砂型鑄造水基自干涂料既可克服醇基涂料易燃、易爆、有毒，懸浮穩(wěn)定性較差，刷涂時(shí)刷痕嚴(yán)重等問題，又可改善普通水基涂料自然干燥慢（需烘干），涂層吸濕性大等不足，具有安全可靠、運(yùn)輸方便、價(jià)格低廉、清潔無污染、懸浮性和涂刷性能好等特點(diǎn)，無疑是砂型鑄造涂料的主要發(fā)展方向。但迄今為止，國(guó)內(nèi)關(guān)于水基自干涂料的研究和應(yīng)用報(bào)道很少。作者在國(guó)內(nèi)率先對(duì)水基自干鑄造涂料進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并研發(fā)成功鋯英粉、鉻鐵礦粉、粉石英和含鋯復(fù)合硅酸鹽礦粉等系列水基自干涂料，已應(yīng)用于樹脂砂和水玻璃砂鑄造。新型自干涂料在條件粘度高達(dá)25 s（涂6型粘度杯）以上時(shí)仍然具有良好的涂刷性和流平性，厚度為0.5 mm的涂層在環(huán)境濕度較低和良好通風(fēng)條件下，在100 min以內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)自然干燥，并且不惡化樹脂砂強(qiáng)度，涂層抗吸濕能力強(qiáng)。

水基自干鑄造涂料的自干時(shí)間是其主要技術(shù)性能指標(biāo)。作者研發(fā)的系列涂料創(chuàng)造性地采用一種常溫固化型改性高分子聚合物乳液作為主要的常溫自干/低溫快干粘結(jié)劑，同時(shí)以一種快干型無機(jī)粘結(jié)劑作為主要的高溫粘結(jié)劑，外加相應(yīng)的潛伏型自交聯(lián)硬化劑。其自干固化機(jī)理如圖1所示，是以下兩種反應(yīng)的交互作用：涂料施工成薄涂層后，一方面水分蒸發(fā)脫失使無機(jī)粘結(jié)劑發(fā)生膠凝反應(yīng)，產(chǎn)生物理硬化（其中的快干型無機(jī)粘結(jié)劑含有水不溶性有機(jī)纖維，可在粘結(jié)劑干燥過程中起到毛細(xì)管作用，加快內(nèi)部水分的揮發(fā)），另一方面在潛伏型固化劑（揮發(fā)性堿液）作用下改性高分子聚合物乳液粘結(jié)劑體系發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)固化。從以上自干固化機(jī)理可知：影響涂料自干時(shí)間的主要因素除粘結(jié)劑體系組成外，還有環(huán)境溫度濕度、涂料含水量等。我們已經(jīng)系統(tǒng)研究了水基自干鑄造涂料的粘結(jié)劑體系及環(huán)境溫度濕度、涂料含水量對(duì)涂層自干時(shí)間的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：涂料含水量越高（亦即固含量越低），涂層自干時(shí)間越長(zhǎng)；環(huán)境濕度對(duì)涂層自干時(shí)間的影響比溫度的影響更大，在低濕度條件下即使同時(shí)低溫時(shí)涂層自干時(shí)間也較短，能滿足鑄造生產(chǎn)要求，但是在高濕度條件下涂層自干固化速度還有待進(jìn)一步改善。

為此，基于以上研究基礎(chǔ)，本研究繼續(xù)從涂料耐火骨料粒度分布和顆粒形貌角度探討其對(duì)涂料含水量及涂層自干時(shí)間的影響規(guī)律，據(jù)此優(yōu)化涂料的耐火骨料粒度分布和粒形，以滿足水基自干涂料在華南地區(qū)高濕度氣候條件下的樹脂砂鑄造生產(chǎn)要求。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

本研究的涂料耐火骨料以粉石英和石英粉為試驗(yàn)對(duì)象。粉石英是古生代微晶石英巖的自然風(fēng)化解體產(chǎn)物，我國(guó)資源豐富。與石英粉不同，這種礦體可不經(jīng)破碎和粉磨，而是直接通過淘洗、篩分脫泥、脫水干燥加工就可獲得高純度的粉體，是天然的純凈α-石英微粒，顆粒呈類球形（如圖2）。純凈的粉石英外觀呈白色，密度為2.65 g/cm3，熔點(diǎn)≥1 710 ℃，水浸反應(yīng)為中性，粒度在50 μm以下。淘洗過的粉石英SiO2含量為98.7％~99.3％，F(xiàn)e2O3為0.04％~0.12％，CaO+MgO+TiO2+K2O+Na2O的總含量為0. 12％~0.42％。粉石英的SiO2含量高，雜質(zhì)少，粒度細(xì)，顆粒均勻，價(jià)格低。單獨(dú)使用粉石英制備的鑄造涂料，可用于小型碳鋼件和鑄鐵件、各種有色金屬鑄件生產(chǎn)。粉石英部分替代鋯英粉加入鋯英粉涂料，可用于一般碳鋼件和中大型鑄鐵件生產(chǎn)。

