一種有色金屬3d砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鑄造輔助材料領(lǐng)域，具體涉及一種有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維打印(ThreeDimens1nal Printing，3DP)由 E.Sachs 等人于 1992 年提出，是根據(jù)噴墨打印機(jī)原理，從噴嘴噴射出材料微滴，按一定路徑逐層固化成型，3D打印技術(shù)與機(jī)器人、互聯(lián)網(wǎng)一起被稱為第三次工業(yè)革命的主要標(biāo)志。目前，已有部分工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)服務(wù)，主要用于鑄件的快速成型、翻制模具、打印模殼、砂芯等。
[0003]德國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于鑄造行業(yè)，而在國內(nèi)，3D打印技術(shù)正處于起步階段，尤其在鑄造行業(yè)，采用3D打印技術(shù)制造高端精密有色金屬鑄件的企業(yè)寥寥無幾。
[0004]目前國內(nèi)外鑄造企業(yè)普遍使用的3D型砂打印用粘結(jié)劑為有機(jī)樹脂，如酚醛樹脂，有機(jī)樹脂粘結(jié)劑雖然具有優(yōu)異的性能，但其居高不下的成本、樹脂砂在使用過程中對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，及其在鑄件質(zhì)量控制方面的局限性等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了有機(jī)樹脂粘結(jié)劑的進(jìn)一步發(fā)展。為了迎合高效、節(jié)能、環(huán)保的“綠色鑄造”理念，開發(fā)一種性能與有機(jī)樹脂相當(dāng)、環(huán)保無污染的有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑，已然成為了鑄造工作者們的共識(shí)。
[0005]傳統(tǒng)的無機(jī)粘結(jié)劑普遍存在粘度大、強(qiáng)度低、潰散性差以及抗吸濕性差等問題，而3D打印要求粘結(jié)劑的粘度低且能夠?qū)崿F(xiàn)快速硬化，同時(shí)還要保證型砂強(qiáng)度，傳統(tǒng)的無機(jī)粘結(jié)劑無法滿足3D打印的需求，直接阻礙了無機(jī)粘結(jié)劑在高端鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，開發(fā)了一種強(qiáng)度高、粘度低、可使用時(shí)間短、能夠?qū)崿F(xiàn)快速硬化、抗吸濕性好、潰散性能優(yōu)異的有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑，包括硅酸鈉、磷酸氫二鈉、D-山梨醇、水溶性硅油、四乙基硅酸鹽、硫酸鋁、萘磺酸、酚醛樹脂、氫氧化鈉、去離子水；所述的各組成成分的重量百分含量為:硅酸鈉:22-34%、磷酸氫二鈉:2%-11%、D-山梨醇:1.5%_5.5%、水溶性硅油:0.2%-0.8%、四乙基硅酸鹽:0.7%-2.3%、硫酸鋁:0.3%_0.7%、萘磺酸:0.3%_0.7%、酚醛樹脂:0.4%-2.6%、氫氧化鈉:0.7%-2.3%、去離子水:46%_66% ;所述的硅酸鈉為固體，模數(shù)為
2.85-3.4，目數(shù)為120 ;所述的水溶性硅油純度為100%，用于提高粘結(jié)劑的光滑度，便于后期處理。
[0008]所述的磷酸氫二鈉、D-山梨醇、四乙基硅酸鹽、水溶性硅油為無機(jī)粘結(jié)劑體系中的改性劑；所述的磷酸氫二鈉在高溫條件下與硅酸鈉可形成PO/-、S142-復(fù)合玻璃網(wǎng)絡(luò)，在冷卻過程中，析出晶體破壞粘結(jié)膜，以及二者收縮性相差極大而導(dǎo)致粘結(jié)膜開裂，使得該無機(jī)粘結(jié)劑砂具有優(yōu)異的潰散性；同時(shí)高溫?zé)Y(jié)性能較好的Al3+也可以改善無機(jī)粘結(jié)劑砂的高溫潰散性。
[0009]所述的D-山梨醇作為改性劑，提高無機(jī)粘結(jié)劑砂的常溫強(qiáng)度、低溫潰散性，且起到延緩老化的作用。
