改性水玻璃粘结剂的分析与应用

37. 3
44. 0
55. 0
17. 2
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14. 1
8. 5
5
孙 敏等 :改性水玻璃粘结剂的分析与应用
图 3 不同模数 、流速 、磁感应强度磁化 改性的水玻璃砂强度提高率
水玻璃粘结剂磁化后应该尽快使用 ,放置一段时 间后会有强度衰退现象[8] 。水玻璃砂强度与存放时 间的关系 ,如图 4 所示。磁化处理后的水玻璃处于高 能量激活状态 ,为不稳定状态 ,必然向低能态转变。 磁化过程是外界提供能量将高分子链状硅酸分子打 散的均匀化过程 。衰退过程正好与此相反 。试验结 果表明 ,水玻璃磁化改性效果在 24h 后基本消失。
因此 ,水玻璃的化学改性既能提高型砂的常温 强度 ,又能降低残留强度 ,使型砂具有好的综合性 能 。水玻璃的化学改性 ,花费不多但效果显著 ,还可 减少水玻璃的加入量 ,具有极大的经济效益 。
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张建林 :变频调速系统在风机中的应用
在一个变频器之内的功率单元 ,具有完全相同 的结构 ,可以互换 。每一个功率单元由移相变压器 的一组副边供电 ,通过三相全桥整流器将交流输入 变为直流 ,并将能量储存在电容器组中 。电容器组 可根据单元电压选择并联或串联 。电子控制部件接 收主控系统发送的 PWM 信号并通过控制 IGBT 的工 作状态 ,输出 PWM 电压波形 。监控电路实时监控 IGBT 和直流母线的状态 ,并将 IGBT 的状态反馈回 主控系统 。在某一个功率单元电路 ,若出现重故障 时 ,主控系统将接通该功率单元的旁通回路 ,使该功 率单元进入旁通状态 ,而整个变频器可以继续工作 。 当故障消失之后 ,变频器将退出旁通并自动恢复到 原工作状态 。
摘 要 :介绍水玻璃粘结剂容易“老化”的原因和老化现象对水玻璃砂性能的危害 ,提出水玻璃粘结 剂改性的方法与应用效果 。 关键词 :水玻璃粘结剂 ;老化 ;改性 ;强度
Analysis and Application of Modified Sodium Silicate Binder
Sun Min Guo Ling (Material Engineering Department ,Baotou Vocational & Technical College ,Baotou Inner Mongolia 014030)
表 2 为丙烯酸改性的改性水玻璃砂和普通水玻 璃粘结剂砂的强度对比 。对 CO2 水玻璃粘结剂进行 了化学改性 ,可看出改性水玻璃砂的强度提高是非 常明显的 ,且溃散性得到了很大的改善 。
表 2 改性水玻璃砂和普通水玻璃砂的强度对比
加入量质 水玻璃种类
量分数/ %
σ0
σ2
σ800
3. 5
0. 58
Ξ 收稿日期 :2008 - 06 - 12 作者简介 :孙敏 (1954 - ) ,男 ,辽宁省海城人 ,副教授 ,主要从事材料成型方面的教学和研究工作 。
4
孙 敏等 :改性水玻璃粘结剂的分析与应用
1. 2. 1 粘结强度降低 水玻璃老化使水玻璃砂混合料可使用时间缩短
20 %～30 % ,粘结强度下降 30 %～40 %[2] ,迫使型砂 配比中水玻璃加入量增加 ,导致型砂的溃散性和旧 砂回用性恶化 。所以铸造生产中要尽可能使用新鲜 水玻璃 ,对已经老化的水玻璃应通过改性后再使用 。 1. 2. 2 限制了高模数水玻璃的应用
高温下水玻璃中 Na20 和砂粒表面的 Si02 会生 成硅酸钠 ,牢牢地把砂粒和砂粒固结在一起 ,所以溃 散性差 。提高模数 ,Na20 含量降低 ,就可改善溃散
性 。但高模数水玻璃的老化比较严重 ,强度会更低 。 因此 ,高模数水玻璃的应用受到“老化”的制约 。 2 水玻璃粘结剂改性的方法与应用 2. 1 水玻璃的物理改性
改性剂加入水玻璃中 ,使硬化后的水玻璃胶粒 细化或直接起增强作用 ,并有利于改善溃散性 。因 此改性剂在水玻璃粘结剂中能起以下作用 。
