一种混合增强型水玻璃无机粘接剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及粘接剂，尤其涉及一种混合增强型水玻璃无机粘接剂及其制备方法。
背景技术
常用的造型砂粘接剂有树脂粘接剂和水玻璃粘接剂等。树脂粘结剂在使用过程中会排放对环境有害的气体，对环境不友好。而水玻璃粘接剂在使用过程中对无有害气体排放，因此发展水玻璃粘接剂十分重要。一般的水玻璃粘接剂的强度较低，为了获得高强度的造型砂，需要在原砂中加入大量的水玻璃粘接剂，导致造型砂的流动性和溃散性变差，不利于尾砂的回收。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种混合增强型水玻璃无机粘接剂及其制备方法，以解决现有高强度造型砂流动性差且使用不便的技术问题。
本申请第一方面提供了一种混合增强型水玻璃无机粘接剂，包括以下质量份数的组分：
钠水玻璃100份、表面活性剂2～5份、有机螯合剂6～10份、硅油0.1～0.8份和甘油1～5份。
可选的，所述钠水玻璃包括以下质量份数的组分：
聚丙烯酸钠0.4～0.6份、三聚磷酸钠0.8～1.2份、水124份和硅酸钠76份。
可选的，所述有机螯合剂为乙二胺四乙酸四钠、乙二胺四乙酸、氨三乙酸钠、乙二胺四钾叉磷酸钠和水解聚马来酸酐中的一种或者几种的混合。
可选的，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠、异构十二醇磷酸酯、月桂醇醚磷酸酯钾和脂肪醇醚磷酸酯钾盐中的一种或者几种的混合。
本申请第二方面提供了一种混合增强型水玻璃无机粘接剂的制备方法，包括以下步骤：
向100质量份钠水玻璃中加入2～5质量份表面活性剂和6～10质量份有机螯合剂，搅拌至表面活性剂和有机螯合剂溶解，再加入0.1～0.8质量份硅油和1～5质量份甘油，获得混合增强型水玻璃无机粘接剂。
可选的，所述钠水玻璃按照以下步骤制得：
将0.4～0.6质量份聚丙烯酸钠、0.8～1.2质量份三聚磷酸钠、124质量份水和76质量份硅酸钠混合，经水热反应获得钠水玻璃。
可选的，所述水热反应的反应温度为120-150℃，反应时间为8～12h。
可选的，所述步骤：将0.4～0.6质量份聚丙烯酸钠、0.8～1.2质量份三聚磷酸钠、124质量份水和76质量份硅酸钠混合，具体包括：
向124质量份水中加入0.4～0.6质量份聚丙烯酸钠和0.8～1.2质量份三聚磷酸钠，搅拌至聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠溶解；再加入76质量份硅酸钠，搅拌至硅酸钠溶解。
本申请第三方面提供了一种混合水玻璃造型砂的制备方法，包括以下步骤：
将原砂加入混砂机中进行混砂，一边混砂一边向原砂中加入混合增强型水玻璃无机粘接剂，获得水玻璃造型砂；
其中，所述混合增强型水玻璃无机粘接剂为如上所述的混合增强型水玻璃无机粘接剂或如上所述的制备方法制得的混合增强型水玻璃无机粘接剂；
其中，每50质量份的原砂加入0.5～1质量份的混合增强型水玻璃无机粘接剂。
可选的，所述混砂的时间为3～30min。
本申请第四方面提供了混合增强型水玻璃无机粘接剂在造型砂中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的混合增强型水玻璃无机粘接剂，在水玻璃中加入了表面活性剂、甘油和硅油，三者协同作用可以有效降低砂砾和射砂模具壁面的摩擦阻力，从而改善造型砂的流动性。进一步的，该混合增强型水玻璃无机粘接剂在水玻璃中加入了有机螯合剂，有机螯合剂可形成水玻璃和砂粒间的高官能度的交联位点，从而改善造型砂的强度。此外，该混合增强型水玻璃无机粘接剂为单组分粘接剂，可直接使用，避免了双组分粘接剂所需的混合过程，提升了用户的使用体验，在造型砂的粘接方面具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请提供的实施例1、实施例2、对比例1、对比例2和对比例3中混合增强型水玻璃无机粘接剂制得的水玻璃造型砂块的抗拉强度测试图。
