（材料学专业论文）消失模铸钢用浸涂水基涂料的研制.pdf

辽宁稃技大学硬士论文攮要 摘要 涂料的性能对消失模铸件质量有很重要的影响。本文依托大量试验为基 础，研究高铝矾土、2 0 0 目石英粉、c m c 、白乳胶、钠基膨润土、o p - i o 、正 丁醇的加入量对消失模铸钢用水基浸涂涂料性能的影响和各自作用机理。运 用单因素试验并采用l 9 ( 3 4 ) 正交试验，优化确定了涂料c m c 、白乳胶、钠 基膨润土、o p 一1 0 、正丁醇、高铝矾土、2 0 0 目石英粉合适的加入量和涂料 的性能指标，并对涂料的透气机理进行简单探讨。 通过浇铸实验证明，使用新研制涂料浇铸的铸件表面质量、内部致密 度得到提高，能够生产出符合用户要求的铸件。通过扫描电镜对涂料观察分 析认为，消失模涂料在高温下，由于c m c 、白乳胶的烧失，钠基膨润土脱水 收缩，致使消失模涂料透气性随温度升高而显著提高。 试验结果表明，消失模涂料配方是：高铝矾土加入量为9 2 8 8 ，2 0 0 目 石英粉加入量为8 - 1 2 y o ，钠基膨润土加入量5 9 ，c m c 加入量0 2 - 0 5 ，白 乳胶加入量3 5 ，o p 1 0 加入量为1 5 ( 占加水量) ，正丁醇加入量为 0 2 - 0 6 克1 0 0 克水) ，此时涂料具有优良的综合性能和高温透气性。 关键词：铸造；消失模；涂料；透气性；浇注性 辽宁科技大学硕士论文a b s w a c t a b s t r a c t 1 1 l ee f f e c to fe p cc o a t i n go nc a s t i n gp r o p e r t yo fe p cw a s i m p o r t a n t t h i s t e x td e p e n d e do nt h em a s s i v ee x p e r i m e n t sw a saf o u n d a t i o n t h ei n f l u e n c eo f t h ea d d i t i o no f a l u m i n a ，2 0 0 m e s h q u a r t z p o w d e r , c m c ，w h i t e e m u l s i o n ，n a b a s e db e n t o n i t e ，o p - l o ，t h en o r m a lb u t y la l c o h o lo f t h e d e v e l o p m e n to ft h ed i p p i n gw a t e rb a s e dc o a t i n gf o rt h es t e e lc a s t i n g so f e p ca n dr e s p e c t i v ef u n c t i o nm e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e d b yt h es i n g l ef a c t o r e x p e r i m e n t sa n du s i n gl 9 ( 3 ) o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h eo p t i m i z a t i o nh a s d e t e r m i n e dt h e s u i t a b l e l y a d d i t i o no fc m c ，w h i t ee m u l s i o n ，n a b a s e d b e n t o n i t e ，o p - 10 ，t h en o r m a lb u t y la l c o h o l ，a l u m i n a ，2 0 0m e s hq u a r t zp o w d e r a n dp r o p e rq u a n t i t i e so ft h ec o a t i n g as i m p l ed i s c u s s i o nh a sc a r r i e do n p e r m e a b i l i t yo ft h ec o a t i n g t h e p u r i n g t e s t p r o v e s t h a tt h es u r f a c e q u a l i t y a n di n t e r n a l c o m p a c t n e s s e so ft h ec a s t i n g su s i n gt h ei n v e s t i g a t e dc o a t i n gh a v eb e e n i m p r o v e d ，a n dt h ec a s t i n gc a nm e e tt h ed e m a n do ft h ep r o d u c t i o n b ym e a n s o ft h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h ep e r m e a b i l i t yo f