一種3d砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于鑄造輔助材料領域，具體涉及一種3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002]三維打印(ThreeDimens1nal Printing，3DP)由 E.Sachs 等人于 1992 年提出，是根據(jù)噴墨打印機原理，從噴嘴噴射出材料微滴，按一定路徑逐層固化成型。
[0003]3D打印技術與機器人、互聯(lián)網(wǎng)一起被稱為第三次工業(yè)革命的主要標志。目前，已有部分工業(yè)級3D打印機應用于鑄造生產服務，主要用于鑄件的快速成型、翻制模具、打印模殼、砂芯等。
[0004]目前德國、日本等發(fā)達國家已經將3D打印技術廣泛應用于鑄造行業(yè)。而在國內，3D打印技術正處于起步階段，尤其在鑄造行業(yè)，采用3D砂型打印技術制造高端精密有色金屬鑄件的企業(yè)寥寥無幾。
[0005]目前國內外鑄造企業(yè)普遍使用的3D砂型打印用粘結劑為有機樹脂，如酚醛樹脂。有機樹脂粘結劑雖然具有優(yōu)異的性能，但其居高不下的成本、樹脂砂在使用過程中對環(huán)境的嚴重污染，及其在鑄件質量控制方面的局限性等缺點，嚴重制約了有機樹脂粘結劑的進一步發(fā)展。為了迎合高效、節(jié)能、環(huán)保的“綠色鑄造”理念，開發(fā)一種性能與有機樹脂相當、環(huán)保無污染的3D砂型打印用無機粘結劑，已然成為了鑄造工作者們的共識。
[0006]前蘇聯(lián)時期，鑄造工作者們曾經試圖將磷酸鹽無機粘結劑應用于鑄造領域，但由于其只能通過加熱的方式進行硬化，再加上普通的磷酸鹽無機粘結劑普遍存在粘度大、強度低、潰散性差以及抗吸濕性差等問題，嚴重制約了其在傳統(tǒng)鑄鋼、鑄鐵等領域的應用，更加制約了其在3D砂型打印等高新鑄造技術領域的應用。
[0007]3D砂型打印技術要求粘結劑的粘度低且能夠實現(xiàn)快速硬化，同時還要保證短時間內的型砂強度增長，普通的磷酸鹽無機粘結劑無法滿足3D砂型打印的需求，直接阻礙了磷酸鹽無機粘結劑在高端鑄造領域的應用。

【發(fā)明內容】

[0008]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑及其制備方法，制備得到的3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑具有強度高、粘度低、可使用時間短并且能夠實現(xiàn)快速硬化、抗吸濕性好、潰散性能優(yōu)異。
[0009]為了解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供以下技術方案:
一種3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑，包括以下組成成分:氫氧化鋁、碳酸鎂、硼酸、85%工業(yè)磷酸、尿素、木糖醇、D-山梨醇、檸檬酸、三聚磷酸鋁、三聚磷酸二氫鋁、去離子水，其中各個組分的質量百分比比例為:氫氧化鋁4.5%-9.5%、碳酸鎂1%-4%、硼酸
2.5%-6.5%、85%工業(yè)磷酸30%-70%、尿素0.5%-1.5%、木糖醇1%_3%、D_山梨醇1%_3%、檸檬酸
0.5%-1.5%、三聚磷酸鋁1.5%-6.5%、三聚磷酸二氫鋁1.5%-6.5%、去離子水7%_37% ； 所述碳酸鎂作為改性劑與磷酸鹽反應，形成一種非水溶的立體網(wǎng)狀結構MgHP04.xH20，水分子不易侵入其中，改善了型砂的抗吸濕性；
所述B3+作為改性劑加入到酸式磷酸鋁水溶液中，與磷酸反應生成磷酸硼，同時也能與多羥基的Al (OH)3反應生成氫氧化鋁絡合硼酸鹽，形成的上述兩種物質都能增強粘結劑的粘結強度，同時也使得酸式磷酸鋁水溶液的穩(wěn)定性增強；
所述Mg2+、B3+離子半徑小，且化合價高，對臨近的-O-H鍵產生強烈的影響，削弱-O-H鍵與H2O分子作用，使得抗吸濕性提高；
所述三聚磷酸鋁、三聚磷酸氫二鋁作為改性劑增加了磷酸鹽粘結劑體系中磷酸氫二鋁的含量，磷酸氫二鋁作為一種后期和固化劑起反應的主要化學成分，其含量的上升，能夠提高粘結劑的固化速度和粘結強度；
所述檸檬酸、尿素作為改性劑，降低復合磷酸鹽無機粘結劑的中和度，使得粘結劑體系的穩(wěn)定性增強；同時，檸檬酸和尿素的加入改善磷酸鹽粘結劑砂的潰散性；
所述木糖醇、D-山梨醇作為改性劑改善磷酸鹽粘結劑體系的抗吸濕性能，同時木糖醇和D-山梨醇也能改善磷酸鹽粘結劑的潰散性。
[0010]同時，本發(fā)明提供了一種3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟一，將氫氧化鋁和去離子水加入到反應釜中，開動攪拌并開始加熱至微沸狀態(tài)；
步驟二，緩慢加入85%工業(yè)磷酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)反應至少Ih，關閉加熱，待溫度降至60°C后，緩慢加入碳酸鎂，60°C下保溫反應至少30min，再加熱至微沸狀態(tài)；
步驟三，緩慢加入硼酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少30min，依次加入三聚磷酸鋁和三聚磷酸二氫鋁，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少30min ;
步驟四，依次緩慢加入尿素、木糖醇、D-山梨醇和檸檬酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少lh，得到新型3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑，待體系溫度降至室溫后檢測、包裝。
