第三章___粘结剂

3.1粘结剂的分类根据来源分类天然粘结剂人造粘结剂根据硬化特性分类物理粘结剂化学粘结剂根据与水的亲和力分类亲水粘结剂憎水粘结剂根据粘结剂分子式分类无机粘结剂有机粘结剂常用粘结剂有:粘土(包括普通粘土和膨润土)水玻璃(钠水玻璃)树脂植物油合成油脂面粉和糊精纸浆废液、糖精水泥沥青一、铸造用粘土及应用1.粘土的矿物组成、性能及分类粘土矿物组成定义:粘土是由细小结晶质(小于2um)的粘土矿物所组成的土状材料。对“粘土”这个词，目前不能用简单而确切的语句来定义。美国陶瓷学会所给的定义是：粘土是细粒的岩矿，它有如下特点：加水润湿，即成可塑状态；将此种可塑状态的含水物烘干，则成为硬的块状物；将脱水的块状物在高温下烧结，则成为坚硬的岩石样块状物。粘土是湿型砂的主要粘结剂。粘土被水湿润后具有粘结性和可塑性；烘干后硬结，具有干强度，而硬结的粘土加水后又能恢复粘结性和可塑性，因而具有较好的复用性。但如果烘烤温度过高，粘土被烧死或烧枯，就不能再加水恢复塑性。粘土资源丰富，价格低廉，所以应用广泛。粘土矿物主要是含水的铝硅酸盐，化学式可简写成mAl2O3·nSiO2·xH2O。组成及化学式：粘土是由各种含有铝硅酸盐矿物的岩石经过长期的风化、热液蚀变或沉积变质作用等生成的。形成机理：粘土的性能特点铸造用粘土是型砂的一种主要粘结剂。被水湿润后具有粘结性和可塑性；烘干后硬结，具有干强度，而硬结的粘土加水后又能恢复粘结性和可塑性，因而具有较好的复用性；资源丰富，价格低廉，应用广泛。粘土的分类铸造用粘土膨润土普通粘土化学式为Al2O3·2SiO2·2H2O主要成分为高岭石类粘土矿物化学式为Al2O3·4SiO2·H2OnH2O主要成分为蒙脱石类粘土矿物膨润土用符号P 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示普通粘土用符号N表示高岭石和蒙脱石的晶体基本结构单位普通粘土和膨润土性能比较（1）高岭石类粘土矿物1）晶体结构特点①单位晶层由一层硅氧四面体和一层铝氧、氢氧八面体构成②四面体的顶端都指向八面体层，并与八面体共用顶端的氧原子③单位晶层沿一个方向一层层地重叠起来，在另外两个方向无限展开2）性能特点①相邻单位晶层由于是氧和氢氧离子，易形成氢健，结合比较牢固，结晶不易分散，晶体比较粗大，表面电荷量低，比表面积较小②水仅能进入晶层间被吸附在晶体边缘，吸水膨胀性小，粘结性较差（2）蒙脱石类粘土矿物1）晶体结构特点①单位晶层由两层硅氧四面体中间夹着一层铝氧、氢氧八面体构成②两层四面体的顶端都指向八面体层且与八面体共用顶端的氧原子③单位晶层沿一个方向一层层重叠，在另外两个方向无限展开2）性能特点①晶层之间是氧氧原子健，结合力较弱，容易断开，所以蒙脱石的晶粒细小，比表面积大；②水能进入晶层间及晶体表面，吸水膨胀较大，粘结性好。粘土的胶体特性一、粘土颗粒带负电性1）晶层边缘破键，如Al—O、Si—O离子键断裂，形成不饱和键。2）晶层内部被交换，如Si4+被Mg2+、Al3+取代，Al3+被Mg2+取代。3）在晶层边缘氧原子有剩余的电荷原因：高岭土一般主要是晶层间破键，电荷量少膨润土主要是晶体内部的置换，电荷量大膨润土钠膨润土钙膨润土主要交换性阳离子为钙离子主要交换性阳离子为钠离子钠膨润土用符号PNa表示钙膨润土用符号PCa表示酸性膨润土碱性膨润土用符号S表示用符号J表示膨润土根据吸附阳离子的分类膨润土理化特性优点：a.吸水率和膨胀倍数大，在介质中分散性好c.有较好的可塑性，较高的强度及抗加砂能力等b.热稳定性好，在较高的温度下仍能保持其膨胀性缺点：吸水速度较慢d.