1.2　試驗(yàn)方法

（1） 涂料條件粘度。條件粘度的測(cè)試條件及方法

是：在溫度為25 ℃±1 ℃的恒溫恒濕試驗(yàn)室內(nèi)，將涂料樣品充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，立即用?型粘度杯測(cè)試其流完時(shí)間，取5次測(cè)試值的平均值，來間接表征涂料的粘度，單位為秒。

（2）涂層自干時(shí)間。本研究的涂層自干固化速度采用涂層自干（實(shí)干）時(shí)間表征。涂層自干（實(shí)干）時(shí)間越短，則自干固化速度越快。

據(jù)有關(guān)氣象資料介紹：廣東省全年日平均相對(duì)濕度為73%~84%。華南地區(qū)其他省的氣溫和空氣濕度也與此相當(dāng)。因此，為了模擬華南地區(qū)的高濕氣候條件，本研究采用的涂料自干時(shí)間測(cè)試方法及條件是：在恒溫恒濕試驗(yàn)室內(nèi)，控制溫度為25 ℃±1 ℃、相對(duì)濕度為80%±2%，對(duì)呋喃樹脂自硬砂（原砂粒度為50/100目）平面基底上厚度為0.5 mm（由可調(diào)式漆膜制備器控制）的涂層，采用QGZ-6型漆膜干燥時(shí)間測(cè)定儀測(cè)試涂層實(shí)干時(shí)間，取3次測(cè)試值的平均值，單位為分鐘。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　涂料耐火骨料粒度及其分布對(duì)涂料自干固化速度的影響

耐火骨料在涂料中處于懸浮狀態(tài)的條件為：

式中：R為耐火骨料顆粒半徑；τ0為涂料靜切力；ρ固為耐火骨料密度；ρ液為載液密度。

式（1）可轉(zhuǎn)換為下式： 

由式（2）可知：耐火骨料的半徑越小，密度越小，則涂料維持懸浮狀態(tài)所需的靜切力越小，亦即涂料懸浮性越好，進(jìn)而涂料涂刷性也越好，涂層表面光滑。但是，如果平均粒徑過細(xì)，則不僅涂料滲透性無疑將提高，而且涂料含水量會(huì)增大，都將導(dǎo)致涂層中的水分脫失速度降低，自干固化速度減小，涂層抗裂性也將降低。因此，耐火粉料應(yīng)有適中的粒徑范圍。

耐火粉料粒度分布還應(yīng)在合適的粒徑范圍內(nèi)呈適當(dāng)?shù)姆稚⒍?，以充分利用粗?xì)粒子的相互鑲嵌作用，提高涂料固含量，降低涂料含水量，得到致密的涂層，增大其抗金屬液滲透粘砂能力，同時(shí)提高涂層自干固化速度。

根據(jù)非等徑球堆積原理，粗顆粒間的空隙中可嵌入中粗顆粒，而中粗顆粒間的空隙中又可嵌入細(xì)顆粒，其堆積空隙率低于等徑球堆積空隙率。涂料中的這些顆粒間隙將充滿不易流動(dòng)的溶劑水等液體，即“束縛液”，如圖4所示。涂料在固含量不變（亦即液體含量不變）的條件下，“束縛液”越多，則可流動(dòng)的具有潤(rùn)滑作用的“自由液”就越少，而“自由液”的多少一般決定了涂料粘度的大小。因此，水基涂料在總含水量一定時(shí)，骨料的粒間空隙越小，束縛水就越少，自由水越多，涂料粘度也就越小，涂料涂刷性越好。由此可推知：水基涂料在粘度一定（即自由水一定）時(shí)，骨料的粒間空隙越大，束縛水就越多，涂料的總含水量也就越高，而且束縛水比自由水更難蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致涂層自干固化速度越慢。也就是說，不同粒徑顆粒的緊密排列組合，可減小粒間空隙，獲得相同粘度時(shí)可減少涂料含水量，從而提高涂料固含量、涂層致密度和自干固化速度。

對(duì)于相同分布狀態(tài)（單一粒度或者正態(tài)分布粒度）的耐火骨料，其粒徑（或平均粒徑）減小時(shí)，涂料達(dá)到相同粘度所需的含水率變化不大， 僅提高1.5%~3.5%，涂層自干固化時(shí)間相應(yīng)地也僅延長(zhǎng)5%~7%。

