CN114192738A - 一种铸造用铝硅酸盐粘结剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸造用及其制备方法，涉及粘结剂领域，通过将高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水混合均匀，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体，向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂，解决了粘结剂粘结强度差，且使用过程中易产生裂纹及气孔缺陷，后续使用容易发生危险的问题；掺入硅灰增强其流动性、烧结性、结合性，提高粘结剂的致密性，填充莫来石纳米粉体，提高热稳定性，有利于粘结剂的低温致密化，弥补因高温烧结导致的裂纹，减小粘结剂内部孔隙的数量和体积，使材料高温下不收缩、不开裂、不脱落。

Description

一种铸造用铝硅酸盐粘结剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及粘结剂领域，具体涉及一种铸造用铝硅酸盐粘结剂及其制备方法。

背景技术

粘结剂能够将同质或异质物体表面粘接在一起，适用于不同材质、不同厚度及复杂构件之间连接，现有的粘结剂多数适应的工艺温度较低、粘接强度不足，难以满足高温、高压等复杂工况条件，粘结剂主要分为无机粘结剂和有机粘结剂，有机粘结剂虽粘结强度高，但其耐高温性低、环保性能差且不易加工，无机硅酸盐粘结剂使用温度可达1000℃以上，且环保无毒、制备简便、成本低廉，常用在耐火涂料、防火保温材料和铸造等方面。

传统的铸造大多采用普通无机硅酸盐粘结剂，普通无机硅酸盐粘结剂尽管价格低廉，有耐高温、粘接强度高等优点，但由于粒度分布不均匀、粘土加入量高、无外加剂等原因，其性能并不理想，粘结强度差，且使用过程中易出现开裂现象，铸件易产生裂纹及气孔缺陷，使铸件质量不合格，后续使用容易发生危险。

发明内容

为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供了一种铸造用铝硅酸盐粘结剂及其制备方法：

(1)按照重量组分称量高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水，并混合均匀，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体，向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂，解决了粘结剂粘结强度差，且使用过程中易产生裂纹及气孔缺陷，后续使用容易发生危险的问题；

(2)将九水合硝酸铝溶于蒸馏水中，加入的氨水，调节溶液pH，离心洗涤，转移加入到三口烧瓶中，充分搅拌条件下加入正硅酸四乙酯和氨水，加入蒸馏水，混合搅拌，然后将悬浮液密封在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，恒温反应，经水洗、乙醇洗、离心分离和干燥得到该高岭土，解决了因高岭土资源分布比较分散，难以大规模开采，且大多数为煤系高岭土，品位不高所导致的粘结剂粘结强度差的问题；

(3)将莫来石粉体和ZrO₂球磨珠装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，在行星快速球磨机上进行球磨处理，获得微米莫来石粉，将微米莫来石粉装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，加入水作球磨液体介质，加入分散剂，放入ZrO₂球磨珠，得到该莫来石纳米粉，解决了粘结剂致密性差，使用过程中易产生裂纹及气孔缺陷，后续使用容易发生危险的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，包括以下重量份组分：

高岭土30-40份，硅灰5-10份，水玻璃40-60份，氢氧化钾1-10份，蒸馏水10-15份、山梨醇20-30份、四硼酸钾1-3份、偏铝酸钠5-6份、聚丙烯酰胺1-5份、氢氧化铝2-5份、莫来石纳米粉20-30份；

该铝硅酸盐粘结剂由以下步骤制备得到：

S1：按照重量组分称量高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水，并混合均匀，水玻璃、氢氧化钾、蒸馏水作为碱激发剂，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体；

S2：通过超细球磨工艺制备莫来石纳米粉体；

S3：向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂。

作为本发明进一步的方案：所述高岭土由以下步骤制备得到：

S21：将九水合硝酸铝溶于蒸馏水中，加入的氨水，调节溶液pH为7.5，得到组分A；

S22：将组分A离心洗涤5-7次以后，转移加入到三口烧瓶中，充分搅拌条件下加入正硅酸四乙酯和氨水，加入蒸馏水，得到组分B；

S23：将组分B在90-95℃油浴条件下混合搅拌2-3d，然后将悬浮液密封在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，220-230℃恒温反应0-7d，经水洗、乙醇洗、离心分离和干燥得到该高岭土。

作为本发明进一步的方案：步骤S21中所述九水合硝酸铝与蒸馏水的用量比为4.73g：70mL，所述氨水的浓度为2mo l/L。

作为本发明进一步的方案：步骤S22中所述组分A、正硅酸四乙酯、氨水与蒸馏水的用量比为52.35g：2.58g：2mL：70mL，所述氨水的浓度范围为0-1mo l/L。