资源较丰富，开采和供应比较方便。高岭土的理化特性优点：a.耐火度高。b.干强度高。缺点：湿强度低，抗夹砂结疤能力差c.资源较丰富，开采和供应比较方便。活化处理——是指根据粘土的阳离子交换特性，对钙基膨润土进行处理，使之转变为钠基膨润土。活化剂：最常用的活化剂为碳酸钠，加入量一般为膨润土的4%～5%；化学反应机理：Ca2+—蒙脱石+Na2CO3→Na+—蒙脱石+CaCO3↓膨润土的活化处理粘土的粘结机理由于粘土质点带负电荷，加水以后，水分子会定向地排列在粘土质点的周围和粘土中阳离子的周围，形成水化壳层；吸附了水分子的阳离子称为水化阳离子。——粘土质点水化后，形成的粘土胶团。水化现象:水化阳离子粘土胶团——a)粘土胶团b)水化阳离子机理:粘土胶团与水化阳离子接近时，相互吸引，于是水化阳离子就在粘土胶团之间起“桥”或键的作用，形成粘结力，使粘土颗粒相互结合起来。机理示意图：粘土型砂的粘结a.砂粒因自然破碎，以及在混碾、紧实的过程中破碎，而使破碎表面带微弱负电，也能使极性水分子定向排列在砂粒周围。b.当砂、粘土和水按一定比例混合后，粘土胶团与砂粒之间具有公共水化膜，通过水化阳离子的桥梁作用，使粘土胶团与砂粒相互结，并通过紧实使型砂具有一定的强度。机理示意图：机理:影响粘土粘结性的因素若水分过低，则不能形成完整的水化膜；若水分过高，就会出现自由水。在这两种情况下，湿态粘结力都不大，只有在粘土和水量比例适宜时，才能获得最佳的湿态粘结力。一般说来，粘土颗粒所带电荷越多或粘土颗粒越细小，比表面积越大，则湿粘结力越大。（1）水分（3）粘土本身的吸水性粘土吸附水性与粘土的种类有关。膨润土的吸水能力大于普通粘土，故膨润土的湿态粘结能力比普通粘土好。一般说来，粘土颗粒所带电荷越多或粘土颗粒越细小，比表面积越大，则湿粘结力越大。（2）粘土颗粒所带电荷1.在较高温度下长时间烘烤，使粘土层间水完全除去，则粘土颗粒不再呈电性，颗粒间的静电斥力也同时消失；致使粘土和砂粒联结力仅是分子间的引力。2.蒙脱石在600～800℃失去结构水，高岭石在400～600℃失去结构水。粘土失去结构水后将导致矿物结构被破坏，成为不再具有粘结能力的失效粘土（又称为死粘土）粘土失去结构水后将导致矿物结构被破坏，成为不再具有粘结能力的失效粘土（又称为死粘土），这是型砂反复使用后性能变坏的原因之一。影响粘土失效原因（1）粘土之间水分和粘土本身结构水消失（2）粘土本身的熔点高岭石的熔点大约为1650～1775℃，蒙脱石的熔点为1200～1300℃，所以当加热温度过高时，粘土会熔化，铸型的强度显著降低。粘土的应用（1）粘土的选用粘土砂湿型和表面烘干型一般选用膨润土湿型砂使用钠基膨润土可以提高其热湿粘结力和焙烧后粘结力具有大平面的铸件，为减少铸件夹砂缺陷，应选用钠基膨润土对于生产中小铸铁件，使用钙基膨润土常可以取得良好的效果；必要时可将钠基膨润土和钙基膨润土混合使用，充分发挥两类膨润土的特点，以取得较好的综合效果，也可将膨润土与普通粘土混合使用在手工造型生产大型铸纲件采用干型时，应选用耐火度高的优质普通粘土。（2）普通粘土的性能指标1）普通粘土按耐火度、湿亚强度、干强度分级铸造用普通粘土按耐火度分级1530~1580℃＞1580℃耐火度DG等级代号耐火度低的耐火度高的等级铸造用普通粘土按湿压强度值分级20~30＞30~50＞50工艺试样湿压强度/kPa235等级代号铸造用普通粘土按干压强度值分级200~300＞300~500＞500工艺试样干压强度/kPa203050等级代号2）普通粘土的牌号普通粘土牌号以耐火度等级和强度等级表示。