劉 悅，宣秋鑫，滕 飛，劉廣柱，湯家喜，孫躍軍

（遼寧工程技術大學 材料科學與工程學院，遼寧阜新123000）

1 簡介

隨著人類社會的進步，金屬器具的使用越來越頻繁，鑄造涂料應運而生。鑄造涂料按載體不同可分為兩種：水基涂料和醇基涂料。水基涂料具有成本低、安全可靠、無毒無味、容易使耐火涂料懸浮、觸變性好等優(yōu)點。醇基涂料包括靠有機溶劑揮發(fā)使涂層固化的自干涂料和靠點燃有機溶劑使涂層固化的點燃涂料，具有點燃快干的優(yōu)點，更能適應當今的工業(yè)流水線生產(chǎn)。然而醇基涂料的長途運輸會耗費較長時間，所需要的費用也較高，同時醇基涂料也有其本身性能方面的弊端，即懸浮穩(wěn)定性較差，在運輸和存放時易產(chǎn)生板結[1]。

鑄造用涂料應具有優(yōu)良的工作性能和工藝性能，這些性能主要是通過合理的配方和正確的制備工藝獲得的。

耐火粉料由耐火材料破碎研磨而成。耐火粉料的粒度和密度是影響涂料懸浮性的重要因素，其粒度不僅影響懸浮性，而且影響滲透性、涂刷性。耐火材料的半徑越小，密度越小，懸浮性越好；而涂料的靜切力越大，懸浮性越好。表1列出了幾種常用耐火材料的性質。

表1 幾種耐火材料的性質[2]

耐火粉料作為涂料的主體，很大程度上決定了涂料的性能，在選用時應綜合考慮以下性質：

（1）耐火性能要與澆鑄溫度一致；

（2）良好的高溫化學穩(wěn)定性；

（3）不與砂型起不良反應；

（4）不損害鑄件的化學成分及性能；

（5）適當?shù)募毝取?/p>

石墨作為傳統(tǒng)的耐火材料具有對金屬激冷能力高、化學穩(wěn)定性強（不被金屬或金屬氧化物潤濕以及不與金屬液發(fā)生化學反應）、耐火度與熱導率極高、熱容量大、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點。石墨系的碳的高溫變體熔點高達3850℃，是目前最耐高溫的材料之一，其導熱性超過了鋼、鐵、鋁，具有異常導熱性，導電性約為一般非金屬的100倍。它的耐火性能極佳，而且不為液態(tài)金屬所潤濕，這兩點是其他材料所不能比擬的。石墨具有六邊形層狀的晶體結構，化學穩(wěn)定性極強，膨脹系數(shù)小，能在高溫下經(jīng)受住溫度劇烈變化而不被破壞，在高溫下體積變化不大，不易產(chǎn)生裂紋。石墨還具有良好的涂敷性和潤滑性，可于固體表面涂抹，形成薄膜，當顆粒小至5～10μm時粘附力更強。但由于其耐火度和熱導率過高，難以燒結，處理不當會導致涂層易于剝落，促進夾砂缺陷的形成。

本文選取了高含碳量的生物質碳作為耐火粉料，生物碳是在低氧環(huán)境下農(nóng)作物廢物碳化而來，其來源豐富，價格低廉，制備過程環(huán)保，具有超高的含碳量及多孔的結構被科學家們稱為“黑色黃金”。因為生物碳本身的多孔結構，大大提高了潤滑劑涂料的流平性。

表2中介紹了各種涂料分散劑的性質。沸點表示在1個大氣壓下開始沸騰的溫度。沸點愈低，液體愈易汽化，燃燒時火焰擴展較快。閃點是液體表面上的蒸氣和空氣的混合物與火接觸后，開始產(chǎn)生藍色火焰的閃光時的溫度。閃點高低說明燃氣著火爆炸的難易程度，閃點低易爆燃。蒸發(fā)數(shù)是以乙醚為基準比較各種載液蒸發(fā)率。蒸發(fā)數(shù)大說明蒸發(fā)較慢，燃燒也緩慢。大氣中允許的最大濃度說明載液的毒性大小，數(shù)值愈低，毒性愈大[2]。

分散劑又稱載液或溶劑，主要作用是使耐火粉料分散和懸浮，制成便于涂敷的漿狀涂料。國外常用異丙醇作分散劑，但由于其價格昂貴，國內(nèi)很少使用。甲醇價格便宜，具有燃燒速度慢、火焰溫度低、易點燃、燃燒特性好等優(yōu)點[2]，但是甲醇有刺激性氣味，所以應用時應注意安全[3]。