[0010]所述的四乙基硅酸鹽，向體系引入硅酸根的同時(shí)，也帶入了乙基官能團(tuán)，不僅可以提高無機(jī)粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度，而且可以改善無機(jī)粘結(jié)劑抗吸濕性差的問題。同時(shí)，水性的酚醛樹脂，在很大程度上提高了無機(jī)粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度。另一方面，水溶性的硅油可以明顯改善無機(jī)粘結(jié)劑的抗吸濕性。
[0011]所述的萘磺酸作為一種有機(jī)弱酸，加入到粘結(jié)劑體系中，可以提高無機(jī)粘結(jié)劑的潰散性。同時(shí)，其電離產(chǎn)生的H+與硅酸鈉水溶液中的OH_結(jié)合，可加快粘結(jié)劑的硬化速度；
所述的氫氧化鈉加入粘結(jié)劑體系中與硅酸鈉中的S12形成S1 42_調(diào)節(jié)了硅酸鈉的模數(shù)，同時(shí)降低了無機(jī)粘結(jié)劑的粘度、調(diào)節(jié)無機(jī)粘結(jié)劑的可使用時(shí)間以及硬化速度。
[0012]一種有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟:
步驟一，將硅酸鈉和去離子水加入到搪瓷反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌并開始加熱至微沸狀態(tài)，保持至少Ih ；
步驟二，緩慢加入磷酸氫二鈉和D-山梨醇，待反應(yīng)至清澈透明后，繼續(xù)反應(yīng)至少30min，繼續(xù)加入四乙基硅酸鹽、硫酸鋁、萘磺酸，保持微沸狀態(tài)反應(yīng)Ih以上；
步驟三，加入酚醛樹脂，反應(yīng)30min以上，加入水溶性硅油，保持微沸狀態(tài)，攪拌反應(yīng)Ih以上后，關(guān)閉攬樣和加熱；
步驟四，待體系溫度降至室溫后，打開攪拌，緩慢加入氫氧化鈉，攪拌30min以上后出料，將合成的粘結(jié)劑于室溫下靜置24h，取上層清澈透明液體作為最終的無機(jī)粘結(jié)劑產(chǎn)品。
[0013]所述的步驟四中，所述的無機(jī)粘結(jié)劑產(chǎn)品25°C時(shí)粘度< 15mpa.S。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:制備得到的無機(jī)粘結(jié)劑25°C時(shí)粘度< 15mpa.S，粘度低，可以滿足砂型噴墨打印使用要求；該無機(jī)粘結(jié)劑在加入量為3.5% (占標(biāo)準(zhǔn)砂的比重)，固化劑加入量為15% (占粘結(jié)劑的比重)時(shí)，其?30mm*50mm的標(biāo)準(zhǔn)砂試塊常溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.5Mpa以上，粘結(jié)強(qiáng)度高；該無機(jī)粘結(jié)劑的標(biāo)準(zhǔn)砂試塊在經(jīng)過600°C以上的高溫烘烤后，其殘留強(qiáng)度變得很低，尤其當(dāng)烘烤溫度超過800°C時(shí)，殘留強(qiáng)度低于0.5Mpa，表明該粘結(jié)劑的潰散性能優(yōu)異，應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域時(shí)，鑄件清砂容易；該無機(jī)粘結(jié)劑的標(biāo)準(zhǔn)砂試塊在空氣濕度大于80%的環(huán)境中存放24h后，其抗壓強(qiáng)度降低率僅為6%左右，說明該粘結(jié)劑抗吸濕性能優(yōu)異，克服了普通無機(jī)粘結(jié)劑抗吸濕性差的缺點(diǎn)，延長了型砂的存放使用時(shí)間；該無機(jī)粘結(jié)劑的可使用時(shí)間為5min ( t ( 15min，其標(biāo)準(zhǔn)砂試塊在造型完成后20min左右便可脫模?？墒褂脮r(shí)間短、能夠?qū)崿F(xiàn)快速硬化，符合砂型噴墨打印使用要求；該無機(jī)粘結(jié)劑與有機(jī)樹脂粘結(jié)劑相比，屬于綠色環(huán)保材料，在生產(chǎn)和使用過程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
【具體實(shí)施方式】
[0015]為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0016]實(shí)施案例一
