CN114535499B - 铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体及激活液和使用方法 - Google Patents

铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体及激活液和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体及激活液和使用方法，该种无机粘结剂粉体包括硅酸钠粉末0.5‑3.0％、磺酸盐0.01‑1.0％、铝硅酸盐0.01‑1.0％、微硅粉0.1‑3.0％、硼砂0.01‑1.0％、多偏磷酸钠0.01‑1.0％、麦芽糊精0.1‑2.0％、硫酸钡0.1‑2.0％、氢氧化锂0.1‑2.0％、疏水型纳米二氧化硅0.1‑2.0％。激活液包括去离子水1.0‑5.0％、氨基硅烷偶联剂0.01‑1.0％、有机酸0.01‑1.0％。以及相应的使用方法包括配制组合物A、组合物B、激活液、混砂、制无机砂芯步骤。该种无机粘结剂粉体和激活液便于储存、运输、使用、能提高砂芯强度和抗吸湿性。

Description

铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体及激活液和使用方法
技术领域
本发明涉及铸造领域，尤其涉及一种铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体及激活液和使用方法。
背景技术
目前铸造生产中，主要是使用有机树脂作粘结剂来高效造型、制芯。这对提高铸件的质量和生产效率起到了很大的作用，但是在其使用过程中，各种树脂化学粘结剂砂释放了大量的苯、醛、硫等有毒气体，既污染环境，又毒害人体。
从20世纪90年代以来，世界各国先后开展了环保型无机砂工艺的研究。相比传统有机树脂粘结剂，无机粘结剂使用液体硅酸钠(水玻璃)为主要组分，它不产生有害、有毒烟气，无需排烟设备，不仅可以减少对环境的污染和人体健康的危害，而且具有强度高、溃散性好等优点，是一种正在兴起的环保铸造材料。
例如公开号为CN101108407A的中国发明申请《一种铸造造型、制芯用粘结剂及其制备方法》中介绍了一种液体无机粘结剂的制备方法，将工业固体硅酸钠，氢氧化钾，氢氧化钠，山梨醇，水等加入高压反应釜中，通入蒸汽，缓慢升温到158℃，在158℃～169C间保温2h，放入贮罐沉淀72h，将澄清液放出，即为液体无机粘结剂。这种液体无机粘结剂需要在一定温度、压力下制备，生产周期长，运输不方便，而且长期存放会发生老化、挥发而使黏结剂增稠问题，很难适应现代铸造生产中铝合金副车架、电机壳等大尺寸复杂空心薄壁铝合金铸件大批量、高效率制芯的需求。此外，使用液体硅酸钠作粘结剂，在混砂、射砂时，砂混合料流动性差，使得在造型过程中无机砂的紧实度不够，导致砂芯强度下降，抗吸湿性差的问题。
为了解决液体状无机粘结剂生产、运输、储存、使用过程中存在的问题，需要进一步改进无机粘结剂的生产工艺，简化无机粘结剂的制备、使用和处理的工艺过程。因此，需要一种便于储存、运输、使用，且能提高砂芯强度和抗吸湿性的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体及激活液和使用方法。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种便于储存、运输、使用、能提高砂芯强度和抗吸湿性的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种能在室温下与上述无机粘结剂粉体配合使用的激活液，且能提高水解速率，进一步帮助提高砂芯的强度和抗吸湿性。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种上述无机粘结剂粉体和激活液的使用方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该种铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体，各个组分的质量百分比为：硅酸钠粉末0.5-3.0％、磺酸盐0.01-1.0％、铝硅酸盐0.01-1.0％、微硅粉0.1-3.0％、硼砂0.01-1.0％、多偏磷酸钠0.01-1.0％、麦芽糊精0.1-2.0％、硫酸钡0.1-2.0％、氢氧化锂0.1-2.0％、疏水型纳米二氧化硅0.1-2.0％。
