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助剂对水基铸造涂料悬浮率影响规律的研究

文章出处:  互联网  网责任编辑: 管理员  作者: 佚名  人气:4211 发表时间:[ 2013/3/16] 
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    摘要:研究助剂对水基铸造涂料悬浮率的影响规律,在试验涂料配方中,以中性铝矾土为骨料,三聚磷酸钠、白乳胶做粘结剂,当钠基膨润土加入量为3%时,随着CMC的增加,涂料悬浮率基本不提高;钠基膨润土在5%时,随着CMC的增加,涂料悬浮率呈逐步上升的趋势。钠基膨润土在9%,随着CMC增加,涂料悬浮率呈下降趋势;水玻璃做粘结剂,CMC加入量极低时,增加钠基膨润土的量,并不能有效增加涂料悬浮率。但随着加入CMC量的提高,涂料的悬浮率大幅度上升,这说明CMC能有效地提高钠土-水玻璃系涂料的悬浮稳定性。钠基膨润土加入量为6%~8%,随着CMC/钠基膨润土的比值从0.025增加到0.075,涂料的悬浮率是快速上升的,当CMC/钠基膨润土的比值从0.075增加到0.125,涂料的悬浮率上升缓慢。

    关键词:钠基膨润土;CMC;三聚磷酸钠;水玻璃;悬浮率;水基铸造涂料

    中图分类号:TG22文献标识码:A文章编号:1000-8365(2010)09-1146-05

    铸造用水基涂料由于其成本低,适用性强,在砂型铸造、金属型铸造、离心铸造以及消失模铸造上仍然普遍使用。悬浮率和粘度是水基铸造涂料最重要的工艺性能指标,优良的悬浮性和适当的粘度是保证涂料能正常使用的基本条件。水基铸造涂料常用的悬浮剂和增稠剂为钠基膨润土和CMC,这两种材料一般是为作复合悬浮剂同时使用。粘结剂使用较多的则是水玻璃、三聚磷酸钠、硅溶胶等,白乳胶作为粘结剂或增稠剂在水基涂料中也经常使用[1~4]。传统观念认为,钠基膨润土和CMC同时使用能够加强水基涂料的悬浮稳定性[5~8]。近期研究表明,在水基涂料中白乳胶显著提高涂料的粘度,但降低其悬浮率;三聚磷酸钠既降低涂料的悬浮率、又降低涂料的粘度;涂料的悬浮率与其粘度无对应关系[9]。当用三聚磷酸钠、水玻璃、白乳胶作涂料的粘结剂时,钠基膨润土和CMC作复合悬浮剂,关于它们在涂料中如何影响悬浮稳定,以及它们之间的相互作用对涂料的悬浮率的影响规律,未见相关文献报道。本文用铝矾土作骨料,钠基膨润土和CMC作悬浮剂,分别以三聚磷酸钠和白乳胶、水玻璃为粘结剂,研究不同钠基膨润土和CMC加入量对水基涂料的悬浮率的影响规律。

    1实验材料

    (1)涂料骨料:铝矾土(粒度:320目,Al2O3≥85%,密度3.65g/cm3),又称精密铸造砂,贵州七砂产。

    (2)悬浮剂:钠基膨润土技术指标见表1;羧甲基纤维素钠(CMC)理化性见表2。

钠基膨润土(河南信阳产)技术指标

    (3)粘结剂:①三聚磷酸钠,一类无定形水溶性线状聚磷酸盐,两端以Na2PO4终止,白色微粒状粉末,溶于水,不溶于乙醇,水溶液呈弱碱性,是一种无机物表面活性剂,结合各种金属离子的能力较强。三聚磷酸钠具有络合、悬浮、分散、胶溶、乳化、pH缓冲等作用,pH值8;②水玻璃:模数2.4、波美度48;③白乳胶(聚醋酸乙烯乳液),总挥发性有机物44g/L;水溶液pH=7~8。