t h ee p cc o a t i n gi n c r e a s eo b v i o u s l yu n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r ew i t ht h e i n c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r eo w i n gt ot h ev a p o r a t i o no fc m ca n dw h i t e e m u l s i o n ，a n dt h ec o n t r a c t i o no ft h en a b a s e db e n t o n i t e t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee p cc o a t i n gp r o p o r t i o n sa r ea l u m i n a 9 2 8 8p e r c e n t ，2 0 0m e s hq u a r t zp o w d e r8 - 1 2p e r c e n t ，n a b a s e db e n t o n i t e5 - 9 p e r c e n t ，c m c o 2 - 0 5p e r c e n t ，w h i t ee m u l s i o n3 - 5 p e r c e n t ，o p 1 01 5p e r 1 0 0 0 ( p l u sw a t e r ) ，t h en o r m a lb u t y la l c o h o l0 2 0 6 9p e r1 0 0 9 ( p l u sw a t e r ) ，t h i s t i m et h ec o a t i n gh a st h ef i n eo v e r a l lp e r f o r m a n c ea n dt h eh i g ht e m p e r a t u r e p e r m e a b i l i t y k e yw o r d s ：f o u n d r y ，；e p c ，；c o a t i n g ；p e r m e a b i l i t y ；c a s t i n g n 辽宁科技大掌工茬硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得辽宁科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名； ! 目客日期：定丘杰z 矿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：2 塑鱼导师签名：迸型! 兰日期：丝：! ：! 乡 辽宁科技大学硕士论文 综合论述 第一章综合论述 研究课题的目的与意义 消失模铸造( e x p e n d a b l ep a t e r nc a s t i n g ，简称e p c ) 是将与铸件尺寸形 状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，涂挂涂料并烘干后，埋在无粘 结剂干砂中造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位 置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。 近2 0 年来，随着泡沫模样材料、化工和机械工业的发展，e p c 技术 日趋完善，在工业生产中获得了广泛的应用，汽车行业中的发展尤为迅速 ( 如g m ，f o r d ，f i a t ，b m w ，中国一汽等) ，在与其他精确成型技术的竞 争中，其技术优势日益明显。消失模铸造技术是铸造工艺的一个重要发展 方向，以尺寸精度高、表面光洁、污染少等优点，较之传统的砂型铸造工 艺具有强大的竞争力。被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”和 “铸造工业的绿色革命”。消失模涂料是该法能否获得成功的关键技术之 一。因此研究消失模涂料具有重要的实际意义。 1 2 消失模铸造工艺的优点 ( 1 ) 铸件精度高：消失模铸造是一种近无余量、精确戍型的新工艺，该工 艺无需取模、无分型面、无砂芯，因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度， 并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。铸件表面粗糙度可达r a 3 2 至 1 2 51 m ；铸件尺寸精度可达c t 7 至9 级；加工余量最多为1 5 至2 r a m ， 可大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少4 0 至 5 0 的机械加工量。 ( 2 ) 设计灵活：为铸件结构设计提供了充分的自由度，可以通过泡沫塑 料模片组合铸造出高度复杂的铸件。 ( 3 ) 无传统铸造中的砂芯；不会出现传统砂型铸造中因砂芯尺寸不准 或下芯位置不准确造成铸件壁厚不均。 ( 4 ) 清洁生产：型砂中无化学粘结剂，低温下泡沫塑料对环境无害，旧 砂回收率9 5 以上。 ( 5 ) 降低投资_ j f 生产成本；减轻铸件毛坯的重量，机械加工余量小。 辽宁科技大学硕士论文综合论述 1 3 国内、外消失模铸造的发展简史 1 9 5 6 年美国人斯劳耶( h f s h r o y e r ) 开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于 铸造的试验，并获得成功，引起了人们极大的兴趣。e p c 法于1 9 5 8 年以专 利“。的形式公布于众。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件， 以后经过许多实践和探索，1 9 6 2 年西德亚琛工业大学教授维特莫塞 ( a w i t o s e r ) 从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上 得到应用。 八十年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸 造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂 料不合适以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造 成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。 1 9 8 1 年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯 乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研 制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上 得到应用。1 9 8 2 年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模 铸造生产线。至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被广泛应用 在汽车工业的中小配件生产上“。 1 9 7 9 年，由我国著名消失模铸造专家、中国科学院长春光学精密机 械研究所研究员黄述哲教授领导的课题组，在中国最早开始了消失模铸造 的原理性试验。同年，黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模 铸造基本特性的研究”论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点 和规律性。1 9 8 2 年，在大量实验室试验的基础上，黄述哲教授主持在光机 所工厂建成了一条消失模铸造实验生产线。黄述哲教授主持完成的“消失 模铸造技术开发及工业化应用”于1 9 9 7 年、1 9 9 8 年分获中科院科技进步 二等奖和国家科技进步三等奖，这是我国铸造工业界科技成果中获得的最 高奖项。1 9 9 8 年被国家科技部列为“九五国家科技成果重点推广项目”。 黄述哲教授主持完成了数十个技术先进、功能完备、配置合理、生产高效 的消失模铸造流水生产线工程。 1 9 8 0 年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。 1 9 9 0 年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交 大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。 2 辽宁科技大学硕士论文 综合论述 自消失模法问世至今，在造型上先后采用了干砂实型法、磁力造型法 引、e p c v 法9 1 引、p 0 1 i c a s t 、s i m p l i c a s t 1 、r e - p l i c a s tn 2 等几 个阶段。由于我国铸造用优质砂产地不多，铁路运输紧张，制芯用树脂价 格昂贵，废砂的堆放场地日益紧张，而对铸件的要求则越来越高，所以研 究、发展e p c 大量生产铸件的技术已受到国内铸造工作者的重视 引。 1 4 现存问题 涂料是消失模铸造的关键技术。国外消失模涂料已经商品化出售，但 价格很高；国内也有很多相关报道，且也有涂料销售，但价格较高，适用 性差。我厂自2 0 0 3 年开始将消失模应用于铸造生产，主要应用在低合金 钢和高合金钢中小铸件的生产中。现在使用的消失模涂料存在储藏时间 短、透气性差和铸件表面质量不理想、内部不致密等缺点，因此急需研制 一种新涂料替代现有的涂料，提高铸件的质量。 。 1 5 消失模涂料的成分组成 消失模涂料一般由耐火骨料、悬浮剂、粘结剂、载体、助剂n 3 等配 制而成，但由于要求不同，选料也有所不同。 1 5 1 耐火骨料 耐火骨料是涂料的基本组成之一。耐火骨料是决定涂料高温性能、防 止金属渗透、冲刷以及抵御金属一铸型间相互作用最主要的骨架材料，由 耐高温矿物粉料组成。耐火骨料要根据铸件的金属种类、可能出现的缺陷 来选择。