等离子体二氧化硅表面改性工艺研究化学工程与工艺毕业论文

XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 1本科生毕业设计题 目 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究学 院 化工学院专 业 化学工程与工艺学生姓名 XXXX学 号 年级 指导教师 教务处制表二 一六年六月XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 2等离子体二氧化硅表面改性工艺研究化学工程与工艺 专业学生： 指导老师： 摘要：二氧化硅具有独特的化学性质和物理性质，使其广泛应用于人造石、高白玻璃、光学仪器、水处理、高级涂料、电子填充、精密铸造、陶瓷制品、橡胶和塑料填充等五十多个行业。此次主要研究其在精密铸造行业中的应用，二氧化硅某些固有特性是铸件产生粘砂、砂眼、脉纹、气孔、变形及裂纹等缺陷的根源。硅砂经过高温焙烧处理，可以改变硅砂固有特性即消除上述铸造缺陷，而后用于砂型铸造各个领域。在本文的研究中，利用等离子体技术，建立了一套全新的实验装置和工艺流程，从而对石英砂表面进行改性。全文包括四个部分：第一章综述了国内外石英砂表面改性的研究状况和发展状况，详细论述了目前石英砂表面处理的其他方法和石英砂的改性机理，并提出了利用等离子体工艺处理石英砂。第二章介绍了用等离子体技术处理二氧化硅表面的方法、流程和实验原理，并对实验设备进行了详细描述。我们的方法是直流等离子体熔融法，它是利用等离子体产生的高温和高热焓对石英砂表面进行处理，使石英砂达到铸造砂的要求。第三章主要通过扫描电镜和 XRD 得到处理前后砂的晶型和 XRD 图，还有处理后砂的一些特性和实验现象，对这些实验结果进行了对比分析，并对产生这些结果的原因进行了讨论。第四章我们的结论是石英砂的耐火性、球形率都有了很大的提高，而且晶型从 型变成了具有 鳞石英特性的 石英砂，砂的膨胀系数和发气量都有了明显的降低，而且原砂表面的有机物、铁、铝等杂质都有了明显的下降。关键词：等离子体工艺；二氧化硅；铸造砂；表面改性XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 3The surface modification technology Research of Silica by the plasmaMajor: Chemical engineering and technologyGraduate: Zhang Xin Supervisor: Prof.Yin YongxiangAbstract: Silica has a unique chemical properties and physical properties, it is widely used in artificial stone, high white glass, optical instruments, water treatment, and advanced coatings, electronic filling, precision casting, ceramics, rubber and plastic filling and other fifty Industries. The main industry in the application of precision casting, some of the inherent characteristics of silicon dioxide is produced adhering sand casting, sand holes, veins, pores, cracks, deformation, and root causes of defects. After high temperature calcination of silica sand, silica sand can be changed to eliminate the inherent characteristics of the casting defects, and then used for sand casting fields.In this study, the use of plasma technology, a set of new experimental equipment and processes, the use of high temperature plasma generated by the transformation of quartz sand.Full-text consists of four parts:The first chapter summarizes the surface modification of quartz sand at home and abroad the research status and development, discussed in detail the current surface treatment of quartz sand and quartz sand other methods modification mechanism, and proposed use of quartz sand plasma Process.The second chapter describes the silica surface by plasma treatment method of technology, processes and experimental principle, the experimental device is described in detail. Our approach is to DC plasma melting, which is produced high temperature and high heat enthalpy of surface treatment of quartz sand by the plasma, quartz sand to achieve