生物炭环保醇基涂料对铝件流动性的增强作用

刘 悦，宣秋鑫，滕 飞，刘广柱，汤家喜，孙跃军

（辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院，辽宁阜新123000）

1 简介

随着人类社会的进步，金属器具的使用越来越频繁，铸造涂料应运而生。铸造涂料按载体不同可分为两种：水基涂料和醇基涂料。水基涂料具有成本低、安全可靠、无毒无味、容易使耐火涂料悬浮、触变性好等优点。醇基涂料包括靠有机溶剂挥发使涂层固化的自干涂料和靠点燃有机溶剂使涂层固化的点燃涂料，具有点燃快干的优点，更能适应当今的工业流水线生产。然而醇基涂料的长途运输会耗费较长时间，所需要的费用也较高，同时醇基涂料也有其本身性能方面的弊端，即悬浮稳定性较差，在运输和存放时易产生板结[1]。

铸造用涂料应具有优良的工作性能和工艺性能，这些性能主要是通过合理的配方和正确的制备工艺获得的。

耐火粉料由耐火材料破碎研磨而成。耐火粉料的粒度和密度是影响涂料悬浮性的重要因素，其粒度不仅影响悬浮性，而且影响渗透性、涂刷性。耐火材料的半径越小，密度越小，悬浮性越好；而涂料的静切力越大，悬浮性越好。表1列出了几种常用耐火材料的性质。

表1 几种耐火材料的性质[2]

耐火粉料作为涂料的主体，很大程度上决定了涂料的性能，在选用时应综合考虑以下性质：

（1）耐火性能要与浇铸温度一致；

（2）良好的高温化学稳定性；

（3）不与砂型起不良反应；

（4）不损害铸件的化学成分及性能；

（5）适当的细度。

石墨作为传统的耐火材料具有对金属激冷能力高、化学稳定性强（不被金属或金属氧化物润湿以及不与金属液发生化学反应）、耐火度与热导率极高、热容量大、热膨胀系数低等优点。石墨系的碳的高温变体熔点高达3850℃，是目前最耐高温的材料之一，其导热性超过了钢、铁、铝，具有异常导热性，导电性约为一般非金属的100倍。它的耐火性能极佳，而且不为液态金属所润湿，这两点是其他材料所不能比拟的。石墨具有六边形层状的晶体结构，化学稳定性极强，膨胀系数小，能在高温下经受住温度剧烈变化而不被破坏，在高温下体积变化不大，不易产生裂纹。石墨还具有良好的涂敷性和润滑性，可于固体表面涂抹，形成薄膜，当颗粒小至5～10μm时粘附力更强。但由于其耐火度和热导率过高，难以烧结，处理不当会导致涂层易于剥落，促进夹砂缺陷的形成。

本文选取了高含碳量的生物质碳作为耐火粉料，生物碳是在低氧环境下农作物废物碳化而来，其来源丰富，价格低廉，制备过程环保，具有超高的含碳量及多孔的结构被科学家们称为“黑色黄金”。因为生物碳本身的多孔结构，大大提高了润滑剂涂料的流平性。

表2中介绍了各种涂料分散剂的性质。沸点表示在1个大气压下开始沸腾的温度。沸点愈低，液体愈易汽化，燃烧时火焰扩展较快。闪点是液体表面上的蒸气和空气的混合物与火接触后，开始产生蓝色火焰的闪光时的温度。闪点高低说明燃气着火爆炸的难易程度，闪点低易爆燃。蒸发数是以乙醚为基准比较各种载液蒸发率。蒸发数大说明蒸发较慢，燃烧也缓慢。大气中允许的最大浓度说明载液的毒性大小，数值愈低，毒性愈大[2]。

分散剂又称载液或溶剂，主要作用是使耐火粉料分散和悬浮，制成便于涂敷的浆状涂料。国外常用异丙醇作分散剂，但由于其价格昂贵，国内很少使用。甲醇价格便宜，具有燃烧速度慢、火焰温度低、易点燃、燃烧特性好等优点[2]，但是甲醇有刺激性气味，所以应用时应注意安全[3]。

