一种发热覆膜砂及其制备方法与流程

本发明属于铸造材料，具体涉及一种发热覆膜砂及其制备方法。

背景技术：

1、覆膜砂是以原砂为骨料、热固性树脂为黏结剂并辅以固化剂等助剂制备而成的一类预混型造型材料，具有尺寸精度高、表面质量好、生产效率高等优点，被广泛应用于汽车零部件、工程机械、轨道交通及装备制造等领域的铸件生产过程中。

2、在大型铸件、厚大断面铸件及存在热节结构的铸件浇注过程中，由于金属液凝固时间较长，局部区域散热不均，容易出现缩孔、缩松及组织疏松等缺陷。为提高热节区域的补缩能力，现有技术中通常在覆膜砂中加入氧化铁粉、铝粉等发热组分，通过铝热反应释放热量，提高型腔局部温度，延缓金属液凝固速度，从而改善铸件成型质量。

3、然而，现有发热覆膜砂仍存在以下问题：一方面，发热组分与酚醛树脂之间主要依靠简单物理混合方式结合，发热组分在覆膜层中的分散均匀性较差，在储存、运输及使用过程中容易发生团聚现象，导致发热反应不均匀；另一方面，现有发热体系多表现为瞬时快速放热，热量释放时间较短，难以满足大型铸件长时间补缩需求，导致热量利用效率较低。此外，发热反应过程中产生的高温还容易引起覆膜层局部开裂或结构失稳，从而影响覆膜砂的整体强度和铸件表面质量。

4、近年来，部分研究尝试通过优化发热剂组成或调整发热剂配比来改善发热性能，但对于发热组分与树脂体系之间界面作用机制的研究相对较少，尤其缺乏能够兼顾发热效率、持续放热能力及高温结构稳定性的覆膜砂体系。因此，开发一种能够实现发热组分稳定分散、热量缓释释放并具有优异高温稳定性的热缓释限域发热覆膜砂，对于提高铸件成型质量和降低铸造缺陷具有重要的实际意义。

技术实现思路

1、为了克服现有发热覆膜砂中发热组分分散稳定性差、热量释放过于集中、持续放热能力不足以及高温条件下覆膜层结构稳定性较差的问题，本发明的目的在于提供一种发热覆膜砂及其制备方法。本发明提供一种发热覆膜砂，包括石英砂、单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂、氧化铁粉、铝粉、空心氧化铝微珠、5-氨基水杨酸、乌洛托品、硬脂酸钙及硅烷偶联剂；其中，通过单宁酸、硅氧组分与铁离子构建协同限域网络结构，并对酚醛树脂进行改性，使发热组分能够稳定分散于覆膜层中，同时结合空心氧化铝微珠构建热缓释结构，实现热量的持续释放与有效利用。本发明还提供了上述热缓释限域发热覆膜砂的制备方法，通过协同限域改性酚醛树脂的构建以及发热组分的均匀包覆，使所得覆膜砂兼具优异的发热性能、热缓释性能及高温稳定性能。本发明通过构建单宁酸-硅氧-铁离子协同限域结构及热缓释发热体系，提高了发热组分的分散稳定性和热量利用效率，延长了持续放热时间，同时增强了覆膜砂的高温结构稳定性和铸件补缩效果。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种发热覆膜砂，包括以下重量份原料：石英砂1000～1500份；单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂20～80份；氧化铁粉20～100份；铝粉10～60份；空心氧化铝微珠5～50份；5-氨基水杨酸0.5～10份；乌洛托品2～15份；硬脂酸钙1～8份；硅烷偶联剂0.1～5份；其中，所述单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂由单宁酸、kh-792及三氯化铁对酚醛树脂进行协同限域改性制得。

4、可选地，单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂包括以下重量份原料：酚醛树脂100～120份；单宁酸5～15份；kh-792 3～10份；三氯化铁2～8份；正硅酸乙酯5～15份；乙醇60～120份；去离子水80～180份。

5、可选地，单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂的制备方法包括以下步骤：

6、（1）将单宁酸、kh-792和正硅酸乙酯加入乙醇和去离子水的混合溶液中进行反应，得到单宁酸-硅氧预反应体系；

7、（2）向单宁酸-硅氧预反应体系中加入三氯化铁进行反应，得到单宁酸-硅氧-铁离子协同限域网络体系；

8、（3）向单宁酸-硅氧-铁离子协同限域网络体系中加入酚醛树脂进行反应，反应结束后脱除溶剂并干燥，得到单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂。

9、可选地，步骤（1）的反应条件为将单宁酸、kh-792和正硅酸乙酯加入乙醇和去离子水的混合溶液中，在45～65℃条件下搅拌反应1～3h，调节反应体系ph为8～10。

