簡單地說說有關鑄造涂料的幾個問題。
一、涂料的固體含量和強度
現在,用于樹脂粘結砂的涂料,都要求其固體含量高、強度高,這主要是出于兩方面的考慮。
1、與砂型(芯子)的特性相適應
過去,粘土砂濕砂型不用涂料,涂料只用于粘土砂干型。由于粘土砂干型的強度很低,而用以制造的鑄件都是重要鑄件或大型鑄件,對涂料的要求不僅是要形成隔離層,而且要求涂料滲入鑄型的表層以下,較好涉及3~4個砂粒,使鑄型表面有所增強。為此,涂料的粘度不能太高,其中的固體含量也就不能太高。
由于粘土砂干型的強度不高,一方面希望涂料施涂后能適當增強鑄型的表面層,但涂料層的強度必須與所依附的砂型匹配,不能太高,否則,在涂料干燥過程中發生體積變化時,其所依附的砂型不足以制約其變形,涂料層就會開裂,甚至剝落。
現在,各種樹脂粘結砂的特點是:強度很高,而砂粒之間的粘結橋很細,對各種溶劑的又非常敏感。強度高的特點,通過強度的測定,甚至由簡單的手感,很容易有具體的印象,不必多講。關于粘結橋的情況,有必要作一點說明。
粘土干型砂中,粘結劑(粘土)的用量很高,粘土和型砂中的泥分,在型砂中所占的體積分數在15%以上,砂粒之間的粘結橋相當粗,而且粘土是親水的,因此,水基涂料滲入砂型只會增強砂粒之間的粘結,不會有負面的影響。
各種樹脂粘結砂的強度比粘土干型砂高得多,而樹脂和硬化劑的用量卻很少,總量一般不*過2%,粘結橋當然就很細,而且,水基涂料中的水或醇基涂料中的醇,都會使砂粒之間的樹脂粘結橋的強度明顯降低。因此,應該避免涂料過多地滲入砂型,這就要求采用固體含量高、粘度高的涂料,其滲入深度以不*過一個砂粒為宜。
由于樹脂粘結砂型的強度高,與此相應,也要求涂料的粘結強度高,即使滲入砂型表面很淺,也能得到堅固的涂料層。
2、從節能、環保和降低生產成本考慮
涂料中所用的液體載體,主要是水和醇類。20世紀70~80年代,曾采用不需烘干或點燃、能自行揮發的氯代烴類,如二氯甲烷,作為涂料的載體。由于其具有毒性,揮發到大氣中對環境的負面影響很大,而且價格也昂貴,現已基本上不用。
載體的作用是將耐火骨料和粘結劑運載到鑄型表面,使之形成致密的涂料層。完成運載任務之后,必需將其脫除。
水基涂料,涂覆以后需要烘干。固體含量高、水分低,干燥所需的能耗減少,CO2排放量也相應減少。醇基涂料,涂覆以后需要點燃,使之干燥。固體含量高,醇的耗用量減少,不僅生產成本降低,點燃時定環境的影響也隨之減少。
二、要求控制涂料的流變性能
要使涂料的固體含量高,滲入砂型的深度淺,現在的涂料都是高粘度的膠態分數體。由于涂料粘度很高,就提出了如何便于施涂的問題。
對膠態分數體流變性能的研究,為解決這個問題提供了途徑。在一定的條件下,可以使膠態分數體具有剪切稀釋的特性,即:在剪切作用下,分散體的粘度可以大幅度降低。
這就是說,盡管涂料的初始粘度很高,如果使其具有剪切稀釋的特性,則在攪拌作用下或施涂過程中(刷、噴、抹等操作都對涂料有剪切作用),涂料的粘度可以變得很低,易于施涂。施涂以后,剪切作用停止,粘度又可恢復。
流變學是一門學科,即使把范圍縮小到涂料的流變性能,筆者也沒有能力作較全面的評述。這里要談到的,只是與剪切稀釋作用有關的一點點,而且只能是概略的、示性的,不是嚴格的論述。
1、牛頓流體
相鄰兩層流體之間有相對的滑移時,層間會產生剪切應力以抵抗這種相對的滑移。流體的剪切應力與相對滑移速率(剪切速率)之比,稱為動力粘度,即我們通常所說的粘度。
普通的流體,服從牛頓的內摩擦定律,即:在溫度不變的條件下,剪切應力與剪切速率之比是常數(即流體的粘度)。這種流體通常稱為牛頓流體,只要溫度不變,無論剪切速率的高、低,剪切時間的長、短,粘度都是不變的.
