3D打印砂型芯用水基涂料流变性能的研究_高天娇.pdf

Vol.71 No.12 20221490试验研究3D 打印砂型芯用水基涂料流变性能的研究高天娇1,尹绍奎1,李玲1,于瑞龙1,谭锐1,李成坤2,刘加军1,张海东1,李延海1,张鑫1（1.沈阳铸造研究所有限公司，高端装备轻合金铸造技术国家重点实验室，辽宁沈阳 110022；2.康硕（山西）智能制造有限公司，高端装备轻合金铸造技术国家重点实验室山西实验室，山西晋城 048400）摘要：通过选用不同悬浮剂进行复配，研究了其流变特性对3D打印砂型芯用水基涂料悬浮率、流变性能、涂覆效果等的影响。通过对比试验，确定了在采用流涂的涂覆方式下，3D打印砂型芯用水基涂料的推荐配方。试验结果表明：在钠基膨润土中加入凹凸棒土或海泡石，3D打印砂型芯用水基涂料的屈服值、触变率及湿涂层厚度均有提高，改善涂层的表面光滑度。其中，海泡石的加入对3D打印砂型芯用水基涂料的屈服值、触变率及湿涂层厚度的影响更明显。针对本文中的耐火骨料组合，3D打印砂型芯用水基流涂涂料的屈服值范围应在2 6902 790 mPas，触变率范围在5.5%6.5%。在选择合适的悬浮剂组合条件下，无需加入流变助剂即可使涂料获得满足使用要求的流变效果。关键词：3D打印砂型芯；水基涂料；流变性能作者简介：高天娇（1987-），女，硕士研究生，从事铸造材料相关的研发工作。E-mail：中图分类号：TG221文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2022）12-1490-05基金项目：辽宁省科技项目（2021JH6/10500245）。收稿日期：2022-05-07 收到初稿，2022-06-20 收到修订稿。3D打印砂型芯技术具有打印速度快、系统成本低等优点，特别适合复杂高端铸件的快速制造1-2。由于3D打印砂型芯多为复杂的多孔多腔结构，且在其斜面部位具有明显的阶梯式痕迹，为了有效改善其表面质量，选择合适的施涂工艺以及控制施涂工艺参数显得十分重要。在相同的耐火材料组合中，不同的施涂工艺对涂料的工艺性能要求也不同，流涂涂料需具有良好的涂挂效果，同时具备较好的流动性和流平性，可以从复杂的孔或腔中完全流出不堆积。对于3D打印砂型芯用水基流涂涂料来说，工艺性能参数包含悬浮性、屈服值、触变率、湿涂层厚度及流动性，这些工艺性能与涂料的流变性能紧密相关。因此，通过研究并获得3D打印砂型芯用水基流涂涂料的流变性能数据，可初步判断涂料的工艺性能。涂料的屈服值是为使涂料流动所必须达到的某个最小剪切应力值3。随着屈服值的增加，涂料的抗流淌性增加，流动性和流平性下降。涂料的触变性是指在恒定的剪切速率作用下，涂料的表观粘度随时间延长而下降的现象4。本研究根据3D打印砂型芯的特点，选用以锆英粉为主的耐火骨料组合，选择三种悬浮剂进行复配，对比不同组合的悬浮率、屈服值、触变率、流变曲线及湿涂层厚度，以此确定3D打印砂型芯用水基流涂涂料的推荐配方及工艺性能参数范围。1试验材料及方法1.1试验用原材料及试验仪器试验用原材料：锆英粉、白刚玉粉、纯净水、凹凸棒土、钠基膨润土、海泡石、硅溶胶（固含量30%）、流变助剂（KT）、有机硅消泡剂、润湿剂（GT300）。试验仪器：DL-550高速分散多用机、NDJ-5S数字旋转粘度计、电子天平、量筒（25 mm100 mL）、湿膜测厚仪。1.2涂料的制备1.2.13D打印砂型芯用水基涂料的基础配方试验涂料的基础配方如表1所示。试验研究2022年第12期/第71卷1491图1湿膜测厚仪示意图Fig.1 Diagram of wet coating thickness gauge表2钠基膨润土与凹凸棒土加入量Table 2 Additions of the sodium bentonite and attapulgite序号11-11-21-31-41-5钠基膨润土/g181512963凹凸棒土/g03691215表3钠基膨润土与海泡石加入量Table 3 Additions of the sodium bentonite and sepiolite序号12-12-22-32-42-5钠基膨润土/g181512963海泡石/g03691215表13D打印砂型芯用水基涂料基础配方Table 1 Basic formula of water-based coating for the 3D printing sand core g白刚玉150硅溶胶25润湿剂0.8锆英粉350复配悬浮剂18消泡剂0.15纯净水2001.2.2试验涂料的制备（1）向塑料烧杯中加入适量水，在高速剪切搅拌状态下，缓慢加入悬浮剂及粘结剂，持续搅拌30 min；（2）降低转速，加入耐火骨料及余水，提高转速，持续搅拌30 min；（3）降低转速，加入润湿剂及消泡剂，持续搅拌5 min，制备结束。1.3涂料性能指标的测定涂料的固含量对涂料的流变性能有较大影响，因此本研究中的涂料固含量均相同。1.3.1涂料悬浮率的测定将涂料倒入25 mm100 mL的量筒中，至100 mL刻度线处，静置2 h，记录澄清层体积V，用公式（1）计算涂料的悬浮率。=（100-V）/100100%（1）式中：为涂料悬浮率；V为量筒中涂料上部澄清液体积，mL。1.3.2涂料屈服值的测定在本研究中，将剪切速率在12 r/min作用下的初始粘度值作为涂料的屈服值，数值越大，表示屈服值越大。将搅拌均匀的涂料置于旋转粘度计下，选择2#转子，静置5 min后开始测试，仪器上出现的第一个数值即为涂料的初始粘度值。1.3.3触变率的测定将搅拌均匀的涂料置于旋转粘度计下，选择2#转子，静置5 min，在30 r/min转速下，将随剪切时间延长的粘度变化率作为涂料的触变率，数值越大，表示该涂料的触变率越大。记录自旋转开始后30 s、600 s时的粘度值，用公式（2）计算触变率。触变率=（30-600）/30 （2）式中：30为第30 s的粘度值，600为第600 s的粘度值。