6
2. 2. 1 屏蔽作用 (阻缓老化) 即在水玻璃固化时 ,限制硅酸凝胶胶粒的长大 。
可通过在凝胶胶粒表面形成高分子保护层来达到 。 高分子改性剂靠氢键或静电引力吸附在胶粒的表 面 ,改变其表面位能和溶剂化能力 ,使水玻璃固化时 获得细小的凝胶胶粒 ,从而提高水玻璃的粘结强度 。 当然 ,这种起屏蔽作用的高分子 ,最好其本身也能被 CO2 气体硬化或引起胶凝 。但改性剂无法直接用醋 酸或有机酯 ,因为加入它们会使水玻璃胶凝 。 2. 2. 2 粘结桥作用
表 1 水玻璃试样老化和改性后的组成变化[2]
测定项目
模数/ m
1. 8
2. 5
3. 0
3. 5
正硅酸质量分数/ %
1. 8
Baidu Nhomakorabea2. 5
3. 0
3. 5
高聚硅酸质量分数/ %
31. 2
22. 0
13. 0
8. 4
14. 2
26. 0
39. 2
51. 0
21. 7
17. 3
14. 5
12. 5
17. 3
在缩聚过程中 ,多余的 Na + 离子被排斥出来 ,进 攻另一聚硅酸的分子链 ,促使后者解聚 。因此缩聚 与解聚同时进行着 ,聚硅酸盐的相对分子质量发生 了歧化 ,老化过程进行到最终成为聚硅酸胶粒和正 硅酸钠的平衡体系 ,这就是水玻璃的老化现象 。
硅酸聚合时 ,是先聚合成二硅酸 、三硅酸和四硅 酸等低聚物 ,再环化成环四硅酸等环状低聚物 ,然后 缩聚成立方八硅酸 ,并借立方八硅酸分子的缩聚反 应而生成胶粒 。 1. 2 老化现象对水玻璃砂性能的危害
即在水玻璃分子结构中 ,引入改性剂以增加分 子结构中的极性官能团密度和极性官能团活性 。当 改性水玻璃分子结构中含有高密度和高活性的极性 官能团时 ,吹 CO2 之后 ,能形成更多的粘结桥 ,获得 高的粘结强度 。 2. 2. 3 改善出砂性作用
为使改性水玻璃在高温时有适当的高温强度和 冷却后有低的残留强度 ,要求改性剂能在高温时与 水玻璃中的氧化钠等形成较高熔点 (或形成冷却时 收缩值大 、易产生裂纹) 的化合物 。同时 ,要求具有 这种作用的改性剂 (或改性助剂) ,在常温时也能促 进水玻璃胶凝 ,有利于提高或至少不会削弱常温粘 结强度 。
刚制成的模数大于 2 的水玻璃在 15min 后 ,发现粘 度不断下降 ,表面张力持续增高 ,凝胶化速度加快 ,并 且粘结强度也不断下降 。经实验发现水玻璃粘结剂内 部已不断有胶粒生成 。水玻璃中硅酸自发进行聚合反 应并缓慢释放能量 ,粘结强度下降 30 %～35 %。[1]
文献[ 1 ]认为 ,水玻璃是许多聚硅酸氢钠的混合 溶液 ,它们处于动态平衡中 ,如图 1 所示 。
磁场处理最适用于中模数水玻璃 (m = 2. 35～ 2. 6) 。处理方法可用永磁磁场 ,也可用电磁场在输 送管道上进行处理 ,必要时经过多次循环 。由图 3 可以 看出 A1 、B2 、CI 为磁场处理最佳工艺参数 ,即对 A1 (模数 m = 2. 7) 的水玻璃应选中速 B2 (140cm/ s) 、 低磁 感 应 强 度 C1 ( 0. 3T) 为 最 佳 。对 A2 ( 模 数 m = 2. 5) 的水玻璃应选中速 B2 (140cm/ s) 、高磁感应 强度C3 (0. 75T) 为最佳 。而对 A3 (模数 m = 2. 3) 的 水 玻 璃 应 选 低 速 B3 ( 70cm/ s ) 、高 磁 感 应 强 度 C3 (0. 75T) 为最佳 。磁化改性对高模数水玻璃效果 显著 ,对低模数水玻璃欠佳 。
图 4 水玻璃砂强度与存放时间的关系
1 - 磁化后的水玻璃砂 2 - 未磁化的水玻璃砂
2. 2 水玻璃的化学改性[9] 水玻璃的化学改性是往水玻璃中添加一种或数
