一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂及制备方法，一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂包括硅酸钠、磷酸氢二钠、D-山梨醇、水溶性硅油、四乙基硅酸盐、硫酸铝、萘磺酸、酚醛树脂、氢氧化钠、去离子水；所述的各组成成分的重量百分含量为：硅酸钠：22-34%、磷酸氢二钠：2%-11%、D-山梨醇：1.5%-5.5%、水溶性硅油：0.2%-0.8%、四乙基硅酸盐：0.7%-2.3%、硫酸铝：0.3%-0.7%、萘磺酸：0.3%-0.7%、酚醛树脂：0.4%-2.6%、氢氧化钠：0.7%-2.3%、去离子水：46%-66%。本发明专利技术的有益效果在于：制备得到的无机粘结剂25℃时粘度＜15mpa.s，可以满足砂型喷墨打印使用要求；粘结强度高；粘结剂的溃散性能优异，应用于铸造领域时，铸件清砂容易；粘结剂抗吸湿性能优异，可使用时间短、能够实现快速硬化。

【技术实现步骤摘要】
一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂及其制备方法
本专利技术涉及铸造辅助材料领域，具体涉及一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂及其制备方法。
技术介绍
三维打印（ThreeDimensionalPrinting，3DP)由E.Sachs等人于1992年提出，是根据喷墨打印机原理，从喷嘴喷射出材料微滴，按一定路径逐层固化成型，3D打印技术与机器人、互联网一起被称为第三次工业革命的主要标志。目前，已有部分工业级3D打印机应用于铸造生产服务，主要用于铸件的快速成型、翻制模具、打印模壳、砂芯等。德国、日本等发达国家已经将3D打印技术广泛应用于铸造行业，而在国内，3D打印技术正处于起步阶段，尤其在铸造行业，采用3D打印技术制造高端精密有色金属铸件的企业寥寥无几。目前国内外铸造企业普遍使用的3D型砂打印用粘结剂为有机树脂，如酚醛树脂，有机树脂粘结剂虽然具有优异的性能，但其居高不下的成本、树脂砂在使用过程中对环境的严重污染，及其在铸件质量控制方面的局限性等缺点，严重制约了有机树脂粘结剂的进一步发展。为了迎合高效、节能、环保的“绿色铸造”理念，开发一种性能与有机树脂相当、环保无污染的有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，已然成为了铸造工作者们的共识。传统的无机粘结剂普遍存在粘度大、强度低、溃散性差以及抗吸湿性差等问题，而3D打印要求粘结剂的粘度低且能够实现快速硬化，同时还要保证型砂强度，传统的无机粘结剂无法满足3D打印的需求，直接阻碍了无机粘结剂在高端铸造领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，开发了一种强度高、粘度低、可使用时间短、能够实现快速硬化、抗吸湿性好、溃散性能优异的有色金属3D砂型打印用无机粘结剂。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，包括硅酸钠、磷酸氢二钠、D-山梨醇、水溶性硅油、四乙基硅酸盐、硫酸铝、萘磺酸、酚醛树脂、氢氧化钠、去离子水；所述的各组成成分的重量百分含量为：硅酸钠：22-34%、磷酸氢二钠：2%-11%、D-山梨醇：1.5%-5.5%、水溶性硅油：0.2%-0.8%、四乙基硅酸盐：0.7%-2.3%、硫酸铝：0.3%-0.7%、萘磺酸：0.3%-0.7%、酚醛树脂：0.4%-2.6%、氢氧化钠：0.7%-2.3%、去离子水：46%-66%；所述的硅酸钠为固体，模数为2.85-3.4，目数为120；所述的水溶性硅油纯度为100%，用于提高粘结剂的光滑度，便于后期处理。