聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水溶性型芯的制備與性能

潘文軒 玄偉東 段方苗 白小龍 任興孚 任忠鳴

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.中國聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司，北京 100061）

隨著我國航空航天和汽車工業(yè)的發(fā)展，熔模精密鑄件的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其尺寸精度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的要求也越來越高［1］。目前，在汽車及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等精密鑄件中常設(shè)計(jì)有許多數(shù)量不等、無法采用機(jī)加工成形的復(fù)雜孔和內(nèi)腔，其中一些直徑較小的孔可通過鑄件內(nèi)部制備的陶瓷型芯，在鑄件冷卻后直接將其從鑄件內(nèi)部清除的方法來成形，而那些形狀特別復(fù)雜或不允許有拔模斜度的內(nèi)腔則難以成形［2-4］。為此，研究者開發(fā)了多種水溶性型芯來成形鑄件的復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，根據(jù)型芯基體材料和黏結(jié)劑的不同，主要分為水溶性有機(jī)型芯、水溶性砂芯、水溶性鹽芯和水溶性陶瓷型芯［5-8］。

其中，以水溶性高分子材料聚乙二醇為黏結(jié)劑制備的型芯，因具有成形性好、表面光潔度高、易脫除等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于熔模精密鑄造。然而由于聚乙二醇芯強(qiáng)度不高，在蠟?zāi)褐七^程中表面受到較大沖擊壓力容易發(fā)生斷裂，因此通常加入一定量的增強(qiáng)材料以改善其力學(xué)性能［9-10］。

目前，常用的增強(qiáng)材料有纖維（碳纖維）、晶須（陶瓷晶須）和顆粒（SiC）材料等［11］。研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇（PVA）纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)良的有機(jī)增強(qiáng)材料，具有良好的抗裂性和韌性、機(jī)械強(qiáng)度高、分散性好等優(yōu)點(diǎn)，在增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度，改善其塑韌性等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，且尚未有針對(duì)PVA纖維與其他材料復(fù)合應(yīng)用于水溶性型芯的相關(guān)研究［12-14］。因此，針對(duì)水溶性型芯力學(xué)強(qiáng)度低、脆性大、易斷裂等問題，本文以具有良好水溶性的聚乙二醇作為黏結(jié)劑，云母粉、NaHCO3為填料，聚乙烯醇（PVA）纖維為增強(qiáng)材料，利用熱壓注法制備水溶性型芯，研究了PVA纖維添加量對(duì)聚乙二醇基水溶性型芯性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料制備

試驗(yàn)用原材料分別為聚乙二醇（江蘇海安石油化工廠，PEG-4000）、云母粉（河北高邑利和化工有限公司，45 μm）、NaHCO3、聚乙烯醇（PVA）纖維（渾源駿宏新材料有限公司）。水溶性型芯的成分如表1所示。

采用熱壓注方法制備水溶性型芯試樣。先將聚乙二醇放入HZ-3S型漿料攪拌器中加熱至78℃完全熔化，然后將均勻混合的填料和PVA纖維分批加入漿料中攪拌并抽真空，攪拌5 h后，將漿料倒入射蠟機(jī)，利用熱壓注成形的方法壓制水溶芯試樣，壓注溫度為70℃，注射壓力為0.4 MPa，保壓時(shí)間為40 s，模具尺寸為40 mm×10 mm×4 mm。對(duì)壓制好的素坯進(jìn)行修邊、去毛刺處理。

1.2 性能表征

根據(jù)HB 5353.2—2004《熔模鑄造陶瓷型芯性能試驗(yàn)方法第2部分：燒成收縮率的測(cè)定》，采用WDW-300型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗彎強(qiáng)度，跨距為30 mm，加載速率為0.5 mm/min。每組8個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果去掉最大值和最小值后取平均值。常壓下，將試樣完全浸入室溫水中，靜置后觀察試樣的水溶潰散情況及完全潰散所需的時(shí)間，并拍照記錄。每組試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值。在恒溫恒濕環(huán)境下，采用精密電子天平測(cè)量試樣吸濕前后的質(zhì)量，計(jì)算其吸濕率，吸濕率＝（吸濕后質(zhì)量－吸濕前質(zhì)量）/吸濕前質(zhì)量。每組試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值。利用SU-1500型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察試樣的斷口形貌與顯微組織，測(cè)試電壓為15 kV，觀測(cè)前試樣斷面進(jìn)行噴金處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 PVA纖維含量對(duì)水溶性型芯抗彎強(qiáng)度的影響

