海泡石醇基涂料懸浮劑的制備與應用研究

喻浩然，廖 祥，歐陽東紅，楊婧源

（1.湘潭海泡石科技有限公司，湖南湘潭 411100；2.湖南省海泡石資源高效利用工程技術研究中心，湖南湘潭 411100）

鑄造涂料，是指以刷涂、浸涂、流涂等方式涂覆于鑄型及芯子上，起隔離作用的一層鑄造輔助材料。使用鑄造涂料可有效避免鑄造過程中鑄件表面產生粘砂、砂眼、氣孔等缺陷，從而改善鑄件表面質量。鑄造涂料按載液不同可分為水基涂料和醇基涂料[1]。醇基涂料相比水基涂料可直接點燃干燥、不需烘干，更加節約成本，提高生產效率，因此得到了更多應用[2]。但醇基涂料載液一般為甲醇、乙醇、異丙醇等密度較小的液體，而耐火骨料密度則相對偏大，使醇基涂料在靜置時容易下沉，因此，懸浮劑的性能對涂料中的耐火骨料能否分散均勻十分關鍵。

懸浮劑在涂料中能形成網狀結構使耐火骨料附著，對骨料起承托作用。膨潤土是目前使用最廣泛的懸浮劑[1]，但有機膨潤土的引發劑二甲苯有毒，鋰基膨潤土易脫水失效，長期存放易板結形成“死沉淀”[2-5]。

海泡石是一種纖維狀的含水硅酸鎂鹽礦物，表面羥基遇水或極性溶液會迅速溶脹并散開，形成單體纖維或較小的纖維束雜亂分散成互相制約的網絡，使涂料粘度增加，懸浮性提高[6-9]。湘潭海泡石是滑石、石英和方解石伴生的混合礦種，是典型的β 型海泡石，不含石棉，無毒、無放射性，適合生產應用，可作為鑄造醇基涂料的懸浮劑[6]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

海泡石（細度400 目）；復合耐火骨料：由80%剛玉粉（細度500 目）和20%鋯英粉（細度325 目）組成；熱固性酚醛樹脂、聚乙烯醇縮丁醛（PVB，黏度≥15s）；硅溶膠、表面活性劑、工業乙醇（乙醇含量≥95%）等。

海泡石為湖南湘潭的海泡石礦經提純后得到，化學成分如表1 所示。

表1 海泡石化學成分w/%

對提純后的海泡石采用荷蘭帕納科X’Pert3 Powder X 射線衍射儀進行XRD 測試分析，測試結果如圖1，分析試樣各礦物組成分別為：海泡石87.55%；滑石5.71%；石英3.35%；方解石3.39%。

圖1 提純后的海泡石XRD 衍射圖譜

1.2 試驗方法

1.2.1 海泡石懸浮劑的制備工藝

稱取一定量的海泡石按1：2 加水混合均勻，封閉靜置12h，使海泡石充分溶脹，呈現膏體狀態，得到海泡石懸浮劑。

1.2.2 醇基涂料制備工藝

（1）按表2 中的配方，將所需海泡石懸浮劑、酚醛樹脂、PVB 分別用一定量乙醇溶解；（2）向海泡石乙醇溶解液中依次加入酚醛樹脂、PVB 乙醇溶解液、硅溶膠、表面活性劑，用高速攪拌機以1500r/min 轉速攪拌10min；（3）緩慢加入復合耐火骨料，以1000r/min 攪拌20min，同時補充乙醇調整涂料波美度至65°Bé，即完成涂料制備。

表2 醇基涂料配方w/%

1.2.3 主要檢測方法

（1）波美度：波美度采用波美度計測定。

（2）密度、懸浮性：均采用100mL 量筒測定。

（3）涂刷指數：將已充分攪拌均勻并調整至65°Bé 的涂料，用NDJ-5 旋轉粘度計分別測量涂料在6r/min 和60r/min 轉速時黏度值，記為η6r/min、η60r/min，用η6r/min/η60r/min計算涂刷指數。涂刷指數反映了涂料涂刷性的好壞，涂刷指數越大，涂料的涂刷性越好，刷涂時耐火骨料越容易滲透到砂粒間隙中，起到耐高溫的作用[10,11]。

