专利名称：一种水溶性模芯的制备方法
技术领域：
本发明属于浇注成型技术领域，涉及对铸造和树脂基复合材料成型 用工艺模芯的改进。
技术背景芯模材料目前主要使用在铸造和复合材料制造行业中。随着现代工 业技术的发展，尤其是航空、航天事业的突飞猛进，铸件的形状日益复 杂，对其内腔的复杂程度、尺寸精度及表面光洁度等方面要求越来越高。 而砂芯胶粘剂是铸造生产中用量很大的原料之一，它直接关系到铸造砂 芯生产的质量与数量，以及铸造车间的工作环境。铸造用胶粘剂可分为无机、有机两大类无机类包括水玻璃、粘土、水泥等；有机类包括桐 油、合脂、脲醛树脂、酚醛树脂、呋喃树脂等。上述胶粘剂既有优点， 又有缺点。常用的有机胶如合脂、酚醛树脂、吹喃树脂等，刺激性气味 较大，公害严重，树脂胶价格较高；无机胶如水玻璃存在型砂湿强度、 干强度低，且浇注后又相当坚固，很难溃散等缺点。因此，研制综合性 能好、成本较低的新型水溶性芯模材料用胶粘剂很有必要。由于水溶性 胶粘剂具有无毒无害、不刺激皮肤，受热分解时不释放有害气体混入砂 中，能均匀地包裹在砂粒表面，粘附力强、粘结强度高、用量少、易成 型、易溃散等优点，所以广泛应用在芯模材料中。水溶性髙分子化合物是一种亲水性的高分子材料，在水中能溶解或 溶胀而形成溶液或分散液。水溶性高分子的亲水性，来自于其分子中含 有的亲水基因。常见的亲水基团是羧基、羟基、酰胺基、胺基、醚基等。 这些基团不但使高分子具有亲水性，而且使它具有许多优良性能，如粘 合性、成膜性、分散性、絮凝性、增稠性等。水溶性髙分子的亲水基团 的强弱和数量可以按要求加以调节，亲水基团等活性官能团还可以进行 再反应，生成具有新官能团的化杏物。水溶性髙分子材料主要包括以下 几种淀粉类胶粘剂(磷酸酯淀粉、酶改性淀粉、改性糯米粉、聚乙烯 醇胶粘剂、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸(PAA)等。曰本近畿大学宫泽信夫等人[宫泽信夫，等.淀粉型砂加热铸型中淀粉的移动和加热铸型的性质.铸造，1986， 58 (9): 647 — 652.]也研究了磷酸淀粉作为胶粘剂在壳砂芯中的应用。在水溶性方面与醋酸酯淀 粉、氧化淀粉、纯PVA相比，磷酸酯淀粉更易溶解，这是由于磷酸酯淀粉 引进了亲水性较强的磷酸基团，使淀粉分子周围吸附有大量的水分子， 增加了淀粉分子与水的亲和力。国内魏正方[魏方正，新型水溶性芯模材 料的研制。粘结，2007， 28: 13-15]也釆用磷酸酯淀粉作为水溶性粘结剂来制备复合材料成型用芯模材料，但该粘结剂的缺点是模芯材料的 水溶性在室温下较为缓慢，需要加热才能完全溃散。另外它需要加热固 化，难以做到室温固化，而且耐温性较差。PEG易溶于水和一些普通的有机溶剂。液体PEG可以任何比例与水混 溶，而固体PEG则只有有限的溶解度，但即使是分子质量最大的级分，在 水中的溶解度仍大于50%。温度升高，固体PEG溶解度增大，若温度足够 高(如对PEG-6000，温度高于60TC)，则所有级分的固体PEG均能与水以任 何比例相溶。但是当温度接近水的沸点，聚合物就沉淀出来。其析出温 度，取决于聚合物的分子质量和浓度。杜志龙、邱桂斌等[杜志龙，邱桂 斌，闽小俊.新型水溶芯的研制.塑料工业，2004。 32 (11): 55 — 56]将 PEG与尿素、石英粉等材料共混制备了新型的复合材料水溶芯，其中尿素 的用量控制在30%左右、石英粉为10%—20%较为适宜。在此配方下制 得的新型水溶芯弯曲强度可达约6MPa,在水中浸泡5—6 h即可溃散。但 采用PEG作为粘结剂的芯模脱芯时，需要把压制好的芯模放人10%左右的 盐酸水溶液中，由于芯模中含有活性的碳酸氢钠，和盐酸进行反应，产 生大量的二氧化碳气体，所以加速了PEG芯模的溶解速度，工作环境较差， 同时，它同样需要加热固化，难以做到室温固化，而且耐温性较差。 发明内容本发明的目的是本发明提出一种可以室温固化、耐温性好、在室温 下的水溶性好、无环境污染的水溶性芯模材料。