不服從內摩擦定律的流體,通稱為非牛頓流體。非牛頓流體的情況相當復雜,在溫度不變的條件下(以下的討論都以此為前提):有粘度與剪切持續時間無關的,可稱之為非時間相關的非牛頓流體;也有粘度隨剪切持續時間的延長而改變的,可稱之為時間相關的非牛頓流體。
2、假塑性流體和醇基涂料
假塑性流體是有剪切稀釋特性的、非時間相關的非牛頓流體,其流變特性可以用剪切應力-剪切速率圖來描述。我們現在只就無屈服值的一種,加以說明。
施以外力,流體即開始流動。流變曲線是通過原點的、向下彎曲的曲線。剪切速率增大,剪切應力也增大,但其增量小于牛頓流體的增量。剪切速率增大,流變曲線上相應點的切線與水平軸線的夾角減小,流體的粘度降低,這就是所謂的剪切稀釋特性。因而,假塑性流體有兩個特點:
(1)一經攪拌,其粘度就降低。在勻速攪拌下,粘度是定值,不因攪拌時間的延長而改變。攪拌停止,粘度立即恢復;
(2)流體所受的攪拌愈強烈(即剪切速率高),其粘度下降的幅度愈大。
歸納起來,假塑性流體的粘度隨剪切狀況而改變的特點。
有的假塑性流體有一定的屈服值。在此情況下,曲線不通過原點,只在剪切應力達到某一數值后,流體才開始流動,但是,流體受剪切作用時,粘度變化的特性是相同的。
顆粒不帶電荷的膠態分散體,欲使其具有剪切稀釋特性,只能使其成為假塑性流體。筆者曾就美國、日本、比利時等國家制造的醇基涂料,以及自行研制的醇基涂料作過多次試驗,除個別品種外,大都具有假塑性特征。
醇的極性很小,醇基涂料難以使顆粒帶有電荷,因而大都具有假塑性流體的特征。其優點是:盡管涂料的固體含量很高,初始粘度大,在施涂過程中,在外力作用下,粘度大幅度下降,便于施涂。
醇基涂料的缺點是:施涂時,涂料的運動一停止,粘度立即恢復,因此,施涂后刷痕、流痕等很難避免。
3、觸變性流體和水基涂料
觸變性流體也有明顯的剪切稀釋特性,但與假塑性流體有重要的差別。不僅剪切速率增大,粘度降低,而且,在剪切速率不變的條件下,粘度還將隨剪切作用時間的延長而逐漸降低,達到某一*限值后才趨于恒定。停止剪切以后,其粘度也不像假塑性流體那樣立即恢復,而要經一段時間逐步恢復。因此,觸變性流體的流變特性是與時間相關的,不能用剪切速率-剪切應力二元坐標描述,必須用剪切速率-剪切應力-作用時間三元坐標。
觸變性流體,粘度因剪切條件而改變。
水基涂料,如其中加入具有離子交換能力的膨潤土、適當的電解質和有機處理劑,且經過認真的混和,可以使懸浮的顆粒都帶有負電荷。這樣,不僅因顆粒都帶有相同的電荷,互相排斥,不易聚結下沉,使涂料有很好的懸浮穩定性,而且還可以使涂料具有觸變性特征。
具有觸變性特征的水基涂料,既有剪切稀釋的特性,便于施涂,又因為施涂后粘度的恢復需經一定的時間,刷痕和流痕大部分可自行消失,從而具有很好的流平性。這樣的涂料,當然是我們所需要的。