本发明选用粉末状硅酸盐的形式作为粘结剂，不是水溶液，硅酸钠粉末具有耐寒性，均匀性，使用、运输、储存极为方便等特点，进一步改进了无机粘结剂砂芯的生产工艺，大大简化了粘结剂的制备、使用和处理的工艺过程，为实现集中准备含有固体硅酸盐的干砂混合物并随后交付给用户的设想成为现实。
本发明选用磺酸盐，磺酸盐在激活液中电离后生成起表面活性作用的磺酸根(R--S03)阴离子，其属于憎水性阴离子，在粉末状无机粘结剂中加入磺酸盐，磺酸根阴离子吸附于硅酸钠粉末表面，可以改善铸造用无机砂的工艺性能，提高无机砂芯的冷强度和抗吸湿性。
本发明选用铝硅酸盐，铝硅酸盐的晶体结构一半是AlO4四面体，另一半是SiO4四面体，在粉末状无机粘结剂中加入铝硅酸盐，通过它的活性反应基团可以将单个的硅酸钠胶粒相互连接起来，形成一种具有三维立体网状结构的铝氧硅酸盐骨架，从而使粘结剂迅速将砂粒固化成型，由此也可获得强度高、抗湿性好的无机砂芯。
本发明加入麦芽糊精，芽糊精是以含淀粉质的玉米，大米等，也可以是精制淀粉，如玉米淀粉，小麦淀粉，木薯淀粉等作原料加工而成，有较好的乳化作用和增稠效果。在粉末状无机粘结剂中加入麦芽糊精，可以增加粘结剂粘稠度、增强无机粘结剂的分散性和溶解性。
本发明加入硫酸钡，可以确保无机砂芯自动化系列生产所需的强度要求，特别是合适的热强度；又可以保证无机砂芯的表面稳定性，对于减少砂的附着，砂的渗透，穿透以及变色有重要意义，使得铝合金铸造件表面品质大幅改善。
本发明加入氢氧化锂。首先，氢氧化锂的加入使得体系中的氢氧根浓度升高，在体系中产生聚硅酸胶粒逆反应，从而使粘结剂在混砂、制芯时能形成数量更多且有效的粘结桥，从而可以提高无机砂的强度；其次，在加热固化过程中，锂离子会很容易在水化壳层中释放水分子，同时锂离子可与存在的其他元素，比如Si、O等建立更多的离子键，在离子键作用下产生的粘结桥强度更大。因此，也可获得强度高、抗湿性好的无机砂芯。
本发明使用了疏水型气相二氧化硅。它是通过亲水性气相二氧化硅与活性硅烷等发生化学反应而制得，具有疏水性(憎水性)，还有很好的分散性，即使对于极性体系也有流变调节能力。在组合物体系中，疏水型气相二氧化硅可以达到较高添加量，而对体系的粘度影响很小。因此，也可获得强度高、抗湿性好的无机砂芯。
优选地，硅酸钠粉末0.5-1.5％、磺酸盐0.05-0.2％、铝硅酸盐0.05-0.5％、微硅粉0.5-1.5％、硼砂0.05-0.5％、多偏磷酸钠0.05-0.5％、麦芽糊精0.1-1.0％、硫酸钡0.05-0.5％、氢氧化锂0.05-0.5％、疏水型纳米二氧化硅0.1-1.0％。
优选地，所述硅酸钠粉末为高碱性速溶硅酸钠粉末，平均粒径为1.6-18μm，模数为2.3至3.0。选用该种硅酸钠粉末能快速、彻底地溶解在水中；高碱性固体硅酸钠是钠正石或代谢物的晶体粉末，也是代谢物的晶体水合物，钠石晶体具有岛屿结构，没有硅氧烷键，当与水相互作用时，高碱性可防止聚合物离子的形成，降低粘结剂粘度。
优选地，所述磺酸盐为烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、烷基磺酸盐、α-磺基单羧酸酯、脂肪酸磺烷基酯、琥珀酸酯磺酸盐、烷基萘磺酸盐、石油磺酸盐、木质素磺酸盐、烷基甘油醚磺酸盐等多种类型中的至少一种。
优选地，所述铝硅酸盐为长石、云母、高岭土、沸石和石榴石中的至少一种。
优选地，所述微硅粉选用二氧化硅含量95％以上的高纯度微硅粉，更有利于砂芯强度和抗吸湿性的提高。
进一步优选地，所述微硅粉为平均粒径在0.1～0.3μm，比表面积在20～28m2/g的非结晶型二氧化硅。该种微硅粉颗粒形态与矿相结构有很大不同，它在形成过程中，因相变的过程中受表面张力的作用，形成了非结晶相无定形圆球状颗粒，且表面较为光滑。在粉末状无机粘结剂中加入这种粒径小、比表面积大、活性高的微硅粉，可以提高无机砂混合物中的流动性、结合性，还可以提高无机砂芯的结构密度和强度，增强无机砂芯的抗侵蚀性。
优选地，所述麦芽糊精为黄马铃薯糊精。马铃薯因为其产量高、适应性强、加工用途广泛的特性，在我国的农业市场上占据着重大比例。同时马铃薯本身的淀粉多、种植方法简单的优势在糊精生产中被广泛的应用，选用黄马铃薯糊精成本更为低廉。
优选地，所述硫酸钡为超细天然硫酸钡粉末，平均粒径为1.5μm～5μm。这种超细天然硫酸钡粉末密度大、稳定性强，作为改性剂可增加无机砂芯的强度，使改性体系的冲击强度和拉伸强度等随着含量的增加而平缓下降、增加或不变，其他性能则会持续升高，还可以提高无机砂芯的表面稳定性。
