水溶性芯模胶粘剂的研究进展
                                                                                                                     魏正方 曾黎明
                                                                                         (武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北武汉430070)
    摘要：介绍了当前国内外水溶性注型芯模胶粘剂制备技术的最新研究进展及应用状况,并对比分析现有利用 技术所存在的优缺点,指出了芯模胶粘剂发展趋势,提出了制备水溶性芯模胶粘剂的新途径。
    关键词：水溶性;芯模;胶粘剂;环保
    中图分类号:TQ436+. 5　文献标识码:A　文章编号:1001-5922(2007)01-0058-03
    芯模材料目前主要使用在铸造和复合材料制造行业中。 随着现代工业技术的发展,尤其是航空、航天事业的突飞猛进, 铸件的形状日益复杂,对其内腔的复杂程度、尺寸精度及表面 光洁度等方面要求越来越高。而芯砂胶粘剂是铸造生产中用 量很大的原料之一,它直接关系到铸造砂芯生产的质量与数 量,以及铸造车间的工作环境。铸造用胶粘剂可分为无机、有 机2大类:无机类包括水玻璃、粘土、水泥等;有机类包括桐油、 合脂、脲醛树脂、酚醛树脂、呋喃树脂等。上述胶粘剂既有优点,又有缺点。常用的有机胶如合脂、酚醛树脂、呋喃树脂等, 刺激性气味较大,公害严重,树脂胶价格较高;无机胶如水玻璃存在型砂湿强度、干强度低,且浇注后又相当坚固,很难溃散等缺点。因此,研制综合性能好、成本较低的新型水溶性芯模材料用胶粘剂很有必要。由于水溶性胶粘剂具有无毒无害、不刺激皮肤,受热分解时不释放有害气体混入砂中,能均匀地包裹在砂粒表面,粘附力强、粘结强度高、用量少、易成型、易溃散等优点,所以广泛应用在芯模材料中。
    水溶性高分子化合物是一种亲水性的高分子材料,在水 中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液。水溶性高分子的亲 水性,来自于其分子中含有的亲水基因。常见的亲水基团是 羧基、羟基、酰胺基、胺基、醚基等。这些基团不但使高分子 具有亲水性,而且使它具有许多优良性能,如粘合性、成膜 性、分散性、絮凝性、增稠性等。水溶性高分子的亲水基团的 强弱和数量可以按要求加以调节,亲水基团等活性官能团还 可以进行再反应,生成具有新官能团的化合物。水溶性高分子材料主要包括以下几种。
    1　天然水溶性胶粘剂
    天然水溶性胶粘剂是以植物或动物为原料,通过物理或 化学的方法提取而得。这类产品最常见的有淀粉类、海藻类、植物胶、动物胶和微生物胶等。目前应用广泛的是淀粉类。
    1. 1　淀粉类胶粘剂
    淀粉胶粘剂由于其原料易得,价格低廉,因而在生产中 广泛用于纸箱、包装、造纸、印刷、装饰、服装加工、织物上浆 等行业。但是,由于存在着粘接力差、干燥速度慢、不耐水等 缺点,受到合成胶粘剂的很大冲击。近些年来,随着能源紧 缺和社会对无毒无污染产品的需求,淀粉胶粘剂重新受到人 们的重视,对淀粉胶粘剂的化学改性已成为热门研究课题。
    1. 1. 1　磷酸酯淀粉砂芯胶粘剂