具体实施方式
本申请提供一种混合增强型水玻璃无机粘接剂及其制备方法，用于解决现有高强度造型砂流动性差且使用不便的技术缺陷。
本发明实施例提供了一种混合增强型水玻璃无机粘接剂，包括以下质量份数的组分：
钠水玻璃100份、表面活性剂2～5份、有机螯合剂6～10份、0.1～0.8份硅油和1～5份甘油。
本发明提供的混合增强型水玻璃无机粘接剂，在钠水玻璃中加入了表面活性剂、硅油和甘油，三者协同作用可以有效降低砂砾和射砂模具壁面的摩擦阻力，从而改善造型砂的流动性。此外，该混合增强型水玻璃无机粘接剂在钠水玻璃中加入了有机螯合剂，有机螯合剂可形成水玻璃和砂粒间的高官能度的交联位点，从而改善造型砂的强度。
本发明优选实施例中，有机螯合剂为乙二胺四乙酸四钠、乙二胺四乙酸、氨三乙酸钠、乙二胺四钾叉磷酸钠、水解聚马来酸酐的一种或者几种的混合。
本发明优选实施例中，表面活性剂优选为阴离子表面活性剂，更优选为十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠、异十二醇磷酸酯、月桂醇醚磷酸酯钾、脂肪醇醚磷酸酯钾盐中的一种或者几种的混合。
本发明优选实施例中，硅油为水溶性硅油(聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物)。
本发明优选实施例中，钠水玻璃包括以下质量份数的组分：
聚丙烯酸钠0.4～0.6份、三聚磷酸钠0.8～1.2份、水124份和硅酸钠76份。
本发明在水玻璃(硅酸钠的水溶液)中加入聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠，经水热反应获得钠水玻璃，聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠对水玻璃起到增强和抗老化的作用。
本发明还提供了一种混合增强型水玻璃无机粘接剂的制备方法，包括以下步骤：
向100质量份钠水玻璃中加入2～5质量份表面活性剂和6～10质量份有机螯合剂，搅拌至表面活性剂和有机螯合剂溶解，再加入0.1～0.8质量份硅油和1～5质量份甘油，获得混合增强型水玻璃无机粘接剂。
其中，搅拌速率为300-3000rpm，优选为600rpm；搅拌温度为常温，优选25℃。实验表明，以上添加顺序有助于硅油的悬浮。此外，有机螯合剂为固体粉末，先加入固体粉末有助于固体的快速溶解。
本发明所述的钠水玻璃按照以下步骤制得：
将0.4～0.6质量份聚丙烯酸钠、0.8～1.2质量份三聚磷酸钠、124质量份水和76质量份硅酸钠混合，经水热反应获得钠水玻璃。
其中，水热反应的反应温度为150℃，反应时间为8h。
步骤：将0.4～0.6质量份聚丙烯酸钠、0.8～1.2质量份三聚磷酸钠、124质量份水和76质量份硅酸钠混合，具体包括：
向124质量份水中加入0.4～0.6质量份聚丙烯酸钠和0.8～1.2质量份三聚磷酸钠，搅拌至聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠溶解；再加入76质量份硅酸钠，搅拌至硅酸钠溶解。
其中，搅拌速率为300-3000rpm，优选为600rpm；温度为常温，优选25℃，实验表明，以上添加顺序有助于形成透明、稳定的溶液，有利于聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠的溶解。
本发明提供的混合增强型水玻璃无机粘接剂的制备方法制备过程简单易行，制得的混合增强型水玻璃无机粘接剂可兼顾造型砂的流动性和强度。
本发明还提供了一种混合水玻璃造型砂的制备方法，包括以下步骤：
