

该覆膜砂在浇铸过程中，首先紧贴砂粒表面的酚醛树脂膜从600℃开始受热分解，其产生的气体会在水玻璃粘结剂膜上形成很多孔洞，从而破坏水玻璃粘结剂膜的结构，大大降低其残留强度，最终达到改善无机覆膜砂的溃散性问题。

在本发明的一个实施例中，在砂粒表面形成水玻璃粘结剂膜后，在其表面包覆一层疏水性气相二氧化硅，目的是在覆膜砂表面形成疏水层，达到隔绝空气中水分的效果。且由于疏水性气相二氧化硅具有高流动性和小尺寸效应，能够使砂芯表面更加致密细洁，铸件表面质量更好。优选加入疏水性气相二氧化硅后的搅拌时间为20-45s。

实施例1

一种铸造用水玻璃覆膜砂，由包括以下重量份数的原料制备得到：原砂96份，酚醛树脂1份，乌洛托品溶液(含水0.05份，乌洛托品0.09份)，硅烷偶联剂溶液(含水1.1份，KH550型硅烷偶联剂0.12份)，水玻璃粘结剂1.5份，疏水性气相二氧化硅0.1份。

其中，原砂为粒径50-100目的内蒙焙烧砂。

上述水玻璃覆膜砂的制备方法包括以下步骤：

1)将原砂加热至150℃后，与酚醛树脂加入到混砂桶内，搅拌15s至混合均匀；

2)将乌洛托品溶液加入到混砂桶内，搅拌40s至混合均匀；

3)将硅烷偶联剂溶液加入到混砂桶内，搅拌35s至混合均匀；

4)将水玻璃粘结剂加入到混砂桶内，通入温度为50-80℃，风速为8-15m/s的热风，搅拌50s至混合均匀；

5)将疏水性气相二氧化硅加入到混砂桶内，搅拌30s至混合均匀后过120目筛，得到所述水玻璃覆膜砂。

对比例1

水玻璃覆膜砂的原料和重量份数同实施例1，制备方法包括以下步骤：

1)将原砂加热至150℃后，与酚醛树脂加入到混砂桶内，搅拌15s至混合均匀；

2)将乌洛托品溶液加入到混砂桶内，搅拌40s至混合均匀；

3)将水玻璃粘结剂加入到混砂桶内，通入温度为50-80℃，风速为8-15m/s的热风，搅拌50s至混合均匀；

4)将硅烷偶联剂溶液加入到混砂桶内，搅拌35s至混合均匀；

5)将疏水性气相二氧化硅加入到混砂桶内，搅拌40s至混合均匀后过筛，得到所述水玻璃覆膜砂。

对比例2

水玻璃覆膜砂的原料和重量份数同实施例1，制备方法包括以下步骤：

1)将原砂加热至150℃后，与酚醛树脂加入到混砂桶内，搅拌15s至混合均匀；

2)将乌洛托品溶液加入到混砂桶内，搅拌40s至混合均匀；

3)将疏水性气相二氧化硅加入到混砂桶内，搅拌40s至混合均匀；

4)将硅烷偶联剂溶液加入到混砂桶内，搅拌35s至混合均匀；

5)将水玻璃粘结剂加入到混砂桶内，通入温度为50-80℃，风速为8-15m/s的热风，搅拌50s至混合均匀后过筛，得到所述水玻璃覆膜砂。

对上述实施例和对比例制备得到的水玻璃覆膜砂进行抗拉强度、溃散抗压强度和抗吸湿性能测试。其中，抗拉强度采用标准8字型试样进行测试，溃散抗压强度采用标准圆柱型试样进行测试；抗吸湿性能通过将覆膜砂制成砂芯后，在湿度为65％±5，温度为25±5℃的车间内存放24小时后，测试抗拉强度下降百分数表示。测试结果见表1。