骨料的性质( 如耐火度、烧结点、熟膨胀特性等) 对涂料性能的 影响是极为重要的，它必须有适当的粒度，不易与砂子或金属起作用，不 被金属润湿。选择骨料时，应考虑的主要因素包括；粒度、粒形、耐火度、 热膨胀性、密度、高温下化学稳定性、导热性、材料的来源与成本、对人 体健康的影响等。 消失模涂料可由几种耐火骨料或不同粒度、粒形的耐火骨料搭配而成 “，如在石英粉中加入适量的铝矾土，可以提高涂料的固含量，降低涂 层的热膨胀应力，并可以提高涂料的强度和透气性；在铝矾土中加入适量 3 辽宁科技大学硕士论文综合论述 的石英粉可以有效地减少涂层的干燥收缩和开裂倾向。消失模涂料耐火骨 料的选择要进行优化配组“，它不仅能够满足消失模法对涂料耐火骨料 的要求，而且也可改善涂料的透气性。国内目前大部分消失模涂料仍旧采 用单一的耐火骨料“。，影响消失模铸件的质量。 消失模涂料骨料采用石英粉、硅酸铝、莫来石、锆英粉、石墨粉、高 r1 铝矾土、刚玉粉等耐火材料l k j f 涂料采用最多的是高铝矾土，石英粉和 锆英粉“，它们的物理性能指标如表1 1 所示。 表1 一l 耐火骨料物理性能指标 1 5 2 载体 水和有机溶剂( 甲醇、乙醇、乙丙醇等) 皆可作为涂料的载体，以水 为载体的涂料称为水基涂料，以醇类为载体的涂料称为醇基涂料。水基涂 科的优点是悬浮性好、安全可靠、价格较低；缺点是需要烘于。而醇基涂 料在消失模上不象在砂型上那样可点火烧干，仍需烘干或凉干，涂层的干 强度难以提高；不易实现浸涂或淋涂；浇注时发气量大，成本高；从安全 和管理角度看，醇基涂料不如水基涂料方便。消失模涂料要求载体对消失 模( 聚苯乙烯泡沫) 无侵蚀作用或侵蚀极小“。国内外消失模涂料采用 的载体通常是水。1 9 - z z j 9 因它价廉易得、无闪点、无毒、无害、无污染、 无侵蚀。 1 5 3 粘结剂 粘结剂的作用是使涂料中的耐火骨料颗粒彼此粘结。粘结剂除了赋予 涂料强度和涂挂性能、提高悬浮性外，还应克服e p s 模样的憎水、空气中 易氧化、与模样发生化学反应等【1 引。在水基涂料中，最早采用糊精、纸 浆废液和部分不饱和的碳酸酯用作常温粘结剂。但是糊精和纸浆废液易于 被细菌分解，因此必须防发酵剂。目前的常温粘结剂以水溶性的酚醛树脂、 4 辽宁科技大学硕士论文综合论述 聚醋酸乙烯乳液、改性淀粉、c m c 等材料为主。常温粘结剂只有在较高的 温度下，才能发挥出它们的最高粘结强度。膨润土、粘土、磷酸盐、水玻 璃等常用作水基涂料的高温粘结剂。粘结剂的耐热性能以及它的碳化物逸 出量对涂料性能有着严重影响。由于消失模涂料要求不仅具有常温性能， r c 1 而且也要具有一定的高温性能才能满足e p s 法工艺要求”。因而在消 失模涂料粘结剂的选择中，采用高温和常温粘结剂混合使用的方法， 1 5 4 悬浮剂 为防止涂料中的固体耐火骨料沉淀而加入的物质叫悬浮荆。它通常还 能防止载体脱离耐火骨料而单独渗入型砂这一不良现象的发生。良好的悬 浮剂不仅能有效地保证涂料个组分的均一性，充分发挥涂料的作用，而且 还有利于施涂，提高涂层和铸件的表面质量。一般来说，除非涂料中的固 相和液相都有相同的密度，否则固体颗粒在液体介质中不可能永久悬浮， 悬浮剂可减缓固体颗粒与载体的分离速度，保持使用时涂料的性能均匀 致。 悬浮剂对调节涂料的流变性和改善涂料的工艺性能，也有着重要的作 用。悬浮剂的选择主要应根据载体及耐火骨料的种类来选择。 水基涂料常用的悬浮裁有：膨润土、凹凸捧土、羧甲基纤维素钠( 酬c ) 、 聚丙烯酰胺、海藻酸钠等。 1 5 5 助剂 由于e p s 模样与水润湿不良，影响涂料的涂挂性和覆盖性，故在涂料 中加入少量阴离子或非离子型表面活性剂”。表面活性剂的作用是改 善涂料的浸润性和渗透性。常用的表面活性剂有o p 一1 0 ( 聚乙烯烷基醇醚， 俗称乳百灵) 、t 一8 0 ( 吐温8 0 ) 、j f c 等，都属于非离子型表面活性剂。活 性剂加入量应以达到临界胶束浓度( c m c ) 为最佳，此时表面张力最低， r 1 1 但在加入高级醇时，c m c 将下降l t o j 。表面活性剂的加入会导致涂料搅 拌时出现不易排除的气泡，影响铸件的表面质量。故应向涂料中加入消泡 剂，它不仅能消泡而且也能改善涂料的润湿性l 。v j 。常用的消泡剂有正丁 醇、正辛醇、s f a 、s p a 一2 0 等。因此，须在涂料中加入了一种或几种有效 的助剂，以便改善涂料的性能，获得消失模铸造所需的涂料。 辽宁科技大学硕士论文 综合论述 1 6 消失模涂料的功能 ( 1 ) 必须允许消失模气化产生的气体和液体残留物通过涂料外逸或渗 入到涂层内部，而金属液的流入受阻。 ( 2 ) 涂料要具有良好的烧结剥离性，抗粘砂性和抗高温金属液浸蚀性。 ( 3 ) 保证铸件浇注时铸型的稳定性，防止液态金属与模样置换时散砂 侵入。 ( 4 ) 提高模样的刚度、强度，保持模样的稳定性，以获得高精度的铸 件。 ( 5 ) 无毒、无污染、无刺激味，抗吸湿性和贮存性。 ( 6 ) 防止造型时因砂子的流动摩擦损坏模样表面，以保证获得与模样 原始表面一样的铸件。 ( 7 ) 具有足够的耐火度、化学稳定性和热稳定性、附着强度高、发气 量低、优良的悬浮性、良好的涂刷性、涂挂性、流变性外和高透气性 l 。