铸造用水溶性高分子粘结剂的研究与应用济南鲁源铸造材料有限公司李涛摘要：水溶性高分子粘结剂具有较好的溶解性、优良的成膜性及粘合性，通过用国际上先进的物理、化学等方法对天然的水溶性高分子材料进行复合改性，满足铸造用型芯粘结剂的基本要求，且具有干强度高、蠕变性小，环保节能等优点，是一种理想的无公害铸造粘结剂。
关键词：水溶性高分子改性制芯一、前言水溶性高分子粘结剂因其含有亲水基团，具有很好的粘合性、成膜性、分散性等，在化学粘结剂、水处理、化学助剂等行业日益扩大。
自80年代起，以α-淀粉为主的水溶性粘结材料，因其具有制备工艺简单，生产成本低廉，用于制芯具有干强度高、蠕变性小、溃散性好、旧砂复用性好等特点，特别是操作过程中清洁、节能和浇注过程中几无有害气体产生的优点，即引起铸造界的广泛关注。
但由于α-淀粉用于制芯存在吸湿性强、高温强度低、比强度低等缺陷，一定程度地限制了其推广应用。
济南鲁源铸造材料有限公司在多年来潜心研究充分满足型芯性能要求的淀粉类粘结材料的基础上，结合新的水溶性高分子材料加工工艺，通过将β-淀粉等多种水溶性高分子材料先进行物理、化学改性，再进行预糊化处理，并添加多种助剂以改善芯砂性能和型芯性能，成功地开发了新一代环保型制芯用粘结材料LYN型铸造用水溶性高分子粘结剂，并成功地应用于铸造生产中。
二、LYN型水溶性高分子粘结剂复合改性工艺及机理分析1、改性机理分析：理想的型芯粘结合剂应当具备高的干拉强度、适宜的湿压强度、良好的流动性、低的吸湿性以及良好的溃散性。
玉米淀粉支链淀粉高达72%，表观DP分布400-1500，在适当的条件下可与三聚磷酸纳、氯氧化磷等交联剂发生下列反应：淀粉—OH+HO—淀粉交联剂淀粉—O—X—O—淀粉控制磷含量0.07～0.09%，其反应产物磷酸酯淀粉具有一定的疏水特性，且在高温下具有很好的耐热性。
将磷酸酯淀粉在一定条件下进行预糊化处理即α化，淀粉显微结构发生较大改变，通过控制其反应程度，成糊粘度、比强度大提高。
再将预糊化处理后的磷酸酯淀粉与拒水剂B、抗高温冲刷剂C机械混合，在型芯制作过程中充分反应，拒水剂B可形成一层拒水膜覆盖在淀粉粘结网络上，显著提高其高温强度和拒水性。
经过以上处理的水溶性高分子粘结剂基本上具备了型芯粘结剂应具有的性能。
2、试验用材料玉米淀粉（水分≤13%）、三聚磷酸钠、氯氧化磷（交联剂）、拒水剂B、抗高温冲刷剂C3、试验设备10kg自制膨化罐 1台75kg/h挤压机 1台500kg搅拌罐 1台4、试验过程将8～12%的交联剂溶液喷洒在玉米干淀粉上，充分混合均匀，将其干燥至含水量5-10%，加入膨化罐后，在140～200℃加热2～3小时左右，将产物冷却、干燥、粉碎，得到一定交联程度的磷酸酯淀粉。
将磷酸酯淀粉加入挤压机中，经螺旋加热而糊化、膨胀，干燥、粉碎后，与1～10%的拒水剂B、5～20%的抗高温冲刷剂C充分混合后即得到铸造用水溶性高分子粘结剂。
三、LYN型铸造用水溶性粘结剂基本工艺性能研究1、加入量对芯砂干拉强度影响图1加入量对芯砂干拉强度的影响1－干拉强度 2－比强度试验条件：大林标准砂2000g LYN型粘结剂1～7%烘干温度180±10℃，保温1h。
图1是LYN型铸造用水溶性高分子粘结剂加入量从1～7%的干拉强度、比强度变化图。
可以看出加入量在3～4%时，芯砂已具备较高的干拉强度1.7～2.1MPa和最高的比强度0.60～0.64MPa/1%，此时粘结剂膜刚好覆盖在砂粒表面，形成完整的粘结桥。
