鑄造用的水玻璃增強劑及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鑄造用的水玻璃增強劑及其制備方法。按照重量份數(shù)計，該水玻璃增強劑的原料包括以下組分：聚烯醇4～5份；氟硅酸鹽05～0.5份；醇糖類0.1～8份；無機酸0.1～2份。采用聚乙烯醇類、氟硅酸鹽、醇糖類、無機酸類化合物及水混合，并將各組分的含量限定在一定的范圍內(nèi)，從而得到了一種鑄造用新型水玻璃增強劑。該新型水玻璃增強劑能夠大大減少水玻璃的加入量，并且可顯著地增加水玻璃砂的強度，提高其力學(xué)性能，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，對水玻璃為代表的無機粘結(jié)劑的推廣應(yīng)用具有長遠意義。此外，該水玻璃增強劑還具有生產(chǎn)成本低、對環(huán)境無污染、可調(diào)性強等優(yōu)點，可替代部分傳統(tǒng)的酯類固化劑，減少發(fā)氣量。
【專利說明】鑄造用的水玻璃增強劑及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鑄造型砂改性【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種鑄造用的水玻璃增強劑及制備 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鑄件是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)件，因此鑄造業(yè)的發(fā)展標志著一個國家的生產(chǎn)實力。據(jù) 2008年統(tǒng)計，我國年產(chǎn)鑄件3350萬噸，是世界鑄造第一大國。這些鑄件的生成大多采用自 硬砂造型、制芯，其中呋喃樹脂自硬砂應(yīng)用范圍較廣。盡管人工合成的有機樹脂極大的推動 了鑄造技術(shù)的進步，但樹脂自硬砂對生態(tài)環(huán)境、勞動條件的危害日益引起人們的關(guān)注，人工 合成樹脂給生態(tài)環(huán)境帶來的不良影響越來越受到各國的重視。斯德哥爾摩公約公布的第 一批12種永久性有毒物質(zhì)，將呋喃和二惡英列入其中，這兩種物質(zhì)與鑄造樹脂有密切的聯(lián) 系。從長遠的角度考慮，有毒有味物質(zhì)的使用將逐步受到限制，并逐步被環(huán)保型物質(zhì)取代。
[0003] 水玻璃是硅砂和純堿合成的無機粘結(jié)劑，是地球上資源最豐富的物質(zhì)之一，是 對環(huán)境影響最小的鑄造樹脂。新型水玻璃自1999年問世，到現(xiàn)在水玻璃加入量降低至 1. 8-3. 0%，其具有強度高、潰散性好、舊砂可再生回用，回用率達80?90%，可使用時間可 調(diào)，可用于機械化造型生產(chǎn)線，也可用于單件小批量生產(chǎn)等優(yōu)點，可生產(chǎn)幾公斤至幾百噸的 各種鑄件，現(xiàn)已在鐵路車輛、冶金機械、重型機械、礦山機械、通用機械廠幾十家企業(yè)推廣應(yīng) 用。
[0004] 水玻璃作為型（芯）砂粘結(jié)劑，能較好地滿足技術(shù)、經(jīng)濟和生態(tài)方面的要求，是一 種具有廣泛應(yīng)用前途的鑄造用粘結(jié)劑。但是，水玻璃粘結(jié)劑在相同加入量下，力學(xué)性能還 是低于有機樹脂，加上水玻璃砂潰散性差，阻礙了它的推廣和應(yīng)用。普通水玻璃的比強度 < 0. 3MPa(l % )，若加入量太少，不能滿足高強度砂型（芯）的工藝要求，如一級或二級砂 芯要求比強度> 0. 5MPa。通過加入水玻璃增強劑，可以在限制水玻璃用量的前提下提高它 的比強度。
[0005] 因此，開發(fā)一種鑄造用的水玻璃增強劑，以較好地提高水玻璃砂的力學(xué)性能，對水 玻璃自硬砂推廣應(yīng)用具有長遠意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的一個目的是提供一種鑄造用的水玻璃增強劑及其制備方法，其能夠顯著 地增加水玻璃砂的強度并降低水玻璃的加入量。
[0007] 為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種鑄造用的水玻璃增強劑， 按照重量份數(shù)計，水玻璃增強劑的原料包括以下組分：聚烯醇4?5份；氟硅酸鹽05?0. 5 份；醇糖類〇. 1?8份；無機酸0. 1?2份。