7 涂料的主要性能 消失模涂料要有良好的透气性，适合的流变性，涂层强度和润湿性。 1 7 1 透气性 e p c 是含碳9 2 ，含氢8 的芳香族碳氢化合物，一种可塑性树脂“。 在常温下是稳定的，加热时，发生解聚现象，在8 0 左右软化，1 1 0 体 积收缩，重量不变，1 6 4 熔融为液体，2 0 0 - 3 0 0 开始分解，3 0 0 以上 重量剧减，5 0 0 缓慢燃烧。随着温度继续升高至5 0 0 以上时，气体产物 在9 5 以上，气体剧增。消失模铸造涂料的高温透气性在很大程度上影响 着金属液的充型和铸件的品质。浇注过程中泡沫塑料产生的热解产物要通 过涂层排出，涂层透气性过低，气隙内压力高，则会阻碍金属液的充型， 造成冷隔、气孔、缺肉、集碳等缺陷。因此要求涂料具有良好的透气性， 减少铸件的缺陷”“。消失模涂料透气性最具实际意义的是高温透气性 而非常温透气性“，而且高温下的气体主要是烟气“。改变消失模涂 料的透气性有以下几种途径： 辽宁辩技大学硬士论文综台论连 1 ) 耐火骨料的颗粒形状及结晶特性决定着涂料的多孔性和透气性 ”。使用较粗大的耐火骨料增大粉料之问的空隙，则可以提高透气性， 但铸件表面粗糙度增大。 2 ) 膨润土加入量的增加使常温透气性下降，而经8 0 0 c 保温以后涂 料的透气性提高。 3 ) 1 0 一z o 石英粉同8 0 一9 0 铝矾土搭配或8 0 一9 0 石英粉加入】0 2 0 铝矾土可获得较好的强度和透气性l 3 1 - 3 3 j i 7 2 润湿性 水基消失模涂料与消失模泡沫基底的润湿性很差，影响涂料的涂挂性 能，因而，在水基涂料中加入适量的表面活性剂以改善其润湿性1 引但 同时要加入适量的消泡剂，以消除因润湿剂加入而引起的气泡。 1 7 3 流变性 消失模涂料是涂在模样表面，施涂方法多以浸涂为主，有时也用流涂 法，并非刷涂为主 1 5 3 引。作为e p c 法铸造的浸润涂料其流变性应是较 低静切力的假塑性漉体。 对于浸涂涂料理想的流型是一种假塑性流体：即在切力的作用下，假 塑性流体的粘度迅速降低，切力一经消除，就又恢复原来的粘度。流涂的 流变性与浸涂很相似 3 5 - 3 7 。不同涂覆工艺下的剪切速率 3 8 3 9 】如表卜2 。 表卜z 剪切速率与涂覆工艺 剪切速率( s 。1 )涂覆工艺 l 1 0 3 1 0 1 0 1 刷涂，喷涂滚筒涂 流涂 浸涂 存在于容器中不动 从表中可知，浸涂剪切速率最小，其次为流涂，因此要想获得合适的 涂层厚度，一定要控制涂料粘度和流型。 为获得假塑性流体，在常用的粘结剂中，可用人工钠基膨润土和价廉 易得的羧甲基纤维素钠( c m c ) 混合使用来获得，虽然钠基膨润士的水溶 液为塑性流体，c m c 水溶液为假塑性流体，但其混合后是带有屈服值的 7 辽宁科技大学硕士论文综合论述 假塑性流体，其效果不是简单加和而是显著地相互加强 4 0 - 4 1 1 。 1 7 4 涂层强度 消失模涂料应具有足够的涂层强度用以抵抗消失模在搬运、埋箱、震 动时，对模样的冲击而造成的变形和损坏，保证铸件质量。 1 8 研究内容、技术路线、研究方法 1 8 1 研究内容 ( 1 ) 研制一种新的铸钢用消失模浸涂水基涂料替代现有的涂料。 ( 2 ) 探讨各种添加剂及附加物对消失模涂料性能的影响，以寻找各种 添加剂及附加物的合适加入量，得到满足消失模铸造的涂料。 ( 3 ) 探讨消失模涂料的透气性机理。 1 8 2 技术路线 - - - 1 8 3 研究方法 在实验室中，通过各组分的加入量对涂料性能影响的分析，运用正交 辽宁科技大学硬士论文 综合论述 实验优化方法确定各组分的最佳加入量，得到满足要求的消失模涂料。利 用生产现场 浇注试验来验证涂科的实际性能。 9 辽宁科技大学硕士论文试验材料和试验方法 2 1 试验材料 2 1 1石英粉 第二章试验材料和试验方法 试验用的石英粉牌号3 2 0 ( ) ，产地：海城，石英粉的化学成分和粒 度组成见表2 - 1 和表2 2 。 表2 1 石英粉的化学成分 粒度代号 些兰壁坌! 竺! s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 ac a om g on a 2 0h 2 0 灼减量 含泥量( ) 熔点( ) 2 1 2 聚醋酸乙烯乳液( 自乳胶) 2 - 3 。 聚醋酸乙烯乳液( 白乳胶) ，牌号b r j - 2 8 0 3 ，产地：北京，指标如表 表2 3 白乳胶的性能指标 2 1 3 羧甲基纤维素( c m c ) 羧甲基纤维素( c m c ) 为白色纤维状粉末，牌号：f m 6 ，购于化工商 店，指标如表2 4 。 辽宁辩技大学硕士论文 试验材料和试验方法 2 1 。4 高铝矾土 高铝矾土牌号：r s l 8 5 2 1 ，产地：商城，粒度组成和化学成分如表2 5 和表2 - 6 。 表2 - 5 高铝矾土的粒度组成 2 1 5 钠基膨润土 钠基膨润土产地：锦州黑山，技术指标如表2 7 。 表2 7 钠基膨润技术指标 2 1 6 聚苯乙烯泡沫塑料 聚苯乙烯泡沫塑料型号z k b 2 3 ，产地：丹东，物理指标和机械性能 如表2 - 8 。 