醇基铸造涂料悬浮剂的实验研究.docx

2014 中国铸造活动周论文集醇基铸造涂料悬浮剂的实验研究庄学功 1，徐庆柏 2（1.合肥铁路工程学校，安徽合肥 230011；2.合肥工业大学，安徽合肥 230001）摘要：本文主要介绍了膨润土、凹凸棒、海泡石和透闪石四种粘土矿物的晶体结构、理化特性以及它们用作铸造涂料悬浮剂的效果。关键词：铸造涂料；悬浮剂；研究1引言铸造用涂料一般由耐火粉料、载液、粘结剂、悬浮剂和助剂组成，悬浮剂的作用是保持涂料的悬浮稳定性、使涂料中耐火粉料微粒能较长时间分散并悬浮在载液中，从而使涂料不分层、沉淀板结。借助于斯托克氏公式，可以理解对悬浮剂的性能要求。2dx = 2a(d2 - d )g1d9dxdt式中： 为分散介质的粘度；d1 为分散介质的比重，d2 为被分散悬浮剂颗粒的比重，速度，g 为重力加速度，a 为悬浮剂的颗粒半径。为 沉 降由上式可知：增加分散介质的粘度，可以降低沉降速度，同时有利于分散过程；减小悬浮剂颗粒的直径，可以降低沉降速度。通常粘土类悬浮剂的细度在 200 目（0.075mm）到 325 目（0.045mm） 之间，基本符合要求。醇基涂料的悬浮剂必须能在醇类溶液中分散。常用的醇基涂料粘土类悬浮剂为有机膨润土，锂 基膨润土、凹凸棒粘土。此外还有海泡石和透闪石。2几种粘土矿物的晶体结构2.1膨润土膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土。一般为白色、淡黄色，硬度 22.5，密度 22.7g/cm3， 性较软有滑感，吸水膨胀。膨润土的主要化学成分为 al2o3、sio 2 和 h2o，其次为 feo、fe2o3、cao、n2o、k 2 o 、tio 2 等 。蒙脱石的 理论结构 式为 (1/2ca 、na) x 、（ h 2 o 4 ）4(al2-xmgx)(si4o10)(oh)2。蒙脱石的晶体结构是由两层硅氧四面体片和一层夹于其间的铝（镁）氧（羟基）八面体片构成的 2:1 型层状硅酸盐矿物（见图 1）。硅氧四面体中 si4+的 si4+ 常被 al3+置换，铝氧八面 体中的 al3+可被 mg2+、fe2+ 等低价阳离子置换，使晶层间产生多余的负电荷。为了保持电中性，晶 层间吸附了大半径的阳离子，如 k+、na+、ca2+、ng2+、li2+、h+等，这些阳离子是以水化状态出现， 并且是可以互相交换。为了使天然钙基膨润土能作为醇基涂料的悬浮剂，必须进行离子交换处理，使之成为锂基膨润 土或有机膨润土。锂基膨润土的制法是在钙基膨润土中加入原土质量 4.0%左右的锂盐（当少量水存在时进行反 应）。z（ca）+2li=2(li2)+ca2+制得含水膏状锂基膨润土，可以直接溶解在醇类溶剂中，作为醇基涂料悬浮剂。如果是从市场 购得的干态粉状锂基膨润土，在用作醇基涂料悬浮剂时，必须先加入膨润土重量 2 倍左右的水调成作者简介：庄学功（1962-），男，高级讲师，从事铸造涂料生产和研究，e-mail:。12014 中国铸造活动周论文集膏状，再添加甲醇或乙醇及其他成分，进行搅拌。有机膨润土是将提纯后的膨润土与二甲基十八烷基氯化铵（季铵盐|）进行离子交换反应，使有 机阳离子铵取代无机阳离子钠。这一交换过程在 60200下进行 68h，然后经过过滤、洗涤、干燥 而制成。有机膨润土不能直接在醇类溶剂中溶胀，必须先用二甲苯或溶剂汽油引发，调成膏状，再 加入酒精或甲醇。二甲苯的加入量为有机土质量的 68 倍。图 1 蒙脱石的晶体结构2.2凹凸棒石粘土凹凸棒石，又名坡镂石，是一种链层状结构的含水镁硅酸盐粘土矿物。凹凸棒石属单斜晶系， 晶体结构为 2:1 型粘土矿物，即二层硅氧四面体夹一层镁（铝）氧八面体。在每个 2:1 层中，四面体 边角顶隔一定距离方向颠倒，形成层链状结合特征。在四面体条间形成与链平行的通道。据推测， 通道断面尺寸约为 0.37nm0.63nm，通道中充填水分子。