水基涂料常用懸浮劑流變及觸變性研究

沈宏凱，孫清洲，*，許榮福，彭慧龍，劉偉

(1.山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250101；2.凱得力耐火材料(中國)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

砂型鑄造是鑄造生產的主要方法，由砂型鑄造工藝生產的鑄件占到鑄件總產量的70%以上。在砂型鑄造中，往往通過在鑄型或芯子表面施涂涂料來提高鑄件的表面質量。鑄造用涂料一般由耐火骨料、懸浮劑、黏結劑、載體以及其他助劑組成[1]。

懸浮劑是具有使固體物分散并使之懸浮在載液中的物質。優質涂料懸浮劑不僅具有使耐火骨料懸浮的能力，而且應該使涂料體系具有良好的流變和觸變特性。流變性是流體在受到外力作用下變形和流動的性質。觸變性是指流體受到剪切時黏度變大或變小，而停止剪切時黏度又逐漸恢復的性質，是一種可逆的溶膠現象，代表流體黏度對時間的依賴性。流動觸變液體的結構變化是由流動應力對微觀結構顆粒的作用引起的。觸變程度取決于粒度、基配等，優異的觸變性可以在重塑后使材料的強度提高超過100%[2－4]。流變和觸變性影響到涂料的諸多性能。如涂料的涂刷性、流淌性、耐磨性和抗裂性等[5]，進而影響涂層的表面光潔度、厚度、均勻性。涂料在流涂過程中產生的流痕、堆積、涂層上薄下厚、波紋痕等涂膜弊病與涂料的流變性能均有直接關系。在鑄造涂料的研發、生產或現場應用中，往往忽略流變性能[6]。對鑄造涂料而言，理想的流型是有觸變性且帶屈服值的假塑性流體，對涂料施加剪切應力，在超過某個臨界應力之前，材料保持不流動狀態，只有當剪切應力超過臨界應力后，涂料才能流動，該臨界剪切應力即為涂料的屈服值[7]。觸變環法是評價流體觸變性好壞的一種常用方法，可以用來判斷流體觸變性的好壞，觸變環的面積越大則觸變性越大，反之則越小[8]。屈服值高的涂料，懸浮性較好。一定的屈服值能使涂料在重力作用下不產生流淌和厚度不均的現象[9]。

選擇具有優異流變和觸變性的懸浮劑不僅有助于耐火骨料的懸浮，而且容易形成一定的組織結構，且該結構易于被外部作用力拆散，形成有觸變性的涂料，有利于流涂控制，進一步提高了涂層在砂型表層的滲入深度以及與砂型表面的附著強度等工藝效果，最終達到提高鑄件質量的目的[10]。實驗室常用的一些懸浮劑如鈉基膨潤土、羥甲基纖維素(Carboxymethylcellulose，CMC)，吸水后能形成空間網狀結構，使液體成為膠體從而形成較好的懸浮體系；鈣基膨潤土經過鋰化后同樣具有一定的懸浮性；凹凸棒土則以其優異的懸浮性、懸掛性而得到廣泛應用[11－15]。

針對涂料常規制備方法工作量大、開發周期長的缺點，文章主要對水基涂料中常用單一懸浮劑鈉基膨潤土、鋰基膨潤土、凹凸棒土以及CMC的懸浮液進行了流變性和觸變性的研究。

1 設備與方法

1.1 設備與材料

試驗中用到的主要儀器設備有NXS－11B型旋轉黏度計(A系統最大剪切速率Ds＝996.1 s－1，轉角常數Z＝0.2767 Pa/格；B系統最大剪切速率Ds＝204.3 s－1，轉角常數Z＝0.5675 Pa/格)、電子天平、恒溫烘干箱、涂料攪拌器等。試驗材料有蒸餾水、鈉基膨潤土、凹凸棒土、CMC、鈣基膨潤土、碳酸鋰等。

1.2 試驗方法

懸浮液的制備:稱取鈉基膨潤土加入盛有適量蒸餾水的燒杯中，利用轉速為3 000 r/min的攪拌機攪拌均勻，密封靜置陳化24 h，分別制得質量分數為7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%和12.5%的鈉基膨潤土懸浮液；稱取凹凸棒土放入盛有蒸餾水的燒杯中，攪拌均勻，密封靜置陳化24 h，分別制得質量分數為7.8%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%、13.5%和14.5%的凹凸棒土懸浮液；稱取一定量的鈣基膨潤土，加入5%的質量分數為96%的碳酸鋰，加入蒸餾水混合，攪拌均勻，密封靜置鋰化48 h，制得質量分數為7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%和12.5%的鋰基膨潤土懸浮液；量取適量的蒸餾水于燒杯中，稱取CMC后放入盛有蒸餾水的燒杯中，攪拌均勻，密封靜置陳化24 h，制得質量分數為1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的CMC懸浮液。

懸浮液的測試:將陳化好的懸浮液用攪拌機攪拌10 min，置于NXS－11B型旋轉黏度計的轉子套筒中，靜置10 min后開始測試。從黏度計的最低轉速開始，待第一個轉速數值穩定后依次提高轉速直至最高轉速，并記錄每一對應轉速下的剪切應力，以剪切速率為橫坐標，剪切應力為縱坐標繪制流變曲線。依次從最低轉速到最高轉速，再依次由最高轉速到最低轉速，每次提高或降低轉速的時間間隔為30 s，分別記錄各剪切速率下的剪切應力，并以剪切速率為橫坐標，剪切應力為縱坐標繪制觸變曲線。