优选地，所述氢氧化锂为一水合氢氧化锂。常见的氢氧化锂是无水氢氧化锂，属四方晶系晶体，在水中溶解度很小，溶解度随着温度的升高而降低；一水合氢氧化锂属单斜晶系晶体，溶解度相对无水氢氧化锂更大。此外，无水氢氧化锂的锂含量高，价格昂贵，而选用一水合氢氧化锂更为经济实惠。
常规工艺中，一般将硅酸钠在高温下制备成水玻璃进行使用，本发明还包括一种在常温下与上述无机粘结剂粉体配合使用的激活液，所述激活液包括以下质量分数的组分：去离子水1.0-5.0％、氨基硅烷偶联剂0.01-1.0％、有机酸0.01-1.0％。
本发明的该种激活液选用了氨基硅烷偶联剂。硅烷偶联剂的种类有几十种，可分为：氨基、氯基、链烯基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯烃基、阳离子基、双官能团等。本发明根据硅烷偶联剂的结构、性质及与硅微粉作用的机理进行了选择，选择了一种最适合硅微粉表面改性的硅烷偶联剂——氨基硅烷偶联剂。它是具备双反应功能的化合物，分子中的烷氧基水解生成活性基团硅醇，活性基团硅醇与微硅粉表面发生反应，表面性能由亲水性转变为不同程度的疏水性，并且偶联剂在微硅粉表面上不是孤立的小斑点，而是铺展成一层连续的膜致使其表面具有僧水性。当微硅粉表面填充硅砂基体时，在硅砂与微硅粉表面的界面间形成牢固的化学结合(≡Si-O-M，M为无机砂)，从而提高无机砂芯的强度和抗吸湿性。
本发明的该种激活液添加了有机酸。氨基硅烷偶联剂在改性微硅粉时首先发生水解反应，随后与微硅粉表面发生物理化学反应从而达到改性微硅粉的作用。在弱酸性的环境下，能促进硅烷偶联剂的水解速率；氨基硅烷偶联剂在酸性环境下水解的同时，还发生水解产物的缩合反应。缩合反应减少水解产物与微硅粉作用的硅醇基数，降低偶联效能，而且在微硅粉表面形成多分子遮盖层，影响微硅粉与无机砂的紧密性。有机酸一般都是弱酸，其酸性强弱可以用pKa来表示，通常有机酸的pKa在3-5之间，比强的无机酸弱，但比酚类(苯酚的pKa为9.96)、碳酸(pKa为6.38)要强。因此，选择有机酸使得硅烷偶联剂在弱酸性环境下进行水解最有利于其对粉末状无机粘结剂表面进行改性。
优选地，所述激活液包括以下质量分数的组分：硅烷偶联剂0.05-0.3％、去离子水1.5-3.0％、有机酸0.05-0.15％。
优选地，所述氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、苯氨基甲基三乙氧基硅烷、苯氨基甲基三甲氧基硅烷中的一种或几种的混合物。
进一步优选地，所述氨基硅烷偶联剂选用甲氧基的氨基硅烷偶联剂。由于乙氧基比甲氧基体积大，故含乙氧基的硅烷在水中的溶解度较低，为此，选用甲氧基的氨基硅烷偶联剂在室温环境下就可迅速水解，大大提高微硅粉的表面改性效果，提高无机砂的抗吸湿性。
优选地，所述有机酸为草酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸、乙酸中的一种或几种的混合物。
另外，本发明还提供一种上述无机粘结剂粉体和激活液的使用方法，包括以下步骤：
(1)，配制组合物A：
按配方称取硅酸钠粉末、磺酸盐和铝硅酸盐，混合均匀后获得组合物A；
(2)，配制组合物B：
按配方称取微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精、硫酸钡、氢氧化锂、疏水型纳米二氧化硅，混合均匀后获得组合物B；
(3)，配制激活液：
按配方称取去离子水、氨基硅烷偶联剂和有机酸，混合均匀后获得激活液；
(4)，混砂：
将原砂与组合物A、组合物B、激活液混合均匀，得到无机砂组合物；
(5)，制无机砂芯：
将无机砂组合物制成无机砂芯。
本发明的该种使用方法，将无机粘结剂粉体分为组合物A和组合物B，可以防止粉体一次性配制带来的团聚、不均匀等问题。在步骤(4)进行各个组分的混合，能够使得无机砂组合物混合地更佳均匀，有利于各个组分充分发挥各自性能。
为了混合均匀优选地，所述步骤(1)包括以下步骤：先将硅酸钠粉末和铝硅酸盐装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入铝硅酸盐，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，获得组合物A。