3）技术要求各牌号普通粘土，其含水量不大于10%（质量分数），其质量的95%以上应能通过筛孔尺寸为0.106mm的铸造用试验筛。（3）膨润土的性能指标膨润土按热湿拉强度值分级膨润土按湿压强度值分级30~50＞50~70＞70~100＞100工艺试样湿压强度/kPa35710等级代号0.5~1.5＞1.5~2.0＞2.0~2.5＞2.5工艺试样热湿拉强度/kPa5152025等级代号水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称。铸造上最常用的是钠水玻璃，来源充足，价格便宜；钠水玻璃的分子式为Na2O·mSiO2·nH2O；商品名称为“泡花碱”，化学名称为水溶性硅酸钠溶液；硅酸钠是弱酸强碱盐，pH值一般为11～13。二、水玻璃粘结剂1、水玻璃的制取 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 干法生产高纯度石英砂碳酸钠1400～1500℃高温反应熔融硅酸钠高压釜中通高压水蒸气湿法生产高纯度石英砂烧碱160℃高压低温反应含水硅酸钠2、水玻璃的组成水玻璃由Na2O和SiO2及水分子构成，但水玻璃中没有独立的Na2O和SiO2存在，还是根据两者的含量比例不同，构成不的形态的硅酸钠，从而表现不同的性质。3、水玻璃的特性钠水玻璃的参数主要有模数、密度、浓度和粘度等。1）模数①模数含义：钠水玻璃中SiO2与Na2O的摩尔数（分子数）之比称为水玻璃的模数。即:②模数对性能影响：模数高，SiO2的相对含量高，此水玻璃的粘度大，硬化速度快；但模数太高，铸型（芯）的硬化强度不高。铸造生产中最常用的水玻璃模数为2.0～3.0之间。③模数的调整方法：加入适量NaOH法降低模数反应式为：mSiO2＋2NaOH→Na2O·mSiO2＋H2O计算式为：M—需要调整到的目标模数b—原水玻璃中Na2O的含量a—原水玻璃中SiO2的含量GNaOH—100克水玻璃所需加入的NaOH含量加入HCl、NH4Cl法提高模数反应式：Na2O·mSiO2·nH2O＋2HCl→mSiO2·nH2O＋H2O＋2NaClNa2O·mSiO2·nH2O＋2NH4Cl→2NaCl＋mSiO2·（n－1）H2O＋2NH3↑＋2H2O计算式：2）浓度（密度)与粘度①浓度的含义及对性能的影响浓度反映了水玻璃中Na2O和SiO2的总体含量。当模数一定时，浓度越大，其密度也越大，固体含量高，水玻璃的粘结力增大。②浓度的调整方法浓度可以用加水稀释或浓缩的方法来调整当浓度一定时，模数越大，其粘度越大；当增加浓度时，高模数的粘度比低模数的粘度增加得更快；当模数不变时，水玻璃的浓度越大，则其粘度也越大。3）水玻璃模数和浓度对粘度的影响4)钠水玻璃砂的硬化机理硅酸钠的钠—氧键水解（向左为酸—碱化合)硅酸钠的钠—氧键离解钠水玻璃中的化学反应硅氧烷链(Si—O—Si)沿线性方向生长，就形成高聚物。当它在三维空间任意生长时，就形成凝固胶，这就导致了钠水玻璃的硬化。水解产生的硅酸不稳定，可以缩聚为多硅酸（向左则为多硅酸的水解）钠水玻璃的硬化机理①失水发生由液态到固态的转变—物理硬化凡是能去除纳水玻璃中水分的方法，如加热烘干、吹热空气或干燥的压缩空气、真空脱水、微波照射以及加入产生放热反应的化合物等都可使钠水玻璃硬化。液体钠水玻璃先变成粘稠液体，接着成为半固体，再变成脱水液体。如果进一步加热脱水，原则上可得到水合玻璃，然后是普通玻璃利用烘窑、煤气燃烧或移动式烘炉加热砂型（芯）能使水分降到0.5%左右，强度可达9～10MPa烘窑加热的温度为200～250℃，烘干时间40～150min；煤气燃烧或移动式烘炉加热温度一般不超过300℃，加热时间为2～3h。