辽宁科技大学硕士论文 试验材料和试验方法 项目 冲击弹性热变形温度吸水性 耐寒值 ， 线膨胀系数 ( )( ) ( k g c m ) 指标 2 87 58 0 9 0 9 为不润湿，0 9 00 4 4 6 2 5 51 4 5 85 4 3 2 9 00 6 5 0 誉 0 4 萎o 3 烬 o 2 o 1 o o 1 6 毫l s 型l 4 御1 3 l 2 1 1 1 0 13 579 白乳胶( w ) 图3 1 9 白乳胶对涂科流淌性的影响 1357 9 白乳胶( 图3 2 0 白乳胶对涂料涂挂性的影响 13 579 白乳胶( w ) 图3 2 l 自乳胶对涂料密度的影响 吆 仉 0 o o 。3型期蝣 辽宁科技大学硕士论文 涂料基本配方的确定 磐6 0 蠹5 0 扩4 0 辎3 0 2 0 1 0 0 3579 白乳胶( w ) 图3 2 2 白乳胶对涂料强度的影响 e 0 8 昌 嫠 刈 骺0 4 蛞 0 2 o 35 白乳胶( w ) 图3 2 3 白乳胶对涂料发气性的影响 3579 白乳胶( w ) 图3 2 4 自乳胶对涂料一次涂挂厚度的影响 4 3 2 1 o 星苫io。魁黑 辽宁科技大学硕士论文 涂料基本配方的确定 毋6 0 蚓5 5 誊5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 3 0 、 童2 0 r 尽 艋1 0 o 1 2 0 耋1 0 0 蹬 哟 8 0 6 0 4 0 35 7 9 白乳胶( 图3 2 5 白乳胶对涂料加水量的影响 3579 白乳胶( 图3 2 6 白乳胶对涂料静切力的影响 3579 白乳胶( 删 图3 2 7 自乳胶对涂料悬浮性的影晴 在涂料的耐火骨料、c m c 、钠基膨润土加入量比例不变，改变白乳胶n a 量 和加水量，使涂料的粘度控制在3 0 3 5 秒范围内时，白乳胶的影响如下： ( 1 ) 随白乳胶的加入量在卜9 范围内增大，加水量随之增大，涂料的密度随 辽宁科技大学硕士论文涂科基本配方的确定 之降低，因而影响涂料的各种性能。 ( 2 ) 随白乳胶的加入量增大，涂料的加水量、发气性增大。 ( 3 ) 随白乳胶的加入量增大，涂料的悬浮稳定性，密度下降。 ( 4 ) 随白乳胶的加入量增大，涂层强度在白乳胶为7 时达到极大值；再增加 加入量，涂层强度将下降。一次涂挂厚度、涂挂性、流淌性在白乳胶为5 时达到 极小值；再增加白乳胶加入量，这些性能均下降。 ( 5 ) 白乳胶加入量在试验范围内变化，不能改善涂料对消失模的润湿性；涂料 的p h 值为护9 。 因此，白乳胶加入量在3 7 时，涂料具有较好的综合性能。 3 2 消失模涂料基本配方的优化设计 通过c m c 、钠基膨润土、白乳胶对消失模涂料性能影响的单因素试验的结果 分析，涂料具有合适性能的加入量分别为钠基膨润土在3 9 ，c m c 在o 2 - 0 8 、 白乳胶在3 7 的范围内，为了确定c m c 、钠基膨润土、白乳胶较好的加入量，采 用k ( 3 4 ) 正交实验优化方法删，各因素水平如表3 - 4 ： 表3 4 正交实验因素水平表 为综合评价性能，利于优化，对涂料各性能制定评分标准，使其变成一个综 合评价参数，利于方差计算，综合反映涂料性能和优化实验结果如表3 5 。 表3 - 5 评分标准 辽宁科技大学硕士论文涂料基本配方鲍确定 一次涂挂厚度( i r o n )悬浮性( ) 9 03 2 4 4 9 391 4 39 72 4 5 ，6 8 9 0 4 1 54 3 4 9 1 4 39 944 4 8 7 9 03 0 74 7 591 3 99 7 45 1 5 5 9 03 8 74 9 691 5 29 95 5 4 5 1 6 9 02 25 6 7 91 4 39 99 4 7 0 4 9 03 8 34 9 891 5 39 97 8 4 5 5 6 9 02 35 5 991 4 59 91 5 4 6 5 9 9 03 35 2 表3 7正交实验l 9 ( 3 ) 数据分析表 序号 abcd y 1l1114 9 212224 9 31333 4 3 42123 4 7 3 l 辽宁科技大学硕士论文涂料基本配方的确定 j ：1 ，2 ，3 ，4 因素所在列数；i = l ，2 ，3 ； t - ，为第j 列第一个水平的y 的和( t 2 。t 1 相 同) ，p = t 3 ，r 极差因子 第j 列的偏差平方和的计算公式： s j ：y 昱n q i t z 其中t i j 为第j 列第i 水平的数据和，t 为数据总和，n 为正交表的行数，q 为该列的水 平数。该列表头是哪个因子，则该s j 即为该因 子的偏差平方和 由于正交表的特点，使试验条件均匀分布在试验空间中，因此使数据间具有 整齐可比性，上述的直观分析可以进行。对显著因子应该取最好的水平，对不显 著因子的水平可以任意选取，在实际中通常从降低成本、操作方便等角度加以选 择。经正交试验的数据分析可知： ( 1 ) 在影响涂料综合性能的因索中，钠基膨润土和白乳胶对涂料综合性能有 显著的影响，根据t 。；、t 。，、t 。值的大小可知，钠基膨润土选取3 水平最好；根 据t 。t 。、t 。的值的大小可知，白乳胶选取1 水平最好。 ( 2 ) 由于c m c 的加入量少，对涂料的综合性能无显著影响，只是对涂料的悬 浮稳定性影响较大，为获得良好的悬浮稳定性，选取2 水平为好。 