CN1295042C - 一种铝改性碱性硅溶胶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝改性碱性硅溶胶，它含有二氧化硅20—32%、氧化铝0.1—1.5%、氧化钠0.03—0.15%，其PH值为7.5—9.6，所述氧化铝主要以铝离子被硅醇基吸附的形态存在。作为上述方案的优选，氧化铝的含量是0.6—1.0%。本发明通过在胶体中引入Al3+，Al3+被胶粒表面硅醇基吸附，形成-Si-O-Al结构，使硅溶胶表面吸附的水分子减少，加快了型壳的干燥速度，缩短了熔模铸造制壳周期，提高了制壳与生产效率。同时，由于本发明的硅溶胶是碱性，符合熔模制造厂家的使用习惯和使用的耐火材料的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种胶体溶液，尤其是一种作为熔模铸造粘结剂的铝改性碱性硅溶胶。
背景技术
硅溶胶是二氧化硅在水中的胶体溶液，被广泛地应用于熔模铸造行业作高温粘结剂。粘结剂是熔模铸造的主要原材料，它直接影响着型壳及铸件的质量、生产周期和制造成本。从1939年起熔模铸造工业采用醇基硅酸乙酯水解液作粘结剂，1960年引入水基硅溶胶粘结剂。长期以来，硅溶胶粘结剂在不断改进发展，但由于其存在着干燥速度慢、制壳效率低等缺点制约了其快速发展。
随着环保要求越来越高，九十年代一些国家通过了“降低空气中有机挥发物含量”的环保条例，促进了熔模铸造业由醇基粘结剂向水基粘结剂的发展。之后，人们对提高硅溶胶粘结剂性能开展了众多的研究。
美国专利(US005118727A)公开的“硅溶胶和一种成膜聚合物的稳定混合物”，该文介绍了一种金属改性的、去离子化的硅溶胶和成膜聚合物，制成酸性的硅溶胶混合物。这类产品在与耐火材料颗粒结合配制熔模铸造涂料时有很好的结合性能和稳定性。但由于这类硅溶胶是酸性的，其PH值一般在2.7-7.0，在实际应用中会出现以下问题：首先，采用水基硅溶胶作粘结剂的熔模铸造厂家所使用的硅溶胶往往是碱性的，粘结剂酸碱性的改变会引起许多习惯的不适，另一方面酸性硅溶胶往往会提高对使用耐火材料的要求，特别是纯度和浸出物的要求。应用工艺的变化和成本的上升影响其推广应用。
发明内容
本发明拟解决的问题是提供一种碱性的、适合熔模铸造厂家使用习惯，同时具有与醇基硅酸乙酯水解液相当的干燥速度和型壳性能的硅溶胶产品。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种铝改性碱性硅溶胶，它含有二氧化硅20-32％、氧化铝0.1-1.5％、氧化钠0.03-0.15％，其PH值为7.5-9.6，所述氧化铝以铝离子被硅醇基吸附的形态存在。
作为上述方案的优选，氧化铝的含量是0.6-1.0％。
用作熔模铸造粘结剂的硅溶胶一般为碱性钠型硅溶胶，表面含大量硅醇基，由于硅醇基具有亲水性，使这种硅溶胶胶粒具有较好的亲水性，大量的水分子通过氢键作用被吸附在二氧化硅胶粒表面周围，即使在胶体转化成凝胶时，这部分水分子仍被较多地吸附在胶粒表面，影响了硅溶胶型壳干燥时水分的蒸发速度，使硅溶胶型壳层间干燥时间较长，制壳效率较低。本发明通过在胶体中引入Al3+，Al3+被胶粒表面硅醇基吸附，形成-Si-O-AL结构，而这种结构具有疏水性，随着这种疏水单元的增加，硅溶胶表面疏水性逐步增强，表面吸附的水分子越来越少。由于其双电层结构，这种胶体仍能稳定存在，但当胶体转化为凝胶时，由于其表面直接吸附的水分较少，所以其水分蒸发速度较快，加快了型壳的干燥速度，缩短了熔模铸造制壳周期，提高了制壳与生产效率。同时，由于本发明的硅溶胶PH值在7.5-9.6，更符合采用水基硅溶胶作粘结剂的熔模制造厂家的使用习惯和使用的耐火材料的性能要求。
具体实施方式
本发明的铝改性碱性硅溶胶，它含有二氧化硅20-32％、氧化钠0.03-0.15％，氧化铝0.1-1.5％、其PH值为7.5-9.6，作为优选，氧化铝的含量是0.6-1.0％。所述氧化铝主要以铝离子被硅醇基吸附的形态存在。其中二氧化硅是硅溶胶作为粘结剂的主体；氧化钠作为硅溶胶的稳定剂；铝离子和硅醇基的结合，减少了凝胶中通过氢键作用吸附的水分，使型壳能较快建立常温强度，同时能有效避免凝胶回溶。铝离子和硅醇基结合的结构示意图如下：
本发明的硅溶胶中二氧化硅含量影响着型壳的强度，提高二氧化硅含量可有效提高型壳高温强度，但过高的二氧化硅含量会增加硅溶胶的制造成本，而且会提高型壳残留强度，特别是制造铝、铜铸件时，过高的残留强度会大幅增加清砂难度和成本，甚至还会影响铸件表面质量。考虑熔模铸造制壳强度要求和不同铸造材料的要求，本发明硅溶胶中二氧化硅含量以20-32％为宜。