作为本发明进一步的方案：步骤S2中所述超细球磨工艺的具体步骤如下：

S51：将莫来石粉体和ZrO₂球磨珠装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，在行星快速球磨机上进行球磨处理，转速200-250r/mi n，球磨时间为24-28h，获得8-10μm的微米莫来石粉；

S52：将微米莫来石粉装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，加入水作球磨液体介质，加入分散剂，放入ZrO₂球磨珠，转速为1600-1800r/mi n，球磨时间为1-2h，进行球磨8-10次，得到该莫来石纳米粉。

作为本发明进一步的方案：步骤S2中所述分散剂为铵盐，所述ZrO₂球磨珠体积与粉体体积比为5：3，所述水、微米莫来石粉与分散剂的用量比为1：1：0.2，所述莫来石纳米粉的粒径小于200nm。

一种铸造用铝硅酸盐粘结剂的制备方法，该铸造用铝硅酸盐粘结剂的制备方法具体包括以下步骤：

S71：按照重量组分称量高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水，并混合均匀，水玻璃、氢氧化钾、蒸馏水作为碱激发剂，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体；

S72：通过超细球磨工艺制备莫来石纳米粉体；

S73：向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂。

本发明的有益效果：

(1)本发明是按照重量组分称量高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水，并混合均匀，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体，向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂，高岭土和硅灰的粒度较小，掺入硅灰增强其流动性、烧结性、结合性，保证颗粒在溶剂中分布均匀，提高粘结剂的致密性，致密性越高，粘结强度越大，再填充莫来石纳米粉体，提高热稳定性，经过超细球磨后，粉体粒径由微米级降低到纳米级，获得的纳米粉体具有很高表面能和烧结活性，有利于粘结剂的低温致密化，弥补因高温烧结导致的裂纹，使材料高温下不收缩、不开裂、不脱落；

(2)将九水合硝酸铝溶于蒸馏水中，加入的氨水，调节溶液pH，离心洗涤，转移加入到三口烧瓶中，充分搅拌条件下加入正硅酸四乙酯和氨水，加入蒸馏水，混合搅拌，然后将悬浮液密封在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，恒温反应，经水洗、乙醇洗、离心分离和干燥得到该高岭土，该高岭土为质软，有滑腻感的细粒黏土，且具有纯度高、比表面大、颗粒小的优点，对污染物的吸附具有优势，通过控制加入氨水的量可以制备比表面大、粒度小的高岭土，同时可以实现调控反应液的pH在中性范围内，得到高品位高岭土，从而达到增加粘结剂粘结强度的目的；

(3)经过超细球磨工艺，使莫来石纳米粉粒径由微米级降低到纳米级，获得的纳米粉体具有很高表面能和烧结活性，有利于粘结剂的低温致密化，使粘结剂在烧结过程中致密度呈现上升趋势，减小粘结剂内部孔隙的数量和体积，弥补因高温烧结导致的裂纹，从而达到提升粘结性的目的。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例为一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，包括以下重量份组分：

高岭土30份，硅灰5份，水玻璃60份，氢氧化钾10份，蒸馏水15份、山梨醇30份、四硼酸钾3份、偏铝酸钠6份、聚丙烯酰胺5份、氢氧化铝5份、莫来石纳米粉30份；

该铸造用铝硅酸盐粘结剂的制备方法具体包括以下步骤：

S71：按照重量组分称量高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水，并混合均匀，水玻璃、氢氧化钾、蒸馏水作为碱激发剂，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体；

S72：通过超细球磨工艺制备莫来石纳米粉体；

S73：向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂；

该高岭土由以下步骤制备得到：

S21：将九水合硝酸铝溶于蒸馏水中，加入的氨水，调节溶液pH为7.5，得到组分A；

S22：将组分A离心洗涤5次以后，转移加入到三口烧瓶中，充分搅拌条件下加入正硅酸四乙酯和氨水，加入蒸馏水，得到组分B；

S23：将组分B在90℃油浴条件下混合搅拌2d，然后将悬浮液密封在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，220℃恒温反应5d，经水洗、乙醇洗、离心分离和干燥得到该高岭土；

步骤S2中超细球磨工艺的具体步骤如下：

S51：将莫来石粉体和ZrO₂球磨珠装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，在行星快速球磨机上进行球磨处理，转速200r/mi n，球磨时间为24h，获得8μm的微米莫来石粉；

S52：将微米莫来石粉装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，加入水作球磨液体介质，加入分散剂，放入ZrO₂球磨珠，转速为1600r/mi n，球磨时间为1h，进行球磨8次，得到该莫来石纳米粉。

