羧甲基纤维素钠对石英粉涂料性能影响的研究

郭广思，王健骁，刘 洋

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.辽宁省水利事务中心，沈阳 110003)

由于消失模铸造具有铸件尺寸精确、适用范围广、清洁绿色等优点，该技术近年来得到了突飞猛进的发展，在我国工业生产中已经有了一定的规模，但我国消失模铸造技术还处于较低水平[1]。消失模铸造涂料可以很大程度上改善铸件的质量，起到将金属液与模型隔绝的作用，防止模型浇铸过程中塌陷，改善铸件表面质量，同时有很好的透气性。有利于气体的排出[2]。消失模铸造涂料要有高强度、良好的悬浮性和粘度，同时在使用过程中简单易操作，节约环保等特点。王萍萍等[3]也在涂料中加入CMC-Na作为悬浮剂，得到了很好的应用效果。吕小艳[4]将CMC-Na作为悬浮剂，得到的涂料有较好的悬浮性和粘度。作为悬浮剂的羧甲基纤维素钠(CMC-Na)对涂料的强度、粘度、悬浮性都有很大的影响，其加入量对涂料的成功与否起着关键影响。

1 实验方法

1.1 涂料的组成

(1)耐火骨料

耐火骨料是铸造涂料的主要组成部分，占涂料组分的80%左右，其性质直接决定铸造涂料的性质[4]。选择耐火骨料时需要考虑到耐火能力、骨料的形状及粒度大小、化学稳定性、热膨胀系数、绿色无污染、价格便宜，来源广泛等[5]。因此，本实验选用石英粉作为耐火骨料，采用的石英粉目数为240目。

(2)悬浮剂

悬浮剂的作用是使液体拥有一定的悬浮能力，当液体中加入某种颗粒时可将颗粒悬浮于液体中，使液体能均匀地承载颗粒，同时也拥有长时间保存且不产生沉淀的能力[6]。除此之外，可保证涂料质量均匀，始终保持弥散状态。本试验选用钠基膨润土和CMC-Na共同作用。

(3)粘结剂

铸造涂料的实质是耐火骨料层的保护作用，使涂料起到关键作用的前提是耐火骨料层能很好的黏附在模型表面，有一定的强度，在浇注过程中能抵抗高温金属液的冲刷而不脱落[7]。粘结剂要有很好的溶解性，能均匀分散在载液中，为骨料颗粒提供均匀的胶体环境[8]。本实验选用的粘结剂是水玻璃和淀粉。

(4)载液

涂料中的载液起着至关重要的作用，其为耐火骨料的悬浮提供空间。本实验选择水为载液。

(5)其他添加剂

本实验加入的其他添加剂有消泡剂、表面活性剂。

消泡剂：在涂料的配置过程中，各种成分的加入以及进行长时间的搅拌过程会产生大量气泡，影响后续涂层的性能，所以在涂料中加入适当的消泡剂减少气泡的产生[9]。

表面活性剂：表面活性剂能显著降低液体表面的张力，使涂料具有更好的综合性能。

1.2 性能测试方法

涂料的粘度采用涂式杯来测量：将涂料倒进涂式杯并刮平，打开阀门后测量涂料断流所用的时间，时间越长表明涂料的粘度越大。悬浮性采用静置观察法进行测量：向量筒中倒入50mL配置好的涂料，在阴凉处静置24h后观察，清水层所占的比例即为涂料的悬浮性。采用落砂法来测量强度：将砂子从距离玻璃板一米高度处自然下落，玻璃板上涂有预先准备好的均匀干燥的涂料层；当玻璃板上的涂料层被落砂打出4mm左右的圆坑时，称量落下砂子的重量，以此来表示涂料的强度；落砂重量越大，涂料强度就越大。滴淌性的测量需要用到载玻片，将载玻片浸入涂料中40mm处蘸取涂料,并放置在烧杯上空，使涂料自然滴落，待无法滴落时，读取天平上的质量，即为滴淌性的测量指标[10]。静置24h后测量涂层厚度即为涂挂性指标。流平性的测试方法是将50mL涂料倒入式样筒中，将试样筒垂直提起，待涂料完全摊开后测量涂层最大半径即为流平性指标。

1.3 各组分加入量

表1为涂料中各原材料的加入比例。

表1 涂料中原材料加入比例 %

2 原材料的准备

2.1 耐火骨料的准备

实验中用到不同粒度的石英粉，石英粉原料为各种粒度的混合，需要进行不同粒度的筛分。在150℃对石英粉原料进行烘干，烘干时间大约1h，烘干后进行冷却，用不同目数的筛网对原料进行筛分，将筛好的不同目数的石英粉进行密封保存，防止受潮。

2.2 悬浮剂的准备

实验中的钠基膨润土配置成10%的膨润土浆，CMC-Na需要配置成2%的水溶液。由于两者在常温下的溶解速度较慢，容易在水中结块，所以两者都要用搅拌配制。边搅拌边加入，直到液体中没有结块后，将两溶液密封保存，防止吸水，静置24h后待用。

2.3 粘结剂的准备

实验中选用水玻璃和淀粉联合作为粘结剂，水玻璃现用现取，无需配置，淀粉需要配置成10%的淀粉水溶液，实验时现用现配。

3 实验结果与分析

CMC-Na加入量分别为0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，研究其加入量对涂料的粘度、强度、滴淌性、悬浮性等性能的影响。实验结果见表2。

