CN113732241A - 一种亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂及应用，该粘结剂按照质量百分比计包括：56.17％～56.369％工业磷酸、12.879％～12.925％氢氧化铝粉末、1.994％～2.001％硼酸、0.332％～0.334％硅酸、1.329％～1.334％轻质氧化镁、1.994％～2.001％二乙三胺五乙酸、24.927％～25.016％纯净水、0.02％～0.374％亲水性纳米二氧化硅，亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂的中和度为34％。本发明制备的粘接剂相较于传统的磷酸盐粘结剂，具有粘结强度更高的优点。
Description
技术领域
本发明属于铸造行业领域，具体涉及到一种亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，同时还涉及该亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂在干态覆膜砂方面的应用。
背景技术
磷酸盐粘结剂作为一种绿色环保的铸造无机粘结剂，它具有溃散性好，无色，无味的特点，能够明显减小对环境的污染，但相较于传统的有机树脂粘结剂，其性能不稳定，抗吸湿性差。对磷酸盐粘结剂的相关特性进行改性处理，例如一些简单的酸类改性剂的添加，在一定程度上改善了磷酸盐粘结剂的性能，但对砂样强度的提高并不明显，并且试样的存放稳定性较差。如何改性磷酸盐粘结剂，提高其强度和存放稳定性，使之满足实际生产需要，是目前存在的问题。
发明内容
本发明第一目的在于提供一种亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，相较于传统的磷酸盐粘结剂，具有粘结强度更高的优点。
本发明第二目的在于提供一种亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂在干态覆膜砂方面的应用，二氧化硅在粘结剂体系中，本身会增加粘结剂的粘度，然而混有粘结剂的砂粒制备成干态覆膜砂之后，从根本上规避了粘结剂粘度对砂粒流动性的影响；并且在制样的过程中，二氧化硅自身的空间三维立体结构、粘结剂分子单位体积内的含固量增加，这两者共同作用，会减缓水分进出粘结膜的速度，在干态覆膜砂的制备方面，水分进出速度的减缓，会保证砂粒表面粘结剂膜的完整性；在试样的制备方面，会更好地润湿砂粒表面的粘结膜，从而让干态覆膜砂所制试样拥有更好的粘结效果。
为进一步实现上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
一种亲水性纳米二氧化硅改性的磷酸盐粘结剂，按照质量百分比计包括：56.17％～56.369％工业磷酸、12.879％～12.925％氢氧化铝粉末、1.994％～2.001％硼酸、0.332％～0.334％硅酸、1.329％～1.334％轻质氧化镁、1.994％～2.001％二乙三胺五乙酸、24.927％～25.016％纯净水、0.02％～0.374％亲水性纳米二氧化硅，亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂的中和度为34％。
最优方案的组分质量百分比包括：56.369％工业磷酸、12.925％氢氧化铝粉末、2.001％硼酸、0.334％硅酸、1.334％轻质氧化镁、2.001％二乙三胺五乙酸、25.016％纯净水、0.02％亲水性纳米二氧化硅。
优选地，所述工业磷酸浓度为85％。
优选地，所述硅酸、硼酸、轻质氧化镁、二乙三胺五乙酸、亲水性纳米二氧化硅均为分析纯。
优选地，所述氢氧化铝粉末为320目的氢氧化铝粉末。
优选地，所述亲水性纳米二氧化硅为KH570表面改性的20纳米的二氧化硅。由河北科泽金属材料有限公司生产，型号为YT--SiO2--C1。
本发明配方中工业磷酸，氢氧化铝的作用是提供基础的粘结物质；硼酸、轻质氧化镁的作用是提高试样强度；硅酸、亲水性纳米二氧化硅的作用是提高强度和耐高温性；二乙三胺五乙酸的作用是增加强度、粘结剂的稳定性；配方的所有物质组合在一起，主要就是在基础物质的基础上，提高了粘结剂所制试样的强度、稳定性、耐高温性。
本发明采用亲水性纳米二氧化硅改性磷酸盐粘结剂，将亲水性纳米二氧化硅在合成粘结剂时加入溶解，亲水性纳米二氧化硅是一种非金属酸性氧化物，其特点是通过KH570进行表面改性，让纳米二氧化硅表面产生静电场力，相互排斥，从而可以均匀的分散在磷酸盐胶粒中间，增加磷酸胶粒分子的含固量；并且纳米二氧化硅是一种三维立体结构，二氧化硅颗粒表面的硅羟基会与粘结剂中的极性基团产生氢键，之间会相互连接，形成三维网状结构，增加粘结强度，同时增加连接桥的韧性；含固量的增加以及三维网状结构的产生，会减缓水分进出砂粒表面的速度，改善覆膜砂在干燥过程中粘结剂膜的脱落情况，以及提高制样过程中粘结剂膜的润湿程度，从而提升试样的抗拉强度。加入极少量的亲水性纳米二氧化硅能够明显提高砂样的强度，在2.5％的磷酸盐粘结剂加入量下，砂样能够保持高强度。
