聚乙烯醇纤维增强水溶性型芯的制备与性能

2022-06-01潘文轩玄伟东段方苗白小龙任兴孚任忠鸣

上海金属 2022年3期

潘文轩玄伟东段方苗白小龙任兴孚任忠鸣

（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2.中国联合重型燃气轮机技术有限公司，北京 100061）

随着我国航空航天和汽车工业的发展，熔模精密铸件的应用越来越广泛，对其尺寸精度和结构复杂化的要求也越来越高［1］。目前，在汽车及航空发动机等精密铸件中常设计有许多数量不等、无法采用机加工成形的复杂孔和内腔，其中一些直径较小的孔可通过铸件内部制备的陶瓷型芯，在铸件冷却后直接将其从铸件内部清除的方法来成形，而那些形状特别复杂或不允许有拔模斜度的内腔则难以成形［2-4］。为此，研究者开发了多种水溶性型芯来成形铸件的复杂内腔结构，根据型芯基体材料和黏结剂的不同，主要分为水溶性有机型芯、水溶性砂芯、水溶性盐芯和水溶性陶瓷型芯［5-8］。

其中，以水溶性高分子材料聚乙二醇为黏结剂制备的型芯，因具有成形性好、表面光洁度高、易脱除等优点而被广泛应用于熔模精密铸造。然而由于聚乙二醇芯强度不高，在蜡模压制过程中表面受到较大冲击压力容易发生断裂，因此通常加入一定量的增强材料以改善其力学性能［9-10］。

目前，常用的增强材料有纤维（碳纤维）、晶须（陶瓷晶须）和颗粒（SiC）材料等［11］。研究发现，聚乙烯醇（PVA）纤维是一种力学性能优良的有机增强材料，具有良好的抗裂性和韧性、机械强度高、分散性好等优点，在增强复合材料强度，改善其塑韧性等方面具有广阔的应用前景，且尚未有针对PVA纤维与其他材料复合应用于水溶性型芯的相关研究［12-14］。因此，针对水溶性型芯力学强度低、脆性大、易断裂等问题，本文以具有良好水溶性的聚乙二醇作为黏结剂，云母粉、NaHCO3为填料，聚乙烯醇（PVA）纤维为增强材料，利用热压注法制备水溶性型芯，研究了PVA纤维添加量对聚乙二醇基水溶性型芯性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 材料制备

试验用原材料分别为聚乙二醇（江苏海安石油化工厂，PEG-4000）、云母粉（河北高邑利和化工有限公司，45 μm）、NaHCO3、聚乙烯醇（PVA）纤维（浑源骏宏新材料有限公司）。水溶性型芯的成分如表1所示。

采用热压注方法制备水溶性型芯试样。先将聚乙二醇放入HZ-3S型浆料搅拌器中加热至78℃完全熔化，然后将均匀混合的填料和PVA纤维分批加入浆料中搅拌并抽真空，搅拌5 h后，将浆料倒入射蜡机，利用热压注成形的方法压制水溶芯试样，压注温度为70℃，注射压力为0.4 MPa，保压时间为40 s，模具尺寸为40 mm×10 mm×4 mm。对压制好的素坯进行修边、去毛刺处理。

1.2 性能表征

根据HB 5353.2—2004《熔模铸造陶瓷型芯性能试验方法第2部分：烧成收缩率的测定》，采用WDW-300型微机控制电子万能试验机测试抗弯强度，跨距为30 mm，加载速率为0.5 mm/min。每组8个试样，试验结果去掉最大值和最小值后取平均值。常压下，将试样完全浸入室温水中，静置后观察试样的水溶溃散情况及完全溃散所需的时间，并拍照记录。每组试验结果取3个试样的平均值。在恒温恒湿环境下，采用精密电子天平测量试样吸湿前后的质量，计算其吸湿率，吸湿率＝（吸湿后质量－吸湿前质量）/吸湿前质量。每组试验结果取3个试样的平均值。利用SU-1500型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察试样的断口形貌与显微组织，测试电压为15 kV，观测前试样断面进行喷金处理。