本實(shí)施例有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑的組成原料為:硅酸鈉(模數(shù)2.85-3.4，固體，120目)30%、磷酸氫二鈉4.85%,D-山梨醇3.0%、水溶性硅油(100%)0.4%、四乙基硅酸鹽1.4%、硫酸鋁0.45%、萘磺酸0.4%、酚醛樹脂1.2%、氫氧化鈉1.3%、去離子水57%。本實(shí)施例的一種有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑的制備方法為:
I.將300Kg硅酸鈉和570Kg去離子水加入到搪瓷反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌并開始加熱至微沸狀態(tài)，保持Ih以上；
I1.緩慢加入48.5Kg磷酸氫二鈉和30Kg D-山梨醇，待反應(yīng)至清澈透明后，繼續(xù)反應(yīng)30min以上，繼續(xù)加入14Kg四乙基硅酸鹽、4.5Kg硫酸鋁、4Kg萘磺酸，保持微沸狀態(tài)反應(yīng)Ih以上；
II1.加入12Kg酚醛樹脂，反應(yīng)30min以上，加入4Kg水溶性硅油，保持微沸狀態(tài)，攪拌反應(yīng)Ih以上后，關(guān)閉攬樣和加熱；
IV.待體系溫度降至室溫后，打開攪拌，緩慢加入13Kg氫氧化鈉，攪拌30min以上后出料。將合成的粘結(jié)劑于室溫下靜置24h，取上層清澈透明液體作為最終的無機(jī)粘結(jié)劑產(chǎn)品。
[0017]該無機(jī)粘結(jié)劑在25°C時(shí)粘度為14mpa.s ;可使用時(shí)間為5min彡t彡15min ;加入量為3.5%(占標(biāo)準(zhǔn)砂的比重)時(shí)，其0 30mm*50mm的標(biāo)準(zhǔn)砂試塊24h常溫抗壓強(qiáng)度為4.62Mpa ；其標(biāo)準(zhǔn)砂試塊經(jīng)過800°C的高溫烘烤后，殘留強(qiáng)度為0.45Mpa ;其標(biāo)準(zhǔn)砂試塊在空氣濕度為80%的環(huán)境中存放24h后，抗壓強(qiáng)度降低率為5.6%。
[0018]實(shí)施案例二
本實(shí)施例有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑的組成原料為:硅酸鈉(模數(shù)2.85-3.4，固體，120目)29%、磷酸氫二鈉8.5%、D-山梨醇5.0%、水溶性硅油(100%) 0.6%、四乙基硅酸鹽1.8%、硫酸鋁0.55%、萘磺酸0.6%、酚醛樹脂1.7%、氫氧化鈉1.6%、去離子水50.65%。本實(shí)施例的一種有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘結(jié)劑的制備方法為:
I.將290Kg硅酸鈉和506.5Kg去離子水加入到搪瓷反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌并開始加熱至微沸狀態(tài)，保持Ih以上；
I1.緩慢加入85Kg磷酸氫二鈉和50KgD-山梨醇，待反應(yīng)至清澈透明后，繼續(xù)反應(yīng)30min以上，繼續(xù)加入18Kg四乙基硅酸鹽、5.5Kg硫酸鋁、6Kg萘磺酸，保持微沸狀態(tài)反應(yīng)Ih以上；
II1.加入17Kg酚醛樹脂，反應(yīng)30min以上，加入6Kg水溶性硅油，保持微沸狀態(tài)，攪拌反應(yīng)Ih以上后，關(guān)閉攬樣和加熱；
IV.待體系溫度降至室溫后，打開攪拌，緩慢加入16Kg氫氧化鈉，攪拌30min以上后出料。將合成的粘結(jié)劑于室溫下靜置24h，取上層清澈透明液體作為最終的無機(jī)粘結(jié)劑產(chǎn)品。
[0019]該無機(jī)粘結(jié)劑在25°C時(shí)粘度為12mpa.s ;可使用時(shí)間為5min彡t彡15min ;加入量為3.5%(占標(biāo)準(zhǔn)砂的比重)時(shí)，其0 30mm*50mm的標(biāo)準(zhǔn)砂試塊24h常溫抗壓強(qiáng)度為5.02Mpa ；其標(biāo)準(zhǔn)砂試塊經(jīng)過800°C的高溫烘烤后，殘留強(qiáng)度為0.42Mpa ;其標(biāo)準(zhǔn)砂試塊在空氣濕度為80%的環(huán)境中存放24h后，抗壓強(qiáng)度降低率為5.3%。
[0020]實(shí)施案例三
本實(shí)施例有色金屬3D砂型打印用無機(jī)粘