    (4)润湿剂:OP-10;消泡剂:JFC。

    2·试验方法

    为了真实地反映助剂对涂料悬浮稳定性的影响,试验涂料骨料的选择必须满足两个条件:一是化学中性,二是密度要大,以消除骨料的酸碱性和密度太小对实验结果的干扰。选用刚玉化程度很高的化学中性、大密度的铝钒土能满足上述要求。涂料基本配方为:铝矾土,100%(以下所有试验涂料配方均同);其它助剂材料占铝矾土质量分数。所有试验涂料中均加入消泡剂、润湿剂0.1%~0.2%。钠基膨润土、白乳胶、CMC、三聚磷酸钠在使用前,加入一定比例的水引发、溶解,制成浆料,静止72h后使用。涂料试样制作工艺过程如下:铝矾土加助剂浆料,再加水,放置在涂料高速搅拌机上搅拌30min。涂料的悬浮率采用量筒静置法,制作好的涂料将密度调整到规定值,倒入25mm、100mL圆柱量筒,静置到规定的时间纪录其悬浮率。

    3试验过程及结果分析

    3.1实验方案1

    3.1.1配方及试验结果

    试验涂料配方为:三聚磷酸钠5%,白乳胶1%,钠基膨润土取3%、8%、13%3个水平;CMC选取0.1%、0.5%、0.9%3个水平。

    众所周知,涂料的密度大,一般悬浮率都较高,无法反映助剂对悬浮率的影响程度。为了真实反映助剂对悬浮率的影响,本实验采用低密度,即使9个涂料试样的密度都调整为1.3g/cm3,然后再测试涂料的悬浮率。9个实验涂料试样分别装入编号为1#~9#的9个量筒中,分别静置6h和24h后,测量涂料的悬浮率。试验配方及结果见表3。

试验配方及结果见表3

    3.1.2结果分析

    将试验结果以图表的形式表达出来,如图1,图2,图3所示。

将试验结果以图表的形式表达出来,如图1,图2,图3所示

将试验结果以图表的形式表达出来,如图1,图2,图3所示

    从图1中可以看出,当钠基膨润土加入量为3%时,不管CMC加入量多少,涂料的悬浮率都很低,不到40%。

    从图2中可以看出,当钠基膨润土的加入量为8%时,随着CMC的加入量增加,涂料的悬浮率明显提高。以6h悬浮率为例,当CMC的加入量为0.1%时,涂料的悬浮率仅为28%,当CMC的含量增加到0.9%时,涂料的悬浮率为64%。

    从图3可以看出,钠基膨润土添加量为13%,当CMC的含量为0.1%时,涂料的悬浮率最好,6h悬浮率为98%。但随着CMC加入量的增大,悬浮率急剧下降,CMC为0.9%,悬浮率只有60%。

    静置一定时间后的涂料一般可分为2~4个层次,即清水层、浑浊层、涂料层、板结层,如图4所示。理想的涂料只有1~4mL的清水层,其余应是均匀的涂料层。目测量筒中的涂料,其状态见表4。从表4中可知,用三聚磷酸钠、白乳胶作粘结剂的水基涂料,无论钠基膨润土、CMC加入量级配,其悬浮稳定性均不佳,除了悬浮率低之外,涂料还存在易分层、板结、密度不均匀等问题。

目测量筒中的涂料

    3.2试验方案2

    3.2.1实验配方及结果

    试验涂料配方为:水玻璃8%,10~14号试样中,钠基膨润土加入量为6%,15~19号试样中,钠基膨润土加入量为8%,CMC的含量在两组涂料样品中,均占钠基膨润土含量的2.5%、5.0%、7.5%、10%、12.5%。控制所有涂料样品的密度为1.5g/cm3,再测量涂料6h和24h的悬浮率,涂料配方与测试结果见表5。

再测量涂料6 h和24 h的悬浮率,涂料配方与测试结果见表5。

    3.2.2结果分析

    将试验结果以图的形式表达出来,如图5。从图5中可以看出,当钠基膨润土的含量为6%或8%时,CMC/钠基膨润土值从0.025提高到0.075时,涂料的悬浮率急剧上升,CMC/钠基膨润土值超过0.1时,涂料的悬浮率基本保持平稳。当CMC/钠基膨润土的比值为0.025、0.05和0.75时,对6h或24h悬浮率,钠基膨润土8%的涂料比含钠基膨润土6%的涂料的高。当CMC/钠基膨润土值为0.075和0.1、0.125时,对6h或24h悬浮率来说,钠基膨润土6%的涂料与含钠基膨润土8%的涂料相当。