实施例2：

本实施例为一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，包括以下重量份组分：

高岭土30份，硅灰10份，水玻璃60份，氢氧化钾5份，蒸馏水15份、山梨醇30份、四硼酸钾3份、偏铝酸钠6份、聚丙烯酰胺5份、氢氧化铝5份、莫来石纳米粉30份；

该铸造用铝硅酸盐粘结剂的制备方法具体包括以下步骤：

步骤S71与实施例1一致；

S72：通过超细球磨工艺制备莫来石纳米粉体；

S73：向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂；

该高岭土由以下步骤制备得到：

S21：将九水合硝酸铝溶于蒸馏水中，加入的氨水，调节溶液pH为7.5，得到组分A；

S22：将组分A离心洗涤5次以后，转移加入到三口烧瓶中，充分搅拌条件下加入正硅酸四乙酯和氨水，加入蒸馏水，得到组分B；

S23：将组分B在90℃油浴条件下混合搅拌2d，然后将悬浮液密封在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，220℃恒温反应5d，经水洗、乙醇洗、离心分离和干燥得到该高岭土；

步骤S2中超细球磨工艺的具体步骤如下：

S51：将莫来石粉体和ZrO₂球磨珠装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，在行星快速球磨机上进行球磨处理，转速250r/mi n，球磨时间为28h，获得10μm的微米莫来石粉；

S52：将微米莫来石粉装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，加入水作球磨液体介质，加入分散剂，放入ZrO₂球磨珠，转速为1800r/mi n，球磨时间为2h，进行球磨10次，得到该莫来石纳米粉。

实施例3：

本实施例为一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，包括以下重量份组分：

高岭土30份，硅灰5份，水玻璃40份，氢氧化钾5份，蒸馏水10份、山梨醇20份、四硼酸钾1份、偏铝酸钠5份、聚丙烯酰胺3份、氢氧化铝2份、莫来石纳米粉20份；

该铸造用铝硅酸盐粘结剂的制备方法具体包括以下步骤：

步骤S71与实施例1一致；

S72：通过超细球磨工艺制备莫来石纳米粉体；

S73：向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂；

该高岭土由以下步骤制备得到：

S21：将九水合硝酸铝溶于蒸馏水中，加入的氨水，调节溶液pH为7.5，得到组分A；

S22：将组分A离心洗涤7次以后，转移加入到三口烧瓶中，充分搅拌条件下加入正硅酸四乙酯和氨水，加入蒸馏水，得到组分B；

S23：将组分B在95℃油浴条件下混合搅拌3d，然后将悬浮液密封在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，230℃恒温反应7d，经水洗、乙醇洗、离心分离和干燥得到该高岭土；

步骤S2中超细球磨工艺的具体步骤如下：

S51：将莫来石粉体和ZrO₂球磨珠装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，在行星快速球磨机上进行球磨处理，转速250r/mi n，球磨时间为28h，获得10μm的微米莫来石粉；

S52：将微米莫来石粉装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，加入水作球磨液体介质，加入分散剂，放入ZrO₂球磨珠，转速为1800r/mi n，球磨时间为2h，进行球磨10次，得到该莫来石纳米粉。

对比例1：

对比例1与实施例1的不同之处在于使用市售高岭土。

对比例2：

对比例2与实施例1的不同之处在于不添加莫来石纳米粉。

对比例3：

对比例3使用中国专利CN201210307320.2所公开的铸造用硅酸盐无机粘结剂。

将实施例1-3以及对比例1-3的粘结剂进行检测，将粘结剂浇注于指定规格的模具中，振动排除气泡后抹平表面，以聚乙烯薄膜覆盖模具表面，并置于90℃的恒温鼓风干燥箱中，固化24h，放入高温炉中，以5℃/mi n的升温速率分别加热至1000℃、1200℃、1300℃保温2h，自然冷却，测定抗压强度和抗折强度；

