專(zhuān)利名稱(chēng)：一種冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝備制造業(yè)中鑄造技術(shù)的造型材料，特別提供了一種冷芯盒用改性水 玻璃粘結(jié)劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
裝備制造業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，而鑄造是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)。高效制芯技術(shù) 屬裝備制造業(yè)共性技術(shù)，該技術(shù)與鑄件生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、鑄件質(zhì)量、勞動(dòng)條件、環(huán)境保護(hù) 密切相關(guān)。高效制芯技術(shù)包括熱芯盒，殼芯、冷芯盒。熱芯盒、殼芯屬熱法制芯，耗能高、 勞動(dòng)條件差，應(yīng)用范圍逐步在縮小。1968年脲烷冷芯盒技術(shù)問(wèn)世，由于其具有高效、節(jié)能、 砂芯尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，逐步取代了熱硬油砂芯，部分取代了殼芯工藝和熱芯盒工藝，成為高 效制芯占比例最多的工藝。該冷芯盒粘結(jié)劑中含氮，易產(chǎn)生氮?dú)饪?，在有些鑄件的生產(chǎn)中受 到限制，吹硬氣體有毒、有刺激性氣味，勞動(dòng)條件差，污染環(huán)境。1977年呋喃樹(shù)脂吹二氧化 硫硬化法開(kāi)始應(yīng)用，1985年堿性酚醛樹(shù)脂吹甲酸甲酯冷芯盒法制芯建成第一條生產(chǎn)線。這 些冷芯盒工藝彌補(bǔ)了吹胺冷芯盒的不足，但是這幾種冷芯盒工藝均采用人工合成樹(shù)脂做粘 結(jié)劑。斯德哥爾摩公約公布的12種持久性有毒物質(zhì)，將呋喃和二惡英列入其中，這兩種有 毒物質(zhì)的產(chǎn)生與鑄造樹(shù)脂的采用密切相關(guān)，從環(huán)境友好考慮，有毒、有味材料的使用將逐步 受到限制。水玻璃是石英砂和純堿合成的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，是地球上資源最豐富的物質(zhì)之一，也 是目前對(duì)環(huán)境污染最小的鑄造粘結(jié)劑。1997年沈陽(yáng)匯亞通鑄造材料有限責(zé)任公司國(guó)內(nèi)首 創(chuàng)新型酯固化水玻璃自硬砂技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)建成幾十條造型生產(chǎn)線， 應(yīng)用廠遍及鐵道部、冶金部、重型機(jī)械、通用機(jī)械等。這些水玻璃造型生產(chǎn)線大部分采用酯 固化水玻璃自硬砂制芯，制芯工部生產(chǎn)效率低、制芯尺寸偏差大。為提高制芯效率，部分工 廠采用吹胺冷芯盒法或堿性樹(shù)脂吹甲酸甲酯冷芯盒法。這樣又出現(xiàn)了環(huán)保問(wèn)題，同時(shí)產(chǎn)生 樹(shù)脂砂芯砂和水玻璃舊砂相混問(wèn)題，影響了舊砂再生的質(zhì)量。采用水玻璃做粘結(jié)劑，吹甲酸 甲酯汽霧實(shí)現(xiàn)砂芯快速硬化，屬冷芯盒制芯技術(shù)，可采用射芯機(jī)實(shí)現(xiàn)高效制芯，也可用普通 芯盒手工吹芯。該冷芯盒是酯固化水玻璃自硬砂造型生產(chǎn)線最好的配套制芯技術(shù)。采用該 項(xiàng)技術(shù)可以提高鑄件質(zhì)量，有利于舊砂的再生回用，使鑄造生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、環(huán)境 友好。