随着粘结剂加入量的增加，粘结剂膜厚度增加，因而干强度不断提高，但过多的粘结剂膜被挤到砂粒间隙，烘干时不能完全固化，粘结剂得不到充分发挥，干强度提高缓慢，比强度下降。
2、烘干温度对芯砂干拉强度影响烘干温度是影响铸造用水溶性高分子粘结剂发生硬化反应、达到拒水性能和抗高温冲刷性能的主要因素。
烘干温度过低，粘结剂脱水、反应不充分，反应速度较慢，达到的干强度较低，且抗吸湿性和高温冲刷性差，烘干温度过高，脱水反应过快，容易发生表面过烧现象，且可能造成已生成的聚合物分解，强度大大下降，丧失抗吸湿性和部分丧失抗高温冲刷性。
我们将标准试样分别置于150℃、170℃、190℃、210℃、230℃、250℃烘箱中与合脂油进行对比试验，测得干拉强度见表1。
表1 烘干温度对干拉强度的影响1—LYN型水溶性粘结剂砂 2—合脂油砂可以看出，LYN型水溶性高分子粘结剂砂在150℃已具备较高的干强度，随着烘干温度提高，干拉强度明显上升，190℃达到峰值1.91MPa，当温度超过230℃，干拉强度开始下降，至250℃已降至峰值的60%左右，可见该粘结剂烘干温度以170～230℃为宜。
同时从表1也可以看出该粘结剂烘干温度比合脂油低30～40℃达到峰值，但峰值相差不大，可见LYN 型水溶性粘结剂比合脂油更节能，经测算，可节能20～40%。
3、LYN 型水溶性粘结剂的蠕变性我们用图2所示方法对LYN 型水溶性粘结剂砂与合脂油砂进行了对比试验。
图2 蠕变性试验试样放置方法将按标准试样配比配制的两种芯砂分别打制两组φ50×50园柱形试样，按图2所示位置放置在芯板上，一组试样室温下放置8h ，测其平行于芯板直径φd ，按η冷= 50-d ×100%，求得二者冷蠕变。
另一组放于烘箱中，温度由50℃升至210℃，硬化后测水平直径φd ，按式η热= 50-d ×100%，求得二者热蠕变，试验结果见表二。
表二 蠕变性试验结果对比种类冷蠕变（%） 热蠕变（%） LYN 型水溶性粘结剂砂 -0.0040 合脂油砂已散 已散 可见LYN 型水溶性粘结剂砂蠕变性远小于合脂油砂，特别是热态蠕变为0，因此LYN 型水溶性粘结剂比合脂油砂更能保证型芯尺寸精度，更适合制造尺寸精度要求高的铸件。
50 504、LYN型水溶性粘结剂发气量与发气速度由图3可以看出，LYN型水溶性粘结剂发气量为15～18ml，远低于合脂油20～27ml，该粘结剂砂3s开始发气，15s达到最大值，合脂油12s开始发气，26s达到最大值。
可见该粘结剂产生气孔倾向远低于合脂油。
图3 LYN型水溶性粘结剂与合脂油的发气量1－LYN型水溶性粘结剂 2－合脂油5、LYN型水溶性粘结剂砂吸湿性由于淀粉粘结剂含有许多吸水性基团，虽经改性但仍具有一定的吸水性。
为测定其吸水性，我们将按标准试样配比配制的芯砂制成8字形试块放入室温环境下底部盛水的密闭容器中，测其0小时、12小时、24小时、48小时、72小时强度变化，见表三。
表三 LYN型水溶性粘结剂的吸湿强度变化时间（h）0 12 24 48 72抗拉强度(MPa) 1.82 1.66 1.32 1.08 0.94可见LYN型水溶性粘结剂虽经改性并加入一定比例的拒水剂，仍具有一定的吸湿性，但48小时后干强度仍能达到1.08MPa，完全可以满足型芯贮存的需要。
6、LYN型水溶性粘结剂抗高温冲刷性水溶性高分子粘结材料普遍存在高温强度低的问题，抗高温冲刷性差。