本实验在涂料中加入了钛白粉，能够增加涂料的塑性、渗透、涂敷和增白作用，在一定程度上提高了流动与流平性，大幅提高了涂料的使用性能和工艺性能。

本文主要介绍了基于现如今醇基涂料的现状而改良的新型增强流平性涂料的配置与涂料配比对其性能的影响，若读者想要深入详细的了解关于成分配比对醇基涂料性能的影响以及其他种类的涂料，请见参考文献。

表2 各种醇基涂料分散剂性质[2]

2 涂料的配比与制备

2.1 涂料的配比

通过实验数据分析，涂料的悬浮性与黏结性不仅与悬浮剂和黏结剂本身有关，二者之间也有一定的相互作用。研究涂料组分对其流平性、2h悬浮率、24h悬浮率和涂料强度等工艺性能的影响，最终确定涂料的配方：耐火粉料（生物碳）23.20%，锂基膨润土7.73%，CMC 7.73%，酚醛树脂11.34%，附加物（钛白粉）15.46%，余量为溶剂（甲醇）（均为占涂料的质量百分比）。

2.2 涂料的制备

2.2.1 生物碳制备工艺

生物碳的主要组分来自于农业，特别是玉米秸秆废弃物，通过机械切割的方法将秸秆制成微小颗粒，再利用高温真空条件，将生物材料制备成所需要的润滑剂。这样能够减少传统煤粉能源材料的消耗，同时回收玉米秸秆，变废为宝。采用本发明润滑剂制备的脱模涂料，涂刷无痕、发气量小、易点燃、抗粘砂性好、铸件表面光洁易清理。

（1）生物质的颗粒化。准备一定量的生物质（农业废弃物，例：玉米秸秆、甘蔗秸杆、高粱秸秆或花生壳中的一种或两种以上的混合物），将生物质置于切割压缩机上进行切割，使生物质颗粒化，得到边长为0.1mm～100mm的立方形生物质颗粒。

（2）高温真空条件制备材料。将生物质颗粒置于采用机械真空泵进行真空处理后的高温真空炉内，在400～600℃保温0.5h～2h，随炉冷却，得到生物质粉末。其中，高温真空炉的真空度为0.1×10-1Pa～1.0×10-1Pa，高温真空炉升温至400～600℃的升温速率为10℃/min～20℃/min。

（3）粉末二次研磨。从高温真空炉内取出粉末，待降温后，将生物质粉末置于坩埚或球磨机中进行研磨，研磨时间为0.5h～2h，得到平均粒径为1μm～5μm的生物质粉末。

所制得的生物碳粉末可直接用于本实验涂料中。

2.2.2 原材料的预处理工艺

锂基膨润土：应使用烘干、粉碎工艺对其加工，保证其干燥性与粒度。本实验中制备的涂料因保证了其点燃快干的优点而没有使用水，只取用甲醇，具有价格便宜、燃烧速度慢、火焰温度低、易点燃等优点。涂料的粒度直接与后期涂料制备完成后的渗入程度与透气性等工作性能有关，所以应把粉碎后的膨润土颗粒粒度控制在200目以上效果较好。试验所取用膨润土以颜色浅，干净不含杂质的样品优先。在实验开始前，应用甲醇将膨润土混合成膏状，使晶层涨开。

酚醛树脂：试验前应先与CMC混合，然后将混合物加入膨润土中再次混合，制成浆料。

CMC：在试验前与酚醛树脂混合。CMC的量与涂料黏结性和悬浮性有关，但当加入CMC超过一定量之后，涂料黏度、悬浮程度变化不明显。

2.2.3 涂料的制备工艺

按照对应比例称量出所需质量，将各组分以前文所述配比加入上述三种原材料，混合搅拌。在搅拌过程中，应不断向其中加入甲醇，耐火粉料，最后加入附加物二氧化钛。在加入前应保证所加固体粉末的粒度与干燥程度。所需搅拌时间与制备涂料的总量和搅拌机转速有关。