物理硬化法质量稳定，不易产生气孔、砂眼等缺陷，但劳动强度大，生产周期长，需加热设备，硬化时间长——产生化学反应，形成新的凝固胶高聚物产物②化学硬化钠水玻璃在PH值大子10以上很稳定，加入适量酸性或具有潜在酸性的物质时，其PH值降低，稳定性下降，使水解和缩聚反应过程加速进行。使水玻离生成空间连接的体型聚合物。硬化剂：酸性物质或能生成酸性物质的物质。常用的NH3Cl、CO2，硅铁粉、赤泥、碱性炉渣、铬矿渣和有机酯等。3.3有机粘结剂有机粘结剂是指碳氢化合物为主的有机物,它们的共同特点是在化学反应后线型有机物分子组成空间网络构架的体型高分子,彼此粘结成一个整体,所以这类粘结剂的特点是粘结强度高,由于有机物在高温下易裂解和碳化,这种粘结剂的砂残余强度低,溃散性好。有机物粘结剂粘结后为体型高分子，不可能再回到线型分子状态，因此不可复用。(介绍低分子，高分子，线型分子与体型分子的概念）1.植物油类的组成植物油是油脂的一种，其组成是脂肪酸甘油酯，各种油的特性主要取决于其脂肪酸的特性。在空气中可以自行干燥硬化的油称为干性油，干性油的硬化特性与其组成中的脂肪酸的种类和结构有很大关系。铸造工业中所用的植物油粘结剂主要有桐油、亚麻油和改性米糠油等，均属于干性油。一、植物油类粘结剂干强度高，但湿强度低，发气性低，透气性好，流动性好，出砂性好，不粘模，不吸湿，是一种一级型芯粘结剂。特点：植物油包括如下种类：软脂酸C15H31COOH硬脂酸C17H35COOH油酸CH3(CH2)7CH＝CH(CH2)7COOH亚油酸CH3(CH2)4CH＝CH－CH2－CH＝CH(CH2)7COOH亚麻酸CH3-CH2CH＝CH－CH2－CH＝CH－CH2－CH＝CH(CH2)7COOH桐油酸CH3(CH2)3CH＝CH－CH＝CH－CH＝CH(CH2)7COOH蓖麻油酸CH3(CH2)5－CH（OH）－CH2－CH＝CH(CH2)7COOH植物油粘结剂加热硬化过程中的化学反应是比较复杂的。现有理论认为是氧和干性油中不饱和脂肪酸中的双键的反应，在抗氧化剂被破坏之后，氧在临近双键的－CH－处被吸收，形成氢过氧化物；－CH(OOH)CH＝CH－。这些氢过氧化物进行一系列反应，产生一些化合物包括像低级脂肪酸和醛类，同时构成游离基团。这些游离基团引导双键交联，聚合形成油膜。具有共轭双键结构的桐油酸，其共轭双键两边的亚甲基因同时受两个或三个双键的影响，活化程度强，氧化成膜速度较快。亚油酸、亚麻酸等虽有两个或三个双键，但不成共轭体系，氧化速度较慢，形成的氧化膜也较软。2.硬化机理预热阶段油中的水分与挥发物质在加热初期挥发，氧在临近双键处被吸收。氧化阶段碳原子双键与空气中的氧生成过氧化物生成的过氧化物不稳定，易与含有双键的其它油分子通过“氧桥”进行聚合：聚合阶段随着氧化、聚合反应不断地、重复地进行，分子逐步增大(靠聚合反应)，使油从低分子有机物逐渐变为空间网状的体型高分子聚合物，液态油膜变为溶胶，随着分散介质的逐渐消失，溶胶转变为凝胶，最后成为坚韧的粘结剂膜。从而使砂芯具有很高的干强度。油分子中必须含有双键。在烘干过程中宜供应适量的氧气,一般为向烘炉中鼓较足够的新鲜空气。值物油硬化反应应具备的条件是：3.评价植物油粘结剂的指标指标：碘价、酸值和皂化值碘价：100g植物油所能吸收的碘的数量，由于碘能在不饱和双键上进行氧化反应，可以根据碘价的大小衡量油中不饱和双键的多少。酸值：皂化值：1g植物油中游离脂肪酸所需的氢氧化钾的毫克数。