    淀粉易与磷酸起酯化反应得到淀粉磷酸酯,很低的取代 度能改变原淀粉的性质。根据所用磷酸盐的不同,可得到淀粉磷酸单酯和淀粉磷酸二酯,后者属交联淀粉。淀粉磷酸单酯随着取代度的增高糊化更加容易,取代度在0.05左右就能 在冷水中膨胀。粘结能力强和膜的强度大、能溶于冷水的磷酸酯淀粉适用于铸造砂型、蜂窝煤、线香、砂轮等的成型和粘结。 作为砂芯胶粘剂,磷酸酯淀粉的效果较原淀粉好,砂芯强度高,用量为砂质量的0. 15% ~1. 5%。磷酸化的羧甲基淀粉和硼砂组合具有很好的粘结性能[1]。日本近畿大学宫 泽信夫等人也研究了磷酸淀粉作为胶粘剂在壳砂芯中的应用[2]。在水溶性方面与醋酸酯淀粉、氧化淀粉、纯PVA相比, 磷酸酯淀粉更易溶解,这是由于磷酸酯淀粉引进了亲水性较 强的磷酸基团,使淀粉分子周围吸附有大量的水分子,增加了淀粉分子与水的亲和力。
    1. 1. 2　酶改性淀粉砂芯胶粘剂
    赵春霞等用酶对淀粉进行了改性研究,合成了一种新型铸造用胶粘剂,并以水洗砂为粘结对象进行了研究。所制得的胶粘剂砂强度高,溃散性好,无污染[3]。
    1. 1. 3　改性糯米粉砂芯胶粘剂
    沈国鹏、刘家永等利用糯米粉的膨化制备胶粘剂,讨论 了反应条件对胶粘剂性能的影响,其最佳制备条件为:反应 温度200℃,压力0. 8 MPa,水分10%,交联剂用量0. 04%; 复合胶粘剂的最佳质量比为:改性糯米粉胶粘剂2. 5~3,腐 植酸钠0. 1~0. 2,桐油0. 5~1. 0,水3。制备出的砂芯胶粘 剂与传统粘合剂相比,对环境无污染,具有优良的工艺性 能[4],其中腐植酸钠加入量对砂芯溃散性的影响见图1。
                     
    1. 1. 4　α/β淀粉砂芯胶粘剂
    周霞研究了α淀粉复合胶粘剂在湿态时的粘结硬化机 理。该胶粘剂型砂既具有足够的湿强度,而且强度随放置时 间延长而增加,从而具有自硬特性[5]。在β淀粉砂中添加膨 润土、石墨粉和磷酸二氢钠等研究了砂芯胶粘剂在铸造生产 中的应用,制得耐1 350℃左右的砂芯[6]。用这种砂芯浇注 的铸件内腔表面质量好,无气孔缺陷。
    1. 1. 5　其他淀粉类砂芯胶粘剂
    印度M uralidharaM K研制了一种用硼酸作硬化剂的糊精树脂冷硬砂。型砂配方包括: 2%硼酸、3%糊精、树脂[7]。 美国Steven Bloembergen等人将淀粉改性降解后引入含有可聚合基团的树脂中,这种糖基树脂与乙烯单体的共聚物对各种基质具有良好的粘结性能[8]。
    1. 2　动物蛋白质胶粘剂
    水溶性的动物蛋白质是人类最早应用的天然胶粘剂,无 毒害,强度高,对环境友好,原料丰富,成本低廉。 石晶玉采用动物蛋白质作主胶粘剂制备砂芯,型芯试样 在850W微波加热2~3 min强度即可达2MPa以上,而且型 芯质量稳定。与淀粉砂、合脂砂、亚麻油砂相比具有比强度 高、溃散性好、易于回用再生等优异的铸造工艺性[9]。4种胶的溃散性见图2。
                       
    2　合成水溶性胶粘剂
    合成类水溶性胶粘剂由于其高效性、多样化和较低生物 耗氧量的优点,在目前水溶性胶粘剂中是发展最快的品种。
    2. 1　聚乙烯醇胶粘剂
    聚乙烯醇具有良好的水溶性、成膜性、粘接力和乳化性, 有卓越的耐油脂和耐溶剂性能,广泛地用作铸造型芯胶粘剂、无纺布胶粘剂、颜料胶粘剂等。
    孙奎洲以聚乙烯醇为主胶粘剂制作砂芯和铸件,并与合脂砂、亚麻油砂进行溃散性对比试验。在3种胶粘剂中,亚 麻油砂芯的溃散性最差,合脂砂芯次之,聚乙烯醇砂的溃散性最好。由于聚乙烯醇砂的溃散性好、发气量低,因此,其出砂性很好[10],铸件表面质量高。3种胶的溃散性见图3。
                 
