一种高透气性消失模涂料及其制备方法

摘要

本发明提供了一种由铸造废旧树脂砂制备的高透气性消失模涂料及其制备方法,包括以下组分：铸造废旧树脂砂、硅铝系耐火骨料、鳞片石墨、聚苯乙烯树脂颗粒、铝粉、氧化剂、氟化物、碳纤维、悬浮剂、粘结剂、表面活性剂、消泡剂、水。其中，铸造废旧树脂砂100份、硅铝系耐火骨料60-100份、鳞片石墨5-25份、聚苯乙烯树脂颗粒2-6份、铝粉1-3份、氧化剂2-10份、氟化物1-5份、碳纤维1-5份、悬浮剂3-10份、粘结剂5-15份、表面活性剂0.2-0.5份、消泡剂0.5-1.5份、水80-120份。本发明的消失模涂料采用铸造废旧树脂砂作为主要耐火材料，有效利用了铸造废弃物，符合“绿色铸造”和循环可持续的理念，并解决了废旧树脂砂消失模涂料的碳缺陷、收缩缺陷问题，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及铸造涂料制备领域，特别涉及一种由铸造废旧树脂砂制备的高透气性消失模涂料。

背景技术

铸造行业每年产生大量的废旧砂，近些年，由于环保问题日益突出，国内许多铸造厂面临着严峻的环境压力。随着行业的发展，铸造业开始向“绿色”铸造方向转变，一大批铸造厂安装铸造树脂砂砂再生处理生产线。但是处理后的旧砂集中处理，大部分直接排放，少部分用于一些道路工程项目的结构填充料，再利用产生的价值较低。

铸造废旧树脂砂中含有60%-80%的SiO₂、20-40%的Al₂O₃以及其它少量物质，因而具有一定的耐火度，通过额外适当添加其它耐火填料进行复合，能够作为铸造涂料的耐火骨料，所以可以用于铸造涂料的生产。目前,已有将铸造废旧树脂砂用于铸造用涂料生产的相关专利技术，如公开号为CN104741515A的发明专利，其公开了“采用树脂砂再生粉尘制备铸造涂料，以提高其循环利用率”的技术内容,只是简单地将铸造废旧树脂砂用于涂料的制备，并不涉及制备具有高透气性等要求的消失模涂料,更没有解决该类涂料的透气性问题（导致铸件碳缺陷）及废旧砂表面树脂气化导致的铁水温度降低的问题（导致铸件冷隔缺陷或者浇不足）,同时,公开号为CN101259518A和CN101423792A的专利与之类似。进一步的，公开号为CN102672098A的发明专利公开了制备消失模涂料，具有透气性好的特征，但其并没有明确该技术问题,并给出解决上述提升涂料透气性问题的解决方案，另外，很重要的一点是专利CN102672098A并未使用铸造废旧砂作为耐火填料，而是采用常规的耐火骨料制备的消失模涂料，其透气性能的要求低于用铸造废旧砂制备的消失模涂料，因此，后者因为骨料堆积紧密，透气性要求是很高的，所以“高透气性”是两个不同的概念。就试验来看，普通消失模涂料的透气性在70-90之间就能达到要求，而用铸造废旧砂制备的消失模涂料，其透气性必须在120以上，才能满足现场要求。

综上所述，在现阶段技术水平限制下，铸造废旧树脂砂在铸造涂料方面的应用仅限于传统砂型铸造涂料的生产，而不能正常应用于消失模涂料。首先，铸造废旧树脂砂经过破碎再生后，颗粒不规则度明显增加，堆密度提高，材料的透气性直线下降，因而不采取其它措施而直接配置的涂料，其透气性并不能满足消失模铸造的要求，将会使铸件产生碳缺陷。其次，仅采用机械再生而未经焙烧的铸造废旧树脂砂，因颗粒表面包覆未完全分解的树脂膜，在浇注条件下，树脂膜气化分解吸收大量的热，导致铁液过早冷却，进而有可能产生收缩缺陷。因此，如何利用铸造废旧树脂砂制备高透气性的消失模涂料成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，设计并开发出一种由铸造废旧树脂砂制备的高透气性（高温透气性良好）、成本低廉、环境友好的消失模涂料，有效防止铸件产生碳缺陷和收缩缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种由铸造废旧树脂砂制备的高透气性消失模涂料，其特征在于，包括以下组分：铸造废旧树脂砂、硅铝系耐火骨料、鳞片石墨、聚苯乙烯树脂颗粒、铝粉、氧化剂、氟化物、碳纤维、悬浮剂、粘结剂、表面活性剂、消泡剂、水。