[0011]本發(fā)明所述技術方案的有益效果為:制備得到的復合磷酸鹽無機粘結劑25°C時粘度< 15mpa.s，粘度低；該復合磷酸鹽無機粘結劑在加入量為4.5% (占標準砂的比重)，固化劑加入量為30% (占粘結劑的比重)時，其?30mm*50mm的標準砂試塊常溫抗壓強度大于6.0Mpa，粘結強度高；經過600°C以上的高溫烘烤后，其殘留強度低，當烘烤溫度超過800°C時，殘留強度低于0.5Mpa，表明該粘結劑的潰散性能優(yōu)異，應用于鑄造領域時，鑄件清砂容易；復合磷酸鹽無機粘結劑的標準砂試塊在空氣濕度大于80%的環(huán)境中存放24h后，其抗壓強度降低率僅為6.5%左右，說明該粘結劑抗吸濕性能優(yōu)異，克服了傳統(tǒng)磷酸鹽無機粘結劑抗吸濕性差的缺點，延長了型砂的存放使用時間；該復合磷酸鹽無機粘結劑的可使用時間為5min彡t彡15min，其標準砂試塊在造型完成后30min左右便可脫模?？墒褂脮r間短、能夠實現(xiàn)快速硬化，符合砂型噴墨打印使用要求；該復合磷酸鹽無機粘結劑與有機樹脂粘結劑相比，屬于綠色環(huán)保材料，在生產和使用過程中不會對環(huán)境造成污染。
【具體實施方式】
[0012]為了使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0013]實施例一
本實施例的3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑的組成原料為:氫氧化鋁6.5%、碳酸鎂3%、硼酸3%、85%工業(yè)磷酸50%、尿素1%、木糖醇2%、D-山梨醇2%、檸檬酸1%、三聚磷酸鋁2.5%、三聚磷酸二氫鋁4%、去離子水25%。
[0014]本實施例的一種3D砂型打印用復合磷酸鹽無忌粘結劑的制備方法為:
步驟一，將65Kg氫氧化鋁和250Kg去離子水加入到搪瓷反應釜中，開動攪拌并開始加熱至微沸狀態(tài)；
步驟二，緩慢加入500kg 85%工業(yè)磷酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)反應至少lh，關閉加熱，待溫度降至60°C后，緩慢加入30Kg碳酸鎂，于60°C下保溫反應至少30min，再加熱至微沸狀態(tài)；
步驟三，緩慢加入30Kg硼酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少30min，依次加入25Kg三聚磷酸鋁和40Kg三聚磷酸二氫鋁，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少30min ；
步驟四，依次緩慢加入1Kg尿素、20Kg木糖醇、20Kg D-山梨醇和1Kg檸檬酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少Ih以上，得到新型3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑，待體系溫度降至室溫后檢測、包裝。
[0015]該新型復合磷酸鹽無機粘結劑在25 °C時粘度為14mpa.s ;可使用時間為5min ^ t ^ 15min ;加入量為4.5% (占標準砂的比重)時，其C>30mm*50mm的標準砂試塊24h常溫抗壓強度為6.62Mpa ;其標準砂試塊經過800°C的高溫烘烤后，殘留強度為0.42Mpa;其標準砂試塊在空氣濕度為80%的環(huán)境中存放24h后，抗壓強度降低率為6.2%。
[0016]實施例二
本實施例的3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑的組成原料為:氫氧化鋁7%、碳酸鎂3%、硼酸4.5%,85%工業(yè)磷酸47%、尿素1%、木糖醇1.5%、D-山梨醇1.5%、檸檬酸1%、三聚磷酸鋁3%、三聚磷酸二氫鋁3%、去離子水27.5%。
[0017]本實施例的一種3D砂型打印用復合磷酸鹽無忌粘結劑的制備方法為:
步驟一，將70Kg氫氧化鋁和275Kg去離子水加入到搪瓷反應釜中，開動攪拌并開始加熱至微沸狀態(tài)；
步驟二，緩慢加入470kg 85%工業(yè)磷酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)反應至少lh，關閉加熱，待溫度降至60°C后，緩慢加入30Kg碳酸鎂，于60°C下保溫反應至少30min，再加熱至微沸狀態(tài)；
步驟三，緩慢加入45Kg硼酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少30min，依次加入30Kg三聚磷酸鋁和30Kg三聚磷酸二氫鋁，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少30min ；
步驟四，依次緩慢加入1Kg尿素、15Kg木糖醇、15Kg D-山梨醇和1Kg檸檬酸，待反應至清澈透明后，繼續(xù)攪拌反應至少lh，得到新型3D砂型打印用復合磷酸鹽無機粘結劑，待體系溫度降至室溫后檢測、包裝。
[0018]該新型復合磷酸鹽無機粘結劑在25 °C時粘度為12mpa.s ;可使用時間為5min ^ t ^ 15min ;加入量為4.5% (占標準砂的比重)時，其C>30mm*50mm的標準砂試塊24h常溫抗壓強度為6.45Mpa ;其標準砂試塊經過800°C的高溫烘烤后，殘留強度為0.39Mpa;其標準砂試塊在空氣濕度為80%的環(huán)境中存放24h后，抗壓強度降低率為6.4%。
[0019]實