（4）高溫抗裂性：將涂層試樣放入1200℃的馬弗爐中保溫2min～3min，在高溫下觀察涂層是否產生裂紋及裂紋大小，用高溫曝熱裂紋等級表示，分四級：I 級為表面光滑無裂紋或只有極小的裂紋；II 級表面有樹枝狀或網狀裂紋，裂紋寬度小于0.5mm；III 級表面有樹枝狀或網狀裂紋，裂紋寬度小于1mm；IV 級表面有樹枝狀或網狀裂紋，裂紋寬度大于1mm，有貫通性裂紋，涂層與基體有剝離現象[12]。

2 試驗結果及討論

2.1 海泡石加入量對醇基涂料性能的影響

按表2 中的涂料配方，固定酚醛樹脂加入量為2%，PVB 加入量為0.5%，硅溶膠加入量為4%，將海泡石加入量設定為5%、6%、7%、8%、9%等5個水平，測定醇基涂料的各項性能，試驗結果如表3 所示。

表3 海泡石加入量對醇基涂料性能的影響

由表3 可以看出，海泡石加入量對涂料密度、懸浮性、涂刷指數和高溫曝熱裂紋等級均有影響，在相同波美度前提下，提高海泡石加入量會降低涂料密度。隨著海泡石加入量從5%提高到7%，涂料的懸浮性、涂刷指數均提高，當海泡石加入量為7%時，涂料懸浮性最好（24h 懸浮率為94%）、涂刷指數最高（8.47），這主要是因為懸浮劑數量的增加，使得涂料體系中的網狀結構更加密集，懸浮劑對耐火骨料的承托作用更強，黏土的增加也提高了涂料的涂刷性。而當海泡石添加量繼續提高時，為達到相同波美度需要添加更多的乙醇載液，導致涂料懸浮性、涂刷指數反而下降。

表3 還反映了隨海泡石加入量的不同高溫曝熱裂紋等級的變化，當海泡石加入量≤7%時,涂料抗裂性為Ⅰ級，涂層抗裂性較好；當海泡石加入量為8%時，涂層開始出現細小的網狀裂紋，涂層的抗裂性為Ⅱ級，當海泡石加入量超過9%時，涂料抗裂性急劇降低，點燃干燥時涂層即已出現大量貫通的裂紋，經1200℃2min～3min 高溫試驗后，除貫通裂紋外，涂層出現剝離現象，高溫抗裂性差，高溫曝熱裂紋等級為Ⅳ級。由此可見，海泡石的過量加入會引起涂層的開裂，主要原因可能是過量的海泡石在高溫試驗時使涂料內部存在更多的體積和應力收縮，從而產生裂紋。綜上所述，懸浮劑海泡石的加入量以7%為宜。

2.2 酚醛樹脂加入量對醇基涂料性能的影響

按表2 中的涂料配方，固定海泡石加入量為7%，PVB 加入量為0.5%，硅溶膠加入量為4%，將酚醛樹脂加入量設定為1%、2%、3%、4%等4 個水平，測定醇基涂料的各項性能，試驗結果如表4 所示。

表4 酚醛樹脂加入量對醇基涂料性能的影響

由表4 可以看出，酚醛樹脂加入量對涂料密度、懸浮性影響不大，酚醛樹脂加入量從1%提高到4%，涂料24h 懸浮率基本能保持在較高水平。但當酚醛樹脂加入量為4%時，涂料涂刷指數顯著降低，酚醛樹脂常溫粘結力強，其含量越多，對涂料中顆粒自由運動時的阻礙就越大[13]，從而表現為涂刷指數的降低。由表4 還可以看出，當酚醛樹脂加入量為1%～2%時，涂層經高溫試驗后為I級，表面光滑，沒有裂紋；隨著酚醛樹脂加入量的增加，涂層裂紋增多，高溫抗裂性變差，這是因為酚醛樹脂高溫下分解會產生大量氣體，增加涂料的發氣量，導致涂層開裂，從而易造成鑄件缺陷的產生[14]。綜上所述，酚醛樹脂加入量以2%為宜。

