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硅溶胶涂料的悬浮性研究 |
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作者：杭州熔模精密铸造研究所 包彦 谭继良 |
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摘 要 研究了添加剂对硅溶胶涂料悬浮稳定性的影响，试验结果表明：2号添加剂的作用较为明显。
关键词：熔模铸造 硅溶胶涂料 悬浮稳定性
硅溶胶是应用于熔模铸造的优质粘结剂，它是一种外观呈淡青色或乳白色的胶体溶液；硅溶胶的性能稳定，存放期长；硅溶胶型壳的表面质量好，高温强度高，热震稳定性(抗急冷急热性)好；高温抗变形能力强。近10多年来,随着我国工业的迅速发展，我国的精铸件已逐步进入国际市场，故硅溶胶粘结剂在熔模铸造工业中的应用，亦日益增多。
但硅溶胶涂料的悬浮稳定性不良，涂料很易沉淀，故在生产中，涂料需进行连续搅拌才能维持涂料良好的均匀性与分散性；若一旦因停电或机械故障而停机，涂料就会迅速沉淀而板结，因而给重新正常使用带来困难；本试验选用数种不同的悬浮添加剂与常用的几种耐火粉料进行硅溶胶涂料悬浮性试验研究。
1 硅溶胶涂料的悬浮稳定性
采用不同的耐火粉料配制的硅溶胶涂料，其悬浮稳定性均较差，涂料很易沉淀，尤以硅溶胶石英粉涂料较为严重，其粉料颗粒沉淀速度很快，且沉淀在涂料桶底部的粉层较密实，呈板结状，无法重新搅拌；刚玉料、锆英粉次之，莫来石、铝矾土沉淀略轻；经系列试验研究表明，造成硅溶胶涂料中粉料沉淀的影响因素较多，这些影响因素主要有：
(1) 硅溶胶胶粒带负电荷，胶粒表面的电动电位(或称ζ电位)与扩散双电层的厚度有着密切的关系(见图1)。
图1 硅溶胶的双电层结构示意图
当向硅溶胶溶液中加入一些电解质时，在硅溶胶的胶体结构中的扩散双电层厚度d就会改变，从而改变了ζ电位(电动电位)的大小，因而就会影响硅溶胶的性能。ζ电位可用电泳等动电法测定，故又称为电动电位。
硅溶胶的制备大多采用离子交换法或单质硅溶解法生产，硅溶胶的胶体结构与水玻璃(硅酸钠)相比，硅溶胶比硅酸钠双电层结构中的反离子(带正电荷)要少得多，因此会使扩散双电层厚度增高，当配制硅溶胶涂料时，除因带入了电解质而降低了硅溶胶的电动电位外，所用的耐火粉料水溶液所呈的电性，也影响涂料的稳定性。例如应用电泳仪对石英粉、刚玉粉等水溶液进行测定，结果表明均带负电荷；因而可认为配制涂料时，由于粉料与粘结剂硅溶胶所带电荷属同电性，均带负电荷，同性相斥的结果，影响了涂料的悬浮稳定性。
(2) 已测定的硅溶胶涂料的流变曲线表明，涂料的屈服值较低(见图2)，故硅溶胶涂料内部形成的网状结构较弱，致使涂料的悬浮性不良，易出现沉淀；且硅溶胶溶液本身的粘度低、密度小，所配涂料的涂层薄，涂片质量小，因此也影响涂料的悬浮稳定性。
图2 硅溶胶涂料流变曲线
2 添加剂对改善硅溶胶涂料悬浮稳定性的影响
本试验采用浙江上虞新达硅溶胶厂(现改名为上虞新达化工厂)牌号为SS-30的硅溶胶进行试验，其性能如表1所示。表1 硅溶胶性能(上虞新达硅溶胶厂生产)
| 牌 号 | 化 学 成 分 | 物 理 性 能 | 其 他 | | wSiO2/% | wNa2O/% | 密度/g.cm-3 | pH值 | 运动粘度./mm2.s-1 | SiO2粒子直径/nm | 外 观 | 稳定期 | | SS-30 | 29～31 | ≤0.5 | 1.20～1.22 | 9～10 | ≤8 | 9～20 | 乳白色或淡青
色无外来杂物 | ≥1年 |