种其他物质 ,藉以阻缓水玻璃的老化 ,减少因老化而 损失的粘结强度 。改性剂与助粘结剂的主要区别在 于 :作为改性剂的添加剂是微量的 。如聚丙烯酰胺 , 只要添加 0. 2 % (质量分数) ,则助粘结剂的添加量 可以是水玻璃质量分数的几倍或十几倍 。它们的区 别在于添加物的分子结构是否与硅酸分子链相匹 配 。适宜用作水玻璃化学改性剂的化合物 ,必须满 足以下四项要求 :具有与硅羟基形成氢键的能力 ;具 有一定的表面活性 ;在可溶范围内 ,活性随聚合度而 增高 ;分子折叠后可将每平方纳米内 8～10 个硅基 覆盖住 。
14. 5
26. 3
39. 3
51. 2
2. 1. 1 超声处理 超声改性对于模数 m < 3 的水玻璃砂效果较显
著 ,将上述老化 3 个月的水玻璃 ,进行超声改性 ,改 性处理时间分别为 5min 、10min 和 15min ,则干压强 度 分 别 提 高 到 平 均 值 3. 89MPa 、3. 97MPa 和 4. 03MPa ; 强 度 恢 复 率 分 别 为 31. 8 %、37. 2 % 和 37. 5 %。[3]超声处理时间为 60min 为最佳 ,抗压强度 提高最为明显 。见图 2 。
Abstract :This paper introduces the cause of the easy aging of sodium silicate binder and the harm of its aging to the sand nature ,and puts forward the methods and effects of sodium silicate binder modifying. Key words :sodium silicate binder ;aging ;modified ;intensity
水玻璃砂溃散性差和回用困难是铸造界的“老 大难”问题 ,其根源就是水玻璃粘结剂的粘结强度 低 、加入量大 ,而“老化”又使水玻璃粘结强度进一步 下降 ,使生产问题更加严重 。因此 ,分析老化的机 理 ,阻缓或消除水玻璃的老化 ,充分发挥水玻璃的粘 结效率 ,是人们长期以来追求的目标 。 1 水玻璃粘结剂的老化 1. 1 水玻璃粘结剂老化的原因
图 2 水玻璃砂性能与超声处理时间的关系 (原砂 100 % + 水玻璃 8 % + 水 5 %)
超声改性使得水玻璃砂初始强度及干强度提高 有两方面原因 :
一是超声处理可使水玻璃缩聚的聚硅酸胶粒解 聚 ,消除了水玻璃的老化现象 ;二是超声处理可以活 化水玻璃砂粒的接触表面 ,降低水玻璃粘结剂的表 面张力 ,因而使型砂混合均匀性增加 。 2. 1. 2 磁场处理[4～7 ]
3. 55
0. 13
改性水玻璃
6. 0
0. 38
6. 05
0. 43
3. 5
0. 41
1. 37
3. 25
普通水玻璃
6. 0
0. 20
2. 63
—
注 :1. C02 吹气时间为 20s ,流量 2. 5m/ h ;测试环境温度 16 ℃, 相对湿度 81 %。 2.σ0 —即时强度 σ, 24 —24h 存放强度 ,σ800 一 800 ℃残留强 度。
水玻璃的老化过程是水玻璃内部能量缓慢释放 的过程 。那么消除水玻璃的老化就必须向老化的水 玻璃体系中输入能量 。表 1 的资料显示几种不同的 物理改性方法消除老化的情况 。对于模数为 3. 5 的 水玻璃 ,物理改性的作用不大 。
状态
老化 物理改性
存放 1 天 存放 60 天 存放 120 天
热压釜 磁场处理 超声振荡
2008 年 9 月 第 9 卷第 3 期
包头职业技术学院学报 JOURNAL OF BAOTOU VOCATIONAL & TECHNICAL COLLEGE
September. 2008 Vol. 9. No. 3
改性水玻璃粘结剂的分析与应用Ξ
孙 敏 郭 凌
(包头职业技术学院 材料工程系 ,内蒙古 包头 014030)
图 1 水玻璃中多硅酸动态平衡图
水玻璃老化的机理是聚硅酸的聚合度发生歧 化 ,缩聚反应和解聚反应同时并举 。环四硅酸和立 方八硅酸的含量减少 。而多聚硅酸和单正硅酸的含 量相应地增高 。聚硅酸分子链外仅包围着很薄的溶 剂化水膜 ,并不能完全阻止链间碰撞而发生缩聚反 应 ,在碱性催化下 ,发生缩聚反应 :