本實驗在涂料中加入了鈦白粉，能夠增加涂料的塑性、滲透、涂敷和增白作用，在一定程度上提高了流動與流平性，大幅提高了涂料的使用性能和工藝性能。

本文主要介紹了基于現(xiàn)如今醇基涂料的現(xiàn)狀而改良的新型增強流平性涂料的配置與涂料配比對其性能的影響，若讀者想要深入詳細的了解關于成分配比對醇基涂料性能的影響以及其他種類的涂料，請見參考文獻。

表2 各種醇基涂料分散劑性質[2]

2 涂料的配比與制備

2.1 涂料的配比

通過實驗數(shù)據(jù)分析，涂料的懸浮性與黏結性不僅與懸浮劑和黏結劑本身有關，二者之間也有一定的相互作用。研究涂料組分對其流平性、2h懸浮率、24h懸浮率和涂料強度等工藝性能的影響，最終確定涂料的配方：耐火粉料（生物碳）23.20%，鋰基膨潤土7.73%，CMC 7.73%，酚醛樹脂11.34%，附加物（鈦白粉）15.46%，余量為溶劑（甲醇）（均為占涂料的質量百分比）。

2.2 涂料的制備

2.2.1 生物碳制備工藝

生物碳的主要組分來自于農(nóng)業(yè)，特別是玉米秸稈廢棄物，通過機械切割的方法將秸稈制成微小顆粒，再利用高溫真空條件，將生物材料制備成所需要的潤滑劑。這樣能夠減少傳統(tǒng)煤粉能源材料的消耗，同時回收玉米秸稈，變廢為寶。采用本發(fā)明潤滑劑制備的脫模涂料，涂刷無痕、發(fā)氣量小、易點燃、抗粘砂性好、鑄件表面光潔易清理。

（1）生物質的顆粒化。準備一定量的生物質（農(nóng)業(yè)廢棄物，例：玉米秸稈、甘蔗秸桿、高粱秸稈或花生殼中的一種或兩種以上的混合物），將生物質置于切割壓縮機上進行切割，使生物質顆?；?，得到邊長為0.1mm～100mm的立方形生物質顆粒。

（2）高溫真空條件制備材料。將生物質顆粒置于采用機械真空泵進行真空處理后的高溫真空爐內(nèi)，在400～600℃保溫0.5h～2h，隨爐冷卻，得到生物質粉末。其中，高溫真空爐的真空度為0.1×10-1Pa～1.0×10-1Pa，高溫真空爐升溫至400～600℃的升溫速率為10℃/min～20℃/min。

（3）粉末二次研磨。從高溫真空爐內(nèi)取出粉末，待降溫后，將生物質粉末置于坩堝或球磨機中進行研磨，研磨時間為0.5h～2h，得到平均粒徑為1μm～5μm的生物質粉末。

所制得的生物碳粉末可直接用于本實驗涂料中。

2.2.2 原材料的預處理工藝

鋰基膨潤土：應使用烘干、粉碎工藝對其加工，保證其干燥性與粒度。本實驗中制備的涂料因保證了其點燃快干的優(yōu)點而沒有使用水，只取用甲醇，具有價格便宜、燃燒速度慢、火焰溫度低、易點燃等優(yōu)點。涂料的粒度直接與后期涂料制備完成后的滲入程度與透氣性等工作性能有關，所以應把粉碎后的膨潤土顆粒粒度控制在200目以上效果較好。試驗所取用膨潤土以顏色淺，干凈不含雜質的樣品優(yōu)先。在實驗開始前，應用甲醇將膨潤土混合成膏狀，使晶層漲開。

酚醛樹脂：試驗前應先與CMC混合，然后將混合物加入膨潤土中再次混合，制成漿料。

CMC：在試驗前與酚醛樹脂混合。CMC的量與涂料黏結性和懸浮性有關，但當加入CMC超過一定量之后，涂料黏度、懸浮程度變化不明顯。

2.2.3 涂料的制備工藝

按照對應比例稱量出所需質量，將各組分以前文所述配比加入上述三種原材料，混合攪拌。在攪拌過程中，應不斷向其中加入甲醇，耐火粉料，最后加入附加物二氧化鈦。在加入前應保證所加固體粉末的粒度與干燥程度。所需攪拌時間與制備涂料的總量和攪拌機轉速有關。