如果假設(shè)涂料耐火骨料呈單一粒徑狀態(tài)，按照等徑球緊密堆積原理，無論等徑球采用何種常見的緊密堆積方式排列，其空隙率均是固定的（體心立方堆積結(jié)構(gòu)約為32%、面心立方和密排六方堆積結(jié)構(gòu)均約為26%），不隨粒徑大小而變。該空隙率也就是束縛液比例，與涂料在粘度相同條件下的總含水率成正比。

如果耐火骨料呈正態(tài)分布狀態(tài)，且其正態(tài)分布規(guī)律相同，亦即各粒度的比例相同，則該狀態(tài)可視為多種單一粒徑狀態(tài)并存，那么其空隙率也應(yīng)該不隨粒徑大小而變（前提是正態(tài)分布規(guī)律相同）。

事實(shí)上，涂料耐火骨料并非呈單一粒徑狀態(tài)，一般呈近似正態(tài)分布，而且試驗(yàn)材料的粒度正態(tài)分布規(guī)律也難以完全相同，所以，在耐火骨料呈現(xiàn)相同分布狀態(tài)（單一粒度或者正態(tài)分布粒度）下的試驗(yàn)結(jié)果顯示：其粒徑（或平均粒徑）減小時(shí)，涂料達(dá)到相同粘度所需的含水率雖然幾乎不變，但仍然存在1.5%~3.5%的微小變化量。

在平均粒度相近的條件下， 耐火骨料粒度呈正態(tài)分布的耐火骨料比單一粒度的耐火骨料在涂料達(dá)到相同粘度時(shí)所需的含水率顯著降低，降幅高達(dá)24%~26%，涂層自干時(shí)間相應(yīng)地也縮短32%~35%，約1/3左右。

前已述及：非等徑球堆積時(shí)，粗顆粒間的空隙中可嵌入中粗顆粒，中粗顆粒間的空隙中又可嵌入細(xì)顆粒。因此其堆積空隙率比等徑球堆積時(shí)要明顯降低（在非等徑雙球緊密堆積且球徑比為10∶1時(shí)，體心立方堆積結(jié)構(gòu)的空隙率將低至23%，面心立方和密排六方均將低至18%），而且非等徑球的球徑分布越分散，其堆積空隙率越低。相應(yīng)地，對(duì)水基自干涂料而言，在平均粒度相近的條件下，耐火骨料粒度呈正態(tài)分布比呈單一粒度時(shí)的束縛水要顯著減少，因此涂料達(dá)到相同粘度時(shí)所需的含水率顯著降低，涂層自干時(shí)間也相應(yīng)地縮短。

（1）粒度呈雙峰分布的耐火骨料比其雙峰對(duì)應(yīng)的兩種單一粒度耐火骨料在涂料達(dá)到相同粘度時(shí)所需的含水率都低（低4.5%~6.0%），涂層自干時(shí)間縮短8%~12%。

（2）粒度呈雙峰分布的耐火骨料比其雙峰對(duì)應(yīng)的兩種正態(tài)分布粒度耐火骨料在涂料達(dá)到相同粘度時(shí)所需的含水率都高（高4.0%~7.5%），涂層自干時(shí)間延長(zhǎng)16%~24%。

粒度呈雙峰分布的耐火骨料比其雙峰對(duì)應(yīng)的兩種單一粒度耐火骨料所需的含水率都低的原因，仍然是上述非等球堆積原理：不同粒徑顆粒的緊密排列組合，可充分利用粗細(xì)粒子的相互鑲嵌作用，減小粒間空隙率，涂料獲得相同粘度時(shí)可減少束縛水量，從而降低總含水量，提高涂料固含量，縮短涂層自干時(shí)間。

由于非等徑球的球徑分布越分散，其堆積空隙率會(huì)越低，而耐火骨料粒度呈雙峰分布比呈與其雙峰對(duì)應(yīng)的兩種正態(tài)分布時(shí)的分散度要小，所以，粒度呈雙峰分布的耐火骨料比其雙峰對(duì)應(yīng)的兩種正態(tài)分布粒度，耐火骨料在涂料達(dá)到相同粘度時(shí)所需的含水率都高，涂層自干時(shí)間也相應(yīng)地延長(zhǎng)。

以上試驗(yàn)及分析表明：

（1）在本試驗(yàn)條件下，涂料含水率與涂層自干時(shí)間具有顯著的正相關(guān)性，呈近似線性變化關(guān)系。

（2）水基自干涂料耐火骨料的粒度分布對(duì)涂層自干時(shí)間的影響顯著，而粒徑大小的影響較小。

（3）耐火骨料粒度應(yīng)在合適的平均粒徑范圍內(nèi)呈正態(tài)分布為宜，此時(shí)涂料所需的含水率最低，自干時(shí)間最短，同時(shí)涂層的致密度高，抗金屬液滲透能力強(qiáng)。

