基本信息
- 项目名称：
- 新型铸造用淀粉/膨润土复合粘结剂
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该项目以木薯淀粉为主要原料，自行研制的有机膨润土为改性剂，运用插层技术将淀粉插入有机蒙脱土层间，将蒙脱土片层剥离出来，纳米级地分散在淀粉中，研制淀粉/膨润土纳米复合粘结剂。可用于铸造用型芯的粘结，可代替价格昂贵的桐油粘结剂，很受应用厂家的欢迎。
- 详细介绍：
- 铸造工业是我国国民经济中的一个重要产业,粘结剂及其使用技术则是影响砂型铸造生产环境和铸型性能的主要因素,所以研制新型无毒无污染,综合性能优良的铸造粘结剂及其造型、制芯工艺势在必行。淀粉是一种天然多糖高聚物,是由葡萄糖失水缩合而成的高分子化合物,是重要的绿色化学品而且资源丰富,成本低,使用方便,以淀粉为主的粘结剂研究具有非常重要的意义。已经有不少学者在这方面做了研究,但是采用有机膨润土改性淀粉制备淀粉/膨润土复合粘结剂并应用于型芯砂的粘结尚未见报道。 该项目以木薯淀粉为主要原料，自行研制的有机膨润土为改性剂，运用插层技术将淀粉插入有机蒙脱土层间，将蒙脱土片层剥离出来，纳米级地分散在淀粉中，研制淀粉/膨润土纳米复合粘结剂。而且该复合粘结剂具有粘结强度高、抗吸潮性、溃散性好、发气量少，且成本低、工艺简单和环境友好。研发该项目具有重要的科学意义和应用价值。 具体的技术性分析说明： 1）自行研制的有机膨润土改性剂改善的粘结剂的干拉强度 钠基膨润土的层间距为1.47258nm，有机膨润土的层间距为1.923662nm，经PVA插层改性后，层间距扩大到2.02142nm。结果表明，膨润土的层间距越大，与淀粉复配后的强度越高。以8:2为例，淀粉/有机膨润土的强度比淀粉/Na基膨润土的强度增加了0.8～1.0MPa，淀粉/PVA改性有机膨润土的强度比淀粉/有机膨润土的强度增加了0.11MPa，说明膨润土的层间距对粘结剂的强度有影响。 膨润土层间距越大，有利于淀粉在碾压力作用下插层膨润土形成插层型复合材料，只有形成插层型的复合材料才能改性高聚物的性能。Na基膨润土的层间距较小，淀粉无法与之发生插层反应，只是机械的混合，增加了断裂源，得到的强度较低。有机膨润土层间距的扩大为淀粉的插层提供了有力的条件，因此强度有较大的提高。经PVA改性后，层间距增大，同时片层间的PVA侧链的羟基与淀粉的羟基的氢键作用都有利于淀粉的进入，得到的干强度也越大。 2）本产品抗吸潮性好 芯砂在烘干以后会吸湿，使强度下降，不利于搬运，储存，并使浇注时发气量增大，对铸件质量有不良的影响。铸造用粘结剂比其它的粘结剂在抗吸潮性方面有了更严格的要求。 淀粉作为铸造用粘结剂，除了高的粘结强度之外，粘结剂的抗吸潮性也是一个非常重要的指标。 淀粉是一种天然多聚糖，是由葡萄糖失水缩合而成的高分子化合物。羟基的数目是以一个很大数量级来计数的，由于羟基极易与水分子以氢键形式结合，在湿度较大的环境中易吸水而发生潮解，从而使芯砂强度大大降低，影响正常的使用。因此,改善淀粉粘结剂的抗吸潮性能有着重要的意义。结果表明，在空气中放置72h后芯砂试样仍保持较高的干强度和表面稳定性；在密闭容器中90%湿度下放置72h后干拉强度为0.2～0.5MPa，也是具有一定的强度。在使用时可以将试样重新烘干，这样试样又可以达到较高的使用强度。报废的泥芯可以重新混砂使用。