requirements of foundry sand.The third chapter the experimental results are analyzed and discussed.The third chapter, we can get the crystal sand before and after treatment and XRD chart by scanning electron microscopy and XRD, there are some characteristics of the treated sand and the experimental results, the results of these experiments were compared, and the reasons for these results have been discussed .XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 4Chapter IV, Our conclusion is that the fire resistance and ball rate of quartz sandhas greatly improved, and from the -type crystal has become quartz sand that has a feature of the tridymite quartz sand, the expansion coefficient and gas evolution of the sand are significantly lower, and the original sand surface organic matter, iron, aluminum and other impurities have a significant decrease.Keywords: Plasma technology; silica; foundry sand; surface modificationXXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 5目录前言 .5第一章 综述 .61.1 石英砂 .61.2 国内外研究现状 .121.3 改变砂固有特性的分析 .141.4 等离子体简介 .151.5 等离子体表面改性技术 .171.6 等离子体发生器简介 .181.7 高温焙烧砂的应用及发展趋势 .191.8 小结 .21第二章 实验流程及原理分析 .222.1 实验设备 .222.2 实验流程 .222.3 实验原理 .23第三章 实验数据及分析 .243.1 实验数据 .243.2 数据分析 .28第四章 结论 .29参考文献 .30声明 .32致谢 .33XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 6前言石英砂是铸造生产中常用的造型材料。在浇注铁水过程中石英砂由于受铁水的高温烘烤要发生膨胀和相变，而且在高温条件下硅砂中的结晶水易分解气化。所以石英砂在相变时膨胀量突然增大铸件容易产生粘砂、夹砂、砂眼、脉纹、气孔、变形等缺陷 。因此在铸造工艺中，人们都想尽办法来减少以上缺陷，以降低铸件的次品率。在以前，人们通常是通过擦洗除去石英砂表面的杂质，通过机械磨擦使石英砂表面光滑成球形，但是这样不能除去石英砂表面的薄膜，不能降低石英砂的膨胀系数和发气量，而且球形化和除杂的效果不佳。后来，人们通过加热来降低石英砂的发气量和膨胀系数，增加球形化和除杂的效率。通常的方法是采用燃烧氢气等有机物来提供热量。但是这样提供的温度不能满足实验的需要，耗费资源，并且对环境造成严重的危害。为了避免以上情况，我们实验室采用了等离子体工艺。等离子体对化学与工艺而言是非常重要的，一方面电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离，另一方面由于重粒子温度低，反应体系又得以保持相对较低的温度，甚至接近室温，这两方面的特点，使得非平衡等离子体在薄膜生长、化学合成、等离子体刻蚀、等离子体聚合和等离子体表面处理及改性、生物医药、消毒灭菌、环境保护等领域都具有广泛的应用前景。在此次研究中，我们采用的是直流等离子体熔融法。它的主要流程是：在等离子发生器中通入氩气和氮气，利用两种气体在 100200V 的高压下被电流击穿产生的高温等离子体将石英砂熔融，是它的晶型发生改变，这样可以降低石英砂的线膨胀系数和发气量，通入循环水降低处理后的石英砂的温度，并在反应器内通入空气使得石英砂表面的杂质含量大大降低，最后在接收器内用冷却水将石英砂急速冷却。实验结果表面，用等离子体技术处理的石英砂耐火性、球形化都有了很大的提高，石英砂中的结晶水分解气化，使石英砂的膨胀性大幅度降低，从而降低了在铸造工艺中铸件的次品率。实验还消除了石英砂表面的薄膜，可以大大提高石英砂的黏合性。从而说明了等离子体技术对于二氧化硅表面改性效果显著，能够很好的应用于铸造等行业。XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 7第一章 文献综述1.1 石英砂1.1.1 石英砂简介石 英 砂 是 指 含 二 氧 化 硅 较 多 的 河 砂 、 海 砂 、 风 化 砂 等 。 除 主 要 成 分 二 氧 化 硅 外 ，还 含 有 氧 化 铁 、 粘 土 、 云 母 和 有 机 杂 质 。石英砂的主要成分为二氧化硅，化 学 式 SiO2，式量 60.08，是一种坚硬难溶的固体。它常以石 英 、鳞石英、方石英三种变体出现。白色或无色，含铁量较高的是淡黄色。密度 2.2 2.66 ，熔点 1670（鳞石英） ；1710（方石英） 。沸点 2230，相对介电常数为 3.9，不溶于水微溶于酸，呈颗粒状态时能和熔融碱类起作用。从地面往下 16 千米几乎 65为二氧化硅的矿 石 。天然的二氧化硅分为晶态和无定形两大类，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原 子 晶 体 ，整个晶体又可以看作是一个巨大分子，SiO 2 是最简式，并不表示单个分子。