这些水分子的排列，一部分是平行纤维的 沸石水，另一部分是水镁石片中与镁离子配位的结晶水，其结晶结构为针状，由细长的中空管所组 成，如图 2 所示。图 2 凹凸棒石晶体结构（100）投影图凹凸棒石的化学式为 mg5（h2o10）4si4o10(oh)2。化学成分理论值为 mgo23.8%、sio2 56.96%、 h2o19.2%。凹凸棒石粘土在含水的情况下具有高可塑性，在高温和盐水中稳定性良好，密度小，一 般为 2.052.30g/ 3，莫氏硬度 23。22014 中国铸造活动周论文集由于凹凸棒石独特的晶体结构，使之具有良好的吸附性和脱色性能。凹凸棒石粘土的吸兰量（亚甲基兰吸收量）一般小于 24g/100g 土，胶质价一般为4050 3/15g，膨胀容一般 46 3/g。可交换钙离子量 7.512.5mol/100g，可交换镁离子量2.57.5mol/100g。2.3 海泡石海泡石是一种富镁纤维状硅酸盐粘土矿物。该矿物在自然界中分布不甚广，常与凹凸棒石、蒙 脱石、滑石等共生。海泡石的矿物结构与凹凸棒石大体相同，都属于链状结构的含水铝镁硅酸盐。在链状结构中也 含有层状结构小单元，属 2:1 型。所不同的是这种单元层之间的孔道不同（见图 3）。海泡石中单元 层孔洞可加宽到 0.561.10nm。即可容纳更多的沸石水，使海泡石具有比凹凸棒更优越的理化性能和 工艺性能。同时，又因它的三维立体键结构和 si-o-si 键将细链拉在一起，因而具有一向延长的特殊 晶形，故颗粒呈纤维状。结构中的开式沟枢与晶体长轴平行，这种沟枢的吸附能力极强。simgh2oooh图 3 海泡石单位晶胞在（001）面的投影海泡石属斜方晶系或单斜晶系，颜色多变，一般呈淡白色，具丝绢光泽，有时呈蜡状光泽，条痕呈白色，不透明，触感光滑且粘舌，莫氏硬度一般在 22.5 之间，密度 12.2g/cm3，收缩率低，可 塑性好，溶于盐酸.海泡石的化学或为 mg8(h2o)4(si6o10)2。(oh)48h2o,其中 sio254%60%,mgo=21%25%。并有 少量的交换阳离子。如八面体中的 mg2+可被 fe2+、fe3+ 或 mn2+置换，四体体中的 si4+，可被 al3+ 和 fe3+置换。其电荷主要由四面体中的离子置换产生。海泡石的比表面积很大，理论上比表面积可达 900 2/g，孔体积 0.385ml/g，故有很强的吸附、 脱色和分散性。在常温、常压下，海泡石的吸附水比本身重量大 23 倍。海泡石在 400以下结构稳定，400800脱水为无水海泡石，800以上开始转化为顽火辉石 和石英,耐火度可达 15001700。由于海泡石的针状颗粒在水中或其他溶剂中易分解成杂乱的骨架，这种悬浮液具有非牛顿流体 的特性，适合于配制触变性涂料。2.4 透闪石透闪石是富镁的单斜晶系辉石，分子式为 ca2、mg5（si4o11)2(oh)2，其理论化学组成为(%)： cao13.8、mgo24.6，sio258.8，h2o2.8；feo 含量有时达 3%，成分中还有少量的 na、k、mn 代替 ca、f、cl 代替(oh)。透闪石单形为斜方柱 m（110）、r（011），平行双面 b（010），（图 4a）。集合体呈柱状、放射状、 纤维状，有时可见致密隐晶的浅色块体。有时可见到（100）聚片双晶，其主要构造见图 4b。透闪石微粉能在甲醇或乙醇中溶胀，适合于作醇基涂料悬浮剂。32014 中国铸造活动周论文集oh 将双链结合的阳离子图 4 透闪石晶体3几种粘土矿物的理化性能检验3.1x 射线分析x 射线分析是根据晶体物质受到初线照射时，所产生的特征 x 射线的面网间距 d 及其强度 i 来 鉴别晶体矿物的种类和含量。由布拉格公式可以了解 x 射波长与晶层间距及衍射角之间的关系。n=2dsin式中：n 为正整数， 为 x 射线波长，d 为晶体的晶面间距， 为 射线照射到晶体时的衍射角。图 5-图 9 为用 rigaku（日本理学）ttr-型 x 射线的衍射仪对山东膨润土、美国凹凸棒（att50） 安徽明光凹凸棒、浙江安吉海泡石、河南安阳透闪石五种粘土矿物进行 x 射线衍射的图谱，表 1 为 归纳的结果，试验中所采用衍射角为 575。