由此可看出防潮性不仅仅是靠加入添加剂来改善，生产管理也非常重要，保持空气的流通良好，降低储藏室的湿度等等，对于提高防潮性是非常重要也是很有效的途径。 淀粉粘结作用主要表现在两方面：淀粉糊化后形成有网状结构的大分子包覆在砂粒表面；淀粉与砂粒表面的附着具有强度。 当空气中存在水分子时，水分子会进攻淀粉的羟基，从而造成淀粉网状结构的破坏，使粘结膜内聚强度显著降低；且因水分子体积很小，极性强并且扩散渗透能力很强，这使它可以很快渗透扩散至淀粉与砂粒粘结界面，破坏砂粒与粘结剂之间的附着力，从而使界面强度降低。因此单纯的α-木薯淀粉吸潮后的强度只有0.01～0.05MPa，抗吸潮能力差，无法适应实际应用的要求。以α-木薯淀粉和Na基膨润土复配的粘结剂吸潮后的强度也是大大的降低，无法满足实际应用的要求。 复合粘结剂的吸潮性比单纯的淀粉粘结剂有极大的改善，说明有机膨润土和淀粉之间并不是简单的共混，其存在的H键、Al-O和Si-O键引起了强有力的界面结合。所以当空气中的湿度增大时，水分子渗透扩散，进攻淀粉羟基键的速度在很大程度上受到扼制，使粘结膜和附着力的影响降低，抗吸潮性得到改善。 3）本产品耐高温性好 芯砂要经受1400℃的铁水高温的浇注，在极短时间内，如果粘结剂不能承受这样的高温，则铁水会冲垮泥芯造成夹砂，因此要求粘结剂要具有好的耐高温性能。膨润土熔点1330～1430℃，加入能提高粘结剂的耐高温型性；磷酸酯淀粉与砂、膨润土可在800℃生成耐热性物质AlPO4，能经受短期1400℃的高温，不被铁水冲垮，保证浇注的顺利进行。 4）湿强度与蠕变性好 湿压强度不仅关系到湿型的造型，并与干强度和高温强度都有一定关系。该淀粉粘结剂芯砂湿压强度为4.5kPa，易成型。 淀粉粘结剂的抗蠕变性能比油类粘结剂好，油类粘结剂在烘干时容易变形成“鼓状”，而淀粉粘结剂芯砂不易变形，其芯砂蠕变为“0”，保证坭芯尺寸准确。 5) 溃散性好 溃散性或出砂性是指铸件冷凝后芯砂是否容易烧枯破坏，是否容易从铸件内腔清除的性能。铸件溃散性主要是由芯砂的残留强度决定。残留强度是指芯砂受热以后冷却下来所具有的强度。 淀粉粘结剂溃散性比合脂油好。一般在300℃淀粉就烧焦成碳粒洁纱方便，而合脂油要在500℃以上溃散。因此淀粉的退让性也比合脂油好，很适合用在有色金属。 溃散性主要由型砂的残留强度决定。型芯砂制成“8”字试样，烘干后，分批在炉内定温下，保温25分钟，出炉冷却，测定其残留干拉强度，结果表明，试样自行溃散，说明本粘结剂溃散性好。 6）复用性 由于淀粉是水溶性的，它制作的型芯砂易于回收和再生。将生产剩余的芯砂、废砂芯打碎加入适量水和少量新粘结剂再次混碾，芯砂可重新使用。这是其他油类粘结剂所不能达到的优点。 （一些图表见上传论文文档-作品详细介绍）
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 该项目以木薯淀粉为主要原料，自行研制的有机膨润土为改性剂，运用插层技术将淀粉插入有机蒙脱土层间，将蒙脱土片层剥离出来，纳米级地分散在淀粉中，研制淀粉/膨润土纳米复合粘结剂。 创新点： 1) 国内首创。率先以木薯淀粉为原料，自行研制的有机膨润土为改性剂，经过熔融和溶液插层等工艺研发铸造用α－木薯淀粉/膨润土纳米复合粘结剂，经福建省科技信息研究所检索和专家鉴定，国内尚无同类产品。 2) 应用性强。淀粉/膨润土复合粘结应用于芯砂粘结剂可采用湿法和粉状干法工艺。 3) 工艺简单、环境友好。