水基涂料常用悬浮剂流变及触变性研究

沈宏凯，孙清洲，*，许荣福，彭慧龙，刘伟

(1.山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250101；2.凯得力耐火材料(中国)有限公司，江苏 苏州 215000)

0 引言

砂型铸造是铸造生产的主要方法，由砂型铸造工艺生产的铸件占到铸件总产量的70%以上。在砂型铸造中，往往通过在铸型或芯子表面施涂涂料来提高铸件的表面质量。铸造用涂料一般由耐火骨料、悬浮剂、黏结剂、载体以及其他助剂组成[1]。

悬浮剂是具有使固体物分散并使之悬浮在载液中的物质。优质涂料悬浮剂不仅具有使耐火骨料悬浮的能力，而且应该使涂料体系具有良好的流变和触变特性。流变性是流体在受到外力作用下变形和流动的性质。触变性是指流体受到剪切时黏度变大或变小，而停止剪切时黏度又逐渐恢复的性质，是一种可逆的溶胶现象，代表流体黏度对时间的依赖性。流动触变液体的结构变化是由流动应力对微观结构颗粒的作用引起的。触变程度取决于粒度、基配等，优异的触变性可以在重塑后使材料的强度提高超过100%[2－4]。流变和触变性影响到涂料的诸多性能。如涂料的涂刷性、流淌性、耐磨性和抗裂性等[5]，进而影响涂层的表面光洁度、厚度、均匀性。涂料在流涂过程中产生的流痕、堆积、涂层上薄下厚、波纹痕等涂膜弊病与涂料的流变性能均有直接关系。在铸造涂料的研发、生产或现场应用中，往往忽略流变性能[6]。对铸造涂料而言，理想的流型是有触变性且带屈服值的假塑性流体，对涂料施加剪切应力，在超过某个临界应力之前，材料保持不流动状态，只有当剪切应力超过临界应力后，涂料才能流动，该临界剪切应力即为涂料的屈服值[7]。触变环法是评价流体触变性好坏的一种常用方法，可以用来判断流体触变性的好坏，触变环的面积越大则触变性越大，反之则越小[8]。屈服值高的涂料，悬浮性较好。一定的屈服值能使涂料在重力作用下不产生流淌和厚度不均的现象[9]。

选择具有优异流变和触变性的悬浮剂不仅有助于耐火骨料的悬浮，而且容易形成一定的组织结构，且该结构易于被外部作用力拆散，形成有触变性的涂料，有利于流涂控制，进一步提高了涂层在砂型表层的渗入深度以及与砂型表面的附着强度等工艺效果，最终达到提高铸件质量的目的[10]。实验室常用的一些悬浮剂如钠基膨润土、羟甲基纤维素(Carboxymethylcellulose，CMC)，吸水后能形成空间网状结构，使液体成为胶体从而形成较好的悬浮体系；钙基膨润土经过锂化后同样具有一定的悬浮性；凹凸棒土则以其优异的悬浮性、悬挂性而得到广泛应用[11－15]。

针对涂料常规制备方法工作量大、开发周期长的缺点，文章主要对水基涂料中常用单一悬浮剂钠基膨润土、锂基膨润土、凹凸棒土以及CMC的悬浮液进行了流变性和触变性的研究。

1 设备与方法

1.1 设备与材料

试验中用到的主要仪器设备有NXS－11B型旋转黏度计(A系统最大剪切速率Ds＝996.1 s－1，转角常数Z＝0.2767 Pa/格；B系统最大剪切速率Ds＝204.3 s－1，转角常数Z＝0.5675 Pa/格)、电子天平、恒温烘干箱、涂料搅拌器等。试验材料有蒸馏水、钠基膨润土、凹凸棒土、CMC、钙基膨润土、碳酸锂等。