    邓爱民等人将醛类与PVA缩合改性制备铸造胶粘剂,并 制芯,制样压缩强度>3. 0MPa,外观平整光滑,不粘砂,清砂 容易。与合脂油所制芯相比,性能较优,可取代合脂油[11]。
    2. 2　聚乙二醇(PEG )
    PEG易溶于水和一些普通的有机溶剂。液体PEG可以 任何比例与水混溶,而固体PEG则只有有限的溶解度,但即 使是分子质量最大的级分,在水中的溶解度仍大于50%。温 度升高,固体PEG溶解度增大,若温度足够高(如对PEG- 6000,温度高于60℃),则所有级分的固体PEG均能与水以 任何比例相溶。但是当温度接近水的沸点,聚合物就沉淀出来。其析出温度,取决于聚合物的分子质量和浓度。
    吴金章、宣银华研究了PEG可溶芯在熔模精铸中的应用。以水溶性高分子PEG作胶粘剂,加入由活性填料(碳酸氢钠)和惰性填料(滑石粉)混合而成的填料,构成芯模材料。脱芯时,把压制好的芯模放入10%左右的盐酸水溶液中,由于芯模中含有活性的碳酸氢钠,和盐酸进行反应,产生大量的二氧化碳气体,所以加速了PEG芯模的溶解速度[12]。杜志龙、邱桂斌等将PEG与尿素、石英粉等材料共混制备了新型的复合材料水溶芯,其中尿素的用量控制在30%左右、石英粉为10% ~20%较为适宜。在此配方下制得的新型 水溶芯弯曲强度可达约6 MPa,在水中浸泡5~6 h即可溃散[13]。图中尿素及石英粉用量对水溶芯水溶速率的影响分别如图4、图5所示。
    马洪芳,刘志宝利用PEG与醇醛树脂、邻苯二甲酸二丁酯、羟甲基纤维素研究制备金属注射成型用水溶性胶粘剂,所合成的胶粘剂常温下为固态,用水脱除率可达96% ~98%,使用时加热至40℃,即可熔化。用于金属注射成型时可用水作 溶剂脱除,从而使成本大大降低[14]。PEG也常被用作陶瓷注射成型胶粘剂。Chung C I采用PEG+PMMA胶粘剂体系,用60~80℃的温水,可在3 h脱除95%的PEG。将成型坯体放入蒸馏水中浸泡16 h,可除去80%的PEG[15]。李松林等用 PEG和聚甲基丙烯酸甲酯作胶粘剂,并应用于Fe-2Ni的注射成型,成型坯在水中脱脂速度达到0.8~2 mm/h[16]。
                    
    2. 3　聚丙烯酸(PAA)
    水溶性PAA作为胶粘剂也有广泛的用途。在陶瓷业、石 棉板制造业及砂轮生产中,要求坯件具有一定的湿强度,以 保持在潮湿条件下的尺寸稳定性,减少运输及操作中的损 坏,可用作暂时性的胶粘剂。在铸造中,可作型砂的胶粘剂。 PAA作为铸造胶粘剂,国内许多科研人员也做了大量的 研究工作。印仁和、史成武等人合成了PAA系列水溶性树 脂,同时研究了它在型砂中的应用[17]。西安交通大学的纪岗昌、武涛也对PAA铸造树脂胶粘剂进行了研究[18]。
    3　结语
    (1)水基系胶粘剂的主要组分可溶于水,脱粘时用水作 溶剂,再辅以热解方法,不但安全方便而且可大大降低成本。 
    (2)大多数水溶性胶粘剂具有无色、无臭、无毒、不燃、不爆、不散发有害气体的特点,有助于环境保护和安全生产。 
    (3)水溶性胶粘剂中亲水活性官能团还可以进行再反应,生成具有新官能团的化合物,赋予胶粘剂新的性能,满足了各种不同的要求。
    (4)水溶性胶粘剂高温残留率低,溃散性和退让性好,适 合复杂内腔制品的成形,能显著提高制品内表面的光洁度。
   参考文献
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