（4）耐火骨料的平均粒徑宜取45~75 μm（即200~325目）。此時(shí)既能保證自干固化速度，也能兼顧涂料的懸浮性、涂刷性和滲透性。

球狀顆粒具有的表面能最小，球狀顆粒之間的作用力也最小。用類球形耐火骨料配成的涂料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，具有較小的屈服值（使流體產(chǎn)生流動(dòng)的最小剪切應(yīng)力），涂料流動(dòng)時(shí)，顆拉之間摩擦阻力較小，因此涂料流動(dòng)性和涂刷性會(huì)較好，涂料粘度一定時(shí)含水量較低。此外，球狀顆粒的堆積密度最大，亦即粒間空隙率最小，而且空隙率隨球形度的降低呈近似線性地快速提高，如圖6所示。因此，用類球形耐火骨料配制涂料時(shí)，涂料的束縛液會(huì)較少，固含量將較高，相應(yīng)的含水率將較低。

基于以上分析，可以推論：由于粉石英的顆粒形狀類似球形（見圖2），相較于圖3所示的普通石英粉（顆粒形狀多為尖角形與多角形），前者的角形系數(shù)?。ㄒ姳?），堆積密度大（約為普通石英粉的1.2倍），如果用粉石英制備水基自干涂料，預(yù)計(jì)在涂料含水量相同時(shí)粘度將比石英粉涂料小，流動(dòng)性和涂刷性更好，或者在粘度相同時(shí)固含量較高（亦即含水量較低），有利于涂層快速自干固化，而且涂料不易沉淀結(jié)塊，容易攪勻。

為了驗(yàn)證以上預(yù)測(cè)，我們開展了關(guān)于耐火骨料顆粒形貌的比較試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用表1所示的平均粒度均為325目、粒度均呈近似正態(tài)分布的粉石英和普通石英粉，對(duì)比測(cè)試了在涂料粘度相同的條件下耐火骨料粒形對(duì)涂料含水率、懸浮率和涂層自干時(shí)間的影響，結(jié)果見表3。

表3的試驗(yàn)結(jié)果表明：采用粒形為類似球形的粉石英制備的涂料，在粘度相同條件下與采用粒形為尖角形與多角形的普通石英粉制備的涂料相比，含水率降低約35%，涂層自干時(shí)間縮短約32%，而且涂料懸浮率也顯著提高，試驗(yàn)結(jié)果與以上推論一致。

3　結(jié)論與展望

（1）在本試驗(yàn)條件下，涂料含水率與涂層自干時(shí)間具有顯著的正相關(guān)性，呈近似線性變化關(guān)系。

（2）水基自干涂料耐火骨料的粒度分布對(duì)涂層自干時(shí)間的影響顯著，而粒徑大小的影響很小。耐火骨料粒度取平均粒徑為200~325目的正態(tài)分布為宜，此時(shí)涂料所需的含水率最低，涂層自干時(shí)間最短，同時(shí)也兼顧了涂料的懸浮性、涂刷性、滲透性，涂層的致密度高，抗裂性和抵抗金屬液滲透能力均較強(qiáng)。

（3）水基自干涂料耐火骨料的顆粒形貌也顯著影響涂層自干時(shí)間。采用粒形為類似球形的粉石英制備的涂料，在粘度相同條件下與采用普通石英粉制備的涂料相比，含水率降低約35%，涂層自干時(shí)間縮短約32%，而且涂料懸浮率也顯著提高。

（4）水基自干涂料厚度為0.5 mm的涂層在相對(duì)濕度為80%±2%的環(huán)境條件下，在100 min以內(nèi)能實(shí)現(xiàn)自干固化，有望滿足華南地區(qū)高濕氣候條件下的樹脂砂鑄造生產(chǎn)要求。

（5）本文探討的涂料耐火骨料粒度和粒形對(duì)涂料束縛液數(shù)量的影響規(guī)律，對(duì)烘干型水基涂料（特別是熔模鑄造涂料）和有機(jī)溶劑基涂料也適用?？刂坪猛苛夏突鸸橇系牧６确植己皖w粒形貌，應(yīng)該也可明顯提高烘干型水基涂料和有機(jī)溶劑基涂料的固含量、涂層致密度和抗金屬液滲透能力，增強(qiáng)金屬液澆注時(shí)涂層抵抗樹脂砂型（芯）產(chǎn)生的氣體往型腔擴(kuò)散的能力，節(jié)約有機(jī)溶劑消耗量。但是對(duì)于消失模鑄造涂料，本文的研究結(jié)果只具有反向借鑒意義，因?yàn)橄ｈT造涂料主要技術(shù)要求是涂層具有良好的透氣性，以利于金屬液澆注時(shí)消失模熱解氣體快速排出型腔，涂層干燥速度是次要的，所以涂料骨料的粒度粒形要求應(yīng)與此相反。