进一步的，其中，各组分的比例为：铸造废旧树脂砂100份、硅铝系耐火骨料60-100份、鳞片石墨5-25份、聚苯乙烯树脂颗粒2-6份、铝粉1-3份、氧化剂2-10份、氟化物1-5份、碳纤维1-5份、悬浮剂3-10份、粘结剂5-15份、表面活性剂0.2-0.5份、消泡剂0.5-1.5份、水80-120份。

进一步的，所述铸造废旧树脂砂为未经高温焙烧的机械再生树脂砂，颗粒目数为100目-200目。

进一步的，所述硅铝系耐火骨料为高铝矾土、M70莫来石、棕刚玉中的一种或以上，硅铝系耐火骨料中三氧化二铝含量在60%以上，颗粒目数为100目-200目。

进一步的，铸造废旧树脂砂、硅铝系耐火骨料、鳞片石墨共同组合，作为涂料的耐火填料体系。

进一步的，所述聚苯乙烯树脂颗粒的直径为40-150μm。

进一步的，所述氧化剂为三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锰、硝酸钾、高锰酸钾中的一种或以上，所述氟化物为氟化钠、氟化钙、氟铝酸钠中的一种或以上。

进一步的，所述聚苯乙烯树脂颗粒能够用聚甲醛树脂颗粒或聚乙烯-丙烯酸酯树脂颗粒来代替。

进一步的，所述碳纤维的含碳量为95%以上，长度为50-200μm之间。

同时，本发明提供了一种利用铸造废旧树脂砂制备高透气性消失模涂料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)向分散釜中添加水、消泡剂、表面活性剂，然后高速搅拌下添加悬浮剂，分散10分钟；

2)向分散釜添加聚苯乙烯树脂颗粒、碳纤维、粘结剂，分散10分钟；

3)向分散釜添加铸造废旧树脂砂、硅铝系耐火骨料、鳞片石墨，分散20分钟；

4)向分散釜添加铝粉、氧化剂、氟化物，分散10分钟；

5)分散结束后，出料包装。

本发明的有益效果在于：

（1）该涂料具有良好的高温透气性能，保证了涂料具有很好的排渣能力，在高温浇铸条件下产生的EPS泡沫裂解产物能够顺利地排出型腔外，杜绝了碳渣卷入铁水或者附着于铸件表面的可能性，有效防止铸件碳缺陷的产生，提升铸件质量。

（2）该涂料具有良好的绝热性能和一定的热量补偿效果，降低了浇铸过程中铁水的热量损失，缓解铁水凝固，从而避免铸件出现收缩缺陷。

（3）该涂料因采用铸造废旧树脂砂作为主要耐火材料，有效利用了铸造废弃物，成本低廉，符合“绿色铸造”和循环可持续的理念，并且解决了铸造废旧树脂砂消失模涂料的碳缺陷、收缩缺陷问题，具有良好的应用前景和推广价值。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。为了将铸造废旧树脂砂应用于消失模涂料的制备，并满足透气性和温度保持的要求，本发明在现有技术中涂料组份的基础上进行了改进，具体内容如下：

如前所述，现有技术中，铸造废弃砂用于消失模铸造涂料存在两个技术难点，一是：废弃砂表面包裹的树脂在铁水浇铸条件下发生气化，会导致铁水温度降低，进而导致浇不足、冷隔等缺陷；二是：废弃树脂砂颗粒的不规则度远远高于普通的耐火骨料，并且粒度分布不均匀，因而堆积紧密度高，涂层透气性较差，会导致铸件碳缺陷的产生。

为了解决第一个问题，本发明在涂料中引入特殊的材料，使其在浇注温度下释放额外的热量，从而补偿这部分热量损失，保证铁水温度不会发生明显降低，消除废旧砂消失模涂料可能产生的浇不足、冷隔等缺陷。具体的，在涂料中引入两类物质，二者之间可在高温条件下发生反应，并放出大量的热量，提供补偿，并且要保证这两类物质在常温条件下表现为惰性，不反应。优选的，本发明的具体实施方式中，在涂料中引入氧化剂、铝粉，此二组分在高温下发生特定反应，放出热量，提供热量补偿，并且涂料中添加一些指定的氟类化合物，它能作用于上述反应，增加铝粉和氧化物的反应活性，提高放热速率和热量补偿效率。

