水溶性粘結(jié)劑

1、鑄造用水溶性高分子粘結(jié)劑的研究與應(yīng)用濟(jì)南*源鑄造材料有限公司摘要：水溶性高分子粘結(jié)劑具有較好的溶解性、優(yōu)良的成膜性 及粘合性，通過用國際上先進(jìn)的物理、化學(xué)等方法對天然的水溶性高 分子材料進(jìn)行復(fù)合改性，滿足鑄造用型芯粘結(jié)劑的基本要求，且具有 干強(qiáng)度高、蠕變性小，環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的無公害鑄造粘 結(jié)劑。關(guān)鍵詞:水溶性高分子改性制芯、前言水溶性高分子粘結(jié)劑因其含有親水基團(tuán)，具有很好的粘合性、成 膜性、分散性等，在化學(xué)粘結(jié)劑、水處理、化學(xué)助劑等行業(yè)日益擴(kuò)大。 自80年代起，以a-淀粉為主的水溶性粘結(jié)材料，因其具有制備工藝 簡單，生產(chǎn)成本低廉，用于制芯具有干強(qiáng)度高、蠕變性小、潰散性好、 舊砂復(fù)用

2、性好等特點(diǎn)，特別是操作過程中清潔、節(jié)能和澆注過程中幾 無有害氣體產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)，即引起鑄造界的廣泛關(guān)注。但由于a-淀粉 用于制芯存在吸濕性強(qiáng)、高溫強(qiáng)度低、比強(qiáng)度低等缺陷，一定程度地 限制了其推廣應(yīng)用。濟(jì)南魯源鑄造材料有限公司在多年來潛心研究充 分滿足型芯性能要求的淀粉類粘結(jié)材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合新的水溶性高 分子材料加工工藝，通過將B-淀粉等多種水溶性高分子材料先進(jìn)行 物理、化學(xué)改性，再進(jìn)行預(yù)糊化處理，并添加多種助劑以改善芯砂性 能和型芯性能，成功地開發(fā)了新一代環(huán)保型制芯用粘結(jié)材料LYN型鑄 造用水溶性高分子粘結(jié)劑，并成功地應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)中。二x LYN型水溶性高分子粘結(jié)劑復(fù)合改性工藝及機(jī)理分析1、改

3、性機(jī)理分析：理想的型芯粘結(jié)合劑應(yīng)當(dāng)具備高的干拉強(qiáng)度、適宜的濕壓強(qiáng)度、 良好的流動性、低的吸濕性以及良好的潰散性。玉米淀粉支鏈淀粉高 達(dá)72%，表觀DP分布400-1500，在適當(dāng)?shù)臈l件下可與三聚磷酸納、 氯氧化磷等交聯(lián)劑發(fā)生下列反應(yīng)：淀粉一OH+HO淀粉交聯(lián)劑淀粉一OXO淀粉-控制磷含量0.070.09%,其反應(yīng)產(chǎn)物磷酸酯淀粉具有一定的疏 水特性，且在高溫下具有很好的耐熱性。將磷酸酯淀粉在一定條件下 進(jìn)行預(yù)糊化處理即a化，淀粉顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，通過控制其反 應(yīng)程度，成糊粘度、比強(qiáng)度大提高。再將預(yù)糊化處理后的磷酸酯淀粉 與拒水劑B、抗高溫沖刷劑C機(jī)械混合，在型芯制作過程中充分反應(yīng)， 拒水劑B

4、可形成一層拒水膜覆蓋在淀粉粘結(jié)網(wǎng)絡(luò)上，顯著提高其高溫 強(qiáng)度和拒水性。經(jīng)過以上處理的水溶性高分子粘結(jié)劑基本上具備了型 芯粘結(jié)劑應(yīng)具有的性能。2、試驗(yàn)用材料玉米淀粉（水分W13%）、三聚磷酸鈉、氯氧化磷（交聯(lián)劑）、拒 水劑B、抗高溫沖刷劑C3、試驗(yàn)設(shè)備10kg自制膨化罐 1臺75kg/h擠壓機(jī) 1臺500kg攪拌罐 1臺4、試驗(yàn)過程將812%的交聯(lián)劑溶液噴灑在玉米干淀粉上，充分混合均勻， 將其干燥至含水量5-10%，加入膨化罐后，在140200C加熱23 小時(shí)左右，將產(chǎn)物冷卻、干燥、粉碎，得到一定交聯(lián)程度的磷酸酯淀 粉。將磷酸酯淀粉加入擠壓機(jī)中，經(jīng)螺旋加熱而糊化、膨脹，干燥、 粉碎后，與110%的