因此，涂料的最佳配比为a 3 8 2 c i ，即钠基膨润土的加入量为9 ，羧甲基纤维 索( c m c ) 的加入量为0 5 ，白乳胶的加入量为3 。 通过对表3 - 6 研究分析得出，序号2 、4 、6 试验的综合性能比较理想。为验 证涂料性能，作如下试验，见表3 - 8 。 3 2 3 3 o 6 5 。2 2 o，瑚懈m瞄3渤叭抛似；薹 5 4 2 2 2 6 3 3 ；0 4 1 5 jo。o。：瑚m粥们棚季啪萼瑚m 5 4 e 2 2 l 6 f 0 00玎篮叭0 2 3 。2 3 m m mn一撕一一一一；三 5 l 2 2 6 z 2 2 3 3 3 m耋|耋n盟n季|缁说兰i o o ，o o hko k 瞄吖臂鼠 辽宁科技大学硕士论文 涂j f 卑基本配方钓确定 耋! ：! 鎏型丝丝墅重耋 霉哥 品x 。o 黧1 - ( p a g c 度m 3 ，篱篓( 攀g c m 2 ) 13 25 35 0 5 0 2 0 8 4 ，3 7 4 3 6 7 1 5 1 1 4 9 1 5 3 3 80 1 50 0 2 3 7 2 20 2 20 0 2 2 6 3 5 0 3 50 0 4 5 5 490 5393 0 7 1 5 13 00 3 10 0 5 4 6 续表3 8 序悬浮性 号( 2 4 h ) 静切力 ( m g c m 2 ) 加水量 ( ) 润湿角一次涂拳厚度 ( 。) ( r a m ) 、7 d j 平均 发气性 ( m l g ) 9 9 1 0 9 3 5 3 6 4 5 1 1 0 1 3 5 5 5 3 8 0 0 4 1 6 3 9 0 9 0 9 0 0 2 1 o 1 6 0 3 4 7 3 2 2 2 5 3 7 49 99 7 24 4 8 2 9 00 5 12 1 5 由表3 - 8 可看出，序号4 涂料的综合性能优于其它3 组的综合性能，这也 符合正交实验的结果。对以上4 组涂料进行流变性分析，结果如表3 - 9 和图2 8 、 图2 9 、图3 0 、图3 1 。剪切速度( y ) 单位为s 一，剪切力( t ) 单位为l o - s n c m 2 。 表3 - 9 流变曲线数据表 ! !1 2 1 73 8 94 7 8 6 9 89 6 31 4 6 22 0 3 4 旦堡! ! ：! ! ! ：塑! ! ：! ! ：! ：塑垒：兰旦! ! ：竺! ! ：! ! 庠号 一一旦一一 旦一! ! ! ! ! 1 2 7 4 6 3 5 7 85 0 1 36 2 4 58 5 4 1 1 升程 6 0 6 07 5 2 0 9 6 0 0 回程5 8 o o7 1 8 0 2 升程 3 6 8 04 5 2 0 5 9 0 07 0 9 09 0 8 0 加5喜曲凹勰蛎如蛇们踮幻船虬昭弘 一 踮趵粥吼良l&m毛仉 2 2 l l 3 2 3蚰驺n船圪拍孔孙 垢口；&m吼t&t ol o o o o 0 o 0 0 1 8 2 8 2 2 8 ：2 m 9 8毖毖乳眦伽执踟锄 埒u 6 5红h蛆 程程程程程程程升回升回升回升 l 2 3 4 辽宁科技大学硕士论文涂科基本配方的确定 注：表9 序号与表8 序号相对应 + 升程一回程 2 1 73 8 94 7 86 9 89 6 31 4 62 0 32 7 53 5 85 0 1 剪切速度s 1 图3 2 8 序号i 流变曲线 + 升程一回程 2 1 73 8 94 7 8 6 9 89 6 31 4 62 0 32 7 53 5 85 0 16 2 58 5 4 剪切速度s 1 图3 - 2 9 序号2 流变曲线 们 加 0 。毗。矛。_【r寒蜜 舳蚰0 tm。孑。【r尽器 辽宁辞技大擘硕士论文 溶辑基本配方鲰确定 n 宦 孑 ：。 h r 尽 锨 鼍 2 r b ：蟊 一升程一回程 2 1 7 3 8 94 7 8 6 9 89 6 31 4 6 22 0 ，3 4 2 7 4 63 5 ，7 85 0 1 36 2 ，4 5 剪切速度s 1 图3 3 0 序号3 流变曲线 + 升程一回程 0 2 1 7 3 8 94 7 86 9 89 6 3 1 4 62 0 3 2 7 5 3 5 85 0 16 2 5 8 5 4 剪切速度s 1 图3 3 1 序号4 流变曲线 对图3 2 8 、图3 2 9 、图3 3 0 、图3 3 1 观察可知。将曲线延长都可以与剪切 力t 轴有交点，说明这些涂料都是具有屈服值的假塑性流体3 4 ，剪切力t 的增 长小于剪切速度y 的增长，涂料的表观粘度( r t = t y ) 随剪切速度的增长而减 小，表现为“剪切变稀”的特性。涂料的静切力都很小，能够满足消失模浸涂时 跚加筋；嬲加o 5；弛印m 辽宁科技大学硕士论文涂料基本配方的确定 所要求的流型。涂料用钠基膨润土和c m c 作悬浮剂，钠基膨润土颗粒在高度分 散状态下呈片状，片状颗粒平面上一般带负电荷，边棱部分带正电荷，正负电荷 相吸引，使钠基膨润土颗粒在溶液中形成立体网状结构；c m c 的主链上带有许 多强极性的亲水基团，基团之间可借助与氢键、静电引力和范德华力相结合，从 而c m c 高分子链间形成立体网状结构。在低剪切应力下这种结构只稍变形而不 被破坏，这使得涂料具有一定的屈服值。 