为进一步实现上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
一种亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂的应用，在制备干态覆膜砂及制备砂型试样时，包括以下步骤：
(1)称取适量烘培砂，占烘培砂质量百分比为0.4％的KH550偶联剂，将称取的KH550偶联剂与砂搅拌均匀，得到混合料A；
(2)再称取占烘培砂质量2.5％的磷酸盐粘结剂，占烘培砂质量百分比为0.4％、质量浓度为33.3％的柠檬酸水溶液，占烘培砂质量百分比为3.0％的十八水硫酸铝三者预混均匀，得到混合料B；
(3)将上述混合料B加入到混合料A中，再次充分搅拌均匀，得到湿态覆膜砂；
(4)将湿态覆膜砂导入辗轮混砂机中，通入热风将其干燥，得到干态的覆膜砂，再将干燥后的覆膜砂，导入射砂筒中，使用覆膜砂制样机制取“8”字试样；
(5)模具加热温度150℃，射砂后保温3.5分钟，完成固化，即得试样。
本方案中，对比例与实施例所采用的制样方法都是此法，排除由于制样方法的不同，和辅料的加入不同，对实验结果的影响。KH550偶联剂的作用是增加了试样的固化速度、强度、以及抗吸湿性；柠檬酸水溶液的作用是保湿；十八水硫酸铝的作用是为制样时提供水分；由于本方案中，亲水性纳米二氧化硅已经用KH570表面改性，消耗了二氧化硅表面的硅羟基，并且在制样过程中，KH550偶联剂会先与酸反应形成酯，所以KH550对亲水性纳米二氧化硅影响极小，可以忽略。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：粘结剂经过亲水性纳米二氧化硅改性之后，所制试样强度更高；在制备过程中，将湿态砂制作成干态覆膜砂后，规避了粘结剂粘度对砂粒流动性的影响，所制砂粒的流动性更好，砂粒接触的更加致密，所制砂型的表面质量和强度都会提升。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。以下的实施例用于阐述本发明，但本发明并不局限以下实施例。
使用不加亲水性纳米二氧化硅的磷酸盐粘结剂与添加亲水性纳米二氧化硅改性的磷酸盐粘结剂来制作干态覆膜砂，筛分出50～100目的干态覆膜砂，采用覆膜砂制样机制作成砂样，通过对比砂样硬化即时强度与6小时后强度(20％～45％RH恒湿库)，来印证添加亲水性纳米二氧化硅对磷酸盐粘结剂的影响。
对比例1：
不加亲水性纳米二氧化硅磷酸盐粘结剂配比：85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末77.5g、硼酸12g、硅酸2g、轻质氧化镁8g、纯净水150g、DTPA12g；
制备步骤：
1.将工业磷酸加入三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；
2.将氢氧化铝粉末加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状；
3.加入硼酸，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
4.加入硅酸，加入50g水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
5.加入轻质氧化镁，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
6.加入50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，至溶液澄清；
7.将二乙三胺五乙酸(DTPA)加入反应釜中，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
8.加入最后50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明清澈，出料。
制样：
称取1500g烘培砂，6gKH550偶联剂，将6gKH550偶联剂与砂搅拌均匀，得到混合料A；再称取37.5g磷酸盐粘结剂，6g柠檬酸水溶液，45g十八水硫酸铝三者预混均匀，得到混合料B；将上述混合料B加入到混合料A中，再次充分搅拌均匀，得到湿态覆膜砂。将湿态覆膜砂导入辗轮混砂机中，通入热风将其干燥，得到干态的覆膜砂，再将干燥后的覆膜砂筛分出50～100目三筛砂，导入射砂筒中，使用覆膜砂制样机制取“8”字试样，模具加热温度150℃，射砂后保温3.5分钟，完成固化，最终得到试样。
实施例1：
加入0.12g亲水性纳米二氧化硅的磷酸盐粘结剂配比：85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末77.5g、硼酸12g、硅酸2g、轻质氧化镁8g、二乙三胺五乙酸12g、纯净水150g、0.12g亲水性纳米二氧化硅；
制备步骤：
1.将工业磷酸加入三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；