本发明硅溶胶中氧化铝的含量的高低，影响着铸造时型壳的层间干燥时间和干燥速度，一般来说，氧化铝含量较高，层间干燥时间较短，但过高的氧化铝含量会影响硅溶胶的稳定性和制造成本，本发明硅溶胶中氧化铝含量设定为0.1-1.5％，最好为0.6-1.0％。
本发明硅溶胶中加入氧化铝可采用多种方法，一种较简单的方法是采用离子交换树脂置换法，直接用经Al3+处理的阳离子交换树脂处理普通钠型碱性硅溶胶即可得到本发明的铝改性碱性硅溶胶。具体方法简述如下：用6％氯化铝(AlCl3·6H2O)溶液处理阳离子交换树脂(如001*7树脂)，然后用蒸馏水洗涤树脂至近中性，用该树脂处理普通钠型硅溶胶即可制得本发明硅溶胶。调整普通钠型硅溶胶中氧化钠含量、树脂置换完全程度、预先加入偏硅酸钠等方法，可调整成品中氧化铝含量。
按照上述方法和原理，可制取不同理化、性能指标的硅溶胶产品，下面以5个实施例作简要说明。
实施例1：取含二氧化硅(SiO2)含量为32％、氧化钠(Na2O)含量为0.21％、PH值为8.0的钠型硅溶胶100克，用经6％氯化铝(AlCl3·6H2O)溶液处理、已用蒸馏水洗净的阳离子交换树脂处理，可得到铝改性碱性硅溶胶80克，其中含二氧化硅32％、氧化钠0.15％、氧化铝0.1％、其PH值为7.5。
实施例2：取含二氧化硅(SiO2)含量为20％、氧化钠(Na2O)含量为1.0％、PH值为10.0的钠型硅溶胶100克，用经6％氯化铝(AlCl3·6H2O)溶液处理、已用蒸馏水洗净的阳离子交换树脂处理，可得到铝改性碱性硅溶胶80克，其中含二氧化硅20％、氧化钠0.06％、氧化铝1.5％、其PH值为9.6。
实施例3：取含二氧化硅(SiO2)含量为25％、氧化钠(Na2O)含量为0.6％、PH值为9.0的钠型硅溶胶100克，用经6％氯化铝(AlCl3·6H2O)溶液处理、已用蒸馏水洗净的阳离子交换树脂处理，可得到铝改性碱性硅溶胶80克，其中含二氧化硅25％、氧化钠0.1％、氧化铝0.8％、其PH值为8.5。
实施例4：取含二氧化硅(SiO2)含量为30％、氧化钠(Na2O)含量为0.7％、PH值为9.5的钠型硅溶胶100克，用经6％氯化铝(AlCl3·6H2O)溶液处理、已用蒸馏水洗净的阳离子交换树脂处理，可得到铝改性碱性硅溶胶80克，其中含二氧化硅30％、氧化钠0.08％、氧化铝1.0％、其PH值为9.0。
实施例5：取含二氧化硅(SiO2)含量为25％、氧化钠(Na2O)含量为0.41％、PH值为8.5的钠型硅溶胶100克，用经6％氯化铝(AlCl3·6H2O)溶液处理、已用蒸馏水洗净的阳离子交换树脂处理，可得到铝改性碱性硅溶胶80克，其中含二氧化硅25％、氧化钠0.03％、氧化铝0.6％、其PH值为8.0。
把实施例1-5制得的铝改性碱性硅溶胶与未经处理的原样(简称对照组样品)，按本发明人申请的公开号为CN1438082A的“一种硅溶胶粘结剂及其制造方法”专利说明书第21-22页中所述测试型壳性能指标的方法，分别测试实施例样品与对照组样品的层间干燥时间和强度，比较结果见表一。
表一：
| 产品 | 层间干燥时间 | 常温强度(Mpa) | 高温强度(Mpa) |
| 实施例1 | 3.5小时 | 5.2 | 9.0 |
| 实施例1对照组 | 5小时 | 4.8 | 9.2 |
| 实施例2 | 8小时 | 3.9 | 4.9 |
| 实施例2对照组 | 20小时 | 2.5 | 4.8 |
| 实施例3 | 6小时 | 4.7 | 6.6 |
| 实施例3对照组 | 15小时 | 4.1 | 6.6 |
| 实施例4 | 3小时 | 5.3 | 8.9 |
| 实施例4对照组 | 8小时 | 4.5 | 9.1 |
| 实施例5 | 6.5小时 | 4.5 | 6.5 |
| 实施例5对照组 | 13.5小时 | 4.0 | 6.6 |
从上述各实施例的效果可见，本发明的铝改性碱性硅溶胶应用于熔模铸造制壳工艺时，可使干燥时间缩短到对照组样品的约1/3到1/2，常温强度比对照组样品提高约10％到50％，高温强度基本等同于对照组样品水平，综合性能与硅酸乙酯水解液相近。可见本发明的技术方案是可行的，产品具有良好的推广应用价值。
Claims (2)
1、一种铝改性碱性硅溶胶，其特征在于它含有二氧化硅10-32％、氧化铝0.1-1.5％、氧化钠0.03-0.15％，其PH值为7.5-9.6，所述氧化铝以铝离子被硅醇基吸附的形态存在。
2、根据权利要求1所述的铝改性碱性硅溶胶，其特征在于氧化铝的含量是0.6-1.0％。
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