由表3 - 8 的试验结果可知，涂料具有较理想的综合性能时，各附加物加入量 的变化范围如表3 1 0 。 表3 1 0 高铝矾土涂料基本配方表 辽宁毒 技大学硕士论文 涂料的润湿及骨辩确定 第四章涂料的润湿及骨料确定 4 1 消失模涂料的润湿 据以上试验结果可知，水基消失模涂料与聚苯乙烯泡沫塑料基底间的润湿性 差。润湿性对涂层质量和厚度有很大影响，能导致铸件产生缺陷。为改变消失模 涂料的润湿性，须在涂料中加入非离子型表面活性剂。，能明显改善消失模涂 料的润湿性。表面活性剂的加入量以达到临界胶束浓度( c 孵) 为准，表面活性 剂水溶液临界胶柬浓度约在0 1 8 0 2 6 的区间内“。消失模涂料中加入表面活 性剂后，在制做涂料时，在涂料内会产生不易消除的微小气泡而影响涂料性能。 故在涂料中需加入消泡剂，以消除涂料内部的气泡 1 8 】。消泡剂的加入会使表面 活性剂水溶液临界胶束浓度( c m c ) 下降。因此，本试验是在表面活性剂加入量 分别为1 5 和3 的情况下，改变消泡剂的加入量对涂料性能的影响。 当涂料的水溶液中加入1 5 和3 表面活性剂时，消泡剂的加入量对涂料 性能的影响如表4 - 1 及图4 _ l 至图4 1 1 ( 图根据表4 1 中数据画出) 。 表4 1 润湿剂和消泡剂加入量对涂料性能的影响 辽宁科技大学硕士论文涂料的润湿及骨料确定 注：白乳胶，c m c ，钠基膨润土加入量分别为3 ，0 2 ，5 消泡剂以1 0 0 克水为单位吸湿性：温度2 0 c ，相对湿度9 2 ，放置2 4 小时 詈| ；| | | g 0 1 6 暑 萎o 1 2 媛 o 0 8 0 。0 4 0 2 o 4 0 60 8 l2 消泡剂g 图4 - 1 消泡剂对涂料密度的影响 o 20 4o 6o 81 2 消泡剂g 图4 - 2 消泡剂对涂料流淌性的影响 辽宁科技大学颈士论文 涂料韵润湿及骨辑确定 飞o 0 2 0 蕊 蠢o 0 1 5 熊 0 o i o 0 0 0 5 术 趔 鲢 踊 “茸 、 宣 r 恩 盎 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 o o 2 0 40 6 0 8 1 2 消泡剂g 图4 - 3 消泡剂对涂料涂挂性的影响 巨五薹缸五三五匾函 00 20 40 60 ，8 1 2 消泡剂g 图4 - 4 消泡剂对涂料悬浮性的影响 00 2o 4o 6o 81 2 消泡剂g 图4 5 消泡剂对涂料静切力的影响 辽宁科技大学硕士论文 涂料的润湿及骨科确定 4 4 誉4 3 日吲 * 最4 2 4 l 1 2 0 1 0 0 8 0 趔6 0 霆4 0 2 0 o 4 5 蕾 瑙0 3 5 卧 垲0 2 5 骺 蛞0 1 5 0 0 5 00 20 4o 60 81 2 消泡剂g 图4 - 6 消泡剂对涂料加水量的影响 o 0 ，20 40 60 8i 2 消泡剂g 图4 7 消泡剂对涂料润湿性的影响 0 20 40 60 81 2 消泡剂g 图4 - 8 消泡剂对涂料一次涂挂厚度的影响 辽宁拜技大学硕士论文涂料韵捐漫及雷料确定 水 掣 蹦 蓉 巨亘画亟匿三蔓画园 消泡剂g 图4 9 消泡剂对涂料吸湿性的影响 润湿剂加入量为1 5 和3 ，消泡剂加入量为0 - 1 2 克时，消失模涂料性 能分析如下： ( 1 ) 消失模涂料无消泡剂加入，而润湿剂加入量增大时，涂料内部产生不易 消除的微小气泡，使涂料密度下降，因而影响涂料的其他性能。在润湿剂加入量 为1 5 o 时，消失模涂料密度在消泡剂的加入量为0 4 克时，达到最大值；随着 消泡剂加入量的继续增大，涂料密度下降，但在润湿剂加入量为3 0 时，随着消 泡剂加入量的继续增大，并不能明显改善涂料密度。 ( 2 ) 消失模涂料静切力、一次涂挂厚度、涂挂性、流淌性等涂料性能在润湿剂 加入量为1 5 o 和3 时，随着消泡剂加入量的增大，涂料的这些佳能交化不大。 ( 3 ) 消失模涂料的润湿性随润湿剂加入量的增大，其润湿角明显减小，涂料 润湿性得到很好改善。润湿剂加入量为1 5 ，消泡剂加入量为0 4 克时，涂料 润湿角达到极小值后，随着消泡剂加入量的增大而增大，涂料的润湿性变坏；润 湿剂加入量为3 ，消泡剂加入量为0 - 0 4 克范围内，其润湿角在7 0 。左右，变 化不大。 ( 4 ) 润湿剂加入量为1 5 0 和3 0 时，消泡剂加入量为0 - 1 2 克范围内，涂料 的吸湿性在2 5 左右且变化不大；同时涂料的爆热性试验结果可见，涂料表面 无裂纹，涂料的抗爆热性能良好。 4 1 辽宁科技大学硕士论文涂科的润湿及骨料确定 从表4 一l 可以看出，涂料加入1 5 表面活性剂的水溶液中，消泡剂加入量 为o 2 - 0 6 克1 0 0 克水时，涂料的综合性能明显好于其它加入量的性能，因此， 消失模涂料的表面活性剂( o p 一1 0 ) 加入量为1 5 。o o ( 占加水量) ，消泡剂( 正丁 醇) 加入量为0 2 - 0 6 克1 0 0 克水。 4 2 耐火骨料的确定 消失模涂料可由几种耐火骨料或不同粒度、粒形的耐火骨料搭配而成，它不 仅能够满足消失模法对涂料耐火骨料的要求，而且也可改善涂料的透气性。根据 国内外大量文献资料的介绍，以高铝矾土为耐火骨料的涂料中适当加入2 0 0 目石 英粉 4