由于本试验制备的是醇基涂料，所需的材料最好选择在球磨工艺中无挥发的球磨机中研磨。

关于本次试验所制备的样品，如何控制好各固体组分的粒度，使其达到足够高的程度是影响本样品性能的关键。

在制备完成后应对样品进行质量检验，检验其硬度、表面强度等是否达到工业需求。

3 涂料工艺性能与工作性能的探究

3.1 流平性

流平性指涂料在被涂物表面上流平均匀呈现足够光泽而无针孔的性能，是涂料的一项重要指标。涂料施涂后，形成不平整的湿膜，通过流平来达到平整，即表面张力均匀化的过程。流平性与涂料的黏度、表面张力和使用的溶剂等有关。涂料中若加入硅油、醋丁纤维素等助剂，流平性可得到改善。

除耐火粉料以外，涂料有机溶剂与黏结剂的加入量也会影响涂料的刷涂过程。当甲醇加入量过少，酚醛树脂加入量过大时，会导致涂料黏度过高，不易获得丰满度好的涂膜，流平变差，表面粗糙，易产生结节；反之当黏度过小时，较容易获得更好的流平效果和丰满度，渗入程度较大，但是会影响涂膜流挂性能，干燥后容易脱粉[4]。这些现象都说明，需要找到一个黏度和流平性两个变量都在合理区间的一个阈值窗口。

3.2 悬浮性与黏结性

通过实验发现，涂料的悬浮性与黏结性并不仅仅受其本身影响，起黏结作用的物质也起到一定悬浮作用。通过增强涂料的悬浮性，涂料中会形成一种立体网状结构，黏度增强；当涂料悬浮性下降时，结构受到剪切力作用被破坏，黏度下降。由此可见，二者之间存在着交互作用，相互影响[1]。

3.3 钛白粉对其性能的影响

钛白粉是主要成分为二氧化钛的白色颜料。在常用的白色颜料中，二氧化钛的相对密度最小且热稳定性好，遇高温不易发生化学反应。在涂料中加入一定数量的二氧化钛，能增加塑性、渗透、涂敷和增白作用。通过控制二氧化钛加入量可以控制成膜厚度，增加遮盖力，而且因涂膜密度增大，涂膜致密，分子间间隙减少，涂刷时薄涂即可遮住底材，避免因遮盖率差而多涂，减少流挂产生的机率。同时涂料分散细度越小，钛白粉在其中分散越均匀，也提高了涂料的流动与流平性，有助于形成平整致密、细腻光滑的涂膜[4]。

3.4 铝件流动性测试

本涂料通过运用生物质能材料，和传统煤粉润滑剂相比较，润滑涂料在涂敷后，由于加入了生物碳，对铸件在液体铸造过程中的流动性有显著的提高。如图1和图2所示，图1中，铸造液体铝液从中间入口垂直流入，在液体压强条件下向两侧流动。在煤粉作为润滑脱模涂料的使用条件下，铸件的流动性可以通过铸件成型的中间和两侧之间的高度差体现。图1中的高度差为20.9-13.4=7.5（cm）,图2中的高度差为19.8-15.5=4.3（cm）,生物质能涂料的流动性相对于煤粉的流动性提高了（4.3-7.5）/7.5×100%=42.7%,显著提高了铸造过程中铸件液体的流动性。下两图为涂料铸造效果对比。

图1 煤粉脱模涂料的流动性铸造结果

图2 生物质能脱模涂料的流动性铸造结果

4 总结

本试验所制备的涂料样品相比以往的涂料具有成本低廉，取材方便等优点，挥发气化量低，降低铸件表面粗糙度、有效地防止铸件粘砂、夹砂、砂眼等缺陷，能够提高铸件表面光洁度和模具清理效率。由于在分析配比的时候考虑到其悬浮性与黏结性的相互作用，涂料本身在两者中达到平衡，其悬浮稳定性非常卓越，流平性也有了显著性的提高。同时因为二氧化钛的存在进一步改良了样品涂料的颜色，起到增白作用。本试验样品中的主要组分来源于农业废弃物——玉米秸秆，能够有效减少玉米秸秆的燃烧带来的PM2.5污染和空气污染，不仅能提高玉米农副产品的循环利用，而且还提高了铸件的表面光滑性，降低粘砂性。