本项目采用先进的插层技术，绕开了无机纳米粒子团聚问题，操作方便，耗时少，效率高，便于现代化工业生产。 4）通过自主研制有机化的蒙脱石，可把握层状蒙脱石纳米改性的最佳条件。 关键技术： 运用插层技术将淀粉插入有机蒙脱土层间，将蒙脱土片层剥离出来，纳米级地分散在淀粉中，研制淀粉/膨润土纳米复合粘结剂。产品性能超过国家和行业标准。 产品主要技术指标： 干拉强度：2.1 MPa；烘干温度：160～190℃；湿强度：4.0 KPa 溃散性（炉温450℃,试样残留干拉强度）：0 MPa
科学性、先进性
- 该项目以木薯淀粉为主要原料，自行研制的有机膨润土为改性剂，运用插层技术将淀粉插入有机蒙脱土层间，将蒙脱土片层剥离出来，纳米级地分散在淀粉中，研制淀粉/膨润土纳米复合粘结剂。而且该复合粘结剂具有粘结强度高、抗吸潮性、溃散性好、发气量少，且成本低、工艺简单和环境友好，国内尚未见报道。研发该项目具有重要的科学意义和应用价值。 省教育厅组织有关专家对该项目进行鉴定。专家组听取了项目组的汇报，审阅了有关资料，经过充分质询讨论，形成一致意见：该项目具有创新性，产品综合性能指标达到国内同类产品领先水平，建议投入批量生产，扩大应用领域，满足市场需求。
获奖情况及鉴定结果
- 一、该项目“新型铸造用淀粉/膨润土复合粘结剂”通过省教育厅组织有关专家对其进行的鉴定，专家组听取了项目组的汇报，审阅了有关资料，经过充分质询讨论，形成一致意见：该项目具有创新性，产品综合性能指标达到国内同类产品领先水平，建议投入批量生产，扩大应用领域，满足市场需求。 二、该作品获挑战杯校级决赛金奖。 三、该作品获挑战杯省级决赛二等奖。 四、该作品正着手准备申请国家专利。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作中试或成果转让
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 经省科技信息研究所检索，国内外尚无同类产品。该产品采用FTIR、XRD手段表征及力学性能测试。结果表明，PVA插层改性后的有机膨润土的层间距大于有机膨润土的层间距大于Na基膨润土的层间距，而且该复合粘结剂具有粘结强度高、抗吸潮性、溃散性好、发气量少，且成本低、工艺简单和环境友好。 新型铸造用淀粉/膨润土复合粘结剂的成功研制，填补了国内空白，产品综合性能达到国内同类产品领先水平。 生产本产品所需设备简单，投资少，成本低，合成工艺简便，原材料来源丰富，应用于铸造用型芯的粘结，深受应用厂家的欢迎。第一阶段计划年产1000吨，产值达400万元，可创税利120万元，利润达80万元，具有显著的经济社会效益、广阔的应用前景和显著的经济、社会和环保效益。
同类课题研究水平概述
- 根据省科技信息研究所查新报告和专家监定，国内从事铸造用淀粉粘结剂的研究，如山东理工大学、西南大学、大连理工大学、内蒙古一机集团北方铸造公司、济南鲁源铸造材料有限公司、广西明阳生化科技股份有限公司和吉化公司石井沟联合化工厂等。但以木薯淀粉为原料，自行研制的有机膨润土为改性剂，尤其是以PVA为膨润土的助插层剂，经过熔融和溶液插层等工艺制备新型铸造用淀粉/膨润土复合粘结剂国内尚未见文献报道。该项目具有创新性，产品综合性能指标达到国内同类产品领先水平。本产品可满足铸件生产中制芯的要求，且具有环保节能等优点，是2l世纪理想的环保型铸造粘结剂。