[0008] 進一步地，聚烯醇水溶液選自聚乙烯醇、聚丙烯醇和聚丁烯二醇水溶液中的一種 或多種。
[0009] 進一步地，聚烯醇是以3?12%質(zhì)量濃度的水溶液提供，其中優(yōu)選5?8%。
[0010] 進一步地，氟硅酸鹽為氟硅酸鈉、氟硅酸鉀、氟硅酸鈣和氟硅酸鎂中的一種或多 種。
[0011] 進一步地，醇糖類選自木糖、蔗糖、果糖、多糖、木糖醇、麥芽糖醇、山梨糖醇和乳糖 醇中的一種或多種。
[0012] 進一步地，無機酸鹽選自硼酸、硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或多種。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種生產(chǎn)鑄造用的水玻璃增強劑的方法，包括以 下步驟：S1、按照上述任一種的鑄造用的水玻璃增強劑的重量份數(shù)稱取原料聚乙烯醇水溶 液、氟硅酸鹽、醇糖類和無機酸，均勻攪拌，得到混合體系；以及S2、將混合體系置于85? 95°C下反應(yīng)1?3小時，得到鑄造用的水玻璃增強劑。
[0014] 應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，采用聚乙烯醇類、氟硅酸鹽、醇糖類、無機酸類化合物及 水混合，并將各組分的含量限定在一定的范圍內(nèi)，從而得到了一種鑄造用新型水玻璃增強 齊U。本發(fā)明所提供的鑄造用水玻璃增強劑能夠大大減少水玻璃的加入量，并且可顯著地增 加水玻璃砂的強度，提高其力學(xué)性能，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，對水玻璃為代表的無機粘結(jié) 劑的推廣應(yīng)用具有長遠意義。此外，本發(fā)明所提供的鑄造用水玻璃增強劑還具有生產(chǎn)成本 低、對環(huán)境無污染、可調(diào)性強等優(yōu)點，可替代部分傳統(tǒng)的酯類固化劑，減少發(fā)氣量。

【具體實施方式】
[0015] 為了解決目前鑄造用的水玻璃添加量高導(dǎo)致其成本較高以及目前的水玻璃增強 劑效果差、無法較好地提高水玻璃砂的力學(xué)性能的問題，本發(fā)明提供了一種鑄造用水玻璃 增強劑，其能夠顯著地增加水玻璃砂的強度并大大減少水玻璃的加入量。
[0016] 按照重量份數(shù)計，本發(fā)明所提供的水玻璃增強劑的原料主要是聚烯醇，以及微量 的氟硅酸鹽、糖或糖醇化合物和無機酸。
[0017] 通常，根據(jù)本發(fā)明的水玻璃增強劑的具體原料組成為：
[0018] 聚烯醇 4-5份； 氟硅酸鹽 0.05?0.5份； 糖或者糖醇 〇.1~8份； 無機酸 0..1~2份。
[0019] 本發(fā)明中，聚烯醇與水玻璃可生成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN)。用IPN技術(shù)對聚烯醇和 水玻璃進行復(fù)合，具有聚烯醇膠的良好成膜性、粘接力、耐油性和耐溶劑性，又具有硅溶膠 耐候好的優(yōu)點。復(fù)合后的膠還體現(xiàn)出良好的彈性和耐水性，因此可用聚烯醇類溶液部分替 代水玻璃，既可減少水玻璃的加入量，又保持強度不降低，并增強水玻璃砂芯的耐水性（抗 濕性）及韌性，增強抗彎強度，提高砂芯的潰散性。
[0020] 如果原料混合體系中，聚烯醇水溶液的重量份數(shù)過多或過少，其濃度過大或過小， 均會影響水玻璃砂芯的耐水性（抗?jié)裥裕㈨g性、抗彎強度以及砂芯的潰散性。因此，本發(fā)明 將聚烯醇水溶液的質(zhì)量份數(shù)以及重量百分比濃度控制為3?12%。優(yōu)選將聚烯醇水溶液的 質(zhì)量百分比濃度控制為5%。
[0021] 優(yōu)選地，聚烯醇水溶液選自聚乙烯醇、聚丙烯醇和聚丁烯二醇水溶液中的一種或 多種。配制聚烯醇水溶液所采用的聚烯醇的重均分子量可以是2. 5?30萬的范圍，其中優(yōu) 選3. 5?22萬的范圍，更優(yōu)選3. 5?15萬的范圍，最優(yōu)選5?10萬的范圍。