我國(guó)年產(chǎn)鑄件3350萬(wàn)噸(2008年統(tǒng)計(jì))，具有廣闊的市場(chǎng)需求。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利ZL 01133477. 0 ( 一種吹氣硬化冷芯盒制芯的方法)采用普通水玻璃砂混合料，吹氣后即時(shí)抗 拉強(qiáng)調(diào)為0. 3Mpa左右，可滿(mǎn)足中、小砂芯的生產(chǎn)，對(duì)于大型砂芯，起模后搬運(yùn)時(shí)易破損，為 提高水玻璃砂冷芯盒制芯質(zhì)量，擴(kuò)大應(yīng)用范圍·急待進(jìn)一步提高水玻璃砂冷芯盒制芯的強(qiáng) 度，以滿(mǎn)足各種砂芯的生產(chǎn)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑及其制備方法。該粘結(jié) 劑原料來(lái)源廣、無(wú)毒、無(wú)味，粘結(jié)劑力學(xué)性能好，可用于冷芯盒機(jī)械化制芯，也可用于手工制
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本發(fā)明具體提供了一種冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑，其特征在于該粘結(jié)劑的化 學(xué)成分質(zhì)量百分比為SiO2 20-30%Na2O 10-20%K2O 0. 5-19%改性劑1.0-20%水余量；其中改性劑為氫氧化鋁和/或氫氧化鋅，也可添加糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酰胺、聚 丙烯酸鈉、三聚磷酸鈉、纖維素、腐殖酸、腐殖酸鈉、山梨醇、木糖醇、硅酸鈉中的一種或多 種。其中改性劑的最佳選擇為氫氧化鋁和/或氫氧化鋅。本發(fā)明還提供了該種水玻璃粘結(jié)劑的最佳成分配比，其特征在于所述粘結(jié)劑的 化學(xué)成分質(zhì)量百分比為SiO2 22%Na2O 10. 7%K2O 4. 7%改性劑1.0%水 余量；其中改性劑為氫氧化鋁和/或氫氧化鋅。本發(fā)明還提供了所述冷芯盒用改性水玻璃黏結(jié)的制備方法其特征在于所述粘 結(jié)劑是以硅酸鈉和/或硅酸鉀、氫氧化鈉和/或氫氧化鉀、改性劑及水為原料制備而成；其中改性劑中的氫氧化鋁和氫氧化鋅為難溶于水的物質(zhì)，可以將其溶入氫氧化鈉 水溶液(優(yōu)選濃度為40%的氫氧化鈉水溶液)中生成鋁酸鈉或鋅酸鈉，從而制成改性劑中 間水溶液，其反應(yīng)為:A1 (OH) 3+NaOH = Na [Al (OH) J，Zn (OH) 2+2Na0H = Na2 [Zn (OH) 4]。本發(fā)明提供了所述粘結(jié)劑的兩種制備方法，具體如下干法制備按質(zhì)量配比計(jì)算并稱(chēng)量固體硅酸鈉(可選擇工業(yè)固體硅酸鈉)、固體硅 酸鉀(可選擇工業(yè)固體硅酸鉀)、氫氧化鈉、氫氧化鉀、改性劑、改性劑中間水溶液及水的加 入量，將全部原料加入高壓轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，加熱(可用蒸汽加熱)到158-169°C，在此溫度下保溫 4 8h，使原料全部溶解，打入貯罐，沉淀24 72h，即得澄清的冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié) 劑；濕法制備按質(zhì)量配比計(jì)算并稱(chēng)量硅酸鈉的水溶液(可以為工業(yè)液體硅酸鈉)、硅 酸鉀的水溶液(可以為工業(yè)液體硅酸鉀)、氫氧化鈉、氫氧化鉀、改性劑、改性劑中間水溶液 及水的加入量，將全部原料加入高壓反應(yīng)釜內(nèi)，加熱到(可用蒸汽或電加熱)70-1000C，在 此溫度下保溫1 2h，使原料全部溶解，打入貯罐，沉淀24h 72h，即得澄清的冷芯盒用改 性水玻璃粘結(jié)劑。