纳米改性CO—高模数水玻璃砂绿色铸造粘结剂的开发研究

摘要

CO<,2>硬化水玻璃砂工艺是从20世纪50年代引入我国的铸造生产的，由于优点较多，例如：无污染、成本低、硬化快、效率高、资源广等，因此，在我国很快得到了迅速推广。目前，我国80％以上的铸钢件、部分铸铁件和有色金属铸件都采用了这种工艺，铸造水玻璃的年用量可达上万吨。当时，主要采用的是CO<,2>硬化的低模数水玻璃砂。这种工艺最突出的缺点是，低模数水玻璃型、芯砂强度低，导致水玻璃加入量多，抗湿性和溃散性差，铸件清砂困难、废品率高，旧砂不能再生回用，大量排放造成严重的环境污染。为了解决上述问题，我国铸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条件下，通过添加有机或无机附加物的办法，但是收效不大。 到20世纪90年代，由于人们对水玻璃的基本组成和“老化”现象本质的深入认识，开发了有机酯硬化的改性低模数水玻璃砂，它可将砂中的水玻璃加入量降低到2.0％～2.5％，对于解决低模数水玻璃砂溃散性差，旧砂不能再生回用，起了积极的作用。可是，酯硬化水玻璃砂也存在一定的缺点，如：改性水玻璃和有机酯固化剂等原材料的成本太高，型、芯砂的脆性较大，生产效率低和旧砂再生回用的设备投资大等问题，还未得到彻底的解决。 为了克服CO<,2>硬化的低模数水玻璃砂尚存的问题，弥补酯硬化低模数水玻璃砂的不足，近年来国内外许多学者又进行了CO<,2>硬化高模数水玻璃砂的试验研究。例如：1984年日本园清见等人研制的CO<,2>硬化的硅酸钾系水玻璃砂，水玻璃的模数为3.0～3.7,,吹空气稀释的CO<,2>混合气体硬化，浇注后型、芯砂的溃散性很好。1987年我国东北大学王兴琳等人和2002年俄罗斯А.В.ФОНАСкиН等人都提出了解决高模数水玻璃砂硬化强度衰减及其存放性差等关键技术问题，它们的办法是，采用低浓度、大流量的CO<,2>混合气硬化。美国专利US4121942也提出了用CO<,2>一高模数水玻璃砂工艺时应解决的关键技术是：合理改变吹气制度和选择添加凝胶抑制剂。 高模数水玻璃的最大特点是Na<,2>O含量低。M=3的水玻璃中Na<,2>O含量仅为M=2.1的50％以下，所以，高模数水玻璃的生产成本低，其型、芯砂的耐热性高，抗湿性好，特别是其溃散性优异，旧砂再生回用容易。因此，开发高模数水玻璃砂是解决水玻璃砂溃散性差关键技术的一条有效途径。开发CO<,2>-高模数水玻璃砂的造型、制芯新工艺，虽然难度很大。但是，前人的 工作已充分证明了开发高模数水玻璃砂工艺的技术可行性，尽管他们在解决某一个局 部工艺问题上取得了一定的进展，但是，都还存在许多的不足。如我国东北大学王兴 琳等人，虽然在一定程度上解决了高模数水玻璃砂的强度衰退问题，但是，其型、芯 砂的总体强度依然较低(1.0～1.4MPa)，无法应用于铸造生产。而美国专利US4121942 提出的高模数水玻璃的制备方法则成本太高，无法作为铸造粘结剂使用。 通过大量的查阅资料，并进行深入的分析，我们发现，要开发高模数水玻璃砂工艺，必须解决以下三个关键性的技术难题： 首先是，刚生产出来的水玻璃在贮放过程中会出现“老化”现象的问题，而且，高模数水玻璃的“老化”速度比低模数水玻璃的快得多。所以，使用前必须选用一种或几种最合适的有机高分子聚合物，并结合加热回流，对已老化的高模数水玻璃进行消除“老化”的预处理，为下一步化学改性做好准备，这是用好高模数水玻璃的重要前提，也是本项目的一个创新点。 其次是，防止CO<,2>硬化高模数水玻璃砂硅酸胶粒的“团聚”问题。对于有机酯硬化低模数水玻璃砂来说，酯的水解产物醋酸和醇会以氢键与水玻璃的聚硅酸的硅羟基键合，而在硅酸胶粒表面形成一层保护层，从而，制约了水玻璃纳米凝胶胶粒的团聚、长大，达到细化硅酸胶粒的目的。而在CO<,2>硬化时，硅酸胶粒上的硅羟基之间的结合可以自由进行，缺乏一定的制约，从而使硅酸胶粒变得异常粗大，强度明显下降。因此，抑制高模数水玻璃在吹CO<,2>硬化时硅酸胶粒的团聚、长大，是本项目必须解决的又一个关键技术，我们采用无机纳米材料改性高模数水玻璃，由于它能吸附在硅酸胶粒的表面，限制了它的团聚长大，从而，能得到晶粒细、强度高的CO<,2>硬化高模数水玻璃型(芯)砂，这是本项目的另一个创新点。 第三是，解决高模数水玻璃对CO<,2>硬化气体硬化时具有较强的“超敏感性”的问题。大量的试验表明，用100[％]纯的CO<,2>气体硬化低模数水玻璃时，可获得较好的强度；而硬化高模数水玻璃时，即时强度很低，24h强度接近于零，这是CO<,2>-高模数水玻璃砂失去了实际应用价值的根本原因，也是开发CO<,2>-高模数水玻璃砂的第二个技术难点。我们通过系统的试验发现，改变CO<,2>气体的吹气硬化方式，即采用低浓度、大吹气流量的CO<,2>混合气体，可取得较为满意的结果。一年多的系统试验，通过利用有机高聚物淀粉作防“老化”剂，无机纳米材料作硅酸凝胶抑制剂，并利用空气稀释的CO<,2>混合气的吹气硬化工艺，对高模数水玻璃砂进行了各种改性试验，达到了预期的目的，取得了较好的效果。例如加入5％～6％高模数水玻璃和1.0％～1.5％无机纳米材料进行混砂，制备试样，并用浓度20％CO<,2>混合气体硬化，其即时强度可达1.1～1.3 MPa，24 h强度可达2.2～2.6 MPa，完全可以满足生产的要求，取代传统的CO<,2>-低模数水玻璃砂工艺。 对大量的试验数据进行了整理、分析，可得出如下结论： (1)采用高温回流加热和有机高聚物的复合改性工艺，可减缓或消除高模数水玻璃的“老化”现象； (2)采用无机纳米材料改性高模数水玻璃，可有效抑制其硅酸胶粒在CO：硬化过程中的合并、团聚和长大，获得细小的硅酸胶粒，从而，其吹气后的即时强度和24 h强度均可得到明显的提高，对于防止其经时强度衰退也有明显的作用； (3)采用空气稀释的CO<,2>混合气和大流量的吹气工艺，是克服高模数水玻璃的“超敏感性”的有效措施。

目录

文摘

英文文摘

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一选题意义

二国内外应用现状及发展趋势

三主要研究内容

四高模数水玻璃的改性试验研究

五 生产件造型试验和经济性分析

六结论

参考文献

致 谢