表1

其中，抗拉强度反映的是覆膜砂成型后的砂芯强度。将实施例1和对比例数据比较可知，覆膜砂制备过程中先加入乌洛托品使酚醛树脂发生固化，再依次加入硅烷偶联剂和水玻璃粘结剂，形成的有机树脂膜与水玻璃粘结剂膜紧密结合在一起，提高层间结合力，从而提高了该覆膜砂的抗拉强度。

溃散抗压强度反映的是砂芯在浇铸后的残余强度。将实施例1和对比例数据比较可知，覆膜砂制备过程中使有机树脂先于水玻璃粘结剂膜在砂粒表面成膜，在浇铸过程中紧贴砂粒的有机树脂膜从600℃开始受热分解，其产生的气体会在水玻璃粘结剂膜上形成很多孔洞，从而破坏水玻璃粘结剂膜的结构，改善覆膜砂的溃散性。

与实施例1相比，对比例1调换步骤3)和4)，即加入乌洛托品溶液后，先加入水玻璃粘结剂，再加入硅烷偶联剂溶液。对比例2将步骤5)移至步骤3)之前，即加入乌洛托品溶液后，先加入疏水性气相二氧化硅，再依次加入硅烷偶联剂溶液和水玻璃粘结剂。可知改变水玻璃粘结剂和硅烷偶联剂的加入顺序，无法通过硅烷偶联剂将有机树脂膜与水玻璃粘结剂膜结合，对抗拉强度和溃散抗压强度的改善有限。

抗吸湿性能反映的是将覆膜砂制成砂芯后，存放24小时后抗拉强度下降的百分数。将实施例1和对比例数据比较可知，覆膜砂制备过程中，在有机树脂膜和水玻璃粘结剂膜的外侧加入疏水性气相二氧化硅后，能够在覆膜砂表面形成一层疏水层，可以有效降低水玻璃粘结剂膜由于吸收大气中的水分造成覆膜砂吸潮结块或砂芯吸湿变形等问题。如果在有机树脂膜和水玻璃粘结剂膜之间加入该疏水层，或者在有机树脂膜内侧加入该疏水层，则无法实现疏水效果。

在实施例1的基础上，探索改变酚醛树脂加入量对水玻璃覆膜砂溃散抗压强度的影响，结果如表2所示。说明有机树脂加入量越高，溃散抗压强度越低，覆膜砂的溃散性能越好。当有机树脂加入量达到1.0％后，覆膜砂的溃散抗压强度达到最小值，浇铸后的砂芯一触即碎，具有优良的溃散效果。但有机树脂加入量不能高于1.0％，否则会导致制芯和浇铸过程中产生气体烟雾，影响车间环境。

表2

酚醛树脂加入量	溃散抗压强度(MPa)
		0	1.97
0.6份	0.85
		0.8份	0.32
1.0份	＜0.1
		1.3份	＜0.1

在实施例1的基础上，探索改变硅烷偶联剂加入量对水玻璃覆膜砂抗拉强度的影响，结果如表3所示。说明硅烷偶联剂加入量越高，抗拉强度越高，覆膜砂成型后的砂芯强度越好。由于覆膜砂的抗拉强度来源于砂粒表面粘结剂膜的结构强度，硅烷偶联剂的加入主要是促进有机树脂膜与水玻璃粘结剂膜形成一个整体性更好的粘结剂膜，所以在硅烷偶联剂的加入量达到促进形成整体性更好粘结剂膜的理想状态后，该覆膜砂的抗拉强度到达最大值。如果继续提高加入量，由于有机树脂膜与水玻璃粘结剂膜之间存在较多游离态的硅烷偶联剂，会导致粘结剂膜整体结构不稳定，从而使抗拉强度降低。