1.2 试验方法

悬浮液的制备:称取钠基膨润土加入盛有适量蒸馏水的烧杯中，利用转速为3 000 r/min的搅拌机搅拌均匀，密封静置陈化24 h，分别制得质量分数为7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%和12.5%的钠基膨润土悬浮液；称取凹凸棒土放入盛有蒸馏水的烧杯中，搅拌均匀，密封静置陈化24 h，分别制得质量分数为7.8%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%、13.5%和14.5%的凹凸棒土悬浮液；称取一定量的钙基膨润土，加入5%的质量分数为96%的碳酸锂，加入蒸馏水混合，搅拌均匀，密封静置锂化48 h，制得质量分数为7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%和12.5%的锂基膨润土悬浮液；量取适量的蒸馏水于烧杯中，称取CMC后放入盛有蒸馏水的烧杯中，搅拌均匀，密封静置陈化24 h，制得质量分数为1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的CMC悬浮液。

悬浮液的测试:将陈化好的悬浮液用搅拌机搅拌10 min，置于NXS－11B型旋转黏度计的转子套筒中，静置10 min后开始测试。从黏度计的最低转速开始，待第一个转速数值稳定后依次提高转速直至最高转速，并记录每一对应转速下的剪切应力，以剪切速率为横坐标，剪切应力为纵坐标绘制流变曲线。依次从最低转速到最高转速，再依次由最高转速到最低转速，每次提高或降低转速的时间间隔为30 s，分别记录各剪切速率下的剪切应力，并以剪切速率为横坐标，剪切应力为纵坐标绘制触变曲线。

2 结果与分析

2.1 钠基膨润土水悬浮液的流变及触变性

钠基膨润土水悬浮液的流变及触变曲线分别如图1、2所示。质量分数为7.5%、8.5%的钠基膨润土水的悬浮液黏度较低，采用黏度计的A系统测试，其流变和触变曲线分别如图1(a)和2(a)所示；质量分数为9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的钠基膨润土水悬浮液的黏度较高，采用黏度计的B系统进行测试，其流变和触变曲线分别如图1(b)和2(b)所示。

由图1可知，钠基膨润土水悬浮液的流变曲线不经过原点，质量分数≤10.5%的钠基膨润土水悬浮液基本呈现带有屈服值的塑性流体特征，而质量分数为12.5%的钠基膨润土水悬浮液呈现出了带有屈服值的假塑性流体特征。钠基膨润土水悬浮液刚开始受到剪切应力作用，当剪切应力＜屈服值时，其保持原来的静止状态；当剪切应力达到屈服值后，随剪切应力的增加，悬浮液开始发生流变。随着钠基膨润土质量分数的增加，屈服值增加，同等剪切速率下的剪切应力增加。由图2可以看出，钠基膨润土水悬浮液均形成了触变环，表现出了触变性，质量分数为7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的钠基膨润土水悬浮液形成触变环的积分面积分别为464.26、1 546.91、467.41、489.34、551.44、1 196.10 Pa/s。由于质量分数为7.5%、8.5%和9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的钠基膨润土水悬浮液的触变性是分别采用黏度计的A系统和B系统测试的，不能依两者触变环面积绝对值的大小直接评价悬浮液触变性的大小，但将两者放在一起分析可以看出，钠基膨润土水悬浮液的触变性随膨润土水悬浮液质量分数的增加而增加。

图1 钠基膨润土悬浮液流变曲线图

图2 钠基膨润土悬浮液触变曲线图

2.2 锂基膨润土水悬浮液的流变及触变性

锂基膨润土水悬浮液的流变及触变曲线分别如图3、4所示。由于锂基膨润土水悬浮液黏度较低，全部采用黏度计的A系统测试。锂基膨润土水悬浮液的流变曲线不经过原点，呈现塑性流体的基本特征。随着锂基膨润土质量分数的增加，屈服值增大，同等剪切速率下的剪切应力增加，剪切应力在质量分数为11.5%～12.5%时，增加值大于在其他相邻质量分数时的增加值。锂基膨润土水悬浮液均具有很小的触变环，表现出了触变性，质量分数为7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的锂基膨润土水悬浮液形成触变环的积分面积分别为50.71、48.17、71.28、51.43、50.40、57.55 Pa/s。锂基膨润土水悬浮液形成触变环的面积很小，由于测试过程中的误差，致使各种锂基膨润土水悬浮液所形成触变环的面积和质量分数之间没有呈现出一定的规律性，进一步