表2 CMC-Na对涂料性能的影响

3.1 CMC-Na对涂料强度的影响

CMC-Na作为悬浮剂也会增强耐火骨料之间的结合，耐火骨料更加致密，增大涂料层的强度。

图1为CMC-Na的加入量对强度的影响曲线图。

图1 CMC-Na加入量对强度的影响

由图1可以看出，随着涂料中CMC-Na含量的增加，涂料的强度逐渐增加，从40.3g增加至54.3g，涂料的强度整体保持在40g以上，考虑到涂料的清理问题，CMC-Na的加入量在0.3%～0.5%之间较好。

3.2 CMC-Na对涂料悬浮性的影响

图2为CMC-Na的加入量对悬浮性影响曲线图。

由图2中可以看出，随着CMC-Na加入量的增加，涂料的悬浮性有上升后稳定的趋势，在加入量为0.3%时，涂料的悬浮性最低为96%，在0.4%～0.6%时一直稳定在100%左右，因为在CMC-Na加入量为0.4%后，CMC-Na所提供给载液的网状络合物结构达到饱和，所以悬浮性达到稳定状态。当涂料的悬浮性达97%以上时，涂料的性能较为稳定，使用效果较好，所以CMC-Na的加入量0.4%～0.6%之间较好。

图2 CMC-Na加入量对悬浮性的影响

3.3 CMC-Na对涂料粘度的影响

图3为CMC-Na的加入量对粘度的影响曲线图。

图3 CMC-Na加入量对粘度的影响

由图3中可以看出，随着CMC-Na加入量的增加，涂料的粘度逐渐增加，从31.2s增加至40.2s；在加入量在0.6%时涂料的粘度达到最大为40.2s；在加入量在0.3%～0.5%之间时，涂料的粘度在30～40s之间，符合涂料的使用要求，所以涂料中的CMC-Na加入量在0.3%～0.5%之间较好。

3.4 CMC-Na对涂料滴淌性的影响

图4为CMC-Na的加入量对滴淌性影响曲线图。

图4 CMC-Na加入量对滴淌性的影响

由图4可以看出，随着CMC-Na加入量增加，涂料的滴淌性降低。在加入量为0.3%时，涂料的滴淌性最大为0.879g；在四种加入量中，加入量为0.6%时，为最低的0.821g。作为悬浮剂的CMC的增加会使涂料的粘度有一定的增加，所以滴落的涂料会减少，但总体上变化幅度不大，都保持在0.8～0.9g之间，符合涂料的使用要求。

3.5 CMC-Na对涂料透气性的影响

在配制CMC-Na溶液的时候就可以看出，CMC-Na溶液较为粘稠，其与载液混合后增大涂料的粘度，在给耐火骨料提供支撑的同时也会使耐火骨料颗粒之间紧密的结合在一起，从而降低涂料的透气性。

图5为CMC-Na的加入量对透气性的影响曲线图。

图5 CMC-Na加入量对透气性的影响

由图5可以看出，涂料的透气性随着CMC-Na加入量的增加逐渐减小，从69.4%降低至64.8%。CMC-Na加入量在0.6%时涂料的透气性较差，已经不能满足涂料的使用要求，所以CMC-Na的加入量最好保持在0.3%～0.5%。

3.6 CMC-Na对涂料流平性的影响

涂料的粘度和流平性是相反的，当涂料粘度变大时，涂料的流动性降低，使涂料的流平减小。

图6为CMC-Na的加入量对流平性影响曲线图。

图6 CMC-Na加入量对流平性的影响

由图6中可以看出，涂料的流平性随着CMC-Na加入量的增加逐渐减小，从13.7cm减小至12.6cm，整体上降低了1cm左右，这个范围符合涂料的使用要求，所以涂料中作为悬浮剂的CMC-Na的含量在0.3%～0.6%之间较好。

3.7 CMC-Na对涂料涂挂性的影响

图7为CMC-Na的加入量对涂挂性影响曲线图。

图7 CMC-Na加入量对涂挂性的影响

由图7可以看出，随着CMC-Na加入量的增多，涂料的涂挂性增大，从0.1mm增大到0.13mm左右。CMC-Na的增加使得单位面积内悬浮的耐火骨料颗粒增多，所以在载玻片上的涂层会随着CMC-Na的增多变厚。总体上涂挂性保持在较好的状态，符合涂料的使用要求。

3.8 CMC-Na对涂料pH的影响

图8为CMC-Na的加入量对pH影响曲线图。

图8 CMC-Na加入量对pH的影响

由图8可以看出，随着CMC-Na加入量的增多，涂料的pH有很小波动变化，总体维持在10.25左右，满足涂料弱碱性的使用要求。由此可见，CMC-Na的加入量对涂料pH值并没有太大的影响，在考虑到CMC-Na加入量时pH值可以不作为分析的因素。

3.9 CMC-Na对涂料密度的影响

图9为CMC-Na的加入量对密度的影响曲线图。

图9 CMC-Na加入量对密度的影响

由图9可以看出，随着CMC-Na加入量的增加，涂料的密度增加，在加入量从0.3%增加到0.6%时，涂料的密度从1.173g/mL增长到1.209g/mL。涂料中CMC-Na的增加使得涂料中耐火骨料分布更加均匀，减少了脱离粘稠组织的耐火颗粒，所以会使涂料的密度增大。

4 结论

在石英粉涂料中，随着CMC-Na加入量的增加，涂料的强度逐渐增大，在0.3%～0.5%之间较好；涂料的悬浮性在加入量为0.4%～0.6%之间较好，稳定在100%左右；涂料的粘度逐渐增大，在加入量为0.4%～0.6%之间较好；涂料的滴淌性逐渐减小;涂料的PH稳定在10.2左右，始终保持弱碱性；涂料的密度变化范围也在合理范围内。综合对上述几种性能的分析，CMC-Na的加入量为0.5%时，涂料的综合性能最好。