圖1為不同PVA纖維添加量型芯試樣的抗彎強(qiáng)度。由圖1可知，隨著PVA纖維含量的增加，型芯試樣的抗彎強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度最高為17.01 MPa。不同PVA纖維添加量試樣的斷口SEM形貌如圖2所示。由圖2（a）可知，未添加纖維的試樣斷口沒有明顯孔洞，層片狀的云母粉與聚乙二醇黏結(jié)在一起；從圖2（b，c）可以看出，隨著PVA 纖維添加量的增加，試樣斷口孔洞明顯增多。通常，PVA纖維的添加會(huì)導(dǎo)致孔洞的數(shù)量和尺寸增加，這些孔洞容易導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展（圖2（c）），從而降低試樣的抗彎強(qiáng)度。但試樣的抗彎強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而逐漸升高，這是因?yàn)镻VA纖維與聚乙二醇都是高分子有機(jī)材料，纖維與基體具有較好的相容性，纖維穿插于基體之中，起到了一定的增強(qiáng)作用；并且PVA纖維和水溶性型芯基體之間存在一些界面，這些界面導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)并延長斷裂路徑，從而提高了材料的抗彎強(qiáng)度；此外，在型芯斷裂過程中會(huì)發(fā)生纖維拔出效應(yīng)消耗更多的斷裂能，從而有利于型芯抗彎強(qiáng)度的提高。然而，隨著纖維含量的進(jìn)一步增加，一方面纖維分散不均勻，容易發(fā)生纖維搭接團(tuán)聚現(xiàn)象，這不利于纖維與基體的充分結(jié)合，將削弱纖維的橋聯(lián)作用［13］；另一方面由于纖維的含量過高導(dǎo)致云母粉與聚乙二醇之間的結(jié)合力減弱，從而惡化型芯的力學(xué)性能，使型芯的抗彎強(qiáng)度降低。

圖1 不同PVA纖維添加量型芯試樣的抗彎強(qiáng)度Fig.1 Flexural strength of the core specimens with different amounts of PVA fiber

圖2 不同PVA纖維添加量型芯試樣的斷口形貌Fig.2 Fracture patterns of the core specimens with different amounts of PVA fiber

2.2 PVA纖維含量對(duì)水溶性型芯水溶速率的影響

聚乙二醇的水溶過程主要分為兩步：首先，水分子通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用接觸并滲入水溶性黏結(jié)劑內(nèi)部，聚乙二醇吸水膨脹；其次，由于聚乙二醇膨脹致使分子間作用力減弱而被分散在水中開始溶解［15］。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了節(jié)約時(shí)間，一般會(huì)加入一定濃度的HCl或檸檬酸來提高水溶潰散速率，本文將尺寸為20 mm×10 mm×4 mm的4個(gè)水溶性型芯試樣分別置于靜止的純水中溶解5、10、15、20 min，溶解過程如圖3 所示。從圖3可以看出，水溶時(shí)間相同，添加PVA纖維試樣的水溶潰散性明顯優(yōu)于不含纖維的試樣，并且隨著水溶時(shí)間的延長，試樣向四周潰散的程度逐漸增大，說明PVA纖維加速了水溶性型芯的潰散。其中，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%試樣的潰散現(xiàn)象最明顯且潰散程度最大。此外，為了定量分析PVA纖維含量對(duì)水溶性型芯試樣水溶速率的影響，計(jì)算各試樣的初始質(zhì)量與完全溶解所需時(shí)間，結(jié)果如圖4所示?？梢婋S著纖維含量的增加，水溶速率先增大后減小，當(dāng)PVA纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，水溶速率最大，為1.52×10－3g/s。