图3 锂基膨润土悬浮液流变曲线图

2.3 CMC水悬浮液的流变及触变性

CMC水悬浮液的流变及触变曲线分别如图5、6所示。图5(a)和6(a)分别采用黏度计的A系统进行测试，而图5(b)和6(b)分别采用黏度计的B系统进行测试。CMC水悬浮液基本呈现假塑性流体的基本特征。CMC的质量分数低，质量分数对剪切应力的影响较小，随着水悬浮液质量分数的增加，质量分数对剪切应力的影响也增加。CMC水悬浮液证明了锂基膨润土水悬浮液的触变性很小，且质量分数为7.5%～12.5%时，对触变性的影响很小。均形成了很小的触变环，质量分数为1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%的CMC水悬浮液所形成触变环的积分面积分别为27.64、248.58、69.52、39.21、12.61、59.45 Pa/s。CMC水悬浮液形成触变环的面积很小，由于测试过程中的误差，致使各种CMC水悬浮液所形成触变环的面积和质量分数之间没有呈现出一定的规律性，也就证明了CMC水悬浮液的触变性很小。

图4 锂基膨润土悬浮液触变曲线图

图5 CMC悬浮液流变曲线图

图6 CMC悬浮液触变曲线图

2.4 凹凸棒土水悬浮液的流变及触变性

凹凸棒土水悬浮液的流变及触变曲线分别如图7、8所示。其中图7(a)和8(a)分别采用黏度计的A系统测试，图7(b)和8(b)分别采用黏度计的B系统测试。凹凸棒土水悬浮液呈现带有一定屈服值的假塑性流体特征。随着凹凸棒土质量分数的升高，屈服值略有增大，同等剪切速率下的剪切应力增大。在低剪切速率下，随着剪切速率的增加，剪切应力增加迅速，随着剪切速率的提高，剪切应力随剪切速率的增长而增加力度降低并趋于定值。凹凸棒土水悬浮液均形成了触变环，质量分数为8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%、13.5%、14.5%的凹凸棒土水悬浮液所形成触变环的积分面积分别为996.3、1 005.80、1 631.96、3 157.68、520.22、528.90、674.17 Pa/s。整体呈现凹凸棒土水悬浮液的质量分数增加，触变环面积也随之增加，但凹凸棒土水悬浮液的剪切应力－剪切速率曲线逆时针方向形成封闭的环，而不是像一般触变性流体形成顺时针方向封闭的触变环，有待于进一步研究。

图7 凹凸棒土悬浮液流变曲线图

图8 凹凸棒土悬浮液触变曲线图

3 结论

通过上述研究，得到以下结论:

(1)质量分数≤10.5%的钠基膨润土水悬浮液基本呈现带有屈服值的塑性流体特征，质量分数为12.5%的钠基膨润土水悬浮液呈现出带有屈服值的假塑性流体特征，表现出了触变性，且触变性随膨润土水悬浮液质量分数的增加而增加。

(2)锂基膨润土水悬浮液呈现塑性流体的基本特征，形成了很小的触变环，且触变性受质量分数的影响很小。

(3)CMC水悬浮液呈现出假塑性流体的基本特征，触变性很小。

(4)凹凸棒土水悬浮液呈现带有一定屈服值的假塑性流体特征，均形成了触变环，随凹凸棒土水悬浮液质量分数增加，触变环面积增加。但凹凸棒土水悬浮液的剪切应力－剪切速率曲线逆时针方向形成封闭的环，而不是像一般触变性流体形成顺时针方向封闭的触变环。