由于本試驗制備的是醇基涂料，所需的材料最好選擇在球磨工藝中無揮發(fā)的球磨機中研磨。

關于本次試驗所制備的樣品，如何控制好各固體組分的粒度，使其達到足夠高的程度是影響本樣品性能的關鍵。

在制備完成后應對樣品進行質量檢驗，檢驗其硬度、表面強度等是否達到工業(yè)需求。

3 涂料工藝性能與工作性能的探究

3.1 流平性

流平性指涂料在被涂物表面上流平均勻呈現(xiàn)足夠光澤而無針孔的性能，是涂料的一項重要指標。涂料施涂后，形成不平整的濕膜，通過流平來達到平整，即表面張力均勻化的過程。流平性與涂料的黏度、表面張力和使用的溶劑等有關。涂料中若加入硅油、醋丁纖維素等助劑，流平性可得到改善。

除耐火粉料以外，涂料有機溶劑與黏結劑的加入量也會影響涂料的刷涂過程。當甲醇加入量過少，酚醛樹脂加入量過大時，會導致涂料黏度過高，不易獲得豐滿度好的涂膜，流平變差，表面粗糙，易產(chǎn)生結節(jié)；反之當黏度過小時，較容易獲得更好的流平效果和豐滿度，滲入程度較大，但是會影響涂膜流掛性能，干燥后容易脫粉[4]。這些現(xiàn)象都說明，需要找到一個黏度和流平性兩個變量都在合理區(qū)間的一個閾值窗口。

3.2 懸浮性與黏結性

通過實驗發(fā)現(xiàn)，涂料的懸浮性與黏結性并不僅僅受其本身影響，起黏結作用的物質也起到一定懸浮作用。通過增強涂料的懸浮性，涂料中會形成一種立體網(wǎng)狀結構，黏度增強；當涂料懸浮性下降時，結構受到剪切力作用被破壞，黏度下降。由此可見，二者之間存在著交互作用，相互影響[1]。

3.3 鈦白粉對其性能的影響

鈦白粉是主要成分為二氧化鈦的白色顏料。在常用的白色顏料中，二氧化鈦的相對密度最小且熱穩(wěn)定性好，遇高溫不易發(fā)生化學反應。在涂料中加入一定數(shù)量的二氧化鈦，能增加塑性、滲透、涂敷和增白作用。通過控制二氧化鈦加入量可以控制成膜厚度，增加遮蓋力，而且因涂膜密度增大，涂膜致密，分子間間隙減少，涂刷時薄涂即可遮住底材，避免因遮蓋率差而多涂，減少流掛產(chǎn)生的機率。同時涂料分散細度越小，鈦白粉在其中分散越均勻，也提高了涂料的流動與流平性，有助于形成平整致密、細膩光滑的涂膜[4]。

3.4 鋁件流動性測試

本涂料通過運用生物質能材料，和傳統(tǒng)煤粉潤滑劑相比較，潤滑涂料在涂敷后，由于加入了生物碳，對鑄件在液體鑄造過程中的流動性有顯著的提高。如圖1和圖2所示，圖1中，鑄造液體鋁液從中間入口垂直流入，在液體壓強條件下向兩側流動。在煤粉作為潤滑脫模涂料的使用條件下，鑄件的流動性可以通過鑄件成型的中間和兩側之間的高度差體現(xiàn)。圖1中的高度差為20.9-13.4=7.5（cm）,圖2中的高度差為19.8-15.5=4.3（cm）,生物質能涂料的流動性相對于煤粉的流動性提高了（4.3-7.5）/7.5×100%=42.7%,顯著提高了鑄造過程中鑄件液體的流動性。下兩圖為涂料鑄造效果對比。

圖1 煤粉脫模涂料的流動性鑄造結果

圖2 生物質能脫模涂料的流動性鑄造結果

4 總結

本試驗所制備的涂料樣品相比以往的涂料具有成本低廉，取材方便等優(yōu)點，揮發(fā)氣化量低，降低鑄件表面粗糙度、有效地防止鑄件粘砂、夾砂、砂眼等缺陷，能夠提高鑄件表面光潔度和模具清理效率。由于在分析配比的時候考慮到其懸浮性與黏結性的相互作用，涂料本身在兩者中達到平衡，其懸浮穩(wěn)定性非常卓越，流平性也有了顯著性的提高。同時因為二氧化鈦的存在進一步改良了樣品涂料的顏色，起到增白作用。本試驗樣品中的主要組分來源于農(nóng)業(yè)廢棄物——玉米秸稈，能夠有效減少玉米秸稈的燃燒帶來的PM2.5污染和空氣污染，不僅能提高玉米農(nóng)副產(chǎn)品的循環(huán)利用，而且還提高了鑄件的表面光滑性，降低粘砂性。