羧甲基纖維素鈉對石英粉涂料性能影響的研究

郭廣思，王健驍，劉 洋

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159；2.遼寧省水利事務中心，沈陽 110003)

由于消失模鑄造具有鑄件尺寸精確、適用范圍廣、清潔綠色等優(yōu)點，該技術近年來得到了突飛猛進的發(fā)展，在我國工業(yè)生產中已經(jīng)有了一定的規(guī)模，但我國消失模鑄造技術還處于較低水平[1]。消失模鑄造涂料可以很大程度上改善鑄件的質量，起到將金屬液與模型隔絕的作用，防止模型澆鑄過程中塌陷，改善鑄件表面質量，同時有很好的透氣性。有利于氣體的排出[2]。消失模鑄造涂料要有高強度、良好的懸浮性和粘度，同時在使用過程中簡單易操作，節(jié)約環(huán)保等特點。王萍萍等[3]也在涂料中加入CMC-Na作為懸浮劑，得到了很好的應用效果。呂小艷[4]將CMC-Na作為懸浮劑，得到的涂料有較好的懸浮性和粘度。作為懸浮劑的羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)對涂料的強度、粘度、懸浮性都有很大的影響，其加入量對涂料的成功與否起著關鍵影響。

1 實驗方法

1.1 涂料的組成

(1)耐火骨料

耐火骨料是鑄造涂料的主要組成部分，占涂料組分的80%左右，其性質直接決定鑄造涂料的性質[4]。選擇耐火骨料時需要考慮到耐火能力、骨料的形狀及粒度大小、化學穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、綠色無污染、價格便宜，來源廣泛等[5]。因此，本實驗選用石英粉作為耐火骨料，采用的石英粉目數(shù)為240目。

(2)懸浮劑

懸浮劑的作用是使液體擁有一定的懸浮能力，當液體中加入某種顆粒時可將顆粒懸浮于液體中，使液體能均勻地承載顆粒，同時也擁有長時間保存且不產生沉淀的能力[6]。除此之外，可保證涂料質量均勻，始終保持彌散狀態(tài)。本試驗選用鈉基膨潤土和CMC-Na共同作用。

(3)粘結劑

鑄造涂料的實質是耐火骨料層的保護作用，使涂料起到關鍵作用的前提是耐火骨料層能很好的黏附在模型表面，有一定的強度，在澆注過程中能抵抗高溫金屬液的沖刷而不脫落[7]。粘結劑要有很好的溶解性，能均勻分散在載液中，為骨料顆粒提供均勻的膠體環(huán)境[8]。本實驗選用的粘結劑是水玻璃和淀粉。

(4)載液

涂料中的載液起著至關重要的作用，其為耐火骨料的懸浮提供空間。本實驗選擇水為載液。

(5)其他添加劑

本實驗加入的其他添加劑有消泡劑、表面活性劑。

消泡劑：在涂料的配置過程中，各種成分的加入以及進行長時間的攪拌過程會產生大量氣泡，影響后續(xù)涂層的性能，所以在涂料中加入適當?shù)南輨p少氣泡的產生[9]。

表面活性劑：表面活性劑能顯著降低液體表面的張力，使涂料具有更好的綜合性能。

1.2 性能測試方法

涂料的粘度采用涂式杯來測量：將涂料倒進涂式杯并刮平，打開閥門后測量涂料斷流所用的時間，時間越長表明涂料的粘度越大。懸浮性采用靜置觀察法進行測量：向量筒中倒入50mL配置好的涂料，在陰涼處靜置24h后觀察，清水層所占的比例即為涂料的懸浮性。采用落砂法來測量強度：將砂子從距離玻璃板一米高度處自然下落，玻璃板上涂有預先準備好的均勻干燥的涂料層；當玻璃板上的涂料層被落砂打出4mm左右的圓坑時，稱量落下砂子的重量，以此來表示涂料的強度；落砂重量越大，涂料強度就越大。滴淌性的測量需要用到載玻片，將載玻片浸入涂料中40mm處蘸取涂料,并放置在燒杯上空，使涂料自然滴落，待無法滴落時，讀取天平上的質量，即為滴淌性的測量指標[10]。靜置24h后測量涂層厚度即為涂掛性指標。流平性的測試方法是將50mL涂料倒入式樣筒中，將試樣筒垂直提起，待涂料完全攤開后測量涂層最大半徑即為流平性指標。

