一种复合硬化水玻璃砂制芯用添加剂及其应用

本发明涉及铸造造型材料领域，具体涉及一种复合硬化水玻璃砂制芯用添加剂及其应用。

背景技术：

水玻璃砂具有在制型(芯)和浇注过程中无有毒有害气体放出等优点，符合绿色铸造的发展需要，引起了国内外铸造工作者的广泛关注。水玻璃砂芯的抗吸湿性能差，存放周期短，限制可其更大范围内的应用。特别是对于加热硬化的水玻璃砂芯，由于水玻璃粘结剂硬化砂芯过程中仅依靠物理脱水凝胶硬化，使得吸潮现象更为严重。

cn106984767中描述了一种以硅酸盐溶液为粘结剂，通过添加锂辉石和铝酸钠为增强剂，提高了砂芯的抗湿性，延长了潮湿条件下的存放时间。但仅在湿度低于60％rh时的效果较好。cn108097867描述了一种利用硅烷偶联剂、糠醇和锂的化合物改性水玻璃粘结剂，提高了水玻璃的强度，同时在65％rh的湿度下取得了较好的抗吸湿性能。

综上，现有水玻璃砂存在砂抗吸湿性能差、强度低等问题。

技术实现要素：

发明目的：

本发明提供一种复合硬化水玻璃砂制芯用添加剂及其应用，其目的是解决以上水玻璃砂抗吸湿性能差、强度低等问题。

技术方案：

一种复合硬化水玻璃砂制芯用添加剂，包括组分i二氧化硅，组分ii聚乙烯醇缩丁醛有机醇溶液和组分iiica(oh)2，组分i二氧化硅，组分ii聚乙烯醇缩丁醛有机醇溶液和组分iiica(oh)2的质量百分比为：1-4：1-4：0.5-2。

进一步的，组分i二氧化硅为结晶型二氧化硅、气相型二氧化硅、硅微粉、微硅粉、表面改性的二氧化硅或以二氧化硅为主要成分的矿物质中的一种或按任意比例混合的多种组分。

进一步的，组分ii聚乙烯醇缩丁醛有机醇溶液溶剂为聚乙烯醇缩丁醛作为溶质的质量比范围为8％～12％，溶剂为乙醇、甲醇或两者按任意比例混合的混合液。

一种复合硬化水玻璃砂制芯用添加剂的应用，所述添加剂用于制备砂芯，砂芯包括原砂、粘结剂及添加剂，粘结剂为水玻璃粘结剂，水玻璃粘结剂的加入质量为原砂质量的2％～3％；以水玻璃粘结剂的质量为基准，添加剂的组分i质量百分比为10％～40％；添加剂的组分ii质量百分比为10～40％；添加剂的组分iii质量百分比为：5％～20％。

进一步的，水玻璃粘结剂为钠水玻璃，钾水玻璃，或经改性后的上述两种水玻璃，或者两者按任意比例混合后的混合物。

进一步的，砂芯的制备步骤为：按照配比分别称取原砂、粘结剂及添加剂各组分备用；混砂：先在混砂机中放入原砂，混砂开始后原砂中加入组分i二氧化硅，混合5～10s，然后加入水玻璃粘结剂，混合15～20s，然后加入组分ii聚乙烯醇缩丁醛有机醇溶液，混合20～30s，然后加入组分iiica(oh)2，混砂时间总计为90～120s，混砂完成后得到的型砂用于制芯；制芯采用电阻炉烘干工艺或者温芯盒工艺或者微波硬化工艺，制备‘8’字砂芯试样。

进一步的，电阻炉烘干工艺为：设置电阻炉的温度为160～180℃，将混好的型砂利用手动制芯机，采用三锤法制备‘8’字型试样，将‘8’字型试样放入电阻炉中烘干，烘干时间为2～3min。