它表征游离脂肪酸的含量。1g植物油中游离脂肪酸和化合酸所需的氢氧化钾的毫克数。它表征油的纯度与分子量的大小。4.烘干工艺在充分供氧的条件下加热至200～220℃，保温一定时间（与砂芯的壁厚有关），然后随炉冷却到50℃后出炉。注意：烘干过程中要保证供氧和通氧。5.粘结剂加入量及附加物的影响1）粘结剂加入量：粘结剂加入量过少，不能形成完整的油膜，达不到所需的强度，粘结剂过多，虽能保证形成油膜，但烘干时间长，对最终强度增加不大，并且使型砂发气性增大。2）粘结剂粘度的影响粘度增加，油膜的厚度增加，但在油加入量不足的情况下，则不能保证型砂的每一处都形成完整的油膜，因此整体强度反而不高，但粘度过小，油膜过薄，也不能形成好的干强度。在加入量固定的情况下，有一个最佳粘度值。3）附加物和水的影响由于油砂的湿强度很低，因此为提高湿强度，一般需加入适量的粘土、糊精和水。粘土和水加入量越大，湿强度越高，但干强度越低，糊精在加入量少的情况下，则对干强度降低不明显。二、合脂粘结剂合脂粘结剂是制皂工业的一项副产品，系用石蜡做原料制取合成脂肪酸时所余的蒸馏残渣。合脂的组成很复杂，很难精确分离，根据合脂各组分在不同溶液中的溶解和皂化特性可以粗略地认为合脂是由下列三种物质组成：1.合脂粘结剂的来源和组成1）不溶物2．脂肪酸混合物主要是中性氧化物和少量的未氧化石蜡。粘度很大的黑色粘稠物质，这种含有羟基酸（分子中含有羧基—COOH，又含有羟基—OH）的有机物，加热时很快硬化，有很高的强度。主要有高碳脂肪酸(C20一C25)及某些脂类。3．不皂化物合脂中各组分含量与所用石蜡原料及合成脂肪酸制取工艺有关。由于合脂组成复杂，其加热硬化反应也很复杂，至今尚未完全清楚，但本质上仍是由低分子化合物转变成高分子化合物的过程。用合脂的不同组分单独配砂，在不同气氛中加热烘干的试验结果证明，合脂的硬化过程中既有脂肪酸氧化聚合反应，但起主要作用的还是不溶物中的羟基酸进行的缩聚反应。2.合脂粘结剂的硬化机理1）羟基酸中的羟基与羧基与另一个分子中的羧基与羟基相互脱水缩聚3）羟基酸中的羟基与脂肪酸中的羟基脱水缩聚3）羟基酸在加热过程中脱水形成不饱和酯肪酸，在有氧的情况下继续加热发生氧化聚合反应。3.合脂粘结剂的评价指标合脂粘结剂的评价指标应是羟基酸，一般用酸值间接地表示。4.烘干工艺在有氧的条件下加热至200～240℃，保温一定时间（与砂芯的壁厚有关），然后随炉冷却到50℃后出炉。5.粘结剂加入量及附加物的影响机理与植物油相同，但合脂粘结剂粘度太大，一般需要加入煤油等稀释剂。3.4  有机化学粘结剂选用原则一、砂芯的分级砂芯按复杂程度，排气和出砂困难程度以及铸件内腔的质量要求分为5级I级砂芯——砂芯剖面细湾、形状复杂、芯头窄小，大部表面被金属包围，在铸件内形成不加工的内腔，内腔要求表面质量好、光洁。Ⅱ级砂芯——砂芯大部表面被液体金属包围，形状较复杂，有局部湾断面，芯头比I级砂芯的大，在铸件中构成表面质量好、光洁、部分或完全不加工的内腔。Ⅲ级砂芯——形状中等复杂，没有很薄的部分，但局部有凸缘、棱角、肋片、在铸件中构成重要的不加工表面的各种体积较大的砂芯。Ⅳ级砂芯——外形不复杂，在铸件中构成还需机械加工的内腔，或形成虽不加工但对组糙度要求不很严格的表面的砂芯。Ⅴ级砂芯——在大铸件中构成很大内腔的简单大砂芯。I、Ⅱ级砂芯选用1、2组粘结剂，因为这两组粘结剂比强度高，砂中加入较少量的粘结剂就可以使砂芯具有高的干强度，这样，也使芯砂发气量少，有利保证铸件质量。Ⅲ级砂芯可选用2、3组粘结剂。Ⅳ、Ⅴ级砂芯选用粘土、水玻璃、水泥等作粘结剂就可满足强度要求。粘结剂的分类