流变特性对铸造涂料工艺性能的影响.pdf

Oct．2016VOI．65 No．10 垂篙帅煮 ·1007·流变特性对铸造涂料工艺性能的影响陈学更，何龙，韩文(宁夏共-S-re．工有限公司，宁夏银川750021)摘要：本文研究了流变特性对铸造用醇基涂料和水基涂料工艺性能的影响，结果表明，铸造涂料的流变特性直接影响涂料的悬浮稳定性、固含量、抗流淌性和涂层厚度。关键词：铸造涂料；流变特性；滴淌量；抗流淌性中图分类号：TG221+．1 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)10—1007—03I nfluence of Rheological Properties on Processing Performanceof Foundry CoatingCHEN Xue-geng，HE Long，HAN Wen(Ningxia Kocel Chemicals Co．，Ltd．，Yinchuan 75002 1，Ningxia，China)Abstract：Influence of rheological properties on processing performance of both alcohol-based and water-based coating used in foundry industry was studied in this paper．The results show that the rheological propertiesof foundry coatings directly affect the suspension stability,solid content,anti—flowing property and coatingthickness．Key words：foundry coating；rheological properties；drop weight；anti—flowing property流变学是研究物质变形和流动规律的科学，具体涉及到涂料时，涂料的流变特性指涂料的流动特性，特别是涂料在不同剪切速率下的剪切应力和粘度的变化规律。涂料的流变特性是一项综合而复杂的指标，影响到涂料的诸多性能，具体与涂料流变特性相关的指标有粘度、剪切稀释性、流平性、触变性、抗流淌性、涂挂性等。对铸造涂料而言，其耐火骨料和载液占到涂料比例的90％以上，其他组分包括粘结剂、悬浮剂和助剂的总加入量小于10％，因而可知剩余材料中能够影响到铸造涂料流变特性的物料的加入量很低【”。这样，一方面，由于决定涂料流变特性的流变助剂加入量少，导致涂料的流变特性往往被忽略；另一方面，正因为流变助剂的低加入量，涂料流变性能对配方的变化非常敏感。而现场涂料的质量问题，比如流涂涂料在流涂过程中出现的流痕、滴挂、裸型等，刷涂涂料在施涂过程中出现的刷痕明显、涂刷性能差等问题，也往往是由于涂料流变性能不符合制作工艺而导致的问题[2-3]。正因为涂料的流变性能非常重要，本文就流变性能对铸造涂料的影响进行研究，确认铸造涂料的流变特性对其工艺性能的影响，以指导实际生产实践。1 试验1．1试验材料及仪器试验原料：莫来石(Al：O，含量42％)、软水(自制)、无机流变剂(Pangel B40，主要成分为有机物改性海泡石)、有机流变剂、PVA(BPl7)、PVB(B06HX)、凹凸棒土(AFZ 701A)、工业乙醇(乙醇含量95％)、表面活性剂(WET D一500、德国silconca公司)、表面活性剂(有效成分：脂肪醇聚氧乙烯醚，MOA．3)、消泡剂(有效成分：磷酸三丁酯)。试验仪器：实验室分散砂磨机、NDJ．5s旋转粘度计、秒表、湿膜测厚仪(112A型六角梳规)、光学显微镜(型号PH223)、光滑玻璃片。试验涂料包括醇基涂料和水基涂料，配方见表1和表2。无机流变剂理化指标见表3。表1醇基涂料配方Table 1 Formula of alcohol-based coating’咐％莫来石工、世乙醇松香PVB凹凸棒土无机流变剂表面活性剂100 60 4 0．8 1．5 0．5～3 0．2表2水基涂料配方Table 2 Formula of water-based coating，憎％莫来石软水PVA凹凸棒土无机流变剂表面活性剂消泡剂防腐剂100 60 0．8 1．5 0．5～3 O．2 0．3 0．2收稿日期：2016-04一11收到初稿，2016--06--07收到修订稿。作者简介：陈学更(1988-)，男，从事铸造涂料相关的研发工作。E-mail：cxgfczy@gmail．