助剂对水基铸造涂料悬浮稳定性影响规律的研究

助剂对水基铸造涂料悬浮稳定性影响规律的研究

黄 晋, 吕小艳, 夏 露, 张友寿, 李四年
( 湖北工业大学机械工程学院, 湖北武汉430068)

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, Al2 O3 >85% , 密度3. 65 g/ cm3 ) , 又称精密铸造砂, 贵州七砂产。
( 2) 悬浮剂: 钠基膨润土( 河南信阳产) , 其技术指标见表1; 羧甲基纤维素钠( CMC) : Rn OCH2COONa,分析纯, 天津科密欧化学试剂开发中心产, 其理化性见表2。

( 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44 g/ 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72 h 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30 min。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 25 mm、1 00 mL 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. 3 g / 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6 h 和24 h 后, 测量涂料的悬浮率。试验配方及结果见表3。
表3 钠基膨润土和CMC 不同水平的涂料配方及试验结果

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。

图1  钠基膨润土3%, CMC 加入量与涂料悬浮率的关系
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% 。

图2  钠基膨润土8%, CMC 加入量与涂料悬浮率的关系
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6 h 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%。

图3 钠基膨润土13%, CMC 加入量与涂料悬浮率的关系
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, 6 h 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~ 4 mL 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。

表4 涂料目测状态

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. 5 g / cm3 , 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。
表5 CM C/ 钠基膨润土比值不同的涂料配方及试验结果

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6 h 或24 h 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6 h 或24 h 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。

图5  CM C/ 钠基膨润土的比值不同对涂料悬浮率的影响

3. 3 试验方案3
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. 5 g / cm, 涂料配方及结果见表6。
表6 钠基膨润土对涂料悬浮率影响的试验配方及结果

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%。24 h 涂料悬浮率与6 小时相当, 这说明6 h 后涂料已经沉降接近极限。

图6 水玻璃8%、CMC0. 1%, 钠基膨润土对涂料悬浮率的影响
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. 5 g/ cm3 , 涂料配方及试验结果见表7。
表7 CMC 对涂料悬浮率影响的试验配方及结果

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6 h 和24 h 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6 h 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。

图7  水玻璃8%、钠基膨润土6%, CMC 对涂料悬浮率的影响

4 结论
( 1) 三聚磷酸钠5%, 白乳胶1%, 涂料密度控制在1. 30 g/ 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. 50 g/ 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6 h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。

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