所述的磷酸氢二钠、D-山梨醇、四乙基硅酸盐、水溶性硅油为无机粘结剂体系中的改性剂；所述的磷酸氢二钠在高温条件下与硅酸钠可形成PO42-、SiO42-复合玻璃网络，在冷却过程中，析出晶体破坏粘结膜，以及二者收缩性相差极大而导致粘结膜开裂，使得该无机粘结剂砂具有优异的溃散性；同时高温烧结性能较好的Al3+也可以改善无机粘结剂砂的高温溃散性。所述的D-山梨醇作为改性剂，提高无机粘结剂砂的常温强度、低温溃散性，且起到延缓老化的作用。所述的四乙基硅酸盐，向体系引入硅酸根的同时，也带入了乙基官能团，不仅可以提高无机粘结剂的粘结强度，而且可以改善无机粘结剂抗吸湿性差的问题。同时，水性的酚醛树脂，在很大程度上提高了无机粘结剂的粘结强度。另一方面，水溶性的硅油可以明显改善无机粘结剂的抗吸湿性。所述的萘磺酸作为一种有机弱酸，加入到粘结剂体系中，可以提高无机粘结剂的溃散性。同时，其电离产生的H+与硅酸钠水溶液中的OH-结合，可加快粘结剂的硬化速度；所述的氢氧化钠加入粘结剂体系中与硅酸钠中的SiO2形成SiO42-调节了硅酸钠的模数，同时降低了无机粘结剂的粘度、调节无机粘结剂的可使用时间以及硬化速度。一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤一，将硅酸钠和去离子水加入到搪瓷反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态，保持至少1h；步骤二，缓慢加入磷酸氢二钠和D-山梨醇，待反应至清澈透明后，继续反应至少30min，继续加入四乙基硅酸盐、硫酸铝、萘磺酸，保持微沸状态反应1h以上；步骤三，加入酚醛树脂，反应30min以上，加入水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，关闭搅拌和加热；步骤四，待体系温度降至室温后，打开搅拌，缓慢加入氢氧化钠，搅拌30min以上后出料，将合成的粘结剂于室温下静置24h，取上层清澈透明液体作为最终的无机粘结剂产品。所述的步骤四中，所述的无机粘结剂产品25℃时粘度＜15mpa.s。本专利技术的有益效果在于：制备得到的无机粘结剂25℃时粘度＜15mpa.s，粘度低，可以满足砂型喷墨打印使用要求；该无机粘结剂在加入量为3.5%（占标准砂的比重），固化剂加入量为15%（占粘结剂的比重）时，其Φ30mm*50mm的标准砂试块常温抗压强度达到4.5Mpa以上，粘结强度高；该无机粘结剂的标准砂试块在经过600℃以上的高温烘烤后，其残留强度变得很低，尤其当烘烤温度超过800℃时，残留强度低于0.5Mpa，表明该粘结剂的溃散性能优异，应用于铸造领域时，铸件清砂容易；该无机粘结剂的标准砂试块在空气湿度大于80%的环境中存放24h后，其抗压强度降低率仅为6%左右，说明该粘结剂抗吸湿性能优异，克服了普通无机粘结剂抗吸湿性差的缺点，延长了型砂的存放使用时间；该无机粘结剂的可使用时间为5min≤t≤15min，其标准砂试块在造型完成后20min左右便可脱模。可使用时间短、能够实现快速硬化，符合砂型喷墨打印使用要求；该无机粘结剂与有机树脂粘结剂相比，属于绿色环保材料，在生产和使用过程中不会对环境造成污染。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。实施案例一本实施例有色金属3D砂型打印用无机粘结剂的组成原料为：硅酸钠（模数2.85-3.4，固体，120目）30%、磷酸氢二钠4.85%、D-山梨醇3.0%、水溶性硅油（100%）0.4%、四乙基硅酸盐1.4%、硫酸铝0.45%、萘磺酸0.4%、酚醛树脂1.2%、氢氧化钠1.3%、去离子水57%。本实施例的一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂的制备方法为：Ⅰ.