corn万方数据·1008· FOUNDRYOct．2016VOI．65 No．10表3无机流变剂Pangel B40理化指标Table 3 Properties of inorganic rheologieal agent Pangel B40醇基涂料制备步骤【4】：①粘结剂预处理：将松香、PVB分别用工业乙醇溶解；②向不锈钢分散罐中添加工业乙醇，开启搅拌，然后加入凹凸棒土和无机流变剂，分散10 min后，添加松香、PVB预处理溶液和表面活性剂，分散一定时间后，加入莫来石，分散20 min，制备结束。水基涂料制备步骤：①粘结剂预处理：将PVA用热水溶解(添加少量消泡剂，以防止起泡)，备用；②向不锈钢分散罐中添加软水，开启搅拌，然后加入凹凸棒土和无机流变剂，分散10 min后，添加PVA预处理溶液、表面活性剂、消泡剂、防腐剂，分散一定时间后，加入莫来石，分散20 min，制备结束。按给定的配方及步骤分别制备醇基涂料和水基涂料，其中无机流变剂依次取O．5％、1．0％、1．5％、2．0％、2．5％、3．o％，共6组涂料。由于涂料其他变量保持一致，而仅仅流变剂加入量这一变量不同，以期获得具有不同流变性能的铸造涂料。试验6组涂料中，必定至少有两组涂料存在较大的流变性能差异。试验通过测定这六组涂料的工艺性能，以说明流变特性对铸造涂料工艺性能的影响。1．3涂料性能分析涂料悬浮性能检测：将涂料用载液稀释，使用波美度计测量涂料的24 h悬浮性能；涂料涂刷性能检测：分别测定涂料在6 r／min和60 r／min下涂料的粘度，然后将粘度的比值——即剪切稀释指数作为衡量涂料涂刷性能的指标【51；涂料涂挂性能检测：通过测定涂料的涂层厚度来衡量涂料涂挂性能，其中，采用梳规测定涂料的湿厚度，采用光学显微镜测定涂料的干厚度【q。2结果与讨论2．1 流变特性对铸造涂料悬浮稳定性的影响涂料的悬浮性能是铸造涂料一项非常重要的工艺性能指标，直接影响到涂料施涂的连续性。良好的悬浮性，能保证现场连续操作，易于稀释，不用对涂料施加过多的搅拌，沉淀少，容易清理。为了将涂料的悬浮性差异区分开，将涂料用对应的载液稀释到现场施涂波美度(醇基涂料和水基涂料均稀释到50。Be)，然后测定涂料的24 h悬浮性能。从图1可以看出，在相同的流变剂加入量条件下，随着无机流变剂加入量的增加，涂料的悬浮性能均呈上升趋势，并且水基涂料的24 h悬浮性能明显要优于醇基涂料，说明醇基涂料的悬浮性能较差，沉淀倾向大。要保证相同的悬浮稳定性，醇基涂料的流变剂添加量要远远高于水基涂料。在高剪切条件下，无机流变剂分散于涂料中，形成网状结构，从而增加了涂料的悬浮性能。图1 流变特性对铸造涂料悬浮性能的影响Fig．1 Influence ofrheology properties on suspension offoundry coating2．2流变特性对铸造涂料固含量的影响涂料的固含量是涂料质量的一项控制指标。涂料的固含量不能太低，否则，在施涂过程中涂层厚度不容易建立，而且涂料堆积处涂层容易产生一些收缩裂纹等缺陷，影响涂料的阻隔性和抗粘砂性能。涂料的固含量不仅受涂料波美度的影响，而且受到流变体系的直接影响。实验室采用烘干法测定所制备涂料在50。Be下的固含量，其结果见图2。706866冀64震6260585654图2流变特性对铸造涂料固含量的影响Fig．2 Influence ofrheologyproperties Oil solid content offoundry coating从图2可以看出，随着涂料配方中流变剂加入量的增加，涂料的固含量呈现明显的下降趋势，醇基涂料和水基涂料的变化趋势基本一致。随着无机流变剂的增加，涂料中形成的网状结构更加紧密，从而能够吸附并固定更多的自由水，所以涂料的含水量会上升，导致固含量下降。在铸造涂料的施涂过程中，固含量作为一项重要控制指标必须合理监控，对应到涂料的生产中，就要控制流变剂的加入比例，不能过高，以防止涂料过分稀释而带来相关的弊端。2．3流变特性对铸造涂料抗流淌性的影响与悬浮稳定性一样，铸造涂料的抗流淌性能同样影响到涂料的现场施涂效率，而且会进一步影响涂层的质量。涂料抗流淌性好，则涂料易于涂挂，能够有效降低涂料的滴淌现象，减少等待时间，提高生产节拍。更为重要的一点是，良好的抗流淌性能够保证涂万方数据铸造 陈学更等：流变特性对铸造涂料工艺性能的影响 ·1009·料上下的均匀性，防止涂料因为重力流淌而出现上薄下厚的现象。试验采用浸涂法，用100 mmx400 mill的型砂块浸涂涂料2 S(涂料波美度50。