将50质量份原砂加入混砂机中进行混砂，一边混砂一边向原砂中加入1质量份混合增强型水玻璃无机粘接剂，获得混合砂。
其中，混合增强型水玻璃无机粘接剂为如上所述的混合增强型水玻璃无机粘接剂或如上所述的制备方法制得的混合增强型水玻璃无机粘接剂。混砂的时间优选为3min。
本发明制得的水玻璃造型砂流动性好且强度高。
为了验证水玻璃造型砂的流动性和强度，本发明实施例中将制得的水玻璃造型砂加入冷热无三工艺试样机中，通过热空气加热成型，获得水玻璃造型砂块。本发明实施例具体以获得的水玻璃造型砂块的数量作为检测水玻璃造型砂流动性的标准，并测量了水玻璃造型砂块常温下放置不同时间后的抗拉强度。本发明实施例获得的水玻璃造型砂块的形状为八字形，以便于在抗拉实验检测机中进行检测。
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
其中，以下实施例所用原料和试剂均为市售或自制。
实施例1
本申请实施例制备第一种混合增强型水玻璃无机粘接剂，制备方法如下：
1)制备钠水玻璃：
向124g水中加入0.4g聚丙烯酸钠和0.8g三聚磷酸钠，搅拌至聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠溶解；再加入76g硅酸钠，搅拌至硅酸钠溶解，获得混合液。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。将混合液加入水热反应釜中，在150℃下水热反应8h，获得198g钠水玻璃。
2)制备混合增强型水玻璃无机粘接剂：
向100g步骤1制得的钠水玻璃中加入2g月桂醇醚磷酸酯钾和6g乙二胺四乙酸四钠，搅拌至月桂醇醚磷酸酯钾和乙二胺四乙酸四钠溶解，再加入0.1g硅油和2.5g甘油，获得108.1g混合增强型水玻璃无机粘接剂。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。
实施例2
本申请实施例制备第二种混合增强型水玻璃无机粘接剂，制备方法如下：
1)制备钠水玻璃：
向124g水中加入0.4g聚丙烯酸钠和0.8g三聚磷酸钠，搅拌至聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠溶解；再加入76g硅酸钠，搅拌至硅酸钠溶解，获得混合液。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。将混合液加入水热反应釜中，在150℃下水热反应8h，获得198g钠水玻璃。
2)制备混合增强型水玻璃无机粘接剂：
向100g步骤1制得的钠水玻璃中加入5g月桂醇醚磷酸酯钾和20g乙二胺四乙酸四钠，搅拌至月桂醇醚磷酸酯钾和乙二胺四乙酸四钠溶解，再加入0.8g硅油和0.5g甘油，获得108.1g混合增强型水玻璃无机粘接剂。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。
对比例1
本申请对比例制备了一种粘接剂，在实施例1的基础上去除了表面活性剂、甘油和硅油，制备方法如下：
1)制备钠水玻璃：
向124g水中加入0.4g聚丙烯酸钠和0.8g三聚磷酸钠，搅拌至聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠溶解；再加入76g硅酸钠，搅拌至硅酸钠溶解，获得混合液。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。将混合液加入水热反应釜中，在150℃下水热反应8h，获得198g钠水玻璃。
2)制备混合增强型水玻璃无机粘接剂：
向100g步骤1制得的钠水玻璃中加入6g乙二胺四乙酸四钠，搅拌至乙二胺四乙酸四钠溶解，获得106g的粘接剂。
对比例2
本申请对比例制备了一种粘接剂，在对比例1的基础上去除了有机螯合物，制备方法如下：