进一步的，温芯盒工艺采用无机自动制芯机制芯，设置芯盒温度为150～180℃，热空气温度150～200℃，热空气压力0.2～0.3mpa，热空气吹气时间40～60s，将混好的型砂放入自动制芯机制备‘8’字型试样。

进一步的，微波硬化工艺的微波加热硬化功率为1000～1400w，微波加热时间为90～180s。

优点效果：

本发明提供了一种复合硬化水玻璃砂用添加剂及应用。其在生产和使用过程中水玻璃粘结剂加入量≤3.0％，所混制的型砂制备的砂样强度高、抗吸湿性好。本发明所述添加剂应用于复合硬化制芯工艺中，制备的“8”字试样具有较高的抗拉强度，室温抗拉强度≥1.8mpa，“8”字试样在20～25℃，65～70％rh环境下4小时抗拉强度≥0.7mpa。

附图说明

图1为水玻璃粘结剂受热凝胶后的内部结构；

图2为在水玻璃粘结剂中加入二氧化硅后受热凝胶的微观结构；

图3为在水玻璃粘结剂中加入二氧化硅和聚乙烯醇缩丁醛(pvb)后受热凝胶的微观结构；

图4为在水玻璃粘结剂中加入二氧化硅、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)和ca(oh)2后受热凝胶的微观结构。

具体实施例

以下结合说明书附图更详细的说明本发明。

一种复合硬化水玻璃砂制芯用添加剂，包括组分i二氧化硅，组分ii聚乙烯醇缩丁醛(pvb)有机醇溶液和组分iiica(oh)2，组分i二氧化硅，组分ii聚乙烯醇缩丁醛有机醇溶液和组分iiica(oh)2的质量百分比为：1-4：1-4：0.5-2。

组分i二氧化硅为结晶型二氧化硅、气相型二氧化硅、硅微粉、微硅粉、表面改性的二氧化硅或以二氧化硅为主要成分的矿物质中的一种或按任意比例混合的多种组分。添加剂中的组分i二氧化硅作为添加剂的成分之一，其主要作用是在加热条件下与水玻璃粘结剂反应，提高砂芯的强度；二氧化硅是一种白色或灰色的粉末，粉末来源可为在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时产生出的sio2气体与空气迅速冷凝沉淀而成的产物，或者直接由石英砂粉碎后得到的粉末；

组分ii聚乙烯醇缩丁醛(pvb)有机醇溶液溶剂为聚乙烯醇缩丁醛(pvb)作为溶质的质量比范围为8％～12％，溶剂为乙醇、甲醇或两者按任意比例混合的混合液。聚乙烯醇缩丁醛(简称pvb)有机醇溶液，是一种透明的有机高分子溶液；pvb有机醇溶液性能稳定，在加热时后成膜性好，耐酸碱性强，在本发明中引入的目的是提高砂样的抗吸湿性；

添加剂中的组分iiica(oh)2为灰色粉末。ca(oh)2可在碱性条件下电离出ca²⁺离子，与引入的高分子基团产生络合作用，主要作用在于强化砂样的抗吸湿性。

复合硬化水玻璃砂制芯用添加剂用于制备砂芯，砂芯包括原砂、粘结剂及添加剂，粘结剂为水玻璃粘结剂，水玻璃粘结剂的加入质量为原砂质量的2％～3％；以水玻璃粘结剂的质量为基准，添加剂的组分i质量百分比为10％～40％；添加剂的组分ii质量百分比为10～40％；添加剂的组分iii质量百分比为：5％～20％。

水玻璃粘结剂为水玻璃砂用的粘结剂，水玻璃粘结剂为钠水玻璃，钾水玻璃，或经改性后的上述两种水玻璃，或者两者按任意比例混合后的混合物。

砂芯的制备步骤为：按照配比分别称取原砂、粘结剂及添加剂各组分备用；混砂：先在混砂机中放入原砂，混砂开始后原砂中加入组分i二氧化硅，混合5～10s，然后加入水玻璃粘结剂，混合15～20s，然后加入组分ii聚乙烯醇缩丁醛(pvb)有机醇溶液，混合20～30s，然后加入组分iiica(oh)2，混砂时间总计为90～120s，混砂完成后得到的型砂用于制芯；制芯采用电阻炉烘干工艺或者温芯盒工艺或者微波硬化工艺，制备‘8’字砂芯试样。

