复合改性水玻璃粘结剂及其制备方法

摘要

本发明公开的复合改性水玻璃粘结剂及其制备方法，其中复合改性水玻璃粘结剂按照质量百分比由以下有效组分组成：改性剂10%~25%，水玻璃75%~90%，以上组分的含量总和为100%，改性剂10%~25%按质量百分比由以下组分组成：水溶性淀粉33.3%~36.6%、糊精23.8%~24.4%、尿素2.43%~4.76%、三聚磷酸钠24.4%~28.6%、硼砂9.52%~12.2%，以上组分的含量总和为100%。本发明还涉及复合改性水玻璃粘结剂的制备方法，步骤1、制备水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液；步骤2、称取原料，制备本发明使用的改性剂；步骤3、称取改性剂和水玻璃，制备本发明的复合改性水玻璃粘结剂。本发明的粘结剂减少了型砂中水玻璃的加入量，浇铸后的型砂易于溃散，不仅提高了水玻璃砂再生和回收率的，而且提高了粘结能力。

说明书

技术领域

本发明属于铸造用型砂和型砂粘结剂制备技术领域，具体涉及一种复合 改性水玻璃粘结剂，本发明还涉及上述粘结剂的制备方法。

背景技术

水玻璃又称硅酸钠的水溶液，是一种无机铸造粘结剂，由于价格低廉、 金属铸造过程中无烟气及黑色污染，是目前广泛应用于铸钢件生产的型砂粘 结剂之一。但现有水玻璃粘结剂由于Na₂O离子含量高，在液态金属浇注以 后，很大一部分型砂与水玻璃被加热到800℃以上，此时，水玻璃将变为液 体，它会强烈侵蚀石英砂，冷却之后，水玻璃与石英砂形成极为坚硬的砂块， 导致水玻璃砂残留强度很高，溃散性即出砂性很差，再生和回用困难，这些 缺陷很大程度上限制了水玻璃的应用。

从化学角度讲，水玻璃砂溃散性差的主要原因是Na₂O离子作用的结果， 即水玻璃中含有大量的Na₂O离子，使得通气后仍然保持较多的硅酸钠，在 200～300℃时会聚合成玻璃状的硅酸钠，它坚硬如石使得第一个残留强度高 峰上升；而在高温情况下即达到熔点后，粘结膜均呈液态，开始了熔融水玻 璃对石英砂的熔融侵蚀过程，温度越高，石英砂溶入水玻璃中的量越大，出 现模数越大，出现再造水玻璃，使得水玻璃粘结膜变厚，冷却后结成板块连 成一体，使得残留强度增大导致溃散性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合改性水玻璃粘结剂，减少了型砂中水玻 璃的加入量，浇铸后的型砂易于溃散，不仅提高了水玻璃砂的再生和回收， 而且提高了粘结能力。

本发明的另一目的在于提供上述复合改性水玻璃粘结剂的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，复合改性水玻璃粘结剂，按照质量百分比 由以下原料组成：

改性剂10%~25%，水玻璃75%~90%，以上组分的含量总和为100%。

本发明的特点还在于，

改性剂按质量百分比由以下原料组成：

水溶性淀粉33.3%~36.6%、糊精23.8%~24.4%、尿素2.43%~4.76%、三 聚磷酸钠24.4%~28.6%、硼砂9.52%~12.2%，以上组分的含量总和为100%。

本发明所采用的第二种技术方案中是，复合改性水玻璃粘结剂的制备方 法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、制备水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液；

步骤2、称取原料，制备本发明使用的改性剂；

步骤3、称取改性剂和水玻璃，制备本发明的复合改性水玻璃粘结剂。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、按质量比为1~8:1分别称取丙烯酸单体和固体氢氧化钠，将 称取的丙烯酸单体和固体氢氧化钠混合在一起并不断的搅拌，得到丙烯酸钠 溶液，再用固体氢氧化钠调节丙烯酸钠溶液的pH值为7.0～11.0；

步骤1.2、根据步骤1.1中得到的丙烯酸钠溶液称取过硫酸铵，过硫酸铵 的质量为丙烯酸钠溶液质量的5%~15%；

步骤1.3、将步骤1.1中得到的丙烯酸钠溶液加热至50℃～95℃，再将 步骤1.2中称取的过硫酸铵倒入50℃～95℃的丙烯酸钠溶液中，引发丙烯酸 钠单体进行聚合反应，聚合反应进行的时间为0.5h～3h，即得到分子量为5 万~30万的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、按质量百分比分别称取水溶性淀粉33.3%~36.6%、糊精 23.8%~24.4%、尿素2.43%~4.76%、三聚磷酸钠24.4%~28.6%、硼砂 9.52%~12.2%，以上组分的含量总和为100%；