用于制玻璃、水玻璃、陶器、搪瓷、耐火材料、硅铁、型砂、单质硅等。石英砂有多种晶系与结构，可在一定温度下相变并伴随体积变化。常温下是三方晶系的仪一石英，密度 265 g/cm3，在 573可转变为六方晶系的 -鳞石英，密度 226 g/cm3，因此石英是随温度变化而伴有同质异晶转变。晶系的转变使石英的体积变化，常温下的 - 石英温升到 870转变为 -鳞石英，其体积增长了 1726，在黑色金属铸造中，接触金属熔液的硅砂很容易升到 870产生相变膨胀。天然石英砂是由火成岩长期风化而成。大块的石英在破碎成砂粒时,使砂粒表面形成不饱和键,即形成过剩氧的带负电荷表面和氧不足的带正电表面,能够吸附大气中的水和周围环境中的钠、钾、钙、铁、铝、镁等离子。加上石英砂表面不平坦,并具有多孔隙性,更加剧了吸附效果。吸附的水可以和石英砂的表面发生反应形成各种羟基团,而吸附的各种阳离子主要以氧化物或氢氧化物形式存在。通过透射电镜观察可知,石英砂表面吸附的颗粒大部分为纳米尺度,所以这些吸附的颗粒很难采用机械法去除。表面吸附的大量杂质颗粒不但减少了石英砂的裸露面积,还可能与存在的各种羟基团一起降低砂粒表面活性。当往石英砂中添加各种粘结剂时,砂粒表面吸附的杂质不但减少砂粒与粘结剂的接触面积,也降低了粘结剂与砂粒的结合强度。如果杂质与粘结剂发生反应,将会更进一步降低型砂的强度。XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 8工业上将石英砂常分为：普通石英砂，精制石英砂，高纯石英砂，熔融石英砂及硅微粉等。由于石英砂有较高的耐火性，能而广泛应用于制玻璃、陶器、耐火材料、型砂、单质硅等。1.1.2 石英砂的应用领域石英砂所具有的独特的物理、化学特性，使得其在航空、航天、电子、机械以及当今飞速发展的 IT 产业中占有举足轻重的地位，特别是其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，在许多高科技产品中发挥着越来越重要的作用，具体应用有以下几种：1）玻璃：平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等） 、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料；2）陶瓷及耐火材料：瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料；3）冶金：硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂熔剂；4）建筑：混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等；5）化工 ：硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，无定形二氧化硅微粉；6）机械： 铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等） ，清砂、除锈、去除氧化皮处理；7）电子： 高纯度金属硅、通讯用光纤等 。1.1.3 铸造砂1.1.3.1 铸造砂简介铸造砂是铸造生产中用来配制型砂和芯砂的一种颗粒状耐火材料。在用粘土作为型砂粘结剂的情况下，每生产 1 吨合格铸件，大约需要补充 1 吨新砂，因此在砂型铸造生产中铸造砂的用量最大。石英砂要成为铸造砂有一定的要求，铸 造砂应满足以下的要求：较高的纯度和洁净度，以硅砂为例，铸铁用砂要求 SiO2 含量在 90以上，较大的铸钢件则要求 SiO2 含量在 97以上；高的耐火度和热稳定性；适宜的颗粒形状和颗粒组成；不易被液态XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 9金属润湿；价廉易得。铸 造 砂 的 颗 粒 形 状 和 颗 粒 组 成 对 型 砂 的 流 动 性 、 紧 实 性 、 透 气 性 、 强 度 和 抗 液态 金 属 的 渗 透 性 等 性 能 有 影 响 ， 是 铸 造 砂 质 量 的 重 要 指 标 。（ 1） 颗 粒 形 状铸造砂的形状一般分三种：圆形砂:颗粒为球形或接近于球形，表面 光 洁 ，没有突出的棱 角 ；多角形砂:颗粒成多角形，且多为 钝 角 ；尖角形砂：颗粒成尖角形，且锐角 较多。铸造砂的颗粒形状一般以角形系数（砂粒实际比表面积球形砂粒理论比表面积之比）来表示。（ 2） 颗 粒 组 成砂子的颗粒组成是用筛 号 来表示的，测定的方法是将经水洗去泥分烘干后的干砂倒入标 准 筛 ，再放到筛 砂 机 上筛 分 ，筛分后将各筛子上停留的砂子分别称重，通常用标准筛筛分后砂粒最集中的 3 个相邻筛子的头尾筛号表示颗粒组成。1.1.3.2 种类及用途铸造砂按矿 物 组成不同分为石英砂和特种砂两大类，石英砂俗称硅砂。（1） 硅砂主要矿物组成为石英，主要化学成分为 SiO2。天然硅砂：因其化学成分，粒度组成不同，分别用于有色合金铸件、铸 铁 件 及中小型铸 钢 件的型砂和芯砂；精选天然硅砂：用于以有 机 物 作为粘结剂的各种铸钢件型砂和芯砂；人工硅砂：用于精铸、打炉衬或铸钢件的型砂和芯砂。（2） 非硅质砂非硅质砂种类较多，用途各异。石灰石砂：由石 灰 岩 破碎而成，主要矿物组成是CaCO3，用于铸钢件的型砂和芯砂；锆 砂 ：主要矿物组成是 ZrO2SiO2，用于大型铸钢件及合 金 钢 件的芯砂或砂型的面砂，或将其粉料用作涂 料 ；镁 砂 ：主要矿物组成是MgO，用于高 锰 钢 铸件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料；铬 铁 矿 砂 ：主要矿物组成是铬 铁 矿 FeOCr2O3，用于大型或特殊铸钢件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料；刚玉 砂 ：主要矿物组成是刚 玉 -Al2O3，用于熔 模 、陶 瓷 型铸造的制壳材料；橄 榄 石 砂 ：主要矿物组成是橄 榄 石 (MgFe)2SiO4，用于铸铁件、有色合金铸件以及高锰钢铸件的型砂和芯砂。XXX 大学本科毕业论文 等离子体二氧化硅表面改性工艺研究 101.1.4 硅砂固有特性与铸件缺陷的关系硅砂在高温条件下