2.3 PVB 加入量對醇基涂料性能的影響

按表2 中的涂料配方，固定海泡石加入量為7%，酚醛樹脂加入量為2%，硅溶膠加入量為4%，將PVB 加入量設定為0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%等5 個水平，測定醇基涂料的各項性能，試驗結果如表5 所示。

PVB 可作為醇基涂料的粘結劑和懸浮劑，其與酚醛樹脂相互作用，具有較好的增稠效果和涂層強度，也能有效提高涂料的懸浮性能[15]。由表5可知，PVB 對涂料密度影響不大，隨著PVB 加入量從0.25%提高到0.75%時，涂料懸浮性和涂刷指數均逐步提高，當PVB 加入量為0.75%時，涂料24h 懸浮率達到最高，為95.5%，涂刷指數同步達到最高，為8.86，此時涂層高溫曝熱裂紋等級為I級，涂料具有較好的高溫抗裂性能。但當PVB 繼續增加時，涂料懸浮性、涂刷指數、高溫抗裂性能均有所下降。懸浮性下降的原因可能是與PVB 相互作用的酚醛樹脂本身有限，涂料中形成的立體網狀結構對耐火材料的承托作用有限，而涂刷指數下降可能是PVB 限制了涂料中顆粒的自由運動。對于高溫抗裂性，因為PVB 易在涂層表面形成連續膜，阻礙氣體排出，導致涂層產生氣泡，涂層高溫曝熱裂紋等級變差[15]。綜合考慮，PVB 的最佳加入量為0.75%。

表5 PVB 加入量對醇基涂料性能的影響

2.4 硅溶膠加入量對醇基涂料性能的影響

按表2 中的涂料配方，固定海泡石加入量為7%，酚醛樹脂加入量為2%，PVB 加入量為0.75%，將硅溶膠加入量設定為0%、2%、4%、6%等4 個水平，測定醇基涂料的各項性能，試驗結果如表6 所示。

由表6 可知，加入2%的硅溶膠即可有效提高涂料24h 懸浮率，繼續提高硅溶膠加入量對涂料密度、懸浮性影響不大，但會影響醇基涂料的涂刷指數和高溫抗裂性能，硅溶膠加入量為4%時，涂料涂刷指數最高，涂刷性最好，高溫曝熱裂紋等級為I 級，提高硅溶膠加入量為6%，涂料涂刷指數和高溫曝熱裂紋等級均下降，原因可能是硅溶膠與涂料中某些組分相互排斥。綜上所述，硅溶膠加入量為4%較合適。

表6 硅溶膠加入量對醇基涂料性能的影響

2.5 醇基涂料的主要性能指標

根據上述試驗結果，選取海泡石7%，酚醛樹脂2%，PVB 0.75%，硅溶膠4%制備醇基涂料，制備的涂料各項性能指標如表7 所示。

由表7 可知，以海泡石為懸浮劑制備的醇基涂料具有良好的懸浮性、涂刷指數和高溫抗裂性能，放置30 天后涂料懸浮率仍有88%，經適當的攪拌工序即可施工，完全能滿足生產現場要求。經檢測，涂料發氣量為16.2mL/g，涂層耐磨度為0.31g（64r），符合標準[12]《砂型鑄造用涂料》（JB/T 9226-2017）對醇基涂料性能指標（發氣量＜20mL/g，涂層耐磨度＜0.5g）的要求，也優于市面上傳統鑄造用醇基涂料。

表7 醇基涂料主要性能指標

3 結論

（1）海泡石懸浮劑制備工藝簡單，環保無污染，是理想的醇基涂料懸浮劑，海泡石加入量對醇基涂料懸浮性、涂刷指數和高溫抗裂性能影響均較為明顯。

（2）加入量海泡石為7%，酚醛樹脂為2%，PVB 為0.75%，硅溶膠為4%時，制備的醇基涂料各項性能最佳，24h 懸浮性為95.5%，涂刷指數8.86，發氣量16.2mL/g，涂層耐磨度0.31g（64r），高溫曝熱裂紋等級I 級，符合相關行業標準要求，也優于市面上傳統鑄造用醇基涂料。