电阻炉烘干工艺为：设置电阻炉的温度为160～180℃，将混好的型砂利用手动制芯机，采用三锤法制备‘8’字型试样，将‘8’字型试样放入电阻炉中烘干，烘干时间为2～3min。

温芯盒工艺采用无机自动制芯机制芯，设置芯盒温度为150～180℃，热空气温度150～200℃，热空气压力0.2～0.3mpa，热空气吹气时间40～60s，将混好的型砂放入自动制芯机制备‘8’字型试样。

微波硬化工艺的微波加热硬化功率为1000～1400w，微波加热时间为90～180s。

型砂添加剂的应用，提高了砂芯的抗吸湿性能，获得了较高的抗拉强度，降低了水玻璃的加入量。应用本发明所述材料制备的‘8’字型试样具有较高的抗拉强度，常温抗拉强度≥1.80mpa，在20～25℃，65～70％rh环境下4h抗拉强度≥1.0mpa。

本发明中制备型砂的原砂为大林擦洗砂。制备出的型砂强度的测量方法依照《gb/t2684-2009铸造用砂及混合料试验方法》进行测定。

本发明制备砂芯的强度及抗吸湿性能提高的原理为：

本发明中的组分i以结晶型二氧化硅为例进行说明，图2与图1相比可知，结晶型二氧化硅的加入增大了粘结桥中的si-o键的浓度，从而增强了粘结强度，也在后续潮湿环境中减缓了si-o键的潮解速度，从而提高砂芯的抗吸湿性能。图3与图2相比可知，pvb受热后形成的大分子网可与原始si-o网形成互传结构，将si-o键包覆，在潮湿条件下减缓了si-o键的潮解速度。图4与图3相比可知，ca(oh)2电离出的ca²⁺可与pvb形成的酯基产生交联作用，使粘结桥内的pvb的网更加连续，对si-o键的包覆作用更强，从而在潮湿条件下进一步减缓了si-o键的潮解速度，从而提高了砂芯的抗吸湿性能。

实施例1：

称取占原砂重量2.0％的钠水玻璃作为粘结剂，取占粘结剂10％的结晶型二氧化硅，20％的浓度为8％的pvb甲醇溶液，5％的ca(oh)2，采用电阻炉烘干制芯，烘干温度160℃，烘干时间2min，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.83mpa，在25℃，65％rh环境下4h抗拉强度为1.07mpa。

实施例2：

称取占原砂重量3.0％的钾水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量15％的气相型二氧化硅，30％的浓度为9％的pvb乙醇溶液，10％的ca(oh)2。采用电阻炉烘干制芯，烘干温度180℃，烘干时间3min，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为2.16mpa，在20℃，70％rh环境下4h抗拉强度为1.12mpa。

实施例3：

称取占原砂重量2.5％钠水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量30％的硅微粉，25％的浓度为9％的pvb甲醇溶液，15％的ca(oh)2，采用温芯盒工艺制芯，设置芯盒温度为150℃，热空气温度设为150℃，热空气压力设为0.3mpa，吹气时间设为40s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为2.34mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为1.23mpa。

实施例4：

称取占原砂重量2.0％钠水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量40％的微硅粉，40％的浓度为10％的pvb甲醇溶液，20％的ca(oh)2，采用温芯盒工艺制芯，设置芯盒温度为180℃，热空气温度设为180℃，热空气压力设为0.2mpa，吹气时间设为60s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为2.51mpa，在25℃，65％rh环境下4h抗拉强度为1.30mpa。