检测结果如下表所示：

由上表可知，实施例1000℃时的抗压强度达到了85-90MPa，使用市售高岭土的对比例1的抗压强度为70.5MPa，不添加莫来石纳米粉的对比例2的抗压强度为60.9MPa，使用中国专利CN201210307320.2所公开的铸造用硅酸盐无机粘结剂的对比例3的抗压强度为79.3MPa，实施例1200℃时的抗压强度达到了91-97MPa，使用市售高岭土的对比例1的抗压强度为81.5MPa，不添加莫来石纳米粉的对比例2的抗压强度为71.8MPa，使用中国专利CN201210307320.2所公开的铸造用硅酸盐无机粘结剂的对比例3的抗压强度为83.4MPa，实施例1300℃时的抗压强度达到了99-105MPa，使用市售高岭土的对比例1的抗压强度为85.2MPa，不添加莫来石纳米粉的对比例2的抗压强度为79.2MPa，使用中国专利CN201210307320.2所公开的铸造用硅酸盐无机粘结剂的对比例3的抗压强度为89.2MPa，实施例1000℃时的抗折强度达到了10.2-11.9MPa，使用市售高岭土的对比例1的抗折强度为5.8MPa，不添加莫来石纳米粉的对比例2的抗折强度为4.6MPa，使用中国专利CN201210307320.2所公开的铸造用硅酸盐无机粘结剂的对比例3的抗折强度为6.9MPa，实施例1200℃时的抗折强度达到了13.8-15.4MPa，使用市售高岭土的对比例1的抗折强度为6.9MPa，不添加莫来石纳米粉的对比例2的抗折强度为6.7MPa，使用中国专利CN201210307320.2所公开的铸造用硅酸盐无机粘结剂的对比例3的抗折强度为10.2MPa，实施例1300℃时的抗折强度达到了14.5-16.1MPa，使用市售高岭土的对比例1的抗折强度为7.2MPa，不添加莫来石纳米粉的对比例2的抗折强度为5.4MPa，使用中国专利CN201210307320.2所公开的铸造用硅酸盐无机粘结剂的对比例3的抗折强度为8.4MPa，实施例的数据明显优于对比例，说明实施例所使用的粘结剂的抗折强度和抗压强度都相较于现有技术有大幅提高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，其特征在于，包括以下重量份组分：

高岭土30-40份，硅灰5-10份，水玻璃40-60份，氢氧化钾1-10份，蒸馏水10-15份、山梨醇20-30份、四硼酸钾1-3份、偏铝酸钠5-6份、聚丙烯酰胺1-5份、氢氧化铝2-5份、莫来石纳米粉20-30份；

该铝硅酸盐粘结剂由以下步骤制备得到：

S1：按照重量组分称量高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水，并混合均匀，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体；

S2：通过超细球磨工艺制备莫来石纳米粉体；

S3：向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，该铝硅酸盐粘结剂。

2.根据权利要求1所述的一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，其特征在于，所述高岭土由以下步骤制备得到：

S21：将九水合硝酸铝溶于蒸馏水中，加入的氨水，调节溶液pH，得到组分A；

S22：将组分A离心洗涤，转移加入到三口烧瓶中，充分搅拌条件下加入正硅酸四乙酯和氨水，加入蒸馏水，得到组分B；

S23：将组分B混合搅拌，然后将悬浮液密封在聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，恒温反应，经水洗、乙醇洗、离心分离和干燥得到高岭土。

3.根据权利要求2所述的一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，其特征在于，步骤S21中所述九水合硝酸铝与蒸馏水的用量比为4.73g：70mL，所述氨水的浓度为2mol/L。

4.根据权利要求2所述的一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，其特征在于，步骤S22中所述组分A、正硅酸四乙酯、氨水与蒸馏水的用量比为52.35g：2.58g：2mL：70mL，所述氨水的浓度范围为0-1mol/L。

5.根据权利要求1所述的一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，其特征在于，步骤S2中所述超细球磨工艺的具体步骤如下：

S51：将莫来石粉体和ZrO₂球磨珠装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，在行星快速球磨机上进行球磨处理，获得微米莫来石粉；

S52：将微米莫来石粉装入内衬为聚四氟乙烯的球磨罐中，加入水作球磨液体介质，加入分散剂，放入ZrO₂球磨珠，得到该莫来石纳米粉。

6.根据权利要求5所述的一种铸造用铝硅酸盐粘结剂，其特征在于，步骤S2中所述分散剂为铵盐，所述ZrO₂球磨珠体积与粉体体积比为5：3，所述水、微米莫来石粉与分散剂的用量比为1：1：0.2，所述莫来石纳米粉的粒径小于200nm。

7.如权利要求1所述的一种铸造用铝硅酸盐粘结剂的制备方法，其特征在于，该铸造用铝硅酸盐粘结剂的制备方法具体包括以下步骤：

S71：按照重量组分称量高岭土、硅灰、水玻璃、氢氧化钾、山梨醇、四硼酸钾、偏铝酸钠、聚丙烯酰胺、氢氧化铝和蒸馏水，并混合均匀，水玻璃、氢氧化钾、蒸馏水作为碱激发剂，搅拌，得到铝硅酸盐聚合物浆体；

S72：通过超细球磨工艺制备莫来石纳米粉体；

S73：向铝硅酸盐聚合物浆体中再加入莫来石纳米粉体，搅拌均匀，得到该铝硅酸盐粘结剂。