采用澳大利亚产320目锆英粉制备面层涂料，其性能见表2。表2 硅溶胶涂料性能
| 性能 | 屈服值/10-1Pa | 涂片质量/g | 流杯粘度/s | 温 度/℃ | | 数值 | 21 | 0.8 | 22 | 25 |
硅溶胶涂料的悬浮稳定性试验，采用加入数种不同添加剂的方法进行对比试验，测定结果如下：
将所配涂料分成4份，按定量加入不同添加剂，搅拌均匀后先测定涂料的有关性能，然后分别装入4只带有刻度的100 mL量筒中，在静置一定时间后，测定粉料下沉的数值(mL)，以涂料中粉料下沉mL数值的大小，表示涂料的悬浮性(下沉mL值大，表示悬浮性差)，试验结果见表3和表4。表3 添加剂对硅溶胶锆英粉涂料性能的影响
| | 屈服值 | 涂片质量 | 流杯粘度 | 密 度 | 温度 | | 10-1Pa | g | s | g.cm-3 | ℃ | | 锆英粉涂料 | 21 | 0.80 | 22 | 2.80 | 25 | | 锆英粉涂料+1#添加剂 | 25.3 | 0.91 | 24.5 | 2.80 | 25 | | 锆英粉涂料+2#添加剂 | 37 | 1.10 | 27 | 2.80 | 25 | | 锆英粉涂料+3#添加剂 | 23 | 0.84 | 23.2 | 2.80 | 25 | | 锆英粉涂料+4#添加剂 | 24 | 0.88 | 24 | 2.80 | 25 |
表4 加入添加剂的涂料悬浮稳定性
| | 涂料静置12 h
粉料下沉/mL | 涂料静置24 h
粉料下沉/mL | 涂料静置48 h
粉料下沉/mL | 温度/℃ | | 锆英粉涂料 | 8.5 | 11 | 11 | 25 |
| 锆英粉涂料+1#添加剂 | 7 | 9.5 | 9.5 | 25 | | 锆英粉涂料+2#添加剂 | 6 | 8 | 8 | 25 | | 锆英粉涂料+3#添加剂 | 8 | 10.3 | 10.3 | 25 | | 锆英粉涂料+4#添加剂 | 7.4 | 9.7 | 9.7 | 25 |
从上述测定结果可见(见表3)，硅溶胶锆英粉涂料在加入不同添加剂后，对涂料性能的影响表明：加入添加剂后，涂料的屈服值及涂片质量均有一定提高，其中以加入2#添加剂的影响较为明显，涂料屈服值有较大提高。
表4所示为添加剂对硅硅溶胶涂料悬浮稳定性的影响，测定结果表明，加入添加剂后，涂料中的粉料虽仍有沉淀，但粉料的下沉程度已有所减轻，其中以加入2#添加剂的涂料，在静置12 h后，100 mL硅溶胶涂料中锆英粉的下沉约6 mL，静置24 h后，粉料下沉一直维持在8 mL左右；用小竹片检查涂料层，发现此时涂料虽仍产生沉淀，但沉淀层呈松软状，用小竹片仍可搅起已沉淀的粉料，说明加入添加剂对锆英粉涂料的沉淀性已有所改善。以此种涂料进行制壳及浇注试验表明：加入添加剂对制壳工艺、型壳高温强度及铸件表面质量并无不利影响。
3 小 结
(1) 硅溶胶锆英粉涂料的屈服值较低，因而涂料内部所形成的网状结构较弱，致使涂料的悬浮稳定性不良，易沉淀；且硅溶胶溶液本身粘度低、密度小，所配涂料的涂层薄、涂片重小，也影响涂料的悬浮稳定性。
(2) 硅溶胶胶粒带负电荷，在配制涂料时，当与耐火粉料在溶液中所呈电性相同时，由于同性相斥的结果，影响涂料的悬浮稳定性。
(3) 加入添加剂有利于改善硅溶胶涂料的悬浮稳定性，试验结果表明，2#添加剂的作用较为明显。(end)
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(3/12/2005) |
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