[0022] 氟硅酸鹽及無機酸可與水玻璃反應(yīng)，由于這兩類物質(zhì)都可以在水溶液中析出一部 分氫離子，氫離子可與水玻璃中硅酸根結(jié)合形成難溶于水的硅酸。當(dāng)控制無機酸及氟硅酸 鹽在水玻璃中的加入量時的，可適當(dāng)?shù)膹乃Ａе形龀霾糠滞匏帷．?dāng)少部分娃酸從液相中 通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生出來時，由于受到周圍水分子的作用，逐步擴散到水中，形成一種穩(wěn)定 的水溶膠（因鈉水玻璃本身就是一種膠體），這種水溶膠的小膠粒僅僅是由于水分子的作 用才不能彼此靠攏結(jié)合、并保持穩(wěn)定性，，而當(dāng)水玻璃通過加熱脫水時，析出的少部分硅酸 可提高水玻璃砂芯的強度。
[0023] 優(yōu)選地，本發(fā)明所采用的氟硅酸鹽為氟硅酸鈉、氟硅酸鉀、氟硅酸鈣和氟硅酸鎂中 的一種或多種。所采用的無機酸鹽選自硼酸、硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或多種。本發(fā)明優(yōu) 選但并不局限于上述氟硅酸鹽和無機酸鹽。加入上述氟硅酸鹽與無機酸類，能夠更好地在 水中析出氫離子與水玻璃中的硅酸根結(jié)合形成硅酸，從而促進水玻璃固化并增強水玻璃的 粘結(jié)強度和抗吸濕性。
[0024] 本發(fā)明中，所述糖或者糖醇是多羥基化合物，其通常是五碳糖或者六碳糖的單糖、 糖醇、雙糖、三糖、乃至十糖以下的低聚糖，其中優(yōu)選五糖以下，更優(yōu)選單糖、雙糖、三糖或者 糖醇。多羥基化合物的典型的例子包括木糖、蔗糖、果糖、多糖、木糖醇、麥芽糖醇、山梨糖醇 和乳糖醇。這些多羥基化合物可以提高水玻璃的粘結(jié)強度，高達30%左右。首先，這些多 羥基化合物吸附在硅酸膠粒表面上，阻礙后者增大。膠粒愈細，硅酸凝膠單位體積內(nèi)粘結(jié)點 也愈多，強度提高；其次，這些多羥基化合物具有很強的吸水性，能夠使水玻璃在固化過程 快速脫水，所以硬化速度和硬透性提得到高。而且由于多羥基的存在，會影響硅酸凝膠的結(jié) 構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)有利于增加水玻璃的粘結(jié)強度及型砂潰散性。
[0025] 本發(fā)明通過將聚烯醇水溶液、氟硅酸鹽、醇糖類以及無機酸控制在一定的范圍內(nèi) 混合，并使混合物在一定條件下反應(yīng)，從而對水玻璃起到強化作用。對水玻璃強化是為了提 高它的比強度，從而降低其在水玻璃砂中的加入量，在提高水玻璃砂強度的同時，也有效地 改善水玻璃砂的潰散性。具體分析，水玻璃砂的強度取決于附著強度和內(nèi)聚強度，水玻璃砂 的破壞一般是內(nèi)聚破壞。加入增強劑，對水玻璃進行增強處理，使其本身結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或細 化膠凝硬結(jié)時的晶粒，則可提高水玻璃砂的內(nèi)聚強度。
[0026] 在生產(chǎn)鑄造用的水玻璃增強劑時，一般是按照以下步驟：S1、按照重量份數(shù)稱取各 原料聚乙烯醇水溶液、氟硅酸鹽、醇糖類、無機酸，均勻攪拌，得到混合體系；S2、將混合體系 置于85?95°C下攪拌1?3小時，得到鑄造用的水玻璃增強劑。通過加熱攪拌可提高無機 酸，糖或糖醇在聚烯醇溶液中的均一性，顯著提高混合體系的存放時間及保質(zhì)期。上述方法 工藝簡單，只需要在較低的溫度下將原料混合攪拌反應(yīng)即可。
[0027] 由于本發(fā)明所生產(chǎn)的鑄造用的水玻璃增強劑具有生產(chǎn)成本低、對環(huán)境無污染、可 調(diào)性強等優(yōu)勢，通過在水玻璃砂中添加該水玻璃增強劑可降低水玻璃的添加量，并且該水 玻璃增強劑可替代部分傳統(tǒng)的酯類固化劑，減少發(fā)氣量，因此可以大規(guī)模生產(chǎn)并推廣應(yīng)用， 具有較明顯的經(jīng)濟效益。
[0028] 為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實施例來進一步說明。
[0029] 實施例1
[0030] 取聚合度為1750 ±50的聚乙烯醇，加水配制成5wt %的聚乙烯醇水溶液，然后取 該聚乙烯醇水溶液93g，氟硅酸鈉0. 2g，木糖醇5g，固體磷酸I. 8g，依次加入反應(yīng)釜中，攪拌 均勻，得到混合體系。將混合體系加熱至90°C，并保溫2小時，得到述鑄造用的水玻璃增強 劑。