5、拒水劑B、520%的抗高溫沖刷劑C充分混合后 即得到鑄造用水溶性高分子粘結(jié)劑。三、LYN型鑄造用水溶性粘結(jié)劑基本工藝性能研究1、加入量對芯砂干拉強(qiáng)度影響干拉強(qiáng)度混強(qiáng)度3一。2.0(irpa/%) (mpa)1.0a 加入后（）圖1加入量對芯砂干拉強(qiáng)度的影響1干拉強(qiáng)度2比強(qiáng)度試驗(yàn)條件：大林標(biāo)準(zhǔn)砂2000g LYN型粘結(jié)劑17%烘干溫度180+10C，保溫1h。圖1是LYN型鑄造用水溶性高分子粘結(jié)劑加入量從17%的干拉 強(qiáng)度、比強(qiáng)度變化圖。可以看出加入量在34%時(shí)，芯砂已具備較高 的干拉強(qiáng)度1.72.1MPa和最高的比強(qiáng)度0.600.64MPa/1%，此時(shí) 粘結(jié)劑膜剛好覆蓋在砂粒表面，形成完整的粘

6、結(jié)橋。隨著粘結(jié)劑加入 量的增加，粘結(jié)劑膜厚度增加，因而干強(qiáng)度不斷提高，但過多的粘結(jié) 劑膜被擠到砂粒間隙，烘干時(shí)不能完全固化，粘結(jié)劑得不到充分發(fā)揮， 干強(qiáng)度提高緩慢，比強(qiáng)度下降。2、烘干溫度對芯砂干拉強(qiáng)度影響烘干溫度是影響鑄造用水溶性高分子粘結(jié)劑發(fā)生硬化反應(yīng)、達(dá)到 拒水性能和抗高溫沖刷性能的主要因素。烘干溫度過低，粘結(jié)劑脫水、 反應(yīng)不充分，反應(yīng)速度較慢，達(dá)到的干強(qiáng)度較低，且抗吸濕性和高溫 沖刷性差，烘干溫度過高，脫水反應(yīng)過快，容易發(fā)生表面過燒現(xiàn)象， 且可能造成已生成的聚合物分解，強(qiáng)度大大下降，喪失抗吸濕性和部 分喪失抗高溫沖刷性。我們將標(biāo)準(zhǔn)試樣分別置于150C、170C、190C、 210C、2

7、30C、250C烘箱中與合脂油進(jìn)行對比試驗(yàn)，測得干拉強(qiáng)度 見表1。表1烘干溫度對干拉強(qiáng)度的影響溫度（C拉強(qiáng)度MPa1#1.411.621.911.881.611.212#0.670.831.451.861.921.841#LYN型水溶性粘結(jié)劑砂2#一合脂油砂可以看出，LYN型水溶性高分子粘結(jié)劑砂在150C已具備較高 的干強(qiáng)度，隨著烘干溫度提高，干拉強(qiáng)度明顯上升，190C達(dá)到峰 值1.91MPa，當(dāng)溫度超過230C，干拉強(qiáng)度開始下降，至250C已降 至峰值的60%左右，可見該粘結(jié)劑烘干溫度以170230C為宜。同時(shí)從表1也可以看出該粘結(jié)劑烘干溫度比合脂油低