1.3 各組分加入量

表1為涂料中各原材料的加入比例。

表1 涂料中原材料加入比例 %

2 原材料的準備

2.1 耐火骨料的準備

實驗中用到不同粒度的石英粉，石英粉原料為各種粒度的混合，需要進行不同粒度的篩分。在150℃對石英粉原料進行烘干，烘干時間大約1h，烘干后進行冷卻，用不同目數(shù)的篩網(wǎng)對原料進行篩分，將篩好的不同目數(shù)的石英粉進行密封保存，防止受潮。

2.2 懸浮劑的準備

實驗中的鈉基膨潤土配置成10%的膨潤土漿，CMC-Na需要配置成2%的水溶液。由于兩者在常溫下的溶解速度較慢，容易在水中結塊，所以兩者都要用攪拌配制。邊攪拌邊加入，直到液體中沒有結塊后，將兩溶液密封保存，防止吸水，靜置24h后待用。

2.3 粘結劑的準備

實驗中選用水玻璃和淀粉聯(lián)合作為粘結劑，水玻璃現(xiàn)用現(xiàn)取，無需配置，淀粉需要配置成10%的淀粉水溶液，實驗時現(xiàn)用現(xiàn)配。

3 實驗結果與分析

CMC-Na加入量分別為0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，研究其加入量對涂料的粘度、強度、滴淌性、懸浮性等性能的影響。實驗結果見表2。

表2 CMC-Na對涂料性能的影響

3.1 CMC-Na對涂料強度的影響

CMC-Na作為懸浮劑也會增強耐火骨料之間的結合，耐火骨料更加致密，增大涂料層的強度。

圖1為CMC-Na的加入量對強度的影響曲線圖。

圖1 CMC-Na加入量對強度的影響

由圖1可以看出，隨著涂料中CMC-Na含量的增加，涂料的強度逐漸增加，從40.3g增加至54.3g，涂料的強度整體保持在40g以上，考慮到涂料的清理問題，CMC-Na的加入量在0.3%～0.5%之間較好。

3.2 CMC-Na對涂料懸浮性的影響

圖2為CMC-Na的加入量對懸浮性影響曲線圖。

由圖2中可以看出，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的懸浮性有上升后穩(wěn)定的趨勢，在加入量為0.3%時，涂料的懸浮性最低為96%，在0.4%～0.6%時一直穩(wěn)定在100%左右，因為在CMC-Na加入量為0.4%后，CMC-Na所提供給載液的網(wǎng)狀絡合物結構達到飽和，所以懸浮性達到穩(wěn)定狀態(tài)。當涂料的懸浮性達97%以上時，涂料的性能較為穩(wěn)定，使用效果較好，所以CMC-Na的加入量0.4%～0.6%之間較好。

圖2 CMC-Na加入量對懸浮性的影響

3.3 CMC-Na對涂料粘度的影響

圖3為CMC-Na的加入量對粘度的影響曲線圖。

圖3 CMC-Na加入量對粘度的影響

由圖3中可以看出，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的粘度逐漸增加，從31.2s增加至40.2s；在加入量在0.6%時涂料的粘度達到最大為40.2s；在加入量在0.3%～0.5%之間時，涂料的粘度在30～40s之間，符合涂料的使用要求，所以涂料中的CMC-Na加入量在0.3%～0.5%之間較好。