为了混合均匀优选地，所述步骤(2)包括以下步骤：先将微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精和硫酸钡装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入氢氧化锂，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，最后加入疏水型纳米二氧化硅，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物B。
本发明使用的疏水型气相二氧化硅，由于单分散纳米SiO2粒子的粒径小、比表面积大、表面活性高及稳定性差，颗粒之间极易相互团聚。纳米效应容易引起一系列优异特性被减弱或失去，其添加量、搅拌时间等工艺参数十分重要，否则不但起不到积极作用，还将恶化无机砂强度，按照本发明的配方及使用方法可以很好的克服以上问题。
为了混合均匀优选地，所述步骤(3)包括以下步骤：先将离子水和有机酸倒入容器中，在室温下，搅拌0.5～3min，直至充分溶解后，再滴入氨基硅烷偶联剂，继续搅拌0.5～3min，得到澄清溶液后，即可停止搅拌，配成混合溶液，即制得激活液。
该步骤将硅烷偶联剂分散在酸性环境的去离子水中先进行水解，再与硅酸盐混合。在弱酸性的环境下，能促进硅烷偶联剂的水解速率。在氨基硅烷先发生水解反应，随后与粉末状无机粘结剂表面发生物理化学反应从而达到粉体表面改性的作用，更有利于氨基硅烷偶联剂性能的发挥。
为了混合均匀优选地，所述步骤(4)包括以下步骤：在室温下，先将组合物A与原砂在先混砂机中混合，混合0.5～3min，混合均匀后所得混合物再与组合物B均匀混合，继续混合0.5～3min，接着再加入激活液混合均匀，混合1～5min，均匀混合后，即可出砂，得到无机砂组合物。若所加材料较多，则混砂时间可增长1～2min，但时间不可超过5min，因为若时间过长，制得的砂与混砂机之间摩擦生热，导致制得的砂提前开始固化，影响强度。
为了保证砂芯的强度和抗吸湿性等性能，优选地，所述步骤(5)包括以下步骤：将无机砂组合物加入射芯机砂斗，制样模具预先加热到190-230℃，在0.1-0.6Mpa气压下，用压缩空气将无机砂组合物用射芯机射入模具型腔，再将160-200℃热空气吹入模具型腔内，吹气压力0.1--0.6Mpa，吹气时间10-80s。砂芯硬化后开盒顶出砂芯，砂芯可当天使用，也可存放3天以上使用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用改性的粉末状硅酸盐粘结剂体系代替传统的液体硅酸盐粘结剂。以粉末状硅酸盐的形式作为粘结剂，但不是水溶液，进一步改进了无机粘结剂砂型芯的生产工艺，大大简化了粘结剂的制备、使用和处理的工艺过程，为实现集中准备含有固体硅酸盐的干砂混合物并随后交付给用户的设想成为现实。
2、本发明中使用磺酸盐和铝硅酸盐来复合改性粉末状硅酸盐。在混砂和制芯过程中，磺酸盐电离后生成的磺酸根(R--S03)和铝硅酸盐的AlO4四面体吸附于无机砂表面，可以改善无机砂工艺性能，提高无机砂的抗吸湿性、储存稳定性和强度。
3、本发明采用疏水型纳米二氧化硅，能够提高砂芯的强度和抗吸湿性。
4、本发明中的激活液使用去离子水作为溶剂，从而溶解粉末状硅酸盐，从而激活其粘合特性。与使用液体无机粘结剂的工艺相比，这是本质的区别。在使用过程中硅酸钠粘结剂的粘度降低，导致硅酸钠无机粘结剂砂的流动性变好，使得在造型过程中硅酸盐无机粘结剂砂紧实度提高，从而能够适应副车架、电机壳等大型复杂薄壁铝合金铸件现代铸造生产中大批量、高效率制造精密铸型、砂芯的需求。
5、本发明中的激活液里含有微量硅烷偶联剂和有机酸。烷氧基水解生成活性基团硅醇，活性基团硅醇可以与微硅粉表面发生反应，表面性能由亲水性转变为不同程度的疏水性，并且偶联剂在微硅粉表面上铺展成一层连续的膜致使微硅粉表面具有僧水性。当微硅粉填充无机砂基体时，在无机砂与微硅粉的界面间形成牢固的化学结合(≡Si-O-M，M为无机砂)，提高副车架、电机壳等大型复杂薄壁铝合金铸件用无机砂芯在高温高湿环境下的抗吸湿性和储存稳定性。
6、本发明所提供的无机粘结剂粉体和激活液的使用方法，其在使用过程中，组合物A、组合物B和激活液都是在室温条件下现配现用，避免了因传统液体状无机粘结剂长期存放会发生老化、挥发而使黏结剂增稠问题，导致砂芯强度下降，抗吸湿性变差的问题。这种粉末状无机粘结剂组合物的使用方法也很好的适应现代铸造生产中铝合金副车架、电机壳等大尺寸复杂空心薄壁铝合金铸件大批量、高效率制芯的需求。
