CO2硬化工艺用改性水玻璃的合成研究

提高CO2水玻璃砂粘结强度的关键在于抑制硬化过程中胶粒的过于长大,可行的途径是向水玻璃中引入能与水玻璃起作用并能阻抑胶粒长大,而且对CO2硬化不引起、或少引起负面影响的物质.选择采用含有羰基、羧基的1#改性树脂,含有苯环、羟基、醛基的2#改性树脂,含有酰胺基的3#改性树脂,作为细化CO2硬化水玻璃凝胶胶粒的主要化合物为改性剂的主干材料对水玻璃进行改性处理.实验结果表明,1#、2#改性树脂加入量为10%为宜,3#改性树脂加入量(按PAM固体含量算)以0.2%为宜.     

改性水玻璃的红外光谱分析

用改性树脂对水玻璃进行改性,为了解改性后水玻璃的分子结构会产生什么变化,硬化前、后普通和改性水玻璃有什么区别,从而对改性水玻璃的改性机理和硬化机理进行研究,对硬化前、后的普通水玻璃和改性水玻璃进行红外光谱(IR)分析.红外光谱分析表明:改性水玻璃的分子结构中都或多或少地含有改性树脂的极性基团.改性树脂的加入使红外吸收光谱中氢键的吸收峰增强,证实改性树脂中的极性化合物借氢键吸附在水玻璃凝胶胶粒的表面,形成高分子保护层.限制凝胶胶粒的长大,从而获得细小的水玻璃凝胶肢粒,达到提高粘结强度的目的.红外光谱分析还证实:无论是改性水玻璃,还是普通水玻璃,吹CO2硬化时的硬化机理均包括物理脱水和化学反应两部分.     

CO2硬化水玻璃的改性与应用

采用含有羰基、羧基的1#改性树脂,含有苯环、羟基、醛基的2#改性树脂,含有酰胺基的3#改性树脂作为细化CO2硬化水玻璃凝胶胶粒的改性剂的主干材料,对水玻璃进行改性处理。实验结果表明：1#改性树脂改性水玻璃与普通水玻璃相比,提高了常温下的粘结强度;改善了高温强度;消除了800℃时型砂的残留强度峰值。浇注实践证实,改性水玻璃能在实际生产中成功地应用,并具有溃散性好,浇出的铸件质量好等优点。     

改性水玻璃的X衍射分析

分别选择带有不同极性基团的1^#、2^#、3^#改性用树脂作为改性剂的主干材料,对水玻璃进行改性处理。实验结果表明：改性水玻璃与普通水玻璃相比,明显提高了常温下的粘结强度,大大改善了热强度和高温强度,从根本上改变了800℃时的残留强度峰值。为什么会有这样的效果呢？为寻求问题的答案,我们对普通水玻璃G和改性水玻璃18^#粘结剂摸进行X衍射分析。实验结果表明：普通水玻璃和改性水玻璃吹CO2硬化后的凝胶膜组织以非晶态为主,含有少量的晶态物质,但是这两种水玻璃凝胶膜的X衍射图谱并不相同。普通和改性水玻璃吹CO2硬化后的凝胶膜分别在不同温度下焙烧,在600℃和800℃的产物中,两种水玻璃的物相显著不同处是改性水玻璃中有有机酸钠和有由氧化钠、高价金属等形成的多元化合物。     

水玻璃改性机制的透射电镜研究

选择带有不同极性基团的1#、2#、3#改性用树脂作为改性剂的主干材料,对水玻璃进行改性处理。试验结果表明：改性水玻璃与普通水玻璃相比,明显提高了常温下的粘结强度,大大改善了热强度和高温强度,从根本上改变了800℃时的残留强度峰值。通过透射电镜观察证明：改性水玻璃的凝胶胶粒比普通水玻璃的凝胶胶粒细小,这说明含有极性基团的有机化合物的确可以细化水玻璃凝胶胶粒。不同的改性树脂,即不同的极性基团有不同的改性效果,所获得凝胶胶粒粗细不同,对应的型砂抗压强度也不同。     