用磷酸盐改性后的高分子材料可显著提高其高温强度，加入抗高温冲刷剂C后，在高温下可生成AIPO4、NaZr2(PO4)3等耐热物质，因此可显著提高其抗高温冲刷性。
将φ50×50标准圆柱形试样放在1000℃炉内保持一段时间，其抗拉强度与保持时间关系如表四。
表四 LYN型水溶性粘结剂砂抗压强度与1000℃保持时间的关系可见，该粘结剂砂具有良好的抗高温冲刷性。
7、LYN型水溶性粘结剂对环境的改善在铸造生产过程中，工业臭味主要是由于硫化氢、甲醛、苯等有害物质造成的，是大气污染的重要污染物。
据测定，在整个铸造生产过程中，配砂约占总臭味的5—10%，制芯烘烤由合脂油砂、树脂砂所散发出的臭味占总量的10—15%，浇注和落砂因合脂油砂产生的臭味占总量的30%左右。
与其它类型有机粘结剂相比，LYN型水溶性粘结剂砂可以显著改善混砂、制芯、浇注、清理等工序的生产作业环境，混砂、烘烤及浇注时几无臭味产生,无毒不腐蚀，可显著改善操作工人的身心健康和生产环境。
四、LYN型水溶性粘结剂在生产中的应用1、LYN型水溶性粘结剂砂实际使用的工艺配比，见表五。
表五 LYN型水溶性粘结剂砂工艺配比配比（%）性能原砂（75/150）LYN型水溶性粘结剂水分湿压强度(KPa)湿透气性干拉强度(MPa)100 4.0-6.0 5.5-7.0 13-25 ≥100 ≥1.42、烘干工艺规范图4 LYN型水溶性粘结剂砂烘干工艺规范LYN型水溶性粘结剂砂烘干工艺规范见图4。
该粘结剂砂芯升温速度不宜过快，以50～100℃/h，否则可造成表面急聚收缩开裂，甚至过烧。
由于烘干主要是脱水反应和交联反应，可根据经验缩短保温时间，利用炉温进一步脱水固化。
3、LYN型水溶性粘结剂砂存放性由于LYN型水溶性粘结剂主要是靠水做媒体发挥粘结作用，而水分在空气中具有挥发性，因此要保持该粘结剂砂达到规定的性能要求，需要加强覆盖，尽量减少水分挥发。
但该粘结剂砂复用性较好，脱水的芯砂补加少量的粘结剂经过再次混制，仍能达到原有的性能要求。
4、生产应用情况用LYN型水溶性粘结剂砂生产铸件可显著提高其尺寸精度，降低气孔产生的倾向，已广泛应用于汽车、拖拉机、纺织机械、减速机、潜水电泵等铸件的生产。
解放军六四一O厂生产的太脱拉汽车变速箱，单重85kg，壁厚7～12mm,在680mm长度方向上允许铸造偏差±1mm,使用LYN型水溶性粘结剂砂制芯，解决了长期以来该件尺寸精度差、清砂困难的问题。
博山潜水电泵厂生产的出口美国的叶轮，叶片厚度只有5mm，用砂芯来保证，多年来一直存在壁厚偏差问题，使用该粘结剂砂芯后既解决了操作问题又保证了叶片厚度偏差，满足美国标准要求。
天津纺织机械厂使用LYN型水溶性粘结剂砂芯生产纺机零部件，与使用合脂油砂芯相比，铸件尺寸精度显著提高，气孔缺陷大幅度下降，且很好地解决了烘芯、浇住过程中的环保问题，达到了环保部门要求的排放标准。
同时，作为该粘结剂主要组分之一的α-淀粉砂芯在落砂时混入旧砂中，显著改善了型砂韧性和热湿拉强度，铸型表面稳定性显著提高，铸件夹砂、砂眼缺陷明显降低，铸件表面质量有了较大的提高。
五、结论LYN型水溶性粘结剂具有较高的干拉强度，连续可调地湿压强度、低的发气量、低的吸湿性、良好的抗高温冲刷性，能很好的满足各种不同复杂程度的生产需要，且环保、节能，可显著提高产品质量，降低能耗和生产成本，是新一代无公害铸造粘结剂。
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