旋转磁场对水玻璃砂性能影响的研究

旋转磁场对水玻璃砂性能影响的研究 吴宇博 （ 土建0809 08231268 ） 摘要：研究采用旋转磁场对水玻璃进行物理改性的影响。试验表明，所需磁场强度低(O．027 T)，改性效果好，使用磁化改性的水玻璃所混制的水玻璃砂强度有明显提高。微观表明，经磁化处理的水玻璃，使原来在水玻璃中的纳米颗粒进一步化，黏度减小。 关键词：型砂；水玻璃；磁化改性 水玻璃型砂强度高、成本低、操作简便、生产周期短、生产环境洁净。但由于它的溃散性差，回用困难，20世纪6O年代末期以来，有被树脂等有机粘结剂型砂取代的趋势。近年来，由于有机粘结剂来源短缺、成本高、环境污染等问题较为突出，水玻璃砂又重新为各工业国家所重视。 为解决水玻璃砂的上述缺点，目前广泛采用物理和化学的方法对水玻璃进行改性研究【1~3】，改性水玻璃砂具有强度高、表面安定性好、加入量少等优点，且浇注后落砂容易，溃散性好【4】。20世纪80年代我国开展水玻璃磁化改性方面的研究【5】，但基本上都是采用稳定磁场进行磁化处理【6~8】。本文在此基础上，采用旋转磁场对水玻璃进行改性，研究其对水玻璃砂性能的影响。 1 试验及试验方法 1．1 试验材料 (1)原砂：大林标准砂NB55／100。 (2)市售水玻璃，其性能指针如表I所示。 (3)所用有机酯为上海重型机器冶铸厂提供。 表1 水玻璃的性能指针 Tab．1 Specification of sodium silicate 1．2 试验方法 为了测定水玻璃在旋转磁场作用下的改性效果，采用如图1所示装置，当电流通过时，在线圈中产生旋转磁场，旋转速度约为1500 r／min，磁场强度由一变阻器控制线圈两端输入电压的变化而改变，将容器中的水玻璃置于旋转磁场之中，在不同的磁场强度、磁化时间条件下，对水玻璃进行磁化改性处理，然后对水玻璃的有关物性指标和水玻璃砂的性能进行测定。型砂混制工艺为： 2 试验结果及分析 2．1 磁化时间对水玻璃黏度的影响 黏度是水玻璃重要的物性指标，水玻璃黏结性能的优劣与其黏度的变化有关，经磁化处理后的水玻璃黏度显著减小，且随着磁化时间的延长，水玻璃的黏度不断下降，测定结果见图2。由图2可见，新购的水玻璃黏度较小，而存放约一年时间的水玻璃黏度较大，不过在磁场的作用下，黏度下降幅度较大， 达到47.1％。水玻璃黏度的下降必定与其内部微观结构的变化有关。水玻璃黏度的降低，有利于水玻璃在原砂中的分散，且易在砂粒表面形成黏结膜。 2．2 磁化时间对水玻璃粒径的影响 本文采用纳米粒度机及ZETA电位分析仪测定水璃粒径，分析磁化时间对水玻璃粒径的影响，测定 结果如表2。 从表2可以看到：经磁化改性后的水玻璃体系中，纳米粒子的尺寸减小，以磁化10 min较佳。对于新购水玻璃中刚产生的纳米粒子是经磁化处理产生的，它可使水玻璃成为真溶液。一般认为，水玻璃的“老化”现象是由于其纳米粒子发生团聚产生的，在磁场的作用下，组成纳米粒子的各分子将重新取向，发生分子的旋转，破坏了原先的连接， 因而使纳米粒子变得更小。根据这样的原理，旋转磁场比稳定磁场对水玻璃的改性更有效，因为在旋转磁场的作用下，分子更易发生旋转。试验结果表明，在旋转磁场强度(0．019～0．027T)较小的条件下，也能取得明显的磁化效果。 2．3 磁化时间对水玻璃砂性能的影响 磁场强度为0．027T，水玻璃加人量为原砂的8％，有机酯加入量为水玻璃加入量的10％，不同磁化时间对水玻璃砂抗拉强度的影响如图3所示。 从图3可以看出，磁化30 min对提高水玻璃的粘结强度有很好的效果，24h后的抗拉强度达到最高，磁化时间再延长，其抗拉强度降低，而未经磁化处理的水玻璃砂强度是最低的。这是因为水玻璃经过磁化处理后，水玻璃中带电的凝胶团在磁场中获得能量，促使大分子的凝胶团解聚成为可溶性溶胶，使水玻璃成为均匀的溶胶体，体系中纳米粒子更小，提高了水玻璃的粘结强度，从而使水玻璃砂的抗拉强度提高。从图2中还可以看出，磁化处理对高模数水玻璃强度的提高不明显，这还有待于进一步研究，可能是高模数水玻璃容易形成环四硅酸、立方八硅酸和其它缩聚产物而难以解聚。 2．4 磁化后水玻璃放置不同时间对水玻璃砂抗拉强度的影响 本实验研究了水玻璃在磁化15、30、45、60min 后，分别放置在室内1、2、3、24h后开始混砂，测定水玻璃砂在1、2、3、24h的干强度。磁场强度为0．027T，水玻璃模数为2．3(新)和2．85，水玻璃加入量为原砂的8％，有机酯加入量为水玻璃加入量的10％，实验结果见图4～图11。 从图中可以看出，随着放置时间的延长，水玻璃砂的强度逐渐减小。由于磁化处理后的水玻璃处于高能量激活状态，为不稳定状态，必然向低能态转变。磁化过程是外界提供能量将高分子链状硅酸分子分散的均匀化过程。另外，水是极性分子，受磁场力的作用，能量提高，氢键夹角减小且拉长，使分子更具极性，增强了硅酸胶粒的水化能力，也增加了硅酸钠的溶解度。从实验结果可以很明显看出，放置一段时间的磁化水玻璃，磁化效果将逐渐失。 2．5 磁化水玻璃对型砂存放性的影响 研究水玻璃型砂试样存放性的变化，主要测定了磁化后水玻璃砂试样放置时间与抗拉强度的化，实验结果如图12所示。 由图12可见，两条曲线有相同的变化趋势，强度在24h后都下降，但在48h内两条曲线的变化幅度都不是非常大，48h后变化的幅度相对比较大，5天后未磁化水玻璃曲线还处于下降的趋势，而磁化水玻璃下降趋于平缓。 3 结论 水玻璃在磁场强度(0．027T)较小的旋转磁场的作用下，取得了良好的磁化效果，使水玻璃的黏度下降，水玻璃砂的强度提高，具有较好的存放性， 与此同时也存在着磁化效果衰退现象，这有待于进一步研究。