本发明的技术方案是 一种水溶性模芯的制备方法，其特征在于， 该方法的操作步骤如下(1) 配制粘结剂水溶液；在水中加入5 ~ 50wt。A的聚乙烯p比咯烷酮粘 结剂，充分搅拌，并使其完全溶解，制得粘结剂的水溶液；(2) 加骨料；向上述粘结剂水溶液中加入作为骨料的固体粉料，固体粉料的加入量为粘结剂溶液重量的0.5-5倍，加入后充分搅拌，形成 均匀泥浆，固体粉料是氧化铝、石英、氧化锆、玻璃微珠、高领土、以 及其它不水解的陶瓷粉末、石墨粉、金属粉、短切碳纤维、以及其他不 水解的聚合物M其中之一或多种物质的组合；(3) 在上述泥浆中加入石脅粉；石膏粉的加入量为粘结剂溶液重量 的0.5~4倍，使用搅拌机或球磨机等其它混料装置将得到的混合料进行 充分混合，得到陶瓷料浆，混磨时间为5 30分钟；(4) 除泡；将步骤(3)得到的陶瓷浆料进行真空或震动除泡；(5) 浇铸成型；将除泡后的陶瓷浆料浇进模具中，经过l 10h后， 浆料自然固化，然后脱模；(6) 干燥；将上述脱模后的湿坯放入烘箱中进行干燥脱水，首先在 50 100。C温度下烘干l~5h,然后在100 15(TC温度下烘干l~5h;(7) 后加工；对于有打孔、螺紋等外形要求的制件进行机加工。 本发明的优点是与以往的水溶性芯模制备工艺相比，本发明可以室温固化，耐温性好，在室温下的水溶性好，无环境污染。第一，使用聚乙烯吡咯烷酮作为水溶性粘结剂，原料本身水溶性就 很好，利用石裔的吸水特性，可以实现含有聚乙烯吡咯烷酮的陶瓷浆料 的室温固化。第二，使用聚乙烯吡咯烷酮作为水溶性粘结剂，固化后原料本身特 性没有改变，保持了良好的水溶性，使得所制得的芯模具有良好的溃散 性，而且模芯的溃散可以在室温水中进行。第三，使用聚乙烯吡咯烷兩作为水溶性粘结剂，固化干燥后，所制 得的水溶性芯模具有良好的高温力学性能，可以满足各个温度段树脂基 体的固化成型工艺要求。第四，本方法使用的骨料可根据设计要求变化，所制得的水溶性芯 模尺寸精确度高，热膨胀系数与热导率可调节，达到与生产的金属件或 复合材料结构件匹配。第五，本方法中所使用的所有原材料没有毒性，也不会带来环境污 染问题，而且价格较低。具有适用面广、成本低、操作简便、无环境污 染、易溃散等优点，适于工业化应用。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
一种水溶性模芯的制备方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下(1) 配制粘结剂水溶液；在水中加入5 ~ 50wt乂的聚乙烯喻咯烷酮粘结剂，充分搅拌，并使其完全溶解，制得粘结剂的水溶液；(2) 加骨料；向上述粘结剂水溶液中加入作为骨料的固体粉料，固 体粉料的加入量为粘结剂溶液重量的0.5-5倍，加入后充分搅拌，形成 均匀泥浆，固体粉料是氧化铝、石英、氧化锆、玻璃微珠、高领土、以 及其它不水解的陶瓷粉末、石墨粉、金属粉、短切碳纤维、以及其他不 水解的聚合物,其中之一或多种物质的组合；(3) 在上述泥浆中加入石贵粉；石脅粉的加入量为粘结剂溶液重量 的0. 5 ~ 4倍，使用搅拌机或球磨机等其它混料装置将得到的混合料进行 充分混合，得到陶瓷料浆，混磨时间为5 30分钟；(4) 除泡；将步骤(3)得到的陶瓷浆料进行真空或震动除泡；(5) 浇铸成型；将除泡后的陶瓷浆料浇进模具中，经过l 10h后， 浆料自然固化，然后脱模；(6) 干燥；将上述脱模后的湿坯放入烘箱中进行干燥脱水，首先在 50 ~ IO(TC温度下烘干1 ~ 5h，然后在100 ~ 15(TC温度下烘干1 ~ 5h;(7) 后加工；对于有打孔、螺紋等外形要求的制件进行机加工。 实施例1:采用PVPK30作为粘结剂，配制10wa浓度的溶液，称取30g该溶液, 加入100g氧化铝陶瓷粉和20g石裔粉，在搅拌机上充分搅拌30分钟， 制得均匀料浆，进行真空除泡IO分钟，浇铸到钢质模具中，自然放置2h， 脱模，放入烘箱中在8(TC下干燥lh，然后温度提升到12(TC,干燥2h， 制得水溶性芯模。