表3

硅烷偶联剂加入量	抗拉强度(MPa)
		0	1.76
0.2份	1.95
		0.4份	2.21
0.6份	2.59
		0.8份	2.47
1份	2.15

在实施例1的基础上，探索改变疏水性气相二氧化硅加入量对水玻璃覆膜砂吸湿性能的影响，结果如表4所示。砂芯放置后强度下降是由于砂芯吸收空气中的水分变软导致的，抗吸湿性能数据表示放置24h后砂芯的强度下降幅度。疏水性气相二氧化硅加入量越高，该数值越小，说明强度下降幅度越小，则砂芯吸收水分越少，覆膜砂的抗吸湿性能越好。但由于疏水性气相二氧化硅具有良好的热阻性能，因此加入量不可过高，以免对覆膜砂的固化温度和时间产生影响。

表4

疏水性气相二氧化硅加入量	抗吸湿性能(％)
		0	76.7
0.06份	60.9
		0.08份	30.2
0.1份	11.7
		0.12份	11.1

从上述实施例和对比例测试结果可知，本发明具有以下优点：

1.本发明通过在无机粘结剂膜与砂粒中间增加一层有机树脂膜，利用有机树脂在高温状态会受热分解，产生气体的原理，能够有效降低在浇铸过程中水玻璃粘结剂的残留强度，大大改善了水玻璃覆膜砂的溃散性，促进无机粘结剂在铸造行业的推广应用。

2.本发明中利用硅烷偶联剂介于有机与无机界面的结合能力，将有机树脂膜与无机粘结剂膜牢牢结合在一起，同时能够大大提高该复合型材料的强度，减少粘结剂的加入量，降低生产成本。

3.本发明中疏水性气相二氧化硅在覆膜砂表面形成一层疏水层，避免受大气环境的影响导致覆膜砂存放稳定性不足的问题，而且能够提升砂芯致密性，生产铸件表面质量更好。

4.本发明整体工艺简单、成本较低、过程控制方便，能够制备出满足铸造生产所需的水玻璃覆膜砂。

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)

1.一种铸造用水玻璃覆膜砂，其特征在于，由包括以下重量份数的原料制备得到：原砂90.5-98份，酚醛树脂0.6-1.3份，乌洛托品0.07-0.1份，硅烷偶联剂0.2-0.8份，水玻璃粘结剂1.2-2.0份，疏水性气相二氧化硅0.08-0.11份；

所述铸造用水玻璃覆膜砂的制备方法包括以下步骤：

1)将原砂加热后，与酚醛树脂加入到混砂桶内，搅拌均匀；

2)将乌洛托品溶液加入到混砂桶内，搅拌均匀；

3)将硅烷偶联剂溶液加入到混砂桶内，搅拌均匀；

4)将水玻璃粘结剂加入到混砂桶内，通入热风并搅拌均匀；

5)将疏水性气相二氧化硅加入到混砂桶内，搅拌均匀后过筛，得到所述水玻璃覆膜砂。

2.根据权利要求1所述的铸造用水玻璃覆膜砂，其特征在于，所述乌洛托品以乌洛托品水溶液的形式加入，所述乌洛托品水溶液中含有水0.03-0.08份，乌洛托品0.07-0.1份。

3.根据权利要求1所述的铸造用水玻璃覆膜砂，其特征在于，所述硅烷偶联剂以硅烷偶联剂水溶液的形式加入，所述硅烷偶联剂溶液中含有水0.4-1.0份，KH550型硅烷偶联剂0.2-0.8份。

4.根据权利要求1所述的铸造用水玻璃覆膜砂，其特征在于，步骤1)中，原砂的加热温度为120℃-170℃。

5.根据权利要求1所述的铸造用水玻璃覆膜砂，其特征在于，步骤1)中，加入酚醛树脂后的搅拌时间为10-20s；

和/或，步骤2)中，加入乌洛托品水溶液后的搅拌时间为30-50s；

和/或，步骤3)中，加入硅烷偶联剂水溶液后的搅拌时间为20-45s。

6.根据权利要求1所述的铸造用水玻璃覆膜砂，其特征在于，步骤4)中，加入水玻璃粘结剂后的搅拌时间为40-60s，热风温度为50-80℃，风速为8-15m/s；

和/或，步骤5)中，加入疏水性气相二氧化硅后的搅拌时间为20-45s。