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锂化膨润土在铸造湿型砂中的应用研究

文章作者:发布时间:2018/8/24 21:10:45浏览次数:

锂化膨润土在铸造湿型砂中的应用研究



    
孙亚琴,潘嘉祺,陈麒忠,平艳盈,周晓洁
(上海应用技术学院 材料科学与工程学院 )
 
摘要:用碳酸锂作为改性剂对膨润土进行锂化改性,制备出锂化膨润土,测定了改性前后膨润土的基本性能及其结构,同时研究了用锂化膨润土代替现有膨润土对型砂性能的影响。实验结果表明:经过改性后,锂化膨润土的性能和结构发生了改变,其面网间距减小,结合水分子含量减小;在最佳锂化条件下,自由膨胀体积由10.0增加到18.0,胶质价由54.5增加到79.0。与原膨润土相比,锂化膨润土的加入改善了湿型砂的性能,最佳加入量为8%。
关键词: 锂化膨润土;改性;型砂性能
 
Study on Lithium Modification of Bentonite
in Foundry Green Sand
Sun-yaqin,Pan-jiaqi,Chen-qizhong,Ping-yanying,Zhou-xiaojie
Shanghai Institute of Technology  School of Materials Science ad Engineering
 
Abstract:The bentonite is modified by Li2CO3. and lithium-based bentonite has been made in this experiment. The basic properties and structure of lithium modification of bentonite are tested and compared with original bentonite. Meanwhile, the properties of foundry green sand are tested with lithium-base bentonite in stead of original bentonite. The results showed that: the structure of lithium-base bentonite has changed, reducing its floor space and combined water; the free swelling volume and swelling value can reach 18.0 from 10.0 and 79 from 54.5 at the optimum modification conditions. After modification, compared with the original bentonite, applying lithium-base bentonite can improve the properties of green sand and the optimum added content is 8%.

Key Words: lithium-based bentonite; modification; properties of green sand

      锂化膨润土具有优良的性能,目前主要应用于水基涂料、耐火基料涂料[1~2]中,未见报道把锂化膨润土用在铸造湿型砂中。随着铸造技术的发展,人们对铸件质量的要求越来越高,尝试用锂化膨润土代替或部分代替现用的钙-钠基膨润土来提高型砂的质量无疑具有较高的价值和发展前景。本文采用碳酸锂作为改性剂,对某厂现使用的膨润土进行改性,得到锂化膨润土,考察其改性前后的结构变化及在湿型砂中的应用效果。
 
1 实验
1.1实验用原材料
      实验用原砂和膨润土由上海某铸造厂提供,碳酸锂、盐酸为化学试剂。
1.2锂化膨润土的制备
    其工艺流程[3]为:膨润土原矿→加H2O崩解浆化→粗滤(滤出沙石)→静置(滤出上清液)→干燥→破碎→加HCl酸化→过滤(滤出滤液)→加H2OLi2CO3锂化→过滤(滤出滤液)→干燥→锂化膨润土。
1.3膨润土基本性能的测定
      自由膨胀体积、胶质价、吸蓝量等参数可作为评价膨润土的性能指标[4],因此本实验主要测定改性前后膨润土的水分、自由膨胀体积、胶质价、吸蓝量。测试方法按JC/T592-1995[5]测试。
1.4膨润土的结构分析
      用X射线衍射仪和红外光谱仪分析原膨润土及锂化膨润土的结构。
1.5 型砂性能测定
     称取原砂和膨润土,放入混砂机内,先干混3分钟,然后加水再湿混5分钟,最后出砂。将混好的粘土砂倒入圆柱形试样杯中,在SYC锤击式制样机上击打三次,如试样高度位于刻度线的当中,则脱模得圆柱体试样。然后在ZTY智能透气性测定仪上测定其透气性,在XQY-Ⅱ智能型砂强度机上测定其强度。
 
2 实验结果和分析
2.1 改性前后膨润土的性能变化
      根据预实验得出最佳锂化条件为:碳酸锂加入量为4%,矿浆浓度为30%,PH值为7~8,反应温度为80℃,反应时间为6h。
      根据上述最佳的锂化条件制备出锂化膨润土,测定其性能,并与原膨润土进行比较,结果如表1所示。
表1锂化膨润土与原膨润土的基本性能比较
种类水分PH值自由膨胀体积胶质价吸蓝量原膨润土5.5%7.810.054.510.5锂化膨润土5.0%7.118.079.014.0
      由表1可以看出:加入碳酸锂锂化后的膨润土各种基本性能都优于原来的膨润土。膨胀倍数由10增加到18,胶质价由54.5增加到79,吸蓝量由10.5增加到14。这说明原膨润土经过锂化改性后,将有助于改善型砂的性能。
2.2改性前后膨润土的结构变化
2.2.1  X射线衍射分析
      原膨润土和锂化膨润土的XRD图如图1和图2所示。
      比较图1和图2可以看出:经锂化改性后,蒙脱石d(001)峰明显减弱,图2的蒙脱石峰矮而平缓,峰角宽,而图1的蒙脱石峰峰形陡峭,经改性后的锂化膨润土的晶格骨架沿c轴特征峰d(001)之间距由1.5552nm(原膨润土)变为1.1156nm(锂化膨润土)。这主要是由于Li+半径(0.068nm)比Ca2+半径(0.098nm)小,而且Ca2+周围可以吸附两层水分子,Li+只能吸附一层水分子,Li+交换Ca2+而进入晶层后,使晶层间距减小的缘故。这样锂基膨润土可以加少量的水就可以达到原来的强度要求,这在2.3的实验中得到了证实。
2.2.2  红外光谱分析
      碳酸锂、原膨润土和锂化膨润土的IR图如图3~图5所示。
     由图3可以看出:Li2CO3在1435cm-1附近有一个明显的振动吸收峰。
 