用核磁共振谱和差热分析研究水玻璃改性机制

利用核磁共振谱（^13C NMR）探查改性水玻璃凝胶胶粒,发现1^#改性树脂中的羰基与水玻璃中的硅羟基之间通过氢键键合,将改性树脂束缚在聚硅酸胶粒表面,限制胶粒长大,从而细化水玻璃的凝胶胶粒,提高粘结强度。差热分析证明,普通水玻璃和改性水玻璃既有相同的吸、放热峰,又有明显的不同之处．说明由于改性树脂和改性助剂的加入,已使改性水玻璃的组成发生了明显的变化。     

不同硬化方法形成的水玻璃胶粒的微观形态变化及其原因探讨

采用有机酯硬化、加热硬化钠水玻璃砂的强度均比CO2硬化的成倍提高。通过实验和分析可知：水玻璃砂CO2硬化法比有机酯硬化法、加热硬化法强度低的主要原因是CO2硬化法的凝胶胶粒粗大。酯硬化法之所以可获得细小的水玻璃凝胶胶粒是由于醋酸和聚硅酸表面硅羟基以氢键键合，即通过氢键使醋酸束缚在高聚硅酸盐粒子上阻抑胶粒长大。加热硬化时胶粒细小是靠外加的能量，使水玻璃水溶液减少，浓度增大，这样，既增加硅酸分子间碰撞机会，有利形成更多的胶粒，也使胶粒中包含的水溶液变少，因而胶粒细小。CO2硬化时，硅酸的硅羟基与硅羟基间的结合可以自由进行，缺乏制约，而且，胶粒中包含的水溶液较多，因而胶粒粗大。所以，提高CO2水玻璃砂粘结强度的关键在于抑制硬化过程中胶粒的过于长大。     

CO2硬化水玻璃凝胶胶粒的细化

酯硬化法比ＣＯ２硬化法水玻璃砂强度高的主要原因是粘结膜凝胶胶粒小。酯法能使凝胶胶粒细化主要是由于酯分解出的醋酸和聚硅酸表面硅羟基以氢键键合，使硬化过程中胶粒的长大受到制约。作者合成并选择了几种以水溶性聚合物为基的树脂对水玻璃改性，吹Ｃ２硬化后，使胶粒细化。用＾１３ＣＮＭＲ谱对改性水玻璃进行检查，证实树脂中的羰基和水玻璃中的硅羟基之间形成了氢键。     

CO2硬化改性水玻璃砂粘结强度的研究

研究了改性水玻璃砂的强度性能.其中,G代表普通水玻璃;18号为优选出来的用含有羧钠基的1号改性树脂改性的水玻璃;A1为用含有酰胺基的3号改性树脂改性的水玻璃;B2是用含有苯酚的2号改性树脂改性的水玻璃.试验结果表明,在相同的粘结剂加入量和吹气工艺条件下,初强度值的增大顺序为A,>18号>G>Bz;终强度值的增大顺序为18号>B2>A1>G.比较起来18号的综合性能较为理想.随着吹气时间的延长,型砂初始强度不断上升,而终强度则逐步下降.随着吹气流量增大,初强度下降而终强度上升.     

聚氧化乙烯改性水玻璃粘结剂的研究

确定了聚氧化乙烯改性水玻璃粘结剂的基本组分,测试了有机酯自硬和CO2气硬型砂的常温粘结强度和高温残留强度。研究发现,在水玻璃中加入聚氧化乙烯树脂能改善水玻璃的老化现象,充分发挥其粘结效率;粘结剂加入量相同时,型砂强度是普通水玻璃砂的1.5倍,800～1000℃时,型砂残留强度≤0.5MPa。结果表明,聚氧化乙烯改性水玻璃粘结剂加入量低,型砂工艺性能良好,浇注后出砂容易,有利于旧砂进一步干法回用。