納米改性CO-,2-—高模數(shù)水玻璃砂綠色鑄造粘結(jié)劑的開發(fā)研究.pdf

1、CO<,2>硬化水玻璃砂工藝是從20世紀50年代引入我國的鑄造生產(chǎn)的，由于優(yōu)點較多，例如：無污染、成本低、硬化快、效率高、資源廣等，因此，在我國很快得到了迅速推廣。目前，我國80％以上的鑄鋼件、部分鑄鐵件和有色金屬鑄件都采用了這種工藝，鑄造水玻璃的年用量可達上萬噸。當時，主要采用的是CO<,2>硬化的低模數(shù)水玻璃砂。這種工藝最突出的缺點是，低模數(shù)水玻璃型、芯砂強度低，導(dǎo)致水玻璃加入量多，抗?jié)裥院蜐⑸⑿圆?，鑄件清砂困難、廢品率高，舊砂不能

2、再生回用，大量排放造成嚴重的環(huán)境污染。為了解決上述問題，我國鑄造工作者作了大量的研究，主要是基于不降低水玻璃加入量的條件下，通過添加有機或無機附加物的辦法，但是收效不大。 到20世紀90年代，由于人們對水玻璃的基本組成和“老化”現(xiàn)象本質(zhì)的深入認識，開發(fā)了有機酯硬化的改性低模數(shù)水玻璃砂，它可將砂中的水玻璃加入量降低到2.0％～2.5％，對于解決低模數(shù)水玻璃砂潰散性差，舊砂不能再生回用，起了積極的作用。可是，酯硬化水玻璃砂也存在一定

3、的缺點，如：改性水玻璃和有機酯固化劑等原材料的成本太高，型、芯砂的脆性較大，生產(chǎn)效率低和舊砂再生回用的設(shè)備投資大等問題，還未得到徹底的解決。 為了克服CO<,2>硬化的低模數(shù)水玻璃砂尚存的問題，彌補酯硬化低模數(shù)水玻璃砂的不足，近年來國內(nèi)外許多學者又進行了CO<,2>硬化高模數(shù)水玻璃砂的試驗研究。例如：1984年日本園清見等人研制的CO<,2>硬化的硅酸鉀系水玻璃砂，水玻璃的模數(shù)為3.0～3.7,,吹空氣稀釋的CO<,2>混合氣體

4、硬化，澆注后型、芯砂的潰散性很好。1987年我國東北大學王興琳等人和2002年俄羅斯А.В.ФОНАСкиН等人都提出了解決高模數(shù)水玻璃砂硬化強度衰減及其存放性差等關(guān)鍵技術(shù)問題，它們的辦法是，采用低濃度、大流量的CO<,2>混合氣硬化。美國專利US4121942也提出了用CO<,2>一高模數(shù)水玻璃砂工藝時應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)是：合理改變吹氣制度和選擇添加凝膠抑制劑。 高模數(shù)水玻璃的最大特點是Na<,2>O含量低。M=3的水玻璃中Na

5、<,2>O含量僅為M=2.1的50％以下，所以，高模數(shù)水玻璃的生產(chǎn)成本低，其型、芯砂的耐熱性高，抗?jié)裥院茫貏e是其潰散性優(yōu)異，舊砂再生回用容易。因此，開發(fā)高模數(shù)水玻璃砂是解決水玻璃砂潰散性差關(guān)鍵技術(shù)的一條有效途徑。開發(fā)CO<,2>-高模數(shù)水玻璃砂的造型、制芯新工藝，雖然難度很大。但是，前人的 工作已充分證明了開發(fā)高模數(shù)水玻璃砂工藝的技術(shù)可行性，盡管他們在解決某一個局 部工藝問題上取得了一定的進展，但是，都還存在許多的不足。如我國東北