步骤2.2、将步骤2.1中称取的物质混合在一起，形成混合物A，再将混 合物A加入步骤1.3中配置好的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液中，每升的水 溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液中加入0.5千克~1.5千克的混合物A，搅拌 1h~2h，即制得改性剂。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、按质量百分比分别称取步骤2.2中制备出的改性剂10%~25%， 水玻璃75%~90%，以上组分的含量总和为100%；

步骤3.2、将步骤3.1中称取的改性剂加入称取的水玻璃中，于常温条件 下不断搅拌，使改性剂与水玻璃充分混合，即得到混合物B，再将混合物B 放置22h~26h，即得到本发明的复合改性水玻璃粘结剂。

本发明的有益效果是，

（1）本发明的制备工艺简单，且在制备过程中无毒、无刺激性气味， 配制过程中不改变铸造车间现行的工艺规范；

（2）本发明方法制备的改性水玻璃粘结剂均匀性及稳定性好，可长期 存放；

（3）本发明方法制备的改性水玻璃粘结剂的强度较高，可较大幅度降 低水玻璃用量，型砂中水玻璃的加入量可由原来的8%降低到3～5%；可显 著改善水玻璃砂的溃散性即出砂性，大幅降低水玻璃砂的残留强度；同时还 可改善水玻璃砂的表面稳定性和吸湿性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的复合改性水玻璃粘结剂，按照质量百分比由以下原料组成：

改性剂10%~25%，水玻璃75%~90%，以上组分的含量总和为100%。

改性剂按质量百分比由以下原料组成：

水溶性淀粉33.3%~36.6%、糊精23.8%~24.4%、尿素2.43%~4.76%、三 聚磷酸钠24.4%~28.6%、硼砂9.52%~12.2%，以上组分的含量总和为100%。

复合改性水玻璃粘结剂的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、制备水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液：

步骤1.1、按质量比为1~8:1分别称取丙烯酸单体和固体氢氧化钠，将 称取的丙烯酸单体和固体氢氧化钠混合在一起并不断的搅拌，使丙烯酸单体 与固体氢氧化钠进行中和反应，得到丙烯酸钠溶液，再用固体氢氧化钠调节 丙烯酸钠溶液的pH值为7.0～11.0；

步骤1.2、根据步骤1.1中得到的丙烯酸钠溶液称取过硫酸铵，过硫酸铵 的质量为丙烯酸钠溶液质量的5%~15%；

步骤1.3、将步骤1.1中得到的丙烯酸钠溶液加热至50℃～95℃，再将 步骤1.2中称取的过硫酸铵倒入50℃～95℃的丙烯酸钠溶液中，引发丙烯酸 钠单体进行聚合反应，聚合反应进行的时间为0.5h～3h，即得到分子量为5 万~30万的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液。

步骤2、称取原料，制备本发明使用的改性剂：

步骤2.1、按质量百分比分别称取水溶性淀粉33.3%~36.6%、糊精 23.8%~24.4%、尿素2.43%~4.76%、三聚磷酸钠24.4%~28.6%、硼砂 9.52%~12.2%，以上组分的含量总和为100%；

步骤2.2、将步骤2.1中称取的物质混合在一起，形成混合物A，再将混 合物A加入步骤1.3中配置好的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液中，每升的水 溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液中加入0.5千克~1.5千克的混合物A，搅拌 1h~2h，即制得粘稠的、浆状的改性剂；

步骤3、称取改性剂和水玻璃，制备本发明的复合改性水玻璃粘结剂：

步骤3.1、按质量百分比分别称取步骤2.2中制备出的改性剂10%~25%， 水玻璃75%~90%，以上组分的含量总和为100%；

步骤3.2、将步骤3.1中称取的改性剂加入称取的水玻璃中，于常温条件 下不断搅拌，使改性剂与水玻璃充分混合，即得到混合物B，再将混合物B 放置22h~26h，即得到本发明的复合改性水玻璃粘结剂。

采用本发明中制备出的改性剂与水玻璃结合制备出复合改性水玻璃粘 结剂，再利用复合改性水玻璃粘结剂处理型砂，处理后的型砂在火车车辆零 件侧架和摇枕（材质为铸造碳钢ZG45）等铸造生产中做大量的浇铸生产， 使用后取得了较为满意的效果。

在具体的生产过程中，型砂中复合改性水玻璃粘结剂的加入量为型砂量 的4%，用加入了复合改性水玻璃粘结剂的型砂制作铸型和型芯均可。浇铸 后，可在振动落砂机上振动落砂，避免了水玻璃铸型的水爆清砂和人工清砂， 基本实现了干法落砂，落下的旧型砂基本无坚硬的大块，有利于旧砂的再生， 使旧砂绝大部分可以回用，节约了资源（如石英砂），并避免了大量丢弃废 旧型砂所带来的环境问题。此外，用本发明中的改性剂所配制的复合改性水 玻璃粘结剂可望用于铸钢件、铸铁件、铸铜件和铸铝件的生产中。

