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复合材料制造工业中的黑科技:RTM工艺水溶型芯
发布日期:2018-04-14  来源:易复材  浏览次数:266
 
 
  水溶芯的基本概念
 
  水溶性芯模材料,是指通过各种水溶性胶粘剂将一些填料粘结在一起,并根据使用要求制成具有一定形状的,在使用温度范围内具有一定的力学性能并可保持形状的、在脱模时使用水等溶剂使其溃散然后脱模获得产品的一种复合材料。水溶性芯模材料由于精度高、成本低、效率高、易脱模等特点,在各种高标准要求的铸造和复合材料制造工业中获得了广泛的应用。
 
  典型水溶芯的构成
 
  最早的可溶芯是1943年L.MARGOT在瑞士专利中报道的,是全部用K2CO3熔化后浇注而成的可溶性型芯。随后世界各国特别是日本对该法进行了广泛的研究,并把这一类的可溶性型芯推广到氯化物、硅酸盐、碳酸盐、硼酸盐和磷酸盐等体系。成型方法也从浇注成型发展到了冷压成型和用硅酸钠、呋哺树脂及苯酚树脂缩合物作粘结剂的粘结成型。现在的可溶性型芯的配制方法大概有盐芯、石膏芯和、陶瓷芯以及在蜡模制作中所使用的尿素芯、聚乙二醇芯等。
 
  下表是一些典型的可溶型芯的特点和应用情况:
 
  


  水溶性芯模材料自问世以来经历了不同的发展阶段,在其整个发展过程中基本上是围绕着水溶性胶粘剂的不断发展而展开的。虽然目前有许多不同种类的水溶性胶粘剂,但是由于它们自身结构带来的一些缺陷(例如粘接强度不高,水溶性难以满足生产要求,水溶处理过程复杂等),难以满足现在高技术领域对芯模材料用胶粘剂的严格要求,限制了水溶性芯模材料的应用范围。
 
  芯砂胶粘剂可分为无机、有机两大类:无机胶粘剂包括水玻璃、粘土、水泥等;有机胶粘剂则包括桐油、脲醛树脂、酚醛树脂、呋喃树脂等。常用的有机胶粘剂如酚醛树脂、呋喃树脂等刺激性气味较大,公害严重,而且价格较高;而无机胶粘剂如水玻璃又存在其型砂的湿强度、干强度低,且浇注后相当坚固,很难溃散等严重缺点,这也是水玻璃砂远不及树脂砂的。
 
  水溶性胶粘剂具有无毒无害、不刺激皮肤、受热分解时不释放有害气体、混入砂中能均匀地包裹在砂粒表面,附着力强、粘结强度高、用量少、易成型、易溃散等优点,因此研制综合性能较理想、成本较低的新型水溶性芯模材料用胶粘剂显得特别重要。
 
  水溶性高分子化合物,又称水溶性树脂或水溶性聚合物,是一种亲水性的高分子材料,在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液。寻找一种具有优良综合性能的水溶性高分子,用来制造可溶芯已成为当今世界各国热门研究课题之一。
 
  淀粉是一种可再生的天然高分子化合物,具有良好的粘接性和成膜性能。淀粉是由支链淀粉和直链淀粉2种不同结构的成分组成的混合物。
 
  淀粉之所以能够成为一种良好的胶粘剂,就是因为含有可溶胀形成糊状溶液的支链淀粉,而余下的直链淀粉又能促进直链淀粉发生胶凝作用的缘故。淀粉分子中含有糖苷键和易于发生化学反应的羟基,所以淀粉能和许多物质发生化学反应,这一性质是制备性能优异胶粘剂的理论基础。
 
  目前,改性淀粉在芯模材料中的应用主要有改性α-木薯淀粉水溶性胶粘剂、改性玉米水溶性胶粘剂和其它转化类淀粉水溶性胶粘剂等。
 
  淀粉类水溶芯的构成
 
  淀粉类水溶型芯模的构成和其它水溶性芯模一样,包括胶黏剂、填料和其它助剂等。
 
  作为传统水溶性胶粘剂的淀粉类高分子,它具有无毒害、无污染等特点,同时成膜性能好,具有优良的粘合性能,溃散性好,是一种应用前景广阔的天然水溶性胶粘剂。但是由于其力学性能的不足,使淀粉类高分子用做水溶性芯模材料的研究比较缓慢。,一度处于停滞状态。因此,首先需要对淀粉进行改性。
 