7、与其他基于液态水玻璃或有机粘合剂的工艺相比，粘合剂系统材料的成本降低到现有技术的50％至25％。
8、综上所述，采用本发明的技术方案，在30℃，75％RH下，砂芯随着放置时间延长，24h抗弯强度较1h抗弯强度下降24.8％，72h抗弯强度较1h抗弯强度下降27.7％，具有很好的强度和抗吸湿性。
附图说明
图1为本发明的实施例2的SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
对比例1：具体包括一下步骤
(1)制备改性水玻璃粘结剂：
称取22g模数2.3的工业级速溶硅酸钠粉末和28g去离子水，将去离子水装入反应釜中，然后边搅拌边加入工业级速溶硅酸钠粉末，并对反应釜进行加热到90℃，待搅拌均匀后冷却降温形成无色透明水溶液后，即可停止搅拌，即制得改性水玻璃粘结剂；
(2)制备复合改性粉末状配制增强剂：
称取26g微硅粉、2g硼砂和2g多偏磷酸钠，并分别装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得复合改性粉末状配制增强剂；
(3)混砂：
先将步骤(1)制备的改性水玻璃粘结剂与2000g的50/100目内蒙古大林擦洗硅砂先在混砂机中混合，混合2min，混合均匀后所得混合物再与步骤(2)制备的复合改性粉末状配制增强剂均匀混合，继续混合2min，均匀混合后，即可出砂。
(4)制无机砂芯：
将混好的制芯砂组合物后加入射芯机砂斗，标准“8”型和长条型试样实验模具预先加热到220℃。在0.45Mpa气压下，用压缩空气将制芯砂组合物用无机射芯机射入标准“8”型和长条型试样实验模具型腔，再将200℃热空气吹入模具型腔内，吹气压力0.45Mpa，吹气时间70s。砂芯硬化后开盒顶出砂芯，砂芯可当天使用，也可存放3天以上使用。
实施例1：具体包括一下步骤
(1)，配制组合物A：
称取16g模数2.3的工业级速溶硅酸钠粉末、2g十二基苯磺酸盐和2g钾长石并分别装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料1min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物A；
(2)，配制组合物B：
称取16g微硅粉、2g硼砂、2g多偏磷酸钠、4g麦芽糊精、2g硫酸钡、2g一水合氢氧化锂和2g纳米二氧化硅，先将微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精和硫酸钡装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入氢氧化锂，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，最后加入疏水型纳米二氧化硅，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物B；
(3)，配制激活液：
称取1g阴离子表面活性剂、1g硅烷偶联剂、28g去离子水，先将离子水和有机酸倒入容器中，在室温下，搅拌0.5～3min，直至充分溶解后，再滴入氨基硅烷偶联剂，继续搅拌0.5～3min，得到澄清溶液后，即可停止搅拌，配成混合溶液，即制得激活液；
(4)，混砂：
先将步骤(1)制备的组合物A与2000g的50/100目内蒙古大林擦洗硅砂在先混砂机中混合，混合2min，混合均匀后所得混合物再与组合物B均匀混合，继续混合2min，接着再加入激活液混合均匀，混合2min，均匀混合后，即可出砂，得到无机砂组合物。
(5)，制无机砂芯：
将混好的无机砂组合物加入射芯机砂斗，标准“8”型和长条型试样实验模具预先加热到220℃。在0.45Mpa气压下，用压缩空气将无机砂组合物用射芯机射入标准“8”型和长条型试样实验模具型腔，再将200℃热空气吹入模具型腔内，吹气压力0.45Mpa，吹气时间70s。砂芯硬化后开盒顶出砂芯，砂芯可当天使用，也可存放3天以上使用。
实施例2：具体包括以下步骤：
(1)，配制组合物A：
称取16g模数2.5的工业级速溶硅酸钠粉末、2g十二基苯磺酸盐和2g钾长石并分别装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料1min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物A；
