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铸造用水玻璃改性技术及应用研究

作　者: 谈剑
导　师: 张希俊
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 水玻璃砂 改性机理 物理改性 化学改性 联合改性
分类号: TG221
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


在占铸造份额90%的三大型砂当中,水玻璃砂在降低生产成本,提高铸件质量,简化工艺操作,特别是环境保护等方面都具有很大优势,是最有可能实现绿色清洁铸造,符合二十一世纪生产要求的型砂。但这种砂也存在吸湿性强、溃散性差,水玻璃加入量大而导致落砂清理困难,旧砂回用性差的问题,给水玻璃砂的使用和推广带来很大麻烦。为此,开发适用于铸造生产的具有高粘结性能和高抗吸湿性的改性水玻璃,以降低型砂的水玻璃加入量,是一个实用而迫在眉睫的问题,也是本课题研究目标的所在。本文对水玻璃特性、改性方法及改性机理进行了全面的总结与分析。以“水玻璃的物理改性在于消除老化;化学改性在于阻缓老化”的改性指导思想为基础,得出了物理改性主要是往水玻璃体系中供应能量,打散因老化而聚合的胶粒,使聚硅酸的聚合度重新均匀化,从而消除水玻璃的老化;化学改性主要是向水玻璃体系中引入新物质,以吸附或穿插在聚硅酸表面,降低表面能,提高稳定性,减小聚硅酸进一步缩聚的倾向,从而阻缓水玻璃老化的改性方法。在水玻璃改性机理分析指导下,确定了水玻璃改性方案。物理方面采用脉冲电流对水玻璃进行改性。设计制作了一套脉冲电流触发装置,以不同的电压、频率、电极及脉冲处理时间分别对水玻璃进行改性处理,然后对其粘结性能进行了试验研究,并用正交实验法优选了脉冲电流改性水玻璃的最佳工艺参数。化学方面采用多重化学复合对水玻璃进行改性。研究分别从有机物、无机盐、表面活性剂、纳米粒子四个方面进行,通过对改性剂所要起到作用的分析与选择范围的探索,选取了四种有机物及三种其它物质作为多重化学复合的改性材料,分别研究了它们的加入量与水玻璃性能的关系,确定了较佳改性配比。为了进一步提高水玻璃的综合改性效果,本文提出了物理-化学联合改性水玻璃的设想,进行了联合改性工艺的研究,并采用有机酯硬化和CO2,硬化工艺对联合改性水玻璃的粘结强度及多种使用性能进行了测试。实验结果表明:各种改性都能使水玻璃的抗吸湿性和粘结强度有不同程度的提高,残留强度降低。联合改性水玻璃适用于CO2和有机酯硬化工艺,具有良好的使用性能。在温度23℃,湿度60%RH的环境下,联合改性能提高CO2硬化水玻璃砂的抗吸湿性能166.7%,有机酯硬化水玻璃砂的抗吸湿性能41.7%;在温度25℃,湿度20%RH的环境下,能使它们的粘结强度分别提高78.3%和58.2%,残留强度降低63.7%和60.0%。联合改性有效地提高了水玻璃的抗吸湿性与粘结性,可以在保证型砂使用强度的前提下将有机酯硬化水玻璃砂的水玻璃绝对加入量降低到2.33%,CO2硬化水玻璃砂的水玻璃绝对加入量降低到3.89%,残留强度下降2/3。最后,用透射电子显微镜,红外光谱仪,扫描电子显微镜等设备对用不同方法改性的水玻璃进行了观察与分析。检测结果进一步验证了作者对各种改性机理分析的正确性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-14
第一章 绪论  14-22
  1.1 选题背景  14-15
  1.2 水玻璃砂的发展与在生产上的优势  15-16
    1.2.1 水玻璃砂的起源与发展  15
    1.2.2 水玻璃砂在生产上的优势  15-16
  1.3 国内外水玻璃改性研究发展概况及研究成果  16-19
  1.4 本课题的研究意义与研究内容  19-22
    1.4.1 课题研究意义  19-20
    1.4.2 研究内容  20-22
第二章 水玻璃的特性  22-34
  2.1 水玻璃基础知识  22-23
    2.1.1 水玻璃的定义  22
    2.1.2 水玻璃的主要参数  22-23
    2.1.3 水玻璃的性质  23
  2.2 水玻璃老化  23-28
    2.2.1 水玻璃老化的定义  24
    2.2.2 水玻璃的聚合过程  24-25
    2.2.3 水玻璃老化机理  25-26
    2.2.4 老化对水玻璃砂性能的影响  26-28
    2.2.5 老化的危害  28
  2.3 水玻璃砂粘结性能  28-31
    2.3.1 水玻璃砂粘结强度的定义  28-29
    2.3.2 水玻璃砂断口破裂形式  29
    2.3.3 细化胶粒提高水玻璃粘结性能  29-30
    2.3.4 扩大粘结桥截面积提高水玻璃粘结性能  30-31
  2.4 水玻璃砂吸湿  31-33
    2.4.1 水玻璃砂吸湿的定义  31
    2.4.2 吸湿对水玻璃砂性能的影响  31-32
    2.4.3 水玻璃砂吸湿机理及危害  32
    2.4.4 改善水玻璃砂抗吸湿性的方法  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章 水玻璃改性机理及研究方案的确定  34-41
  3.1 改性指导思想  34
  3.2 水玻璃改性方法  34-35
  3.3 物理改性  35-36
    3.3.1 水玻璃物理改性的定义  35
    3.3.2 物理改性机理  35-36
  3.4 化学改性  36-39
    3.4.1 水玻璃化学改性的定义  36
    3.4.2 化学改性机理  36-39
  3.5 联合改性  39
    3.5.1 水玻璃联合改性定义的提出  39
    3.5.2 联合改性机理的探讨  39
  3.6 水玻璃改性具体研究方案的拟定  39-40
  3.7 本章小结  40-41
第四章 物理改性水玻璃的研究  41-63
  4.1 物理改性方案的选择  41