  其次,以前对水溶性芯模材料的改进主要是围绕对使用的胶粘剂的开发而进行的,对芯模材料所使用的填料的研究重视不够。这在一定程度上也限制了芯模材料的发展。传统使用的填料由于存在密度较大、形状不规则、易引起应力集中等问题,已经难以满足一些高性能芯模材料的使用要求,因而需要使用新的填料-空心玻璃微珠。
 
  球形粒子是理想填料的特性之一,空心玻璃微珠作为复合材料常见的增强填充材料,它的独到之处在于它为球形且表面光滑,因而具有理想填科的孔隙率低、填充量高、高分散等优点,也不存在像加入不规则形状或带有棱角粒料所造成的降低复合材料力学性能的应力集中的现象。同时由于其密度低,能制取较轻的部件,孔隙率和比表面低,珠体吸收树脂少,即使高量填充粘度也不高;具有化学稳定性和惰性:良好的抗龟裂性能,最终的制品易于后处理,如钻孔、切割及打磨等。
 
  由于填料属于无机物,与有机高聚物极性差异非常大,如果直接添加到聚合物中,可能造成分散不均匀,相互间的作用力很小,而且颗粒粒径较大时还会造成复合材料的应力集中点,成为材料中结构的薄弱环节。这些问题不但限制了填料颗粒在聚合物中的添加量,而且影响复合材料的性能,所以需要对填料进行比表面改性。填料表面改性,是对填料的性质进行优化,通过改变填料表面原有的性质如亲油性、吸油率、浸润性、聚合物粘度等,改善填料与聚合物的亲合性、相容性以及加工流动性、分散性;增强填料和聚合物界面之间的结合力;使复合材料的综合性能得到显着的提高。
 
  另外,在淀粉类水溶型芯模组成中还要加入尿素等以提高水溶性,使其在常温下能较快溶解。
 
  
  不同配比的淀粉类水溶芯原料
 
  水溶芯的性能测试主要包括哪些方面
 
  水溶性芯模材料的性能测试主要包括力学性能、水溶性能两个方面。
 
  力学性能主要测试其抗压强度(按照GT31039-79测试)。
 
  水溶性能方面则主要测试其质量水溶速率。
 
  水溶性芯模材料的水溶性能的表征目前还没有一个统一的国家标准或行业标准。在相关文献报道中,普遍采用质量水溶速率来表征水溶性芯模材料的水溶能力,即在一定温度下,将芯模材料放置于水中,测试其完全溶解于水所需的时间,然后计算在单位时间内该材料溶解于水的质量,可用下式表示:
 
  2018041319464636 (1)

       但是上述方法对水溶性芯模材料的水溶能力的表征不够准确,主要因为以下两个原因:首先,芯模完全溶解的时间无法准确确定,在芯模材料的溶解过程中,石英砂脱落后,在重力作用下就堆积在芯模原先所在的位置,因此无法观察到芯模完全溶解时的情况,从而影响到溶解时间的确定;其次,质量水溶速率的表征方法中的芯模溶解状态与实际应用中芯模溶解状态是不一样的。在质量水溶速率表征方法中,从芯模材料放入水中开始,芯模的所有表面均处在一个完全与水接触的环境下,水对芯模的溶解是从芯模的各个方向进行的。而在实际应用中,由于制品包覆在芯模表面,水溶性芯模只有部分表面与水接触,因此按照质量水溶速率方法测得的水溶性芯模的水溶性能相比实际应用中的要高。
 
  配方
 
  在实际应用中,一般对水溶性芯模材料提出了如下要求:
 
  (1)一定的强度与耐热性;
 
  (2)表面光洁、尺寸精度较高;
 
  (3)线膨胀系数小;
 
  (4)采用的原材料无毒、价格适中;
 
  (5)水溶性能优良。
 
  依据上述要求,通过大量的实验可以初步筛选出几种适合用于制各水溶性芯模材料的组成成分。然后通过实验对筛选出的组分进行优化,确定出最优配比。
 
  配用图片:
 
  
 
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