1)制备钠水玻璃：
向124g水中加入0.4g聚丙烯酸钠和0.8g三聚磷酸钠，搅拌至聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠溶解；再加入76g硅酸钠，搅拌至硅酸钠溶解，获得混合液。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。将混合液加入水热反应釜中，在150℃下水热反应8h，获得198g钠水玻璃，该钠水玻璃即为粘接剂。
对比例3
本申请对比例制备了一种粘接剂，在实施例1的基础上去除了甘油，制备方法如下：
1)制备钠水玻璃：
向124g水中加入0.4g聚丙烯酸钠和0.8g三聚磷酸钠，搅拌至聚丙烯酸钠和三聚磷酸钠溶解；再加入76g硅酸钠，搅拌至硅酸钠溶解，获得混合液。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。将混合液加入水热反应釜中，在150℃下水热反应8h，获得198g钠水玻璃。
2)制备混合增强型水玻璃无机粘接剂：
向100g钠水玻璃中加入2g月桂醇醚磷酸酯钾和6g乙二胺四乙酸四钠，搅拌至月桂醇醚磷酸酯钾和乙二胺四乙酸四钠溶解，再加入0.1g硅油，获得108.1g粘接剂。以上混合过程的混合温度为25℃，搅拌速率为600rpm。
实施例3
本申请实施例将实施例1、实施例2、对比例1、对比例2和对比例3的产品进行性能测试，方法如下：
称取1.5kg的大森砂放入混砂机中，再称取30g实施例1制得的混合增强型水玻璃无机粘接剂，边混砂边把混合增强型水玻璃无机粘接剂加入大森砂中，混砂3分钟获得水玻璃造型砂。将混合好的水玻璃造型砂放入冷热无三工艺试样机中，用常温空气把水玻璃造型砂从储砂槽中吹入模具直至无法吹出水玻璃造型砂为止，模具温度为150℃，向模具内持续通入热空气45s(热空气温度100℃，压强4bar)，混合增强型水玻璃无机粘接剂固化从而获得八字形的水玻璃造型砂块，对水玻璃造型砂块进行抗拉强度测试。
重复上述步骤，将上述实施例1制得的混合增强型水玻璃无机粘接剂分别替换为实施例2的混合增强型水玻璃无机粘接剂、对比例1制得的粘接剂、对比例2制得的粘接剂和对比例3制得的粘接剂。
其中，上述冷热无三工艺试样机中实施的用常温空气把水玻璃造型砂从储砂槽中吹入模具的过程，用于考验流动性。若水玻璃造型砂的流动性不好，空气会在砂子的中间穿一个洞，旁边的砂子无法掉落，并且做出的砂块中砂子的紧密度也低。
具体的，本发明以八字形的水玻璃造型砂块的数量作为检测混合水玻璃造型砂流动性的标准，同时测量八字形的水玻璃造型砂块在25℃下放置不同时间的抗拉强度。
本申请中，冷热无三工艺试样机为苏州明志科技有限公司售卖的热空气固化水玻璃和三乙胺固化树脂两用的做模块试样机，型号为MLWRA1。本申请采用的大森砂是一种具有一定粒度、含尘量和湿度规定的铸造专用砂，也可用其他指标满足铸造标准的砂子替代大森砂。
本申请实施例1、实施例2、对比例1、对比例2和对比例3的产品制得的水玻璃造型砂的流动性测试结果如表1所示，其抗拉强度的测试结果如图1所示。
表1
从表1可知，加入表面活性剂、甘油和硅油可大幅提高水玻璃造型砂的流动性，流动性提高使仪器的射砂量提高，这对于实现机械化注砂有很大意义，但从图1来看表面活性剂、甘油和硅油对一小时和两小时的抗拉强度有一定的影响。从图1可知，加有机螯合物可大幅提高水玻璃造型砂的初始抗拉强度，具体提高了66.6％，并且有机螯合物的水玻璃造型砂水玻璃造型砂在1h内抗拉强度不断增强。
综上所述，本发明提供的混合增强型水玻璃无机粘接剂，可大幅提高水玻璃造型砂的强度和流动性，并且为单组分粘接剂便于使用，在造型砂领域具有广泛的应用前景，对实现机械化注砂生产和尾砂回收利用具有重要意义。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