Be)，立即提起，测定滴落涂料的重量——即滴淌量，来表征涂料抗流淌性能的好坏，其结果见图3。40353025善20冬15遐IO50—5—10九剖¨毹’窆刺㈨八：t／听图3流变特性对铸造涂料抗流淌性的影响Fig．3 Influence ofrheology properties on anti-flowing property offoundry coating从图3可以看出，随着流变剂加入量的增加，涂料的滴淌量先呈明显的下降趋势，随着加入量超过2．0％，滴淌量下降趋势缓和。另外，在相同流变剂加入量时，醇基涂料的滴淌量低于水基涂料，说明醇基涂料具有更好的抗流淌性，当流变剂加入量超过3．0％时，醇基涂料不发生滴淌。涂料发生流淌的主要原因是，当对涂料施加剪切力后，涂料体系中的高分子物质发生定向排列，降低了涂料的粘度，从而发生流淌。外力消除后，高分子定向排列并不会立即消除，而是慢慢地通过一定时间恢复到杂乱缠绕的状态，这就保证了涂料的流动性，涂料抗流淌性较差。但是无机流变剂的网状结构具有恢复时间快的特点，基本是在瞬时就能恢复到原来杂乱无章的状态。随着无机流变剂加人量的增加，其对高分子的吸附作用也大大加强，导致高分子链的结构恢复时间缩短，从而增加涂料的抗流淌性。2．4流变特性对铸造涂料涂挂性能的影响涂料涂层厚度是涂层质量的一个方面，为使涂料达到隔离铁液和砂子的目的，并起到防止铁液渗透和抗粘砂的目的，涂料层必须达到一定的厚度。反映到现场施涂方面，也就是涂料必须要具有良好的涂挂性能。在实验室将制备的涂料稀释到50。Be，制备100 mmx400 nlin的型砂块，采取一次浸涂操作，测定涂料的湿厚度，然后将涂料烘干，测定涂层干厚度，结果见图4。从图4可以看出，随着流变剂加入量的增加，涂层的湿厚度呈上升趋势，并且醇基涂料的上升较水基涂料明显许多，另外在相同流变剂加入量的情况下，醇基涂料的湿厚度要高于水基涂料的湿厚度。由此表明，无机流变剂能够改善涂料的涂挂性能，保证涂料的湿涂挂。这与无机流变剂对涂料抗流淌性的影响一致：随着无机流变剂加入量的提高，涂料的抗流淌性增加，必然导致涂料涂挂性能的改善。另外，从涂层干厚度曲线可以看出，随着流变剂加入量的增加，涂料干厚度先呈现比较明显的上升趋势，达到最高值后缓慢下降。这一点可以通过涂料的固含量得到解释。随着无机流变剂加入量的增加，涂料的载液含量也明显上升，烘干过程中，涂层的收缩也增加。要得到最佳的涂层厚度，存在一个最佳的流变剂加入量。240022002000E1800赢1600略1400凹1 200难1000800600400图4流变特性对铸造涂料涂层厚度的影响Fig．4 Influence ofrheology properties on coating layer thickness offoundry coating3结论(1)铸造涂料的流变特性直接影响到涂料的悬浮稳定性、固含量、抗流淌性和涂层厚度，铸造涂料流变特性的研究对涂料的现场工艺性能及质量控制有重要意义。(2)无机流变剂对涂料的悬浮稳定性、抗流淌性和涂层湿厚度均呈正相关作用，随着流变剂加入量增加，悬浮稳定性、抗流淌性和涂层湿厚度均增加；而要获得最高的涂层厚度，则存在最佳的流变剂加入比例；无机流变剂对涂料的固含量存在负相关作用，流变剂加入量增加，固含量下降。(3)相同流变剂加入量，水基涂料的悬浮稳定性优于醇基涂料，而抗流淌性以及浸涂后的涂层厚度则醇基涂料优于水基涂料。参考文献：【1]李远才．铸造涂料及应用【M】．北京：机械工业出版社，2007．[2】韩辉，魏兆连．对铸造涂料流变性研究的几点新认识【J】铸造技术，1988(6)：4l卅．【3】3 王慕荣，方根录，徐斌红，等．砂型涂料的流变特性及触变性的研究【J]．铸造，1983(2)：6．【4】陈学更，韩文，朱劲松，等．大型铸件用刚玉水基喷涂涂料的研究[J]．上海涂料，2014，52(10)：14—17．【5]Nwaogu U C，Tiedje N S．Foundry coating technology：a review【J]．Materials Sciences and Applications，201 1，2(8)：1 143．[6】Bakhtiyarov S I，Overfelt R A．Rheology ofrefractory coating mate—rials used in lost foam casting process[J]．Journal of Elastomers andPlastics，2000，32(1)：73—85．(编辑：张允华，zyh@foundryworld．com)万方数据