      由图4可以看出:未改性膨润土的IR图特征在高频区有两个明显的吸收谱带,一个在3627cm-1附近,是由Al-O-H的伸缩振动引起的;另一个是在3423 cm-1附近,是由层间水分子的H-O-H的伸缩振动引起,与中波段1634 cm-1附近的H-O-H弯曲振动相对应。中频区1035cm-1附近有一个强吸收带,是蒙脱石Si-O-Si反对称伸缩振动引起的。在913 cm-1附件有一个弱的吸收谱带,该谱带与羟基振动有关。在520 cm-1附近和461 cm-1附近有两个中等强度的吸收带,他们与蒙脱石的Si-O-M(金属阳离子)和M-O的偶和振动有关。此图中的M是钙离子。
比较图4、图5可以看出:在3628cm-1附近的羟基吸收带和3440cm-1附近的水分子振动带都减小了,在913 cm-1附近的羟基振动带消失了,说明锂化后,蒙脱石中的水分在不断脱失。再与图3比较可以看出:锂化膨润土的IR图并不是改性剂Li2CO3和未改性膨润土吸收谱带的叠加,锂化膨润土中有新的谱带形成,同时改性剂的部分谱带缺失或强度改变,这说明Li2CO3和膨润土矿物之间有键合作用,并不是物理吸附。
2.3 锂化膨润土对湿型砂性能的影响
2.3.1  原膨润土的最佳水土比
      膨润土和水分之间有一合适的比值,才能充分发挥膨润土的粘结性能,以提高型砂的性能。图6、图7为膨润土加入量为5%时,水分加入量对湿型砂性能的影响。
      由图6~图7可以看出:当水分加入量逐渐增加时,型砂的湿压强度和透气性都是先增加后降低,水分加入量为5%时湿压强度和透气性最好;所以当膨润土的含量为5%时,加入5%的水分最适宜。综合考虑湿型砂的性能,水土比为1:1时最佳。
2.3.2  锂化膨润土的最佳水土比
      锂化膨润土加入量为5%,考察水分加入量对湿型砂性能的影响。实验结果如图8、图9所示。
 
      由图8、图9可以看出:当水分加入量逐渐增加时,型砂的透气性和湿压强度先增加后降低,水分加入量为4%时的透气性最好,水分加入量为3%时的湿压强度最好。所以综合考虑认为当加入5%锂化膨润土时,水分加入量为3%时最佳,即水土比为3:5。与未改性膨润土的水土比1:1相比,锂化膨润土所需的水分更少。这也印证了图2锂化膨润土的XRD图中层间距减小,所需水分减少的结论。
2.3.3 锂化膨润土和原膨润土对湿型砂性能影响的比较
      根据上述确定的最佳水土比,考察锂化膨润土和原膨润土的加入量对湿型砂性能的影响,实验结果如图10和图11所示。
      图11 为水分加入量为4%时,改变两种膨润土加入量对型砂透气性的影响
      由图10可以看出:无论使用哪种膨润土,型砂的湿压强度都随膨润土加入量的增加而增加,但锂化膨润土优于原膨润土。由表1可知:锂化膨润土的胶质价、膨胀倍数都优于原膨润土,所以改性后的膨润土产生的粘结力要大于原有膨润土,因而型砂的湿压强度较高。
      由图11可以看出:随着膨润土加入量的增加,型砂的透气性先增加后降低。但总体上改性后的锂基膨润土比原膨润土的透气性好,因为改性后的膨润土分子中所含的结合水少,并且加入少量的水就可以产生原来的强度。综合考虑型砂的性能,膨润土加入量以8%为宜。
 
3 结论
      由上述实验,可得到如下结论:
1.锂化膨润土的基本性能比原膨润土有了较大的提高。自由膨胀体积由10.0增加到18.0,胶质价由54.5增加到79,吸蓝量由10.5增加到14.0。
2.膨润土经过锂化改性后,其结构发生了改变,它的晶层间距减小,结合水分子含量减少,改性剂碳酸锂和膨润土矿物之间存在着键合关系。
3.原膨润土的最佳水土比为1:1,锂化膨润土的最佳水土比为3:5,在达到同样型砂强度的前提下,锂化膨润土所需的水分更少。
4.锂化膨润土的粘结能力比原膨润土有所提高,型砂的性能达到改善,其加入量以%8为宜。