3.4 CMC-Na對涂料滴淌性的影響

圖4為CMC-Na的加入量對滴淌性影響曲線圖。

圖4 CMC-Na加入量對滴淌性的影響

由圖4可以看出，隨著CMC-Na加入量增加，涂料的滴淌性降低。在加入量為0.3%時，涂料的滴淌性最大為0.879g；在四種加入量中，加入量為0.6%時，為最低的0.821g。作為懸浮劑的CMC的增加會使涂料的粘度有一定的增加，所以滴落的涂料會減少，但總體上變化幅度不大，都保持在0.8～0.9g之間，符合涂料的使用要求。

3.5 CMC-Na對涂料透氣性的影響

在配制CMC-Na溶液的時候就可以看出，CMC-Na溶液較為粘稠，其與載液混合后增大涂料的粘度，在給耐火骨料提供支撐的同時也會使耐火骨料顆粒之間緊密的結合在一起，從而降低涂料的透氣性。

圖5為CMC-Na的加入量對透氣性的影響曲線圖。

圖5 CMC-Na加入量對透氣性的影響

由圖5可以看出，涂料的透氣性隨著CMC-Na加入量的增加逐漸減小，從69.4%降低至64.8%。CMC-Na加入量在0.6%時涂料的透氣性較差，已經(jīng)不能滿足涂料的使用要求，所以CMC-Na的加入量最好保持在0.3%～0.5%。

3.6 CMC-Na對涂料流平性的影響

涂料的粘度和流平性是相反的，當涂料粘度變大時，涂料的流動性降低，使涂料的流平減小。

圖6為CMC-Na的加入量對流平性影響曲線圖。

圖6 CMC-Na加入量對流平性的影響

由圖6中可以看出，涂料的流平性隨著CMC-Na加入量的增加逐漸減小，從13.7cm減小至12.6cm，整體上降低了1cm左右，這個范圍符合涂料的使用要求，所以涂料中作為懸浮劑的CMC-Na的含量在0.3%～0.6%之間較好。

3.7 CMC-Na對涂料涂掛性的影響

圖7為CMC-Na的加入量對涂掛性影響曲線圖。

圖7 CMC-Na加入量對涂掛性的影響

由圖7可以看出，隨著CMC-Na加入量的增多，涂料的涂掛性增大，從0.1mm增大到0.13mm左右。CMC-Na的增加使得單位面積內懸浮的耐火骨料顆粒增多，所以在載玻片上的涂層會隨著CMC-Na的增多變厚?？傮w上涂掛性保持在較好的狀態(tài)，符合涂料的使用要求。

3.8 CMC-Na對涂料pH的影響

圖8為CMC-Na的加入量對pH影響曲線圖。

圖8 CMC-Na加入量對pH的影響

由圖8可以看出，隨著CMC-Na加入量的增多，涂料的pH有很小波動變化，總體維持在10.25左右，滿足涂料弱堿性的使用要求。由此可見，CMC-Na的加入量對涂料pH值并沒有太大的影響，在考慮到CMC-Na加入量時pH值可以不作為分析的因素。

3.9 CMC-Na對涂料密度的影響

圖9為CMC-Na的加入量對密度的影響曲線圖。

圖9 CMC-Na加入量對密度的影響

由圖9可以看出，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的密度增加，在加入量從0.3%增加到0.6%時，涂料的密度從1.173g/mL增長到1.209g/mL。涂料中CMC-Na的增加使得涂料中耐火骨料分布更加均勻，減少了脫離粘稠組織的耐火顆粒，所以會使涂料的密度增大。

4 結論

在石英粉涂料中，隨著CMC-Na加入量的增加，涂料的強度逐漸增大，在0.3%～0.5%之間較好；涂料的懸浮性在加入量為0.4%～0.6%之間較好，穩(wěn)定在100%左右；涂料的粘度逐漸增大，在加入量為0.4%～0.6%之間較好；涂料的滴淌性逐漸減小;涂料的PH穩(wěn)定在10.2左右，始終保持弱堿性；涂料的密度變化范圍也在合理范圍內。綜合對上述幾種性能的分析，CMC-Na的加入量為0.5%時，涂料的綜合性能最好。