2.将氢氧化铝粉末加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状；
3.加入硼酸，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
4.加入硅酸，加入50g水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
5.加入轻质氧化镁，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
6.加入50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，至溶液澄清；
7.将二乙三胺五乙酸加入反应釜中，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
8.加入最后50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明清澈。
9.关闭加热器，加入亲水纳米二氧化硅，继续搅拌至溶液透明清澈，出料。
制样：
称取1500g烘培砂，6gKH550偶联剂，将6gKH550偶联剂与砂搅拌均匀，得到混合料A；再称取37.5g磷酸盐粘结剂，6g柠檬酸水溶液，45g十八水硫酸铝三者预混均匀，得到混合料B；将上述混合料B加入到混合料A中，再次充分搅拌均匀，得到湿态覆膜砂。将湿态覆膜砂导入辗轮混砂机中，通入热风将其干燥，得到干态的覆膜砂，再将干燥后的覆膜砂筛分出50～100目三筛砂，导入射砂筒中，使用覆膜砂制样机制取“8”字试样，模具加热温度150℃，射砂后保温3.5分钟，完成固化，最终得到试样。
实施例2：
加入0.56g亲水性纳米二氧化硅的磷酸盐粘结剂配比：85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末77.5g、硼酸12g、硅酸2g、轻质氧化镁8g、二乙三胺五乙酸12g、纯净水150g、0.56g亲水性纳米二氧化硅；制备步骤：
1.将工业磷酸加入三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；
2.将氢氧化铝粉末加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状；
3.加入硼酸，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
4.加入硅酸，加入50g水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
5.加入轻质氧化镁，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
6.加入50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，至溶液澄清；
7.将二乙三胺五乙酸加入反应釜中，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
8.加入最后50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明清澈。
9.关闭加热器，加入亲水纳米二氧化硅，继续搅拌至溶液透明清澈，出料。
制样：
称取1500g烘培砂，6gKH550偶联剂，将6gKH550偶联剂与砂搅拌均匀，得到混合料A；再称取37.5g磷酸盐粘结剂，6g柠檬酸水溶液，45g十八水硫酸铝三者预混均匀，得到混合料B；将上述混合料B加入到混合料A中，再次充分搅拌均匀，得到湿态覆膜砂。将湿态覆膜砂导入辗轮混砂机中，通入热风将其干燥，得到干态的覆膜砂，再将干燥后的覆膜砂筛分出50～100目三筛砂，导入射砂筒中，使用覆膜砂制样机制取“8”字试样，模具加热温度150℃，射砂后保温3.5分钟，完成固化，最终得到试样。
实施例3：
加入2.25g亲水性纳米二氧化硅的磷酸盐粘结剂配比：85％工业磷酸338g、320目氢氧化铝粉末77.5g、硼酸12g、硅酸2g、轻质氧化镁8g、二乙三胺五乙酸12g、纯净水150g、2.25g亲水性纳米二氧化硅；
制备步骤：
1.将工业磷酸加入三口反应釜中，开启搅拌器与加热器，缓慢加热至180～200℃；
2.将氢氧化铝粉末加入反应釜中，继续搅拌反应直至反应釜内溶液呈透明状；
3.加入硼酸，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
4.加入硅酸，加入50g水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
5.加入轻质氧化镁，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
6.加入50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，至溶液澄清；
7.将二乙三胺五乙酸加入反应釜中，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明；