本發(fā)明所述冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑在吹氣硬化制芯方法中的用途，其特征在 于制芯砂混合料質(zhì)量百分比為原砂95.5-99%水玻璃1.0-4.5%吹硬氣體為甲酸甲酯和/或甲酸乙酯，載體氣體為空氣、二氧化碳或氮?dú)?，吹硬氣體與載體氣體的體積比為25-99 1-75。所述原砂為標(biāo)準(zhǔn)砂、水洗硅砂、擦洗硅砂、精選 硅砂、整形硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、鎂橄欖石砂、寶珠砂中的一種或多種。本發(fā)明所述粘結(jié)劑原料來(lái)源廣，其中硅酸鈉、硅酸鉀可來(lái)自干法生產(chǎn)固體硅酸鈉、 固體硅酸鉀或濕法生產(chǎn)的液體硅酸鈉、液體硅酸鉀(即硅酸鈉、硅酸鉀的水溶液)。用標(biāo)準(zhǔn)砂加3%本發(fā)明改性水玻璃粘結(jié)劑，打標(biāo)準(zhǔn)” 8”試樣，吹甲酸甲酯氣體8s， 起模后即時(shí)抗拉強(qiáng)度彡0. 5Mpa, 24h后抗拉強(qiáng)度彡1. OMpa0本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1本發(fā)明提供的改性水玻璃粘結(jié)劑的原料來(lái)源廣、無(wú)毒、無(wú)味，有利于改善勞動(dòng)環(huán) 境，該粘結(jié)劑是人工合成樹(shù)脂的優(yōu)選替代品。2、制芯時(shí)水玻璃粘結(jié)劑的加入量少，潰散性好，可防止鑄件產(chǎn)生熱裂缺欠。3、該水玻璃粘結(jié)劑在冷芯盒制芯吹氣時(shí)硬化快，起模強(qiáng)度高，可制小、中、大各種 砂芯。4、冷芯盒制芯中所用吹硬氣體與三乙胺、二氧化硫比相對(duì)無(wú)毒、無(wú)刺激性氣味。5、舊砂可再生回用，回用率80-90%。減少固體廢棄物的排放，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)
^Mi ο
具體實(shí)施例方式加料配比計(jì)算方法1、用硅酸鈉、硅酸鉀中所含SiO2量之和，計(jì)算改性水玻璃中SiO2質(zhì)量百分比量。2、用硅酸鈉、氫氧化鈉、鋅酸鈉、鋁酸鈉中所含Na2O總量計(jì)算改性水玻璃中的Na2O
質(zhì)量百分比量。3、用硅酸鉀、氫氧化鉀中所含K2O總量計(jì)算改性水玻璃中的K2O質(zhì)量百分比量。4、用加入糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸胺、三聚磷酸鈉、纖維素、腐殖酸、 腐殖酸鈉、山梨醇、木糖醇、氫氧化鋁、氫氧化鋅的總量計(jì)算改性水玻璃中的改性劑質(zhì)量百 分比量。5、用100減去1、2、3、4中的質(zhì)量百分比量，即為加入水的質(zhì)量百分比量。下面的實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不因此而限制本發(fā)明。本實(shí)施 例采用的工業(yè)硅酸鈉符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4209-2008,工業(yè)固體硅酸鉀符合青島泡花堿廠標(biāo) 準(zhǔn) QPY-401。實(shí)施例1將4g工業(yè)氫氧化鋁以及4g工業(yè)氫氧化鋅溶入IOg濃度為40 %的氫氧化鈉水溶 液中制成改性劑中間水溶液，工業(yè)固體硅酸鈉，固-1型330g，然后將工業(yè)氫氧化鉀13g，工 業(yè)氫氧化鈉54g，改性劑中間水溶液18g，自來(lái)水350g，加入2L的高壓反應(yīng)釜，加蓋密封，開(kāi) 動(dòng)攪拌，緩慢升溫至158°C，保溫6h，自然冷卻至室溫，沉淀48h，開(kāi)蓋得本發(fā)明水玻璃，記為 Al，并列入表1。實(shí)施例2將2g工業(yè)氫氧化鋁和4g工業(yè)氫氧化鋅溶入7g濃度為40%的氫氧化鈉水溶液中 制成改性劑中間水溶液，然后將工業(yè)固體硅酸鈉，固_2型300g，工業(yè)氫氧化鉀55g，工業(yè)氫 氧化鈉27g，山梨醇4g，木糖醇10g，改性劑中間水溶液13g，自來(lái)水398g，加入2L的高壓反