  4.2 脉冲电流改性的提出及改性机理初探  41-42
    4.2.1 脉冲电流改性的提出  41-42
    4.2.2 脉冲电流改性机理初探  42
  4.3 物理改性研究步骤  42
  4.4 脉冲电流触发装置的设计制作  42-43
  4.5 探索实验  43-45
    4.5.1 实验用材料、主要仪器设备及型砂配制  43-44
    4.5.2 实验现象  44-45
    4.5.3 现象分析  45
  4.6 脉冲电流改性机理的探讨  45-46
  4.7 影响水玻璃性质主要参数的试验研究  46-52
    4.7.1 脉冲电压的影响规律  46-48
    4.7.2 脉冲频率的影响规律  48-50
    4.7.3 改性时间的影响规律  50-51
    4.7.4 脉冲电极的影响规律  51-52
  4.8 脉冲电流改性实验研究  52-58
    4.8.1 探索性研究  52-54
    4.8.2 正交实验设计  54-56
    4.8.3 合理改性方案的确定  56-58
  4.9 脉冲电流改性水玻璃时效性研究  58-59
    4.9.1 时效性测试实验  58-59
    4.9.2 实验结果及分析  59
  4.10 聚硅酸胶粒检测  59-62
    4.10.1 检测设备及目的  59-60
    4.10.2 结果及分析  60-62
  4.11 本章小结  62-63
第五章 化学改性水玻璃的研究  63-94
  5.1 化学改性方案的选择  63
  5.2 多重化学复合改性可行性探讨  63-64
  5.3 多重化学复合改性研究步骤  64-65
  5.4 本章实验用材料、主要仪器设备及型砂配制  65
    5.4.1 实验用材料  65
    5.4.2 主要仪器与设备  65
    5.4.3 测试粘结性能用型砂的配制  65
  5.5 水玻璃有机物改性剂的研究  65-76
    5.5.1 改性剂要起到的作用  65-66
    5.5.2 有机改性剂的选择  66-67
    5.5.3 四种有机物改性剂的试验研究  67-70
    5.5.4 有机复合改性水玻璃的制备工艺及研究  70-72
    5.5.5 有机复合改性水玻璃制备工艺的优化  72-74
    5.5.6 有机复合改性水玻璃最佳制备工艺的验证  74-76
  5.6 水机璃无机盐改性剂的研究  76-79
    5.6.1 无机复合剂要起到的作用  76
    5.6.2 改性用无机盐的选择  76-77
    5.6.3 5#无机盐改性剂的试验研究  77-79
  5.7 水玻璃表面活性改性剂的试验研究  79-81
    5.7.1 改性剂要起到的作用  79
    5.7.2 改性用表面活性剂的选择  79-80
    5.7.3 6#表面活性剂对水玻璃性能的影响  80-81
  5.8 水玻璃纳米粒子复合改性剂的试验研究  81-84
    5.8.1 可行性分析  81
    5.8.2 改性机理的探讨  81
    5.8.3 纳米粒子复合改性剂与粉末溃散剂区别  81-82
    5.8.4 探索性实验  82
    5.8.5 实验分析及改性用纳米粒子的选择  82-83
    5.8.6 7#纳米粒子对水玻璃性能的影响  83-84
  5.9 多重化学复合改性实验研究  84-88
    5.9.1 多重化学复合改性水玻璃的制备  85
    5.9.2 多重化学复合改性水玻璃粘结性能研究  85-86
    5.9.3 多重化学复合改性水玻璃时效性研究  86-88
  5.10 水玻璃分子结构检测  88-92
    5.10.1 红外光谱  88-91
    5.10.2 X衍射  91-92
  5.11 本章小结  92-94
第六章 联合改性水玻璃的研究  94-112
  6.1 物理-化学联合改性的提出  94
  6.2 联合改性水玻璃可行性分析  94-95
  6.3 联合改性水玻璃合成工艺的研究  95-96
    6.3.1 合成方案  95
    6.3.2 实验及结果  95-96
    6.3.3 结果分析  96
  6.4 联合改性水玻璃性能的研究  96-98
    6.4.1 实验用材料、主要仪器设备及型砂配制  96-97
    6.4.2 测试实验及结果  97-98
    6.4.3 实验结果分析  98
  6.5 CO_2硬化联合改性水玻璃的研究  98-103
    6.5.1 实验用材料、主要仪器设备及型砂配制  98-99
    6.5.2 粘结性能研究  99-100
    6.5.3 存放性研究  100-101
    6.5.4 表面稳定性研究  101-102
    6.5.5 可使用时间研究  102-103
  6.6 联合改性水玻璃验证实验  103-104
    6.6.1 实验用材料、主要仪器设备及型砂配制  103-104
    6.6.2 实验结果及分析  104
  6.7 成本估算与分析  104-105
    6.7.1 成本估算  104-105
    6.7.2 经济性分析  105
  6.8 水玻璃粘结形态检测  105-111
    6.8.1 检测设备及目的  105-106
    6.8.2 结果及分析  106-111
  6.9 本章小结  111-112
第七章 结论与展望  112-115
  7.1 结论  112-114
  7.2 展望  114-115
致谢  115-116
参考文献  116-123
附录  123-125

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 铸造 > 铸造原材料及配制 > 造型材料
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