实施例1

按质量比为3:1分别称取单体丙烯酸和固体氢氧化钠，将称取的单体丙 烯酸和固体氢氧化钠混合并不断搅拌，使单体丙烯酸与固体氢氧化钠进行中 和反应，得到单体丙烯酸钠水溶液，单体丙烯酸钠水溶液的pH值为7；跟 据得到的丙烯酸钠溶液称取过硫酸铵，过硫酸铵的质量为丙烯酸钠溶液质量 的5%；将得到的丙烯酸钠溶液加热至50℃，再将称取的过硫酸铵倒入50℃ 的丙烯酸钠溶液中，引发丙烯酸钠单体进行聚合反应，聚合反应进行的时间 为0.5h，即得到分子量为15万的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液；

按质量百分比分别称取水溶性淀粉33.3%、糊精23.8%、尿素4.76%、 三聚磷酸钠28.6%、硼砂9.54%，以上组分的含量总和为100%；将称取的原 料混合在一起，形成混合物A，再将混合物A加入配置好的水溶性聚丙烯酸 钠树脂水溶液中，每升的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液中加入0.5千克的混 合物A，搅拌1h，即制得改性剂；

按质量百分比分别称取改性剂25%，水玻璃75%，以上组分的含量总和 为100%；将称取的改性剂加入称取的水玻璃中，于常温条件下不断搅拌， 使改性剂与水玻璃充分混合，得到混合物B，再将混合物B放置22h，即得 到本发明的复合改性水玻璃粘结剂。

实施例2

按质量比为4:1分别称取单体丙烯酸和固体氢氧化钠，将称取的单体丙 烯酸和固体氢氧化钠混合并不断搅拌，使单体丙烯酸与固体氢氧化钠进行中 和反应，得到单体丙烯酸钠水溶液，单体丙烯酸钠水溶液的pH值为9；跟 据得到的丙烯酸钠溶液称取过硫酸铵，过硫酸铵的质量为丙烯酸钠溶液质量 的10%；将得到的丙烯酸钠溶液加热至80℃，再将称取的过硫酸铵倒入80℃ 的丙烯酸钠溶液中，引发丙烯酸钠单体进行聚合反应，聚合反应进行的时间 为1.5h，即得到分子量为15万的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液；

按质量百分比分别称取水溶性淀粉33.3%、糊精23.8%、尿素4.76%、 三聚磷酸钠28.6%、硼砂9.54%，以上组分的含量总和为100%；将称取的原 料混合在一起，形成混合物A，再将混合物A加入配置好的水溶性聚丙烯酸 钠树脂水溶液中，每升的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液中加入1.0千克的混 合物A，搅拌1.5h，即制得改性剂；

按质量百分比分别称取改性剂15%，水玻璃85%，以上组分的含量总和 为100%；将称取的改性剂加入称取的水玻璃中，于常温条件下不断搅拌， 使改性剂与水玻璃充分混合，得到混合物B，再将混合物B放置24h，即得 到本发明的复合改性水玻璃粘结剂。

实施例3

按质量比为5:1分别称取单体丙烯酸和固体氢氧化钠，将称取的单体丙 烯酸和固体氢氧化钠混合并不断搅拌，使单体丙烯酸与固体氢氧化钠进行中 和反应，得到单体丙烯酸钠水溶液，单体丙烯酸钠水溶液的pH值为11；跟 据得到的丙烯酸钠溶液称取过硫酸铵，过硫酸铵的质量为丙烯酸钠溶液质量 的10%；将得到的丙烯酸钠溶液加热至95℃，再将称取的过硫酸铵倒入95℃ 的丙烯酸钠溶液中，，引发丙烯酸钠单体进行聚合反应，聚合反应进行的时 间为2.0h，即得到分子量为15万的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液；

按质量百分比分别称取水溶性淀粉35.4%、糊精24.2%、尿素3.86%、 三聚磷酸钠25.6%、硼砂10.94%，以上组分的含量总和为100%；将称取的 原料混合在一起，形成混合物A，再将混合物A加入配置好的水溶性聚丙烯 酸钠树脂水溶液中，每升的水溶性聚丙烯酸钠树脂水溶液中加入1.5千克的 混合物A，搅拌2h，即制得改性剂；

按质量百分比分别称取改性剂12.5%，水玻璃87.5%，以上组分的含量 总和为100%；将称取的改性剂加入称取的水玻璃中，于常温条件下不断搅 拌，使改性剂与水玻璃充分混合，得到混合物B，再将混合物B放置26h， 即得到本发明的复合改性水玻璃粘结剂。