2 试验结果与分析

2.1 PVA纤维含量对水溶性型芯抗弯强度的影响

图1为不同PVA纤维添加量型芯试样的抗弯强度。由图1可知，随着PVA纤维含量的增加，型芯试样的抗弯强度先升高后降低，当纤维质量分数为1.0%时，试样的抗弯强度最高为17.01 MPa。不同PVA纤维添加量试样的断口SEM形貌如图2所示。由图2（a）可知，未添加纤维的试样断口没有明显孔洞，层片状的云母粉与聚乙二醇黏结在一起；从图2（b，c）可以看出，随着PVA 纤维添加量的增加，试样断口孔洞明显增多。通常，PVA纤维的添加会导致孔洞的数量和尺寸增加，这些孔洞容易导致裂纹的萌生和扩展（图2（c）），从而降低试样的抗弯强度。但试样的抗弯强度随着纤维含量的增加而逐渐升高，这是因为PVA纤维与聚乙二醇都是高分子有机材料，纤维与基体具有较好的相容性，纤维穿插于基体之中，起到了一定的增强作用；并且PVA纤维和水溶性型芯基体之间存在一些界面，这些界面导致裂纹偏转并延长断裂路径，从而提高了材料的抗弯强度；此外，在型芯断裂过程中会发生纤维拔出效应消耗更多的断裂能，从而有利于型芯抗弯强度的提高。然而，随着纤维含量的进一步增加，一方面纤维分散不均匀，容易发生纤维搭接团聚现象，这不利于纤维与基体的充分结合，将削弱纤维的桥联作用［13］；另一方面由于纤维的含量过高导致云母粉与聚乙二醇之间的结合力减弱，从而恶化型芯的力学性能，使型芯的抗弯强度降低。

图1 不同PVA纤维添加量型芯试样的抗弯强度Fig.1 Flexural strength of the core specimens with different amounts of PVA fiber

图2 不同PVA纤维添加量型芯试样的断口形貌Fig.2 Fracture patterns of the core specimens with different amounts of PVA fiber

2.2 PVA纤维含量对水溶性型芯水溶速率的影响

聚乙二醇的水溶过程主要分为两步：首先，水分子通过扩散和毛细作用接触并渗入水溶性黏结剂内部，聚乙二醇吸水膨胀；其次，由于聚乙二醇膨胀致使分子间作用力减弱而被分散在水中开始溶解［15］。在实际生产中，为了节约时间，一般会加入一定浓度的HCl或柠檬酸来提高水溶溃散速率，本文将尺寸为20 mm×10 mm×4 mm的4个水溶性型芯试样分别置于静止的纯水中溶解5、10、15、20 min，溶解过程如图3 所示。从图3可以看出，水溶时间相同，添加PVA纤维试样的水溶溃散性明显优于不含纤维的试样，并且随着水溶时间的延长，试样向四周溃散的程度逐渐增大，说明PVA纤维加速了水溶性型芯的溃散。其中，纤维质量分数为0.5%试样的溃散现象最明显且溃散程度最大。此外，为了定量分析PVA纤维含量对水溶性型芯试样水溶速率的影响，计算各试样的初始质量与完全溶解所需时间，结果如图4所示。可见随着纤维含量的增加，水溶速率先增大后减小，当PVA纤维质量分数为0.5%时，水溶速率最大，为1.52×10－3g/s。

图3 不同PVA纤维添加量型芯试样的水溶溃散图Fig.3 Water dissolution collapse diagrams of the core specimens with different amounts of PVA fiber

图4 不同PVA纤维添加量型芯试样的水溶速率Fig.4 Water soluble rate of the core specimens with different amounts of PVA fiber

为了进一步探究试样的水溶溃散机制，观察水溶后试样的SEM形貌，如图5所示。从图5（a）可以看出，试样表面有很多细小的孔洞，并且在水溶过程中，层片状的云母粉与已溃散的糊状浆料结合在一起，试样表面浸蚀产生了一定数量的凹坑，这些凹坑加速了水分子的渗透。通常纤维的作用是为水分子提供快速通道，水分子更容易沿纤维路径扩散渗透。但是随着试样的溃散，穿插在基体中的纤维和云母粉与已溃散的糊状浆料附着在一起形成了阻碍层，阻碍了水分子的进一步渗透，导致试样的水溶速率下降（图5（c，d））［10］。因此，PVA纤维的添加量不宜过高。

图5 不同PVA纤维添加量试样水溶后的表面微观形貌Fig.5 Surface morphologies of the core specimens with different amounts of PVA fiber after dissolving into water

2.3 PVA纤维含量对水溶性型芯抗吸湿性的影响

水溶性型芯原料中含有吸湿性较强的NaHCO3，型芯压制后若没有干燥的储存条件，会出现吸湿现象。为了探究水溶性型芯的抗吸湿性能，将不同PVA纤维添加量的试样在恒温恒湿环境中分别放置5、15、30和60 d后，称量其质量，结果如图6所示。可以看出，随着在空气中暴露时间的延长，型芯吸收空气中水分的质量越大，30 d后型芯质量增加趋势减缓，最终达到湿度饱和点，试样的累积相对吸湿量达到最大。此外，放置时间相同，PVA纤维含量越高型芯的抗吸湿性越强。分析认为，水溶性型芯的初始吸附主要是由于NaHCO3的水合作用，生成十水合碳酸氢钠，而作为增强材料的PVA纤维只能通过毛细作用吸湿，影响较小。当NaHCO3吸湿饱和时，型芯会发生一定潮解，但由于PVA纤维穿插在型芯基体中，使得纤维与基体之间的结合较为致密，对型芯结构的破坏有一定的阻滞作用。因此，型芯中纤维的网状结构不易断开，型芯的吸潮面积也较小，抗吸湿性提高。