6應(yīng)釜，加蓋密封，開(kāi)動(dòng)攪拌，緩慢升溫至160°C，保溫8h，自然冷卻至室溫，沉淀72h，開(kāi)蓋得 本發(fā)明水玻璃，記為A2，并列入表1。實(shí)施例3將IOg工業(yè)氫氧化鋁和20g工業(yè)氫氧化鋅溶入33g濃度為40 %的氫氧化鈉水溶 液中制成改性劑中間水溶液，然后將工業(yè)固體硅酸鈉，固_3型300g工業(yè)固體硅酸鉀34g， 工業(yè)氫氧化鉀42g，工業(yè)氫氧化鈉15g，山梨醇20g，木糖醇20g甘油20g，改性劑中間水溶液 63g,自來(lái)水475g，加入2L的高壓反應(yīng)釜，加蓋密封，開(kāi)動(dòng)攪拌，緩慢升溫至165°C，保溫5h， 自然冷卻至室溫，沉淀48h，開(kāi)蓋得本發(fā)明水玻璃，記為A3，并列入表1。實(shí)施例4將Ig工業(yè)氫氧化鋁和IOg工業(yè)氫氧化鋅溶入12g濃度為40%的氫氧化鈉水溶液 中制成改性劑中間水溶液，然后將工業(yè)固體硅酸鈉，固_2型330g，工業(yè)氫氧化鉀13g，工業(yè) 氫氧化鈉81g，山梨醇10g，木糖醇9g，改性劑中間水溶液23g，自來(lái)水446g，加入2L的高壓 反應(yīng)釜，加蓋密封，開(kāi)動(dòng)攪拌，緩慢升溫至165°C，保溫4h，自然冷卻至室溫，沉淀48h，開(kāi)蓋 得本發(fā)明水玻璃，記為A4，并列入表1。實(shí)施例5 將6g工業(yè)氫氧化鋁和24g工業(yè)氫氧化鋅溶入32g濃度為40 %的氫氧化鈉水溶液 中制成改性劑中間水溶液，然后將工業(yè)固體硅酸鈉，固_2型300g，工業(yè)氫氧化鉀27g，工業(yè) 氫氧化鈉27g，山梨醇10g，改性劑中間水溶液62g，自來(lái)水428g，加入2L的高壓反應(yīng)釜，加 蓋密封，開(kāi)動(dòng)攪拌，緩慢升溫至169°C，保溫5h，自然冷卻至室溫，沉淀24h，開(kāi)蓋得本發(fā)明水 玻璃，記為A5，并列入表1。實(shí)施例6將20g工業(yè)氫氧化鋁和工業(yè)氫氧化鋅30g溶入56g濃度為40 %的氫氧化鈉水溶 液中制成改性劑中間水溶液，然后將工業(yè)液體硅酸鈉，液-4型734g，工業(yè)氫氧化鉀7g，山梨 醇50g，木糖醇50g，改性劑中間水溶液106g，自來(lái)水7g，加入2L的高壓反應(yīng)釜，加蓋密封， 開(kāi)動(dòng)攪拌，緩慢升溫至90°C，保溫1. 5h，自然冷卻至室溫，沉淀48h，開(kāi)蓋得本發(fā)明水玻璃， 記為A6，并列入表1。對(duì)比例1水玻璃為符合JB/T 8835-2009鑄造用水玻璃ZS-2. 40，其成分列入表1。表1實(shí)施例以比較例中水玻璃成分表
權(quán)利要求
一種冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑，其特征在于該粘結(jié)劑的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為SiO220 30％Na2O10 20％K2O 0.5 19％改性劑 1.0 20％水 余量；其中改性劑為氫氧化鋁和/或氫氧化鋅。
2.按照權(quán)利要求1所述冷芯盒用改性水玻璃黏結(jié)劑，其特征在于所述改性劑選自氫 氧化鋁、氫氧化鋅中的一種或多種，以及糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、三聚磷酸 鈉、纖維素、腐殖酸、腐殖酸鈉、山梨醇、木糖醇、硅酸鈉中的一種或多種。