(2)，配制组合物B：
称取16g微硅粉、2g硼砂、2g多偏磷酸钠、4g麦芽糊精、2g硫酸钡、2g一水合氢氧化锂和2g纳米二氧化硅，先将微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精和硫酸钡装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入氢氧化锂，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，最后加入疏水型纳米二氧化硅，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物B；
(3)，配制激活液：
称取1g阴离子表面活性剂、1g硅烷偶联剂、28g去离子水，先将离子水和有机酸倒入容器中，在室温下，搅拌0.5～3min，直至充分溶解后，再滴入氨基硅烷偶联剂，继续搅拌0.5～3min，得到澄清溶液后，即可停止搅拌，配成混合溶液，即制得激活液；
(4)，混砂：
先将步骤(1)制备的组合物A与2000g的50/100目内蒙古大林擦洗硅砂在先混砂机中混合，混合2min，混合均匀后所得混合物再与组合物B均匀混合，继续混合2min，接着再加入激活液混合均匀，混合2min，均匀混合后，即可出砂，得到无机砂组合物。
(5)，制无机砂芯：
将混好的无机砂组合物加入射芯机砂斗，标准“8”型和长条型试样实验模具预先加热到220℃。在0.45Mpa气压下，用压缩空气将无机砂组合物用射芯机射入标准“8”型和长条型试样实验模具型腔，再将200℃热空气吹入模具型腔内，吹气压力0.45Mpa，吹气时间70s。砂芯硬化后开盒顶出砂芯，砂芯可当天使用，也可存放3天以上使用。
实施例3：具体包括以下步骤：
(1)，配制组合物A：
称取16g模数2.7的工业级速溶硅酸钠粉末、2g十二基苯磺酸盐和2g钾长石并分别装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料1min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物A；
(2)，配制组合物B：
称取16g微硅粉、2g硼砂、2g多偏磷酸钠、4g麦芽糊精、2g硫酸钡、2g一水合氢氧化锂和2g纳米二氧化硅，先将微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精和硫酸钡装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入氢氧化锂，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，最后加入疏水型纳米二氧化硅，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物B；
(3)，配制激活液：
称取1g阴离子表面活性剂、1g硅烷偶联剂、28g去离子水，先将离子水和有机酸倒入容器中，在室温下，搅拌0.5～3min，直至充分溶解后，再滴入氨基硅烷偶联剂，继续搅拌0.5～3min，得到澄清溶液后，即可停止搅拌，配成混合溶液，即制得激活液；
(4)，混砂：
先将步骤(1)中的组合物A与2000g的50/100目内蒙古大林擦洗硅砂在先混砂机中混合，混合2min，混合均匀后所得混合物再与组合物B均匀混合，继续混合2min，接着再加入激活液混合均匀，混合2min，均匀混合后，即可出砂，得到无机砂组合物；
(5)，制无机砂芯：
将混好的无机砂组合物后加入射芯机砂斗，标准“8”型和长条型试样实验模具预先加热到220℃。在0.45Mpa气压下，用压缩空气将无机砂组合物用射芯机射入标准“8”型和长条型试样实验模具型腔，再将200℃热空气吹入模具型腔内，吹气压力0.45Mpa，吹气时间70s。砂芯硬化后开盒顶出砂芯，砂芯可当天使用，也可存放3天以上使用。
实施例4：
(1)，配制组合物A：
称取16g模数3.0的工业级速溶硅酸钠粉末、2g十二基苯磺酸盐和2g钾长石并分别装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料1min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物A；
(2)，配制组合物B：