8.加入最后50g纯净水，继续保持步骤1中的温度范围，搅拌至溶液透明清澈。
9.关闭加热器，加入亲水纳米二氧化硅，继续搅拌至溶液透明清澈，出料。
制样：
称取1500g烘培砂，6gKH550偶联剂，将6gKH550偶联剂与砂搅拌均匀，得到混合料A；再称取37.5g磷酸盐粘结剂，6g柠檬酸水溶液，45g十八水硫酸铝三者预混均匀，得到混合料B；将上述混合料B加入到混合料A中，再次充分搅拌均匀，得到湿态覆膜砂。将湿态覆膜砂导入辗轮混砂机中，通入热风将其干燥，得到干态的覆膜砂，再将干燥后的覆膜砂筛分出50～100目三筛砂，导入射砂筒中，使用覆膜砂制样机制取“8”字试样，模具加热温度150℃，射砂后保温3.5分钟，完成固化，最终得到试样。
表一
| 试验名称 | 即时强度/MPa | 6h强度/MPa |
| 对比例 | 1.34 | 1.59 |
| 实施例1 | 1.75 | 1.9 |
| 实施例2 | 1.61 | 1.74 |
| 实施例3 | 1.56 | 1.69 |
从表一中对比例与实施例的平均数据可以看出，在磷酸盐粘结剂中加入极少量的亲水性纳米二氧化硅起到了意想不到的效果，原因就是因为二氧化硅的增加，其本身特有的三维结构和粘结剂单位体积内含固量的增加，这两点因素的影响，会减缓水分进出砂粒表面粘结剂膜的速度。水分进出速度的减缓，在砂粒干燥方面，会让干态覆膜砂具有更加完整的粘结剂膜；在制样方面，使得干态覆膜砂被加热时粘结剂能够充分被润湿，拥有更好的粘结效果；并且由于加入二氧化硅，粘结桥的强度跟韧性都有所增加，所以粘结强度增加。本身二氧化硅的增加，会导致粘结剂粘度的增加，也就是影响湿砂的流动性，而本方案提到的制样方法，由于制备成干态砂，从根本上防止了粘结剂粘度的增加对砂粒流动性的影响，粘结剂的改变和制样方法的不同，使得砂样硬化即时强度与6小时后强度(20％～45％RH恒湿库)均有大幅度提升，即时抗拉强度增幅达30.6％，6h抗拉强度增幅达19.5％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，其特征在于，按照质量百分比计包括：56.17％～56.369％工业磷酸、12.879％～12.925％氢氧化铝粉末、1.994％～2.001％硼酸、0.332％～0.334％硅酸、1.329％～1.334％轻质氧化镁、1.994％～2.001％二乙三胺五乙酸、24.927％～25.016％纯净水、0.02％～0.374％亲水性纳米二氧化硅，亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂的中和度为34％。
2.根据权利要求1所述的亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，其特征在于，按照质量百分比计包括：56.369％工业磷酸、12.925％氢氧化铝粉末、2.001％硼酸、0.334％硅酸、1.334％轻质氧化镁、2.001％二乙三胺五乙酸、25.016％纯净水、0.02％亲水性纳米二氧化硅。
3.根据权利要求1或2所述的亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，其特征在于，所述工业磷酸浓度为85％。
4.根据权利要求1或2所述的亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，其特征在于，所述硅酸、硼酸、轻质氧化镁、二乙三胺五乙酸、亲水性纳米二氧化硅均为分析纯。
5.根据权利要求1或2所述的亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，其特征在于，所述氢氧化铝粉末为320目的氢氧化铝粉末。
6.根据权利要求1或2所述的亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂，其特征在于，所述亲水性纳米二氧化硅为KH570表面改性的20纳米的二氧化硅。
7.一种根据权利要求1-6中任一所述的亲水性纳米二氧化硅改性无机磷酸盐粘结剂应用于制备干态覆膜砂及砂型制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取烘培砂，占烘培砂质量百分比为0.4％的KH550偶联剂，将烘培砂与KH550偶联剂搅拌均匀，得到混合料A；
(2)再称取占烘培砂质量2.5％的磷酸盐粘结剂，占烘培砂质量百分比为0.4％、质量浓度为33.3％的柠檬酸水溶液，占烘培砂质量百分比为3.0％的十八水硫酸铝三者预混均匀，得到混合料B；
(3)将上述混合料B加入到混合料A中，再次充分搅拌均匀，得到湿态覆膜砂；
(4)将湿态覆膜砂导入辗轮混砂机中，通入热风将其干燥，得到干态的覆膜砂，再将干燥后的覆膜砂，导入射砂筒中，使用覆膜砂制样机制取试样；
(5)模具加热温度150℃，射砂后保温3.5分钟，完成固化，即得试样。
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