10、可选地，步骤（2）的反应条件为加入三氯化铁后，在55～85℃条件下搅拌反应1～4h。

11、可选地，步骤（3）的反应条件为加入酚醛树脂后，在75～105℃条件下搅拌反应2～6h，随后减压脱除溶剂，并于70～90℃条件下干燥4～12h。

12、可选地，硅烷偶联剂由kh-550与kh-570按照质量比（1～4）：（1～2）混合而成。

13、可选地，一种发热覆膜砂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

14、s1，将石英砂加入混砂设备中进行预热处理，随后加入单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂进行混合包覆，得到预包覆砂；

15、s2，向预包覆砂中加入氧化铁粉、铝粉、空心氧化铝微珠及5-氨基水杨酸进行混合，使发热组分均匀分散于预包覆砂表面，得到发热混合砂；

16、s3，向发热混合砂中加入乌洛托品、硬脂酸钙及硅烷偶联剂进行混合，随后冷却、筛分，得到热缓释限域发热覆膜砂。

17、可选地，步骤s1的反应条件为石英砂预热温度为120～180℃，加入单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂后混合5～20min。

18、可选地，步骤s2和s3的反应条件为s2中混合时间为5～30min；s3中混合时间为3～20min，冷却温度为20～40℃。

19、本发明的有益效果是：

20、本发明采用单宁酸、kh-792、正硅酸乙酯和三氯化铁对酚醛树脂进行协同限域改性，通过构建有机-无机协同网络结构，提高了树脂与发热组分之间的界面结合能力，增强氧化铁粉和铝粉在覆膜层中的分散均匀性，减少发热组分团聚现象，从而提高发热反应的稳定性和热量利用效率。本发明利用单宁酸-硅氧-铁离子协同限域结构对发热组分进行界面调控，能够有效减缓铝热反应速率，避免热量瞬时集中释放，实现发热过程的持续化和均匀化，有利于提高大型铸件和厚大断面铸件热节区域的补缩效果。本发明引入空心氧化铝微珠构建热缓释微腔结构，使部分热量能够被吸收并缓慢释放，从而延长热节区域保温时间，降低温度下降速率，提高金属液后期补缩能力，减少缩孔和缩松等缺陷。本发明引入5-氨基水杨酸作为高温热响应增强组分，其能够促进酚醛树脂形成致密炭层，提高覆膜层的保温性能和高温结构稳定性，同时增强覆膜砂的抗开裂性能和抗烧蚀性能。本发明所得热缓释限域发热覆膜砂同时具备优异的发热性能、持续保温性能及高温稳定性能，可有效提高铸件成型质量和使用可靠性。

1.一种发热覆膜砂，其特征在于，包括以下重量份原料：石英砂1000～1500份；单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂20～80份；氧化铁粉20～100份；铝粉10～60份；空心氧化铝微珠5～50份；5-氨基水杨酸0.5～10份；乌洛托品2～15份；硬脂酸钙1～8份；硅烷偶联剂0.1～5份；其中，所述单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂由单宁酸、kh-792及三氯化铁对酚醛树脂进行协同限域改性制得。

2.根据权利要求1所述的一种发热覆膜砂，其特征在于，所述单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂包括以下重量份原料：酚醛树脂100～120份；单宁酸5～15份；kh-792 3～10份；三氯化铁2～8份；正硅酸乙酯5～15份；乙醇60～120份；去离子水80～180份。

3.根据权利要求1或2所述的一种发热覆膜砂，其特征在于，所述单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂的制备方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种发热覆膜砂，其特征在于，所述步骤（1）的反应条件为将单宁酸、kh-792和正硅酸乙酯加入乙醇和去离子水的混合溶液中，在45～65℃条件下搅拌反应1～3h，调节反应体系ph为8～10。

5.根据权利要求3所述的一种发热覆膜砂，其特征在于，所述步骤（2）的反应条件为加入三氯化铁后，在55～85℃条件下搅拌反应1～4h。

6.根据权利要求3所述的一种发热覆膜砂，其特征在于，所述步骤（3）的反应条件为加入酚醛树脂后，在75～105℃条件下搅拌反应2～6h，随后减压脱除溶剂，并于70～90℃条件下干燥4～12h。

7.根据权利要求1所述的一种发热覆膜砂，其特征在于，所述硅烷偶联剂由kh-550与kh-570按照质量比（1～4）：（1～2）混合而成。

8.一种发热覆膜砂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种发热覆膜砂的制备方法，其特征在于，所述步骤s1的反应条件为石英砂预热温度为120～180℃，加入单宁酸-硅氧-铁离子协同限域改性酚醛树脂后混合5～20min。

10.根据权利要求8所述的一种发热覆膜砂的制备方法，其特征在于，所述步骤s2和s3的反应条件为s2中混合时间为5～30min；s3中混合时间为3～20min，冷却温度为20～40℃。