称取16g微硅粉、2g硼砂、2g多偏磷酸钠、4g麦芽糊精、2g硫酸钡、2g一水合氢氧化锂和2g纳米二氧化硅，先将微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精和硫酸钡装入混砂机混合，最好采用叶片式混砂机，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入氢氧化锂，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，最后加入疏水型纳米二氧化硅，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物B；
(3)，配制激活液：
称取1g阴离子表面活性剂、1g硅烷偶联剂、28g去离子水，先将离子水和有机酸倒入容器中，在室温下，搅拌0.5～3min，直至充分溶解后，再滴入氨基硅烷偶联剂，继续搅拌0.5～3min，得到澄清溶液后，即可停止搅拌，配成混合溶液，即制得激活液；
(4)，混砂：
先将步骤(1)制备的组合物A与2000g的50/100目内蒙古大林擦洗硅砂在先混砂机中混合，混合2min，混合均匀后所得混合物再与组合物B均匀混合，继续混合2min，接着再加入激活液混合均匀，混合2min，均匀混合后，即可出砂,得到无机砂组合物。
(5)，制无机砂芯：
将混好的无机砂组合物后加入射芯机砂斗，标准“8”型和长条型试样实验模具预先加热到220℃。在0.45Mpa气压下，用压缩空气将无机砂组合物用射芯机射入标准“8”型和长条型试样实验模具型腔，再将200℃热空气吹入模具型腔内，吹气压力0.45Mpa，吹气时间70s。砂芯硬化后开盒顶出砂芯，砂芯可当天使用，也可存放3天以上使用。
利用强度测试仪对所制成的砂样在不同温度湿度下测量试样的热强度(<1min)、初强度(1h)及24h强度，每次测量5个试样，除去一个最高值及一个最低值，取剩余值的平均值作为最终的强度。其中，实施例1至4中分别采用不同模数的粉末状硅酸钠制备无机粘结剂砂，对比例1是空白组，采用2.3模数的液体硅酸钠制备无机粘结剂砂。具体性能数据详见表1和表2。
表1不同模数不同状态的硅酸钠无机砂室温强度(20℃，35％RH下)
Figure BDA0003502599750000111
表2不同状态的2.3模数硅酸钠无机砂室温强度(30℃，75％RH下)
Figure BDA0003502599750000112
从表1的实施例1至实施例4的室温强度对比证明：粉末状硅酸钠的模数越低，无机粘结剂砂的强度越高，模数为2.3的粉末状硅酸钠无砂室温强度最高，1h抗拉强度为1.63Mpa，抗弯强度3.11Mpa。随着放置时间延长，24h抗弯强度较1h抗弯强度下降20～25％，72h抗弯强度较1h抗弯强度下降25～30％，说明在该环境下无机粘结剂砂的储存时间可以达到72h甚至更高。
从表1的对比例1和实施例1的室温强度对比证明：实施例1中采用本发明的技术方案，采用2.3模数的粉末状硅酸钠制备无机粘结剂砂，随着放置时间延长，24h抗弯强度较1h抗弯强度下降24.8％，72h抗弯强度较1h抗弯强度下降25.7％。空白组(对比例1)中采用2.3模数的液体硅酸钠制备无机粘结剂砂，随着放置时间延长，24h抗弯强度较1h抗弯强度下降23.2％，72h抗弯强度较1h抗弯强度下降30.6％。由此可以得出，采用粉末状硅酸钠制备无机粘结剂砂相比较液体硅酸钠制备的无机粘结剂砂具有更高的抗吸湿性，储存时间更长，砂芯长时间储存的性能更好。
对比表1、表2无机粘结剂砂室温强度证明：在30℃，75％RH下，对比例1和实施例1的不同时间段强度都有所下降。实施例1中采用本发明的技术方案，采用2.3模数的粉末状硅酸钠制备无机粘结剂砂，随着放置时间延长24h抗弯强度较1h抗弯强度下降28.8％，72h抗弯强度较1h抗弯强度下降37.7％；空白组(对比例1)显示采用2.3模数的液体硅酸钠制备无机粘结剂砂，随着放置时间延长，24h抗弯强度较1h抗弯强度下降41％，72h抗弯强度较1h抗弯强度下降60％。由此可以得出，采用粉末状硅酸钠无机粘结剂所得到的无机砂在高温高湿度环境下具有很好的抗吸湿性和强度。