6、大學王興 琳等人，雖然在一定程度上解決了高模數(shù)水玻璃砂的強度衰退問題，但是，其型、芯 砂的總體強度依然較低(1.0～1.4MPa)，無法應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)。而美國專利US4121942 提出的高模數(shù)水玻璃的制備方法則成本太高，無法作為鑄造粘結(jié)劑使用。 通過大量的查閱資料，并進行深入的分析，我們發(fā)現(xiàn)，要開發(fā)高模數(shù)水玻璃砂工藝，必須解決以下三個關(guān)鍵性的技術(shù)難題： 首先是，剛生產(chǎn)出來的水玻璃在貯放過程中會出現(xiàn)“老化”現(xiàn)象的問

7、題，而且，高模數(shù)水玻璃的“老化”速度比低模數(shù)水玻璃的快得多。所以，使用前必須選用一種或幾種最合適的有機高分子聚合物，并結(jié)合加熱回流，對已老化的高模數(shù)水玻璃進行消除“老化”的預(yù)處理，為下一步化學改性做好準備，這是用好高模數(shù)水玻璃的重要前提，也是本項目的一個創(chuàng)新點。 其次是，防止CO<,2>硬化高模數(shù)水玻璃砂硅酸膠粒的“團聚”問題。對于有機酯硬化低模數(shù)水玻璃砂來說，酯的水解產(chǎn)物醋酸和醇會以氫鍵與水玻璃的聚硅酸的硅羥基鍵合，而在硅酸膠

8、粒表面形成一層保護層，從而，制約了水玻璃納米凝膠膠粒的團聚、長大，達到細化硅酸膠粒的目的。而在CO<,2>硬化時，硅酸膠粒上的硅羥基之間的結(jié)合可以自由進行，缺乏一定的制約，從而使硅酸膠粒變得異常粗大，強度明顯下降。因此，抑制高模數(shù)水玻璃在吹CO<,2>硬化時硅酸膠粒的團聚、長大，是本項目必須解決的又一個關(guān)鍵技術(shù)，我們采用無機納米材料改性高模數(shù)水玻璃，由于它能吸附在硅酸膠粒的表面，限制了它的團聚長大，從而，能得到晶粒細、強度高的CO<,2

9、>硬化高模數(shù)水玻璃型(芯)砂，這是本項目的另一個創(chuàng)新點。 第三是，解決高模數(shù)水玻璃對CO<,2>硬化氣體硬化時具有較強的“超敏感性”的問題。大量的試驗表明，用100[％]純的CO<,2>氣體硬化低模數(shù)水玻璃時，可獲得較好的強度；而硬化高模數(shù)水玻璃時，即時強度很低，24h強度接近于零，這是CO<,2>-高模數(shù)水玻璃砂失去了實際應(yīng)用價值的根本原因，也是開發(fā)CO<,2>-高模數(shù)水玻璃砂的第二個技術(shù)難點。我們通過系統(tǒng)的試驗發(fā)現(xiàn)，改變CO

10、<,2>氣體的吹氣硬化方式，即采用低濃度、大吹氣流量的CO<,2>混合氣體，可取得較為滿意的結(jié)果。一年多的系統(tǒng)試驗，通過利用有機高聚物淀粉作防“老化”劑，無機納米材料作硅酸凝膠抑制劑，并利用空氣稀釋的CO<,2>混合氣的吹氣硬化工藝，對高模數(shù)水玻璃砂進行了各種改性試驗，達到了預(yù)期的目的，取得了較好的效果。例如加入5％～6％高模數(shù)水玻璃和1.0％～1.5％無機納米材料進行混砂，制備試樣，并用濃度20％CO<,2>混合氣體硬化，其即時強度可

11、達1.1～1.3 MPa，24 h強度可達2.2～2.6 MPa，完全可以滿足生產(chǎn)的要求，取代傳統(tǒng)的CO<,2>-低模數(shù)水玻璃砂工藝。 對大量的試驗數(shù)據(jù)進行了整理、分析，可得出如下結(jié)論： (1)采用高溫回流加熱和有機高聚物的復(fù)合改性工藝，可減緩或消除高模數(shù)水玻璃的“老化”現(xiàn)象； (2)采用無機納米材料改性高模數(shù)水玻璃，可有效抑制其硅酸膠粒在CO：硬化過程中的合并、團聚和長大，獲得細小的硅酸膠粒，從而，其吹氣后的即