实施例2:采用PVPK30作为粘结剂，配制20w"浓度的溶液，称取30g该溶液， 加入40g载化铝陶瓷粉和80g石裔粉，在搅拌机上充分搅拌30分钟，制 得均匀料浆，进行真空除泡10分钟，浇铸到钢质模真中，自然放置2h， 脱模，放入烘箱中在80iC下干燥lh,然后温度提升到120°C，干燥2h， 制得水溶性芯模。实施例3:采用PVPK30作为粘结剂，配制30wtX浓度的溶液，称取30g该溶液， 加入60g石英粉和60g石奢粉，在搅拌机上充分搅拌30分钟，制得均匀 料浆，进行真空除泡10分钟，浇铸到钢质模具中，自然放置2h,脱模， 放入烘箱中在80。C下干燥lh，然后温度提升到12(TC，千燥2h，制得水 溶性芯模。实施例4:采用PVPOO作为粘结剂，配制5w"浓度的溶液，称取30g该溶液， 加入30g石墨粉和60g石裔粉，在搅拌机上充分搅拌30分钟，制得均匀 料浆，进行真空除泡10分钟，浇铸到钢质模具中，自然放置2h，脱模， 放入烘箱中在80X:下干燥lh，然后温度提升到12(TC，干燥2h,制得水 溶性芯模。实施例5:采用PVPK90作为粘结剂，配制10wtW浓度的溶液，称取30g该溶液， 加入30g石墨粉、30g氧化铝陶瓷粉和30g石膏粉，在搅拌机上充分搅拌 30分钟，制得均勾料浆，进行真空除泡10分钟，浇铸到钢质模具中，自 然放置2h，脱模，放入烘箱中在8(TC下干燥lh,然后温度提升到12(TC, 干燥2h，制得水溶性芯模。实施例6:采用PVP K90作为粘结剂，配制20wtW浓度的溶液，称取30g该溶液， 加入10g短切碳纤维、30g石英粉和40g石膏粉，在搅拌机上充分搅拌 30分钟，制得均匀料浆，进行真空除泡10分钟，浇铸到钢质模具中，自 然放置2h，脱模，放入烘箱中在8(TC下干燥lh，然后温度提升到12(TC， 干燥2h，制得水溶性芯模。
权利要求
1、一种水溶性模芯的制备方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下(1)配制粘结剂水溶液；在水中加入5～50wt％的聚乙烯吡咯烷酮粘结剂，充分搅拌，并使其完全溶解，制得粘结剂的水溶液；(2)加骨料；向上述粘结剂水溶液中加入作为骨料的固体粉料，固体粉料的加入量为粘结剂溶液重量的0.5～5倍，加入后充分搅拌，形成均匀泥浆，固体粉料是氧化铝、石英、氧化锆、玻璃微珠、高领土、以及其它不水解的陶瓷粉末、石墨粉、金属粉、短切碳纤维、以及其他不水解的聚合物粉体其中之一或多种物质的组合；(3)在上述泥浆中加入石膏粉；石膏粉的加入量为粘结剂溶液重量的0.5～4倍，使用搅拌机或球磨机等其它混料装置将得到的混合料进行充分混合，得到陶瓷料浆，混磨时间为5～30分钟；(4)除泡；将步骤(3)得到的陶瓷浆料进行真空或震动除泡；(5)浇铸成型；将除泡后的陶瓷浆料浇进模具中，经过1～10h后，浆料自然固化，然后脱模；(6)干燥；将上述脱模后的湿坯放入烘箱中进行干燥脱水，首先在50～100℃温度下烘干1～5h，然后在100～150℃温度下烘干1～5h；(7)后加工；对于有打孔、螺纹等外形要求的制件进行机加工。
全文摘要
本发明属于浇注成型技术领域，涉及对铸造和树脂基复合材料成型用工艺模芯的改进。本发明的步骤是配制粘结剂水溶液—加骨料—加石膏粉—除泡—浇铸成型—干燥—后加工。本发明可以室温固化，耐温性好，在室温下的水溶性好，无环境污染。
文档编号B22C7/06GK101229574SQ20071030602
公开日2008年7月30日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者仝建峰, 华文君, 李宝伟, 岭 王, 益小苏, 陈大明, 浩 黄 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院