如图1所示为实施例2中无机砂芯在30℃，75％RH下存放72h后SEM形貌图。从图中可以发现，无机砂芯在高温高湿环境下存放较长时间后，砂粒与砂粒间的粘结桥依然清晰可见，没有发生任何断裂。由此可以看出，采用粉末状硅酸钠制备无机粘结剂所得到的无机砂在高温高湿度环境下具有更好的抗吸湿性和强度。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体，其特征在于各个组分的质量百分比为：硅酸钠粉末0.5-3.0％、磺酸盐0.01-1.0％、铝硅酸盐0.01-1.0％、微硅粉0.1-3.0％、硼砂0.01-1.0％、多偏磷酸钠0.01-1.0％、麦芽糊精0.1-2.0％、硫酸钡0.1-2.0％、氢氧化锂0.1-2.0％、疏水型纳米二氧化硅0.1-2.0％。
2.根据权利要求1所述的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体，其特征在于各个组分的质量百分比为：硅酸钠粉末0.5-1.5％、磺酸盐0.05-0.2％、铝硅酸盐0.05-0.5％、微硅粉0.5-1.5％、硼砂0.05-0.5％、多偏磷酸钠0.05-0.5％、麦芽糊精0.1-1.0％、硫酸钡0.05-0.5％、氢氧化锂0.05-0.5％、疏水型纳米二氧化硅0.1-1.0％。
3.根据权利要求1所述的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体，其特征在于：所述硅酸钠粉末为高碱性速溶硅酸钠粉末，平均粒径为1.6-18μm，模数为2.3至3.0。
4.根据权利要求1所述的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体，其特征在于：所述微硅粉为平均粒径在0.1～0.3μm，比表面积在20～28m2/g的非结晶型二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体，其特征在于：所述硫酸钡为超细天然硫酸钡粉末，平均粒径为1.5μm～5μm。
6.一种用于权利要求1至5任一项所述铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体的激活液，其特征在于包括以下质量分数的组分：去离子水1.0-5.0％、氨基硅烷偶联剂0.01-1.0％、有机酸0.01-1.0％。
7.根据权利要求6所述的激活液，其特征在于各个组分的质量分数为：硅烷偶联剂0.05-0.3％、去离子水1.5-3.0％、有机酸0.05-0.15％。
8.一种权利要求1至5任一项所述铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)，配制组合物A：
按配方称取硅酸钠粉末、磺酸盐和铝硅酸盐，混合均匀后获得组合物A；
(2)，配制组合物B：
按配方称取微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精、硫酸钡、氢氧化锂、疏水型纳米二氧化硅，混合均匀后获得组合物B；
(3)，配制激活液：
按配方称取去离子水、氨基硅烷偶联剂和有机酸，混合均匀后获得激活液；
(4)，混砂：
将原砂与组合物A、组合物B、激活液混合均匀，得到无机砂组合物；
(5)，制无机砂芯：
将无机砂组合物制成无机砂芯。
9.根据权利要求8所述的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体的使用方法，其特征在于：所述步骤(1)包括以下步骤：先将硅酸钠粉末和铝硅酸盐装入混砂机混合，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入铝硅酸盐，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，获得组合物A。
10.根据权利要求8所述的铸造用抗吸湿型无机粘结剂粉体的使用方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下步骤：先将微硅粉、硼砂、多偏磷酸钠、麦芽糊精和硫酸钡装入混砂机混合，在室温下，混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，再加入氢氧化锂，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，最后加入疏水型纳米二氧化硅，继续混料0.5～3min，直至充分混合均匀后，即可停止搅拌，关闭混料机，即制得组合物B。
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