8、3040C達(dá)到峰值，但峰值相差不大，可見LYN型水溶性粘結(jié)劑比合脂油更節(jié)能， 經(jīng)測算，可節(jié)能2040%。3、LYN型水溶性粘結(jié)劑的蠕變性我們用圖2所示方法對LYN型水溶性粘結(jié)劑砂與合脂油砂進(jìn)行了對比試驗(yàn)。圖2蠕變性試驗(yàn)試樣放置方法將按標(biāo)準(zhǔn)試樣配比配制的兩種芯砂分別打制兩組巾50X50園柱 形試樣，按圖2所示位置放置在芯板上，一組試樣室溫下放置8h， 測其平行于芯板直徑巾d，按n冷=5X100%，求得二者冷蠕變。另 一組放于烘箱中，溫度由50C升至210C，硬化后測水平直徑巾d， 按式n熱=5/ X100%，求得二者熱蠕變，試驗(yàn)結(jié)果見表二。表二蠕變性試驗(yàn)結(jié)果對比種類冷蠕變（%）熱蠕變（%）LYN

9、型水溶性粘結(jié)劑砂-0.0040合脂油砂已散已散可見LYN型水溶性粘結(jié)劑砂蠕變性遠(yuǎn)小于合脂油砂，特別是熱態(tài)蠕變?yōu)?，因此LYN型水溶性粘結(jié)劑比合脂油砂更能保證型芯尺寸精 度，更適合制造尺寸精度要求高的鑄件。4、LYN型水溶性粘結(jié)劑發(fā)氣量與發(fā)氣速度由圖3可以看出，LYN型水溶性粘結(jié)劑發(fā)氣量為1518ml，遠(yuǎn)低 于合脂油2027ml，該粘結(jié)劑砂3s開始發(fā)氣，15s達(dá)到最大值，合 脂油12s開始發(fā)氣，26s達(dá)到最大值?？梢娫撜辰Y(jié)劑產(chǎn)生氣孔傾向遠(yuǎn) 低于合脂油。圖3 LYN型水溶性粘結(jié)劑與合脂油的發(fā)氣量 1-LYN型水溶性粘結(jié)劑 2 合脂油5、LYN型水溶性粘結(jié)劑砂吸濕性由于淀粉粘結(jié)劑含有許多吸水性基團(tuán)，

10、雖經(jīng)改性但仍具有一定的 吸水性。為測定其吸水性，我們將按標(biāo)準(zhǔn)試樣配比配制的芯砂制成8 字形試塊放入室溫環(huán)境下底部盛水的密閉容器中，測其0小時(shí)、12 小時(shí)、24小時(shí)、48小時(shí)、72小時(shí)強(qiáng)度變化，見表三。表三LYN型水溶性粘結(jié)劑的吸濕強(qiáng)度變化時(shí)間(h)012244872抗拉強(qiáng)度 (MPa)1.821.661.321.080.94可見LYN型水溶性粘結(jié)劑雖經(jīng)改性并加入一定比例的拒水劑，仍 具有一定的吸濕性，但48小時(shí)后干強(qiáng)度仍能達(dá)到1.08MPa，完全可 以滿足型芯貯存的需要。6、LYN型水溶性粘結(jié)劑抗高溫沖刷性水溶性高分子粘結(jié)材料普遍存在高溫強(qiáng)度低的問題，抗高溫沖刷 性差。用磷酸鹽改性后的高分子材

11、料可顯著提高其高溫強(qiáng)度，加入抗 高溫沖刷劑C后，在高溫下可生成AIPONaZr2(PO3等耐熱物質(zhì)， 因此可顯著提高其抗高溫沖刷性。將 50X50標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣放在 1000C爐內(nèi)保持一段時(shí)間，其抗拉強(qiáng)度與保持時(shí)間關(guān)系如表四。表四LYN型水溶性粘結(jié)劑砂抗壓強(qiáng)度與1000C保持時(shí)間的關(guān)系1000C下抗壓強(qiáng)度(KPa)630495390368保持時(shí)間(min)0.5123可見，該粘結(jié)劑砂具有良好的抗高溫沖刷性。7、LYN型水溶性粘結(jié)劑對環(huán)境的改善在鑄造生產(chǎn)過程中，工業(yè)臭味主要是由于硫化氫、甲醛、苯等有 害物質(zhì)造成的，是大氣污染的重要污染物。據(jù)測定，在整個(gè)鑄造生產(chǎn) 過程中，配砂約占總臭味的510%，