为了解决第二个问题，本发明在涂料中引入一种高分子树脂颗粒材料，该颗粒材料在常温下及涂料烘干温度下稳定，不发生物理化学变化，在铁水浇注的高温条件下，能够发生气化裂解反应，从而在涂层中形成微观空洞，提高涂料的高温透气性能，保证EPS裂解产物能顺利排出型腔，降低铸件碳缺陷的发生几率。

另外，本发明配方中加入碳纤维，对上述两个问题的解决也起到一定作用。首先，碳纤维具有良好的保温隔热作用，热导率很低，能有效降低涂层的导热系数，能够降低铁水降温的速率；其次，碳纤维具有特殊的长棒状微观结构，促进了微观连通区的产生，从而起到增加涂料的透气性能的作用。

综上，本发明提供了一种由铸造废旧树脂砂制备的高透气性消失模涂料，包括以下组成成分：铸造废旧树脂砂、硅铝系耐火骨料、鳞片石墨、聚苯乙烯树脂颗粒、铝粉、氧化剂、氟化物、碳纤维、悬浮剂、粘结剂、表面活性剂、消泡剂、水。优选的，各组分比例为：铸造废旧树脂砂100份、硅铝系耐火骨料60-100份、鳞片石墨5-25份、聚苯乙烯树脂颗粒2-6份、铝粉1-3份、氧化剂2-10份、氟化物1-5份、碳纤维1-5份、悬浮剂3-10份、粘结剂5-15份、表面活性剂0.2-0.5份、消泡剂0.5-1.5份、水80-120份。

现对各组分的用途和优选参数进行详细的介绍：

所述铸造废旧树脂砂为未经高温焙烧的机械再生树脂砂，颗粒目数为100目-200目，最佳的颗粒直径为150目。所述硅铝系耐火骨料为三氧化二铝含量在60%以上的耐火骨料，具体为高铝矾土、M70莫来石、棕刚玉中的一种或以上，颗粒目数为100目-200目，最佳的颗粒直径为150目。铸造废旧树脂砂、硅铝系耐火骨料、鳞片石墨共同组合，作为涂料的耐火填料体系。在废旧树脂砂中添加鳞片石墨以及高铝矾土或者莫来石，可改善骨料体系的耐火度，使其达到抗粘砂要求。所述聚苯乙烯树脂颗粒的直径为40-150μm，最佳的颗粒直径为100μm。在铁水浇注温度下，所添加的聚苯乙烯树脂颗粒气化，形成微观空洞结构，从而提升涂料的高温透气性能，赋予涂料高透气性，杜绝了铸件碳缺陷的产生。所述氧化剂为三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锰、硝酸钾、高锰酸钾中的一种或以上。所述的铝粉和氧化剂在浇注条件下能够发生放热反应，提供热量，能够及时补偿废旧树脂砂表面的树脂膜及聚苯乙烯塑料颗粒气化而消耗的热量，不会造成铁水快速冷却，从而避免铸件产生收缩缺陷。所述氟化物为氟化钠、氟化钙、氟铝酸钠中的一种或以上。这些氟盐的加入能有效增强涂料中铝粉的反应活性，提高放热反应的速度。所述碳纤维的含碳量为95%以上，长度为50-200μm之间。碳纤维的加入不仅起到保温隔热的作用，有效增加高温保持时间，降低铸件收缩倾向，而且因为碳纤维的特殊棒状结构，能够在一定程度上增加涂料的透气性能和高温性能。

此外，所述的聚苯乙烯树脂颗粒可用其它塑料颗粒比如聚甲醛树脂颗粒、聚乙烯-丙烯酸酯树脂颗粒来代替。

在实际的应用时，上述由铸造废旧树脂砂制备的高透气性消失模涂料的具体制备方法包括以下步骤：①向分散釜中添加水、消泡剂、表面活性剂，然后高速搅拌下添加悬浮剂，分散10分钟；②向分散釜添加聚苯乙烯树脂颗粒、碳纤维、粘结剂，分散10分钟；③向分散釜添加铸造废旧树脂砂、硅铝系耐火骨料、鳞片石墨，分散20分钟；④向分散釜添加铝粉、氧化剂、氟化物，分散10分钟，分散结束后，出料包装。

以下为优选参数的具体实施方式：

实施例一：

铸造废旧树脂砂100份、M70莫来石80份、鳞片石墨15份、聚苯乙烯树脂颗粒4份、铝粉2份、三氧化二铁5份、氟化钠3份、碳纤维3份、悬浮剂6份、粘结剂10份、表面活性剂0.3份、消泡剂1份、水100份。

