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(jì)50年代引入我國(guó)的鑄造生產(chǎn)的，由于優(yōu)點(diǎn)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(guó)很快得到了迅速推廣。目前，我國(guó)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(dá)上萬噸。當(dāng)時(shí)，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(diǎn)是，低模數(shù)水玻璃型、芯砂強(qiáng)度低，導(dǎo)致水玻璃加入量多，抗?jié)裥院蜐⑸⑿圆睿T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(yán)重的環(huán)境污染。為了解決上述問題，我國(guó)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(jī)或無機(jī)附加物的辦法，但是收效不大。 到20世紀(jì)90年代，由于人們對(duì)水玻璃的基本組成和“老化”現(xiàn)象本質(zhì)的深入認(rèn)識(shí)，開發(fā)了有機(jī)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(duì)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?？墒?，酯硬化水玻璃砂也存在一定

3、的缺點(diǎn)，如：改性水玻璃和有機(jī)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(bǔ)酯硬化低模數(shù)水玻璃砂的不足，近年來國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者又進(jìn)行了CO<,2>硬化高模數(shù)水玻璃砂的試驗(yàn)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(guó)東北大學(xué)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(qiáng)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(guó)專利US4121942也提出了用CO<,2>一高模數(shù)水玻璃砂工藝時(shí)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(diǎn)是Na<,2>O含量低。M=3的水玻璃中Na

5、<,2>O含量?jī)H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?，特別是其潰散性優(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?cè)诮鉀Q某一個(gè)局 部工藝問題上取得了一定的進(jìn)展，但是，都還存在許多的不足。如我國(guó)東北

6、大學(xué)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(qiáng)度衰退問題，但是，其型、芯 砂的總體強(qiáng)度依然較低(1.0～1.4MPa)，無法應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)。而美國(guó)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(jìn)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(gè)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(huì)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(jī)高分子聚合物，并結(jié)合加熱回流，對(duì)已老化的高模數(shù)水玻璃進(jìn)行消除“老化”的預(yù)處理，為下一步化學(xué)改性做好準(zhǔn)備，這是用好高模數(shù)水玻璃的重要前提，也是本項(xiàng)目的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。 其次是，防止CO<,2>硬化高模數(shù)水玻璃砂硅酸膠粒的“團(tuán)聚”問題。對(duì)于有機(jī)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(huì)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(hù)層，從而，制約了水玻璃納米凝膠膠粒的團(tuán)聚、長(zhǎng)大，達(dá)到細(xì)化硅酸膠粒的目的。而在CO<,2>硬化時(shí)，硅酸膠粒上的硅羥基之間的結(jié)合可以自由進(jìn)行，缺乏一定的制約，從而使硅酸膠粒變得異常粗大，強(qiáng)度明顯下降。因此，抑制高模數(shù)水玻璃在吹CO<,2>硬化時(shí)硅酸膠粒的團(tuán)聚、長(zhǎng)大，是本項(xiàng)目必須解決的又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，我們采用無機(jī)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(tuán)聚長(zhǎng)大，從而，能得到晶粒細(xì)、強(qiáng)度高的CO<,2

9、>硬化高模數(shù)水玻璃型(芯)砂，這是本項(xiàng)目的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。 第三是，解決高模數(shù)水玻璃對(duì)CO<,2>硬化氣體硬化時(shí)具有較強(qiáng)的“超敏感性”的問題。大量的試驗(yàn)表明，用100[％]純的CO<,2>氣體硬化低模數(shù)水玻璃時(shí)，可獲得較好的強(qiáng)度；而硬化高模數(shù)水玻璃時(shí)，即時(shí)強(qiáng)度很低，24h強(qiáng)度接近于零，這是CO<,2>-高模數(shù)水玻璃砂失去了實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(gè)技術(shù)難點(diǎn)。我們通過系統(tǒng)的試驗(yàn)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(yàn)，通過利用有機(jī)高聚物淀粉作防“老化”劑，無機(jī)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(duì)高模數(shù)水玻璃砂進(jìn)行了各種改性試驗(yàn)，達(dá)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(jī)納米材料進(jìn)行混砂，制備試樣，并用濃度20％CO<,2>混合氣體硬化，其即時(shí)強(qiáng)度可

11、達(dá)1.1～1.3 MPa，24 h強(qiáng)度可達(dá)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(duì)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(jī)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(tuán)聚和長(zhǎng)大，獲得細(xì)小的硅酸膠粒，從而，其吹氣后的即