图 5 山东潍坊膨润土 x 射线衍射图谱42014 中国铸造活动周论文集图 6 美国凹凸棒粘土的 x 射线衍射图谱图 7 安徽明光凹凸棒石的 x 射线衍射图谱52014 中国铸造活动周论文集图 8 浙江安吉海泡石的 x 射线衍射图谱图 9 河南安阳透射石 x 射线衍射图谱62014 中国铸造活动周论文集表 1 几种粘土矿物的 x 射线衍射结果注：i 为每秒计数，d 为晶面间距，x103，ao。由表 1 可知，所选取的五种试样，其纯度各不相同，这是天然矿产的特征。3.2 电子显微镜照相观察电子显微镜中像的形成是由电子束通过试样的电子散射。它有很高的分辨能力和放大倍数，是 研究粘土矿物的重要手段之一。利用电子显微镜照片研究粘土矿物，主要是通过像的轮廓，清晰度 和颗粒大小等的观察，建立矿物颗粒的立体形态及晶体程度等概念，以此来分辨各种粘土矿物。钠离子为主要的蒙脱石，分散程度高，像的轮廓不清。以钙离子为主的蒙脱石，分散性差，多 聚集成轮廓较为清楚的集合体。纤维状、针状、条状、宽条状的集合体多属于链状结构粘土矿物的 特性。图 10-图 14 为在中国科技大学理化试验中心用日立 h-7650 型透射电子显微镜拍下的五种粘土矿 物的图像，由图 10 可见，该图具有钠钙膨润土特征。图 11-图 14 为棒状和条状集合体，具有链状粘 土矿物的特征。图 10 山东潍坊膨润电镜照相图 11 美国凹凸棒粘土的电镜照相7美国凹凸棒潍坊膨润土明光凹凸棒安吉海泡石安阳透射石d id id id id i10.607.06.461.85.421.74.502.54.272.022.82.701.02.601.32.571.01.501.312.580.46.270.21.660.11.490.210.618.06.451.15.421.04.482.04.261.83.322.102.681.72.611.8071.101.611.001.541.0012.097.07.481.06.541.05.021.04.541.103.731.13.031.32.681.202.541.21.871.01.521.01.51.014.355.08.484.063.04.503.03.842.83.32.343.02.163.02.092.81.952.7凹凸棒石约 80%粘土类主要为蒙脱及石主要成分为凹凸棒石海泡石约 50%石主要为碳酸 盐约15% ， 还 有少量长石。（坡缕石），还有少量英 45%还有少量40%，透闪石 20%，5%-sio2。铝硅酸盐及石英云母、滑石和石少量滑石（高 岭英。石）2014 中国铸造活动周论文集图 12 明光凹棒粘土的电镜照相图 13安吉海泡石的电镜照相图 14 河南南阳透闪石的电镜照相4使用效果4.1 试验用涂料配方为了考察几种粘土矿物作为悬浮剂的使用效果，我们拟定了下列涂料配方， 测试其悬浮率等指 标。表中所用悬浮剂粒度全部通过 200 目筛网。表 2 几种试验用涂料配方序号涂料配方悬浮剂/%涂料比重悬浮率 2h/%铝矾土 40莫来石 40石英粉 20载液（甲醇）适量1潍坊膨润土 41.41.692942同上美国凹凸棒土21.41.690923同上明光凹凸棒土231.41.690924同上安吉海泡石90925同上南阳透闪石3.54.01.41.6909282014 中国铸造活动周论文集4.2 使用效果按 1 号配方直接配制成浆状涂料送到合肥铸锻厂等地使用，浇注叉车平衡重铸件，按 2-5 号配 方制成干粉涂料送到福建晋江中德顺机械公司等地，再添加酒精，调制成浆状涂料，浇注 v 法造型 铸件，均获得较好效果。浇注后涂层容易从铸件表面剥离，铸件表面光洁。5结论（1）对铸造涂料悬浮剂的 要求是密度小，颗粒细，有较高耐火度，不与耐火粉料起化学反应 并能分散在载液中的粘土矿物。（2）一般层状结构的钠基膨润土吸水膨胀性好，适合作水基耐火涂料的悬浮剂，锂基和有机膨 润土，能在醇