将试验结果以图的形式表达出来

    3.3试验方案

    3.3.1实验配方及结果

    试验涂料配方:水玻璃8%,CMC加入量为骨料的0.1%,选取钠基膨润土分别为2%、4%、6%、8%、10%这5个水平。涂料样品密度调配到1.5g/cm,涂料配方及结果见表6。

涂料样品密度调配到1.5g/cm,涂料配方及结果见表6

    3.3.2结果分析

    涂料悬浮率变化趋势见图6。从图6中可以看出,当CMC加入量为0.1%时,随着钠基膨润土含量的提高,涂料的悬浮率提高缓慢。这说明用水玻璃作粘结剂,涂料的悬浮率较低,即使增大钠基膨润土的量,也不可能得到根本改善,最大悬浮率也只有58%。24h涂料悬浮率与6小时相当,这说明6h后涂料已经沉降接近极限。

涂料悬浮率变化趋势见图6

    3.4试验方案4

    3.4.1实验配方及结果

    试验涂料配方:选定水玻璃加入量为8%,钠基膨润土为6%,取CMC分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%这5个水平。将表6中的5个涂料样品的密度调配到1.5g/cm3,涂料配方及试验结果见表7。

将表6中的5个涂料样品的密度调配到1.5 g/cm3,涂料配方及试验结果见表7

    3.4.2结果分析

    CMC对涂料悬浮率的影响趋势图见7。从图7中可以看出,当CMC的加入量≤0.7%时,随着CMC含量的增加,涂料的6h和24h悬浮率急剧增加,最高值为96%和90%,CMC的含量超过0.7%时,涂料6h悬浮率下降。这说明用水玻璃作粘结剂的涂料,添加CMC能大幅度提高涂料悬浮率。

    添加少量的CMC,水解后,生成羟基和羟基的功能团,提供大分子链。钠基膨润土微小质点吸附在这种大分子链上,使涂料体系内部的网状结构更加致密,从而提高涂料的悬浮率。而粉料颗粒在载体中,表面由于水合作用生成羟基。大分子链与粉料羟基之间可由电荷效应、色散力或氢键链合等作用吸附于颗粒表面上,从而使粉料聚集。当CMC的含量过多时,这种吸附聚集效应就会加剧,使涂料颗粒发生絮凝,使涂料的悬浮率降低。

CMC对涂料悬浮率的影响趋势图见7

    4结论

    (1)三聚磷酸钠5%,白乳胶1%,涂料密度控制在1.30g/cm3,CMC的加入量从0.1%增加到0.9%,当钠基膨润土加入量为3%时,涂料的悬浮率不随CMC增加而增加,都处于较低的水平。当钠基膨润土加入量为5%时,涂料的悬浮率随CMC增加、呈现逐步上升的趋势。当钠基膨润土加入量为8%时,涂料的悬浮率随CMC增加呈现逐步下降的趋势。由此看来,CMC并不是在所有情况下都增加涂料的悬浮率。

    (2)水玻璃8%,钠基膨润土6%~8%,涂料密度控制在1.50g/cm3,当CMC/钠基膨润土的比值从0.025增加到0.075,涂料的悬浮率是快速上升的,且含8%钠基膨润土的涂料悬浮率高于含6%钠基膨润土的涂料悬浮率。当CMC/钠基膨润土的比值从0.075增加到0.125,涂料的悬浮率上升缓慢,且含8%钠基膨润土的涂料悬浮率与含6%钠基膨润土的涂料悬浮率相当。

    (3)水玻璃作粘结剂,CMC加入量极低时,增加钠基膨润土的量,并不能有效增加涂料悬浮率,且6h悬浮率已降至极限;但随着加入CMC量的提高,涂料的悬浮率大幅度上升,这说明CMC能有效地提高钠基膨润土-水玻璃系涂料的悬浮稳定性。