将300Kg硅酸钠和570Kg去离子水加入到搪瓷反应釜中，开动搅拌并开始加热至微沸状态，保持1h以上；Ⅱ.缓慢加入48.5Kg磷酸氢二钠和30KgD-山梨醇，待反应至清澈透明后，继续反应30min以上，继续加入14Kg四乙基硅酸盐、4.5Kg硫酸铝、4Kg萘磺酸，保持微沸状态反应1h以上；Ⅲ.加入12Kg酚醛树脂，反应30min以上，加入4Kg水溶性硅油，保持微沸状态，搅拌反应1h以上后，关闭搅拌和加热；Ⅳ.待体系温度降至室温后，打开搅拌，缓慢加入13Kg氢氧化钠，搅拌30min以上后出料。将合成的粘结剂于室温下静置24h，取上层清澈透明液体作为最终的无机粘结剂产品。该无机粘结剂在25℃时粘度为14mpa.s；可使用时间为5min≤t≤15min；加入量为3.5%（占标准砂的比重）时，其Φ30mm*50mm的标准砂试块24h常温抗压强度为4.62Mpa；其标准砂试块经过800℃的高温烘烤后，残留强度为0.45Mpa；其标准砂试块在空气湿度为80%的环境中存放24h后，抗压强度降低率为5.6%。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，其特征在于：包括硅酸钠、磷酸氢二钠、D‑山梨醇、水溶性硅油、四乙基硅酸盐、硫酸铝、萘磺酸、酚醛树脂、氢氧化钠、去离子水；所述的各组成成分的重量百分含量为：硅酸钠： 22‑34%、磷酸氢二钠：2%‑11%、D‑山梨醇：1.5%‑5.5%、水溶性硅油：0.2%‑0.8%、四乙基硅酸盐：0.7%‑2.3%、硫酸铝：0.3%‑0.7%、萘磺酸：0.3%‑0.7%、酚醛树脂：0.4%‑2.6%、氢氧化钠：0.7%‑2.3%、去离子水：46%‑66%。

【技术特征摘要】
1.一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，其特征在于，包括以下组成成分：硅酸钠、磷酸氢二钠、D-山梨醇、水溶性硅油、四乙基硅酸盐、硫酸铝、萘磺酸、酚醛树脂、氢氧化钠、去离子水；各组成成分的重量百分含量为：硅酸钠：22-34%、磷酸氢二钠：2%-11%、D-山梨醇：1.5%-5.5%、水溶性硅油：0.2%-0.8%、四乙基硅酸盐：0.7%-2.3%、硫酸铝：0.3%-0.7%、萘磺酸：0.3%-0.7%、酚醛树脂：0.4%-2.6%、氢氧化钠：0.7%-2.3%、去离子水：46%-66%。2.根据权利要求1所述的一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，其特征在于：所述的硅酸钠为固体，模数为2.85-3.4，目数为120。3.根据权利要求1所述的一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，其特征在于：所述的水溶性硅油纯度为100%。4.根据权利要求1所述的一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，其特征在于：所述的磷酸氢二钠、D-山梨醇、四乙基硅酸盐、水溶性硅油为无机粘结剂体系中的改性剂；所述的磷酸氢二钠在高温条件下与硅酸钠可形成PO42-、SiO42-复合玻璃网络，在冷却过程中，析出晶体破坏粘结膜，二者收缩性差异导致粘结膜开裂，使得该无机粘结剂砂具有优异的溃散性；同时高温烧结性能较好的Al3+也可以改善无机粘结剂砂的高温溃散性。5.根据权利要求1所述的一种有色金属3D砂型打印用无机粘结剂，其特征在于：所述的D-山梨醇作为改性剂，提高无机粘结剂砂的常温强度、低温溃散性，起到延缓老化的作用。6.根据权利要求1所述的一种有色金属3...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢金龙，韩文，王娟娟，
申请(专利权)人：宁夏共享化工有限公司，
类型：发明
国别省市：宁夏;64