①向分散釜中添加水100份、消泡剂1份、表面活性剂0.3份，然后高速搅拌下添加悬浮剂6份，分散10分钟；

②向分散釜添加聚苯乙烯树脂颗粒4份、碳纤维3份、粘结剂10份，分散10分钟；

③向分散釜添加铸造废旧树脂砂100、M70莫来石80份、鳞片石墨15份，分散20分钟；

④向分散釜添加铝粉2份、三氧化二铁5份、氟化钠3份，分散10分钟，分散结束后，出料包装。

实施例二：

铸造废旧树脂砂100份、高铝矾土60份、鳞片石墨25份、聚苯乙烯树脂颗粒5份、铝粉2份、四氧化三铁8份、氟化钙5份、碳纤维2份、悬浮剂3份、粘结剂13份、表面活性剂0.5份、消泡剂1.5份、水120份。

①向分散釜中添加水100份、消泡剂1.5份、表面活性剂0.5份，然后高速搅拌下添加悬浮剂3份，分散10分钟；

②向分散釜添加聚苯乙烯树脂颗粒5份、碳纤维2份、粘结剂13份，分散10分钟；

③向分散釜添加铸造废旧树脂砂100、高铝矾土60份、鳞片石墨25份，分散20分钟；

④向分散釜添加铝粉2份、四氧化三铁8份、氟化钙5份，分散10分钟，分散结束后，出料包装。

实施例三：

铸造废旧树脂砂100份、棕刚玉90份、鳞片石墨10份、聚苯乙烯树脂颗粒6份、铝粉1份、二氧化锰10份、氟铝酸钠3份、碳纤维5份、悬浮剂10份、粘结剂10份、表面活性剂0.3份、消泡剂1.5份、水90份。

①向分散釜中添加水90份、消泡剂1.5份、表面活性剂0.3份，然后高速搅拌下添加悬浮剂10份，分散10分钟；

②向分散釜添加聚苯乙烯树脂颗粒6份、碳纤维5份、粘结剂10份，分散10分钟；

③向分散釜添加铸造废旧树脂砂100、棕刚玉90份、鳞片石墨10份，分散20分钟；

④向分散釜添加铝粉1份、二氧化锰10份、氟铝酸钠3份，分散10分钟，分散结束后，出料包装。

实施例四：

铸造废旧树脂砂100份、高铝矾土100份、鳞片石墨5份、聚苯乙烯树脂颗粒2份、铝粉3份、硝酸钾10份、氟化钠3份、碳纤维5份、悬浮剂10份、粘结剂15份、表面活性剂0.2份、消泡剂0.5份、水80份。

①向分散釜中添加水80份、消泡剂0.5份、表面活性剂0.2份，然后高速搅拌下添加悬浮剂10份，分散10分钟；

②向分散釜添加聚苯乙烯树脂颗粒2份、碳纤维5份、粘结剂15份，分散10分钟；

③向分散釜添加铸造废旧树脂砂100、高铝矾土100份、鳞片石墨5份，分散20分钟；

④向分散釜添加铝粉3份、硝酸钾10份、氟化钠3份，分散10分钟，分散结束后，出料包装。

实施例五：

铸造废旧树脂砂100份、M70莫来石60份、鳞片石墨20份、聚苯乙烯树脂颗粒3份、铝粉2份、高锰酸钾3份、氟铝酸钠5份、碳纤维3份、悬浮剂7份、粘结剂10份、表面活性剂0.5份、消泡剂1.5份、水110份。

①向分散釜中添加水110份、消泡剂1.5份、表面活性剂0.5份，然后高速搅拌下添加悬浮剂7份，分散10分钟；

②向分散釜添加聚苯乙烯树脂颗粒3份、碳纤维3份、粘结剂10份，分散10分钟；

③向分散釜添加铸造废旧树脂砂100、M70莫来石60份、鳞片石墨20份，分散20分钟；

④向分散釜添加铝粉2份、高锰酸钾3份、氟铝酸钠5份，分散10分钟，分散结束后，出料包装。

综上所述，本发明的消失模涂料因采用铸造废旧树脂砂作为主要耐火材料，成功的解决了消失模涂料高温透气性能和热量补偿性能的要求，并且有效利用了铸造废弃物，成本低廉，符合“绿色铸造”和循环可持续的理念，并且解决了铸造废旧树脂砂消失模涂料的碳缺陷、收缩缺陷问题，具有良好的应用前景和推广价值。

以上对本发明所提供的一种由铸造废旧树脂砂制备的高透气性消失模涂料及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。