[0031] 下面測試水玻璃增強劑的增強效果：
[0032] 測試一：取20g實施例1中制備的水玻璃增強劑，加入到2kg的50/100目大林標 準砂中，用SHY樹脂砂混砂機攪拌60秒，再加入40g水玻璃（模數(shù)為2. 5)攪拌60秒，攪拌 均勻后出料。將混好的樹脂砂在160°C下吹氣加熱60秒（制芯設(shè)備為蘇州明治科技有限公 司產(chǎn)的Al溫芯盒試樣機），制得抗拉試樣A。
[0033] 空白對比測試二：在2kg的50/100目大林標準砂中，不添加水玻璃增強劑，僅加入 40g水玻璃（模數(shù)為2. 5)，攪拌60秒，攪拌均勻后出料。將混好的樹脂砂在160°C下吹氣加 熱60秒（制芯設(shè)配為蘇州明治科技有限公司產(chǎn)的Al溫芯盒試樣機），制得抗拉空白試樣 B0
[0034] 測試三：取20g實施例1中制備的水玻璃增強劑，加入到2kg的50/100目大林標 準砂中，再加入30g水玻璃（模數(shù)為2. 5)，攪拌60秒，攪拌均勻后出料。將混好的樹脂砂在 160°C下吹氣加熱60s (制芯設(shè)備為蘇州明治科技有限公司產(chǎn)的Al溫芯盒試樣機），制得抗 拉試樣C。
[0035] 用液壓強度試驗機（由無錫市三峰儀器設(shè)備有限公司提供）測得試樣A 24小時 的平均抗拉強度為2. 3MPa，測得試樣B 24小時的平均抗拉強度為I. 6MPa，測得試樣C 24 小時的平均抗拉強度為I. 9MPa。
[0036] 從以上數(shù)據(jù)可以看出，試樣A中加入了 20g的水玻璃增強劑，而試樣B中未加入任 何水玻璃增強劑，其與相同條件下的試樣A相比，試樣B的平均抗拉強度降低了 0. 7MPa。與 試樣B相比，雖然試樣C中僅加入了 30g水玻璃，比試樣B中加入的40g水玻璃還少10g，但 是試樣C中的抗拉強度卻比試樣B的抗拉強度高出0. 3MPa。
[0037] 因此，可以看出，采用本發(fā)明的新型水玻璃增強劑，可大大增強水玻璃砂的力學(xué)性 能，并能降低水玻璃的加入量，提高水玻璃的潰散性，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，對水玻璃為 代表的無機粘結(jié)劑的推廣應(yīng)用具有長遠意義。
[0038] 實施例2-5和對比例1-2
[0039] 其制備步驟與實施例1相同，不同之處在于所采用的的原料及配比以及加熱溫 度、時間等。
[0040] 表 1
[0041]

【權(quán)利要求】
1. 一種鑄造用的水玻璃增強劑，其特征在于，按照重量份計由下列原料制成：
2. 如權(quán)利要求1所述的水玻璃增強劑，其特征在于，所述聚烯醇選自聚乙烯醇、聚丙烯 醇和聚丁烯二醇中的一種或多種。
3. 如權(quán)利要求1所述的水玻璃增強劑，其特征在于，所述聚烯醇以水溶液形式提供，質(zhì) 量百分比濃度為3?12%。
4. 如權(quán)利要求1所述的水玻璃增強劑，其特征在于，所述聚烯醇的重均分子量是2. 5? 30萬的范圍。
5. 如權(quán)利要求1所述的水玻璃增強劑，其特征在于，所述聚烯醇的重均分子量是5? 10萬。
6. 如權(quán)利要求1所述的水玻璃增強劑，其特征在于，所述氟硅酸鹽為氟硅酸鈉、氟硅酸 鉀、氟硅酸鈣和氟硅酸鎂中的一種或多種。
7. 如權(quán)利要求1所述的水玻璃增強劑，其特征在于，所述糖或糖醇是五碳糖/六碳糖的 單糖、雙糖、三糖或者其糖醇。
8. 如權(quán)利要求1所述的水玻璃增強劑，其特征在于，所述無機酸鹽選自硼酸、硫酸、鹽 酸和磷酸中的一種或多種。
9. 一種生產(chǎn)鑄造用的水玻璃增強劑的方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 按照權(quán)利要求1-7中任一項所述的鑄造用的水玻璃增強劑的重量份數(shù)稱取原料聚 乙烯醇水溶液、氟硅酸鹽、醇糖類和無機酸，均勻攪拌，得到混合體系；以及 52、 將所述混合體系置于85?95°C下反應(yīng)1?3小時，得到所述鑄造用的水玻璃增強 劑。
【文檔編號】B22C1/16GK104226890SQ201410515500
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】祝建勛, 許增彬, 鞏傳誠 申請人:濟南圣泉集團股份有限公司