1.3.4流变点值的测定将搅拌均匀的涂料置于旋转粘度计下，选择2#转子，静置5 min，依次测定转速为6 r/min、12 r/min、30 r/min、60 r/min、30 r/min、12 r/min、6 r/min的粘度值，取每个转速开始30 s时的粘度值，作出粘度与剪切速率的曲线图，作为涂料的流变曲线图。1.3.5湿涂层厚度的测定将涂料完全涂覆在3D打印砂型芯表面上，静止10 s，选取几处不同的平面，用湿膜测厚仪测定湿涂层的厚度，湿膜测厚仪如图1所示。1.3.6流涂效果的判定将高100 cm的3D打印砂板靠在墙边，砂板与地面呈75角，取100 g涂料从砂板顶部倒下，测定涂层流动的长度和涂层厚度，观察涂料流动效果。2试验结果与分析2.1悬浮剂的复配组合本研究根据不同悬浮剂的性能特点，以钠基膨润土为主要悬浮剂，与凹凸棒土或海泡石进行复配，设计两组试验，研究不同复配组合对涂料性能的影响。复配组合如表2、表3所示。2.2钠基膨润土与凹凸棒土的复配对涂料性能的影响如表4所示为3D打印砂型芯用水基涂料选用钠基膨润土与凹凸棒土复配的流变性能。Vol.71 No.12 20221492试验研究图2钠基膨润土与凹凸棒土复配时3D打印砂型芯用水基涂料的流变曲线Fig.2 Rheological curve diagram of the water-based coating for the 3D printing sand core with combination of the sodium bentonite and attapulgite图3钠基膨润土与凹凸棒土复配时3D打印砂型芯用水基涂料的流动效果Fig.3 Flowing effects of the water-based coating for the 3D printing sand core with combination of the sodium bentonite and attapulgite表1试样化学成分Table 1 Chemical composition of specimen wB/%表4钠基膨润土与凹凸棒土复配对3D打印砂型芯水基涂料性能的影响Table 4 Effects of sodium bentonite and attapulgite on properties of the water-based coating for the 3D printing sand core编号11-11-21-31-41-52 h悬浮率/%979899999999屈服值/（mPas）2 6502 6842 7232 7892 8102 855触变率/%4.14.55.86.57.17.9湿涂层厚度/mm0.300.350.300.350.350.400.400.450.400.450.450.50表5钠基膨润土与海泡石复配对3D打印砂型芯水基涂料性能的影响Table 5 Effects of sodium bentonite and sepiolite on properties of the water-based coating for the 3D printing sand core编号12-12-22-32-42-52 h悬浮率/%979898989899屈服值/（mPas）2 6502 6962 7822 8452 9012 988触变率/%4.15.76.97.68.29.5湿涂层厚度/mm0.300.350.400.450.400.450.500.550.550.600.550.60图2所示为1#、1-3#及1-5#水基涂料的流变曲线。图3所示为钠基膨润土与凹凸棒土复配的涂料在3D打印砂板上的流动效果，从左至右分别为1#、1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#。从表4及图2可以看出，3D打印砂型芯用水基涂料的屈服值、触变率及湿涂层厚度随着凹凸棒土加入量的增加有较明显的提高，2 h悬浮率略有提高，流变曲线的面积随着凹凸棒土的加入量增加有增大的趋势。图3所示为1组试验涂料在3D打印砂平板上的流涂效果，1#和1-1#仍可看出砂板表面的凹凸形貌，随着凹凸棒土加入量的提高，涂层厚度增加，涂层表面的光滑度有所改善，在1-4#和1-5#中，涂料在流动的终点出现少量堆积。2.3钠基膨润土与海泡石的复配对涂料性能的影响表5所示为3D打印砂型芯用水基涂料选用钠基膨润土与海泡石作为复配悬浮剂时的流变性能。图4所示为1#、2-3#及2-5#水基涂料的流变曲线。图5所示为钠基膨润土与海泡石复配的涂料在3D打印砂板上的流动效果，从左至右分别为1#、2-1#、2-2#、2-3#、2-4#、2-5#。从表5及图4可以看出，3D打印砂型芯用水基涂料的屈服值、触变率及湿涂层厚度随着海泡石加入量的增加有明显的提高，而2 h悬浮率提高不明显，流变曲线的面积随着海泡石加入量的提高有明显增大的趋势。如图5所示，随着海泡石加入量的提高，可见涂层厚度有明显增加，流动距离变短，从2-2#开始，在涂料流动的终点出现了堆积。2.4流变助剂对涂料性能的影响在两组复配组合中各选择两组配比，同时选择1#配图4钠基膨润土与海泡石复配下3D打砂型芯用水基涂料流变曲线Fig.4 Rheological curves of the water-based coating for the 3D printing sand core with combination of the sodium bentonite and sepiolite试验研究2022年第12期/第71卷1493图5钠基膨润土与海泡石复配下3D打印砂型芯用水基涂料流动效果Fig.5 Flowing effects of the water-based coating for the 3D printing sand core with combination of the sodium bentonite and sepiolite图6加入流变助剂后3D打印砂型芯用水基涂料的