圖3 不同PVA纖維添加量型芯試樣的水溶潰散圖Fig.3 Water dissolution collapse diagrams of the core specimens with different amounts of PVA fiber

圖4 不同PVA纖維添加量型芯試樣的水溶速率Fig.4 Water soluble rate of the core specimens with different amounts of PVA fiber

為了進(jìn)一步探究試樣的水溶潰散機(jī)制，觀察水溶后試樣的SEM形貌，如圖5所示。從圖5（a）可以看出，試樣表面有很多細(xì)小的孔洞，并且在水溶過程中，層片狀的云母粉與已潰散的糊狀漿料結(jié)合在一起，試樣表面浸蝕產(chǎn)生了一定數(shù)量的凹坑，這些凹坑加速了水分子的滲透。通常纖維的作用是為水分子提供快速通道，水分子更容易沿纖維路徑擴(kuò)散滲透。但是隨著試樣的潰散，穿插在基體中的纖維和云母粉與已潰散的糊狀漿料附著在一起形成了阻礙層，阻礙了水分子的進(jìn)一步滲透，導(dǎo)致試樣的水溶速率下降（圖5（c，d））［10］。因此，PVA纖維的添加量不宜過高。

圖5 不同PVA纖維添加量試樣水溶后的表面微觀形貌Fig.5 Surface morphologies of the core specimens with different amounts of PVA fiber after dissolving into water

2.3 PVA纖維含量對(duì)水溶性型芯抗吸濕性的影響

水溶性型芯原料中含有吸濕性較強(qiáng)的NaHCO3，型芯壓制后若沒有干燥的儲(chǔ)存條件，會(huì)出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象。為了探究水溶性型芯的抗吸濕性能，將不同PVA纖維添加量的試樣在恒溫恒濕環(huán)境中分別放置5、15、30和60 d后，稱量其質(zhì)量，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，隨著在空氣中暴露時(shí)間的延長，型芯吸收空氣中水分的質(zhì)量越大，30 d后型芯質(zhì)量增加趨勢(shì)減緩，最終達(dá)到濕度飽和點(diǎn)，試樣的累積相對(duì)吸濕量達(dá)到最大。此外，放置時(shí)間相同，PVA纖維含量越高型芯的抗吸濕性越強(qiáng)。分析認(rèn)為，水溶性型芯的初始吸附主要是由于NaHCO3的水合作用，生成十水合碳酸氫鈉，而作為增強(qiáng)材料的PVA纖維只能通過毛細(xì)作用吸濕，影響較小。當(dāng)NaHCO3吸濕飽和時(shí)，型芯會(huì)發(fā)生一定潮解，但由于PVA纖維穿插在型芯基體中，使得纖維與基體之間的結(jié)合較為致密，對(duì)型芯結(jié)構(gòu)的破壞有一定的阻滯作用。因此，型芯中纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不易斷開，型芯的吸潮面積也較小，抗吸濕性提高。

圖6 不同PVA纖維添加量試樣的吸濕率Fig.6 Hygroscopicity of the core specimens with different amounts of PVA fiber

3 結(jié)論

（1）PVA纖維顯著提高了水溶性型芯的抗彎強(qiáng)度。隨著纖維含量的增加，型芯的抗彎強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，纖維的橋接作用最明顯，型芯的抗彎強(qiáng)度達(dá)到17.01MPa；若纖維含量過高，纖維不均勻分布會(huì)產(chǎn)生部分團(tuán)聚，顯著降低型芯的力學(xué)性能。

（2）PVA纖維在一定程度上可提高型芯的水溶速率。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，型芯的水溶潰散性最佳；當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.0%時(shí)，纖維與基體之間潰散的糊狀漿料附著在一起形成了阻礙層，阻礙型芯的潰散。

（3）PVA纖維降低了型芯的吸濕性，因此添加PVA纖維的水溶性型芯的抗吸濕性優(yōu)于未添加纖維的型芯，且隨著PVA纖維含量的增加，型芯的抗吸濕性提高。