3.按照權(quán)利要求1所述冷芯盒用改性水玻璃黏結(jié)劑，其特征在于所述粘結(jié)劑的化學(xué) 成分質(zhì)量百分比為SiO2 22% Na2O 10. 7% K2O 4. 7% 改性劑 1.0% 水 余量；其中改性劑為氫氧化鋁和/或氫氧化鋅。
4.一種權(quán)利要求1或2所述冷芯盒用改性水玻璃黏結(jié)劑的制備方法其特征在于所 述粘結(jié)劑是以硅酸鈉和/或硅酸鉀、氫氧化鈉和/或氫氧化鉀、改性劑及水為原料制備而 成；其中改性劑中的氫氧化鋁和氫氧化鋅為難溶于水的物質(zhì)，需將其溶入氫氧化鈉水溶液 中制成改性劑中間水溶液； 所述粘結(jié)劑的制備方法為干法制備按質(zhì)量配比計(jì)算并稱(chēng)量固體硅酸鈉、固體硅酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、改性 劑、改性劑中間水溶液及水的加入量，將全部原料加入高壓轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，加熱到158-169°C，在此 溫度下保溫4 8h，使原料全部溶解，打入貯罐，沉淀24 72h，即得澄清的冷芯盒用改性 水玻璃粘結(jié)劑；濕法制備按質(zhì)量配比計(jì)算并稱(chēng)量硅酸鈉的水溶液、硅酸鉀的水溶液、氫氧化鈉、氫 氧化鉀、改性劑、改性劑中間水溶液及水的加入量，將全部原料加入高壓反應(yīng)釜內(nèi)，加熱到 70-10(TC，在此溫度下保溫1 2h，使原料全部溶解，打入貯罐，沉淀24h 72h，即得澄清 的冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑。
5.一種權(quán)利要求1所述冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑在吹氣硬化制芯方法中的用途，其 特征在于制芯砂混合料質(zhì)量百分比為原砂 95.5-99% 水玻璃1. 0-4. 5% ；吹硬氣體為甲酸甲酯和/或甲酸乙酯，載體氣體為空氣、二氧化碳或氮?dú)猓涤矚怏w與 載體氣體的體積比為25-99 1-75。
6.按照權(quán)利要求5所述冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑在吹氣硬化制芯方法中的用途，其 特征在于，所述原砂為標(biāo)準(zhǔn)砂、水洗硅砂、擦洗硅砂、精選硅砂、整形硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、 鎂橄欖石砂、寶珠砂中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種冷芯盒用改性水玻璃粘結(jié)劑及其制備方法。該粘結(jié)劑原料來(lái)源廣、無(wú)毒、無(wú)味，粘結(jié)劑力學(xué)性能好，可用于冷芯盒機(jī)械化制芯，也可用于手工制芯。該粘結(jié)劑的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為SiO2 20-30％、Na2O10-20％、K2O0.5-19％、改性劑1.0-20％、水余量；其中改性劑為氫氧化鋁和/或氫氧化鋅，也可添加糊精、糖、糖蜜、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、三聚磷酸鈉、纖維素、腐殖酸、腐殖酸鈉、山梨醇、木糖醇、硅酸鈉中的一種或多種。
文檔編號(hào)B22C1/18GK101947637SQ20101025598
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者余明偉 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)匯亞通鑄造材料有限責(zé)任公司