12、制芯烘烤由合脂油砂、樹脂砂 所散發(fā)出的臭味占總量的1015%，澆注和落砂因合脂油砂產(chǎn)生的臭 味占總量的30%左右。與其它類型有機(jī)粘結(jié)劑相比，LYN型水溶性粘 結(jié)劑砂可以顯著改善混砂、制芯、澆注、清理等工序的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境， 混砂、烘烤及澆注時(shí)幾無臭味產(chǎn)生，無毒不腐蝕，可顯著改善操作工人的身心健康和生產(chǎn)環(huán)境。四、LYN型水溶性粘結(jié)劑在生產(chǎn)中的應(yīng)用1、LYN型水溶性粘結(jié)劑砂實(shí)際使用的工藝配比，見表五。表五LYN型水溶性粘結(jié)劑砂工藝配比配 比(%)性能原砂 (75/150)LYN型水溶 性粘結(jié)劑水分濕壓強(qiáng)度 (KPa)濕透氣 性干拉強(qiáng)度 (MPa)1004.0-6.05.5-7.013-25N100N

13、1.42、烘干工藝規(guī)范圖4 LYN型水溶性粘結(jié)劑砂烘干工藝規(guī)范LYN型水溶性粘結(jié)劑砂烘干工藝規(guī)范見圖4。該粘結(jié)劑砂芯升溫 速度不宜過快，以50100C/h，否則可造成表面急聚收縮開裂，甚 至過燒。由于烘干主要是脫水反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)縮短保溫 時(shí)間，利用爐溫進(jìn)一步脫水固化。3、LYN型水溶性粘結(jié)劑砂存放性由于LYN型水溶性粘結(jié)劑主要是靠水做媒體發(fā)揮粘結(jié)作用，而水 分在空氣中具有揮發(fā)性，因此要保持該粘結(jié)劑砂達(dá)到規(guī)定的性能要 求，需要加強(qiáng)覆蓋，盡量減少水分揮發(fā)。但該粘結(jié)劑砂復(fù)用性較好， 脫水的芯砂補(bǔ)加少量的粘結(jié)劑經(jīng)過再次混制，仍能達(dá)到原有的性能要 求。4、生產(chǎn)應(yīng)用情況用LYN型水溶性粘結(jié)劑砂

14、生產(chǎn)鑄件可顯著提高其尺寸精度，降低 氣孔產(chǎn)生的傾向，已廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、紡織機(jī)械、減速機(jī)、 潛水電泵等鑄件的生產(chǎn)。解放軍六四一 O廠生產(chǎn)的太脫拉汽車變速 箱，單重85kg，壁厚712mm，在680mm長度方向上允許鑄造偏差土 1mm，使用LYN型水溶性粘結(jié)劑砂制芯，解決了長期以來該件尺寸精度 差、清砂困難的問題。博山潛水電泵廠生產(chǎn)的出口美國的葉輪，葉片 厚度只有5mm，用砂芯來保證，多年來一直存在壁厚偏差問題，使用 該粘結(jié)劑砂芯后既解決了操作問題又保證了葉片厚度偏差，滿足美國 標(biāo)準(zhǔn)要求。天津紡織機(jī)械廠使用LYN型水溶性粘結(jié)劑砂芯生產(chǎn)紡機(jī)零 部件，與使用合脂油砂芯相比，鑄件尺寸精度顯著提高，氣孔缺陷大 幅度下降，且很好地解決了烘芯、澆住過程中的環(huán)保問題，達(dá)到了環(huán) 保部門要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，作為該粘結(jié)劑主要組分之一的a-淀 粉砂芯在落砂時(shí)混入舊砂中，顯著改善了型砂韌性和熱濕拉強(qiáng)度，鑄 型表面穩(wěn)定性顯著提高，鑄件夾砂、砂眼缺陷明顯降低，鑄件表面質(zhì) 量有了較大的提高。五、結(jié)論LYN型水溶性粘結(jié)劑具有較高的干拉強(qiáng)度，連續(xù)可調(diào)地濕壓強(qiáng) 度、低的發(fā)氣量、低的吸濕性、良好的抗高溫沖刷性，能很好的滿足 各種不同復(fù)雜程度的生產(chǎn)需要，且環(huán)保、節(jié)能，可顯