实施例5：

称取占原砂重量2.0％钠水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量30％的表面改性的二氧化硅，25％的浓度为12％的pvb甲醇溶液，15％的ca(oh)2，采用温芯盒工艺制芯，设置芯盒温度为160℃，热空气温度设为200℃，热空气压力设为0.2mpa，吹气时间设为50s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为2.32mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为1.24mpa。

实施例6：

称取占原砂重量2.0％钠水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量25％的结晶型二氧化硅和硅微粉混合物，30％的浓度为10％的pvb乙醇溶液，10％的ca(oh)2，采用温芯盒工艺制芯，设置芯盒温度为180℃，热空气温度设为200℃，热空气压力设为0.2mpa，吹气时间设为60s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为2.62mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为1.13mpa。

实施例7：

称取占原砂重量2.0％的钠水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂10％的结晶型二氧化硅，15％的浓度为8％的pvb甲醇溶液，5％的ca(oh)2，采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1000w，加热时间90s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.36mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为0.71mpa。

实施例8：

称取占原砂重量3.0％的钠水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量15％的结晶型二氧化硅，30％的浓度为9％的pvb乙醇溶液，10％的ca(oh)2。采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1000w，加热时间120s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.72mpa，在25℃，65％rh环境下4h抗拉强度为0.81mpa。

实施例9：

称取占原砂重量2.5％钠水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量30％的结晶型二氧化硅，40％的浓度为9％的pvb甲醇溶液，15％的ca(oh)2，采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1200w，加热时间180s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.63mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为0.73mpa。

实施例10：

称取占原砂重量2.0％钾水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量40％的结晶型二氧化硅和微硅粉混合物，40％的浓度为10％的pvb甲醇溶液，20％的ca(oh)2，采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1400w，加热时间100s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.62mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为0.75mpa。

实施例11：

称取占原砂重量3.0％钾水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂量30％的结晶型二氧化硅，25％的浓度为12％的pvb甲醇溶液，25％的ca(oh)2，采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1300w，加热时间160s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.68mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为0.74mpa。

实施例12：

称取占原砂重量2.0％钠水玻璃和1.0％的钾水玻璃为粘结剂，取占水玻璃粘结剂总量25％的结晶型二氧化硅，40％的浓度为10％的pvb乙醇溶液，25％的ca(oh)2，采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1300w，加热时间120s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.72mpa，在25℃，70％rh环境下4h抗拉强度为0.74mpa。

对比例1：

称取占原砂重量2.0％的钠水玻璃为粘结剂，采用电阻炉烘干制芯，烘干温度180℃，烘干时间3min，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.56mpa，在25℃，65％rh环境下4h抗拉强度为0.21mpa。

对比例2：

称取占原砂砂重量3.0％的钠水玻璃为粘结剂，采用温芯盒工艺制芯，设置芯盒温度为150℃，热空气温度设为180℃，热空气压力设为0.2mpa，吹气时间设为50s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.89mpa，25℃，70％rh恒温恒湿小4h抗拉强度为0.23mpa。

对比例3：

称取占原砂重量2.0％的钾水玻璃为粘结剂，采用温芯盒工艺制芯，设置芯盒温度为180℃，热空气温度设为200℃，热空气压力设为0.3mpa，吹气时间设为50s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为1.56mpa，在20℃，60％rh环境下4h抗拉强度为0.19mpa。

对比例4：

称取占原砂重量2.0％的钠水玻璃为粘结剂，采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1400w，加热时间120s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为0.75mpa，在20℃，65％rh环境下4h抗拉强度为0.15mpa。

对比例5：

称取占原砂重量2.0％的钠水玻璃和1.0％的钾水玻璃为粘结剂，采用微波硬化工艺制芯，微波加热功率1400w，加热时间180s，制备“8”字试样。测量“8”字试样砂芯的室温抗拉强度为0.86mpa，25℃，70％rh恒温恒湿小4h抗拉强度为0.19mpa。