2 結果與分析

2.1 鈉基膨潤土水懸浮液的流變及觸變性

鈉基膨潤土水懸浮液的流變及觸變曲線分別如圖1、2所示。質量分數為7.5%、8.5%的鈉基膨潤土水的懸浮液黏度較低，采用黏度計的A系統測試，其流變和觸變曲線分別如圖1(a)和2(a)所示；質量分數為9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的鈉基膨潤土水懸浮液的黏度較高，采用黏度計的B系統進行測試，其流變和觸變曲線分別如圖1(b)和2(b)所示。

由圖1可知，鈉基膨潤土水懸浮液的流變曲線不經過原點，質量分數≤10.5%的鈉基膨潤土水懸浮液基本呈現帶有屈服值的塑性流體特征，而質量分數為12.5%的鈉基膨潤土水懸浮液呈現出了帶有屈服值的假塑性流體特征。鈉基膨潤土水懸浮液剛開始受到剪切應力作用，當剪切應力＜屈服值時，其保持原來的靜止狀態；當剪切應力達到屈服值后，隨剪切應力的增加，懸浮液開始發生流變。隨著鈉基膨潤土質量分數的增加，屈服值增加，同等剪切速率下的剪切應力增加。由圖2可以看出，鈉基膨潤土水懸浮液均形成了觸變環，表現出了觸變性，質量分數為7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的鈉基膨潤土水懸浮液形成觸變環的積分面積分別為464.26、1 546.91、467.41、489.34、551.44、1 196.10 Pa/s。由于質量分數為7.5%、8.5%和9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的鈉基膨潤土水懸浮液的觸變性是分別采用黏度計的A系統和B系統測試的，不能依兩者觸變環面積絕對值的大小直接評價懸浮液觸變性的大小，但將兩者放在一起分析可以看出，鈉基膨潤土水懸浮液的觸變性隨膨潤土水懸浮液質量分數的增加而增加。

圖1 鈉基膨潤土懸浮液流變曲線圖

圖2 鈉基膨潤土懸浮液觸變曲線圖

2.2 鋰基膨潤土水懸浮液的流變及觸變性

鋰基膨潤土水懸浮液的流變及觸變曲線分別如圖3、4所示。由于鋰基膨潤土水懸浮液黏度較低，全部采用黏度計的A系統測試。鋰基膨潤土水懸浮液的流變曲線不經過原點，呈現塑性流體的基本特征。隨著鋰基膨潤土質量分數的增加，屈服值增大，同等剪切速率下的剪切應力增加，剪切應力在質量分數為11.5%～12.5%時，增加值大于在其他相鄰質量分數時的增加值。鋰基膨潤土水懸浮液均具有很小的觸變環，表現出了觸變性，質量分數為7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%的鋰基膨潤土水懸浮液形成觸變環的積分面積分別為50.71、48.17、71.28、51.43、50.40、57.55 Pa/s。鋰基膨潤土水懸浮液形成觸變環的面積很小，由于測試過程中的誤差，致使各種鋰基膨潤土水懸浮液所形成觸變環的面積和質量分數之間沒有呈現出一定的規律性，進一步

圖3 鋰基膨潤土懸浮液流變曲線圖

2.3 CMC水懸浮液的流變及觸變性

CMC水懸浮液的流變及觸變曲線分別如圖5、6所示。圖5(a)和6(a)分別采用黏度計的A系統進行測試，而圖5(b)和6(b)分別采用黏度計的B系統進行測試。CMC水懸浮液基本呈現假塑性流體的基本特征。CMC的質量分數低，質量分數對剪切應力的影響較小，隨著水懸浮液質量分數的增加，質量分數對剪切應力的影響也增加。CMC水懸浮液證明了鋰基膨潤土水懸浮液的觸變性很小，且質量分數為7.5%～12.5%時，對觸變性的影響很小。均形成了很小的觸變環，質量分數為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%的CMC水懸浮液所形成觸變環的積分面積分別為27.64、248.58、69.52、39.21、12.61、59.45 Pa/s。CMC水懸浮液形成觸變環的面積很小，由于測試過程中的誤差，致使各種CMC水懸浮液所形成觸變環的面積和質量分數之間沒有呈現出一定的規律性，也就證明了CMC水懸浮液的觸變性很小。

圖4 鋰基膨潤土懸浮液觸變曲線圖

圖5 CMC懸浮液流變曲線圖

圖6 CMC懸浮液觸變曲線圖

2.4 凹凸棒土水懸浮液的流變及觸變性

凹凸棒土水懸浮液的流變及觸變曲線分別如圖7、8所示。其中圖7(a)和8(a)分別采用黏度計的A系統測試，圖7(b)和8(b)分別采用黏度計的B系統測試。凹凸棒土水懸浮液呈現帶有一定屈服值的假塑性流體特征。隨著凹凸棒土質量分數的升高，屈服值略有增大，同等剪切速率下的剪切應力增大。在低剪切速率下，隨著剪切速率的增加，剪切應力增加迅速，隨著剪切速率的提高，剪切應力隨剪切速率的增長而增加力度降低并趨于定值。凹凸棒土水懸浮液均形成了觸變環，質量分數為8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%、13.5%、14.5%的凹凸棒土水懸浮液所形成觸變環的積分面積分別為996.3、1 005.80、1 631.96、3 157.68、520.22、528.90、674.17 Pa/s。整體呈現凹凸棒土水懸浮液的質量分數增加，觸變環面積也隨之增加，但凹凸棒土水懸浮液的剪切應力－剪切速率曲線逆時針方向形成封閉的環，而不是像一般觸變性流體形成順時針方向封閉的觸變環，有待于進一步研究。

圖7 凹凸棒土懸浮液流變曲線圖

圖8 凹凸棒土懸浮液觸變曲線圖

3 結論

通過上述研究，得到以下結論:

(1)質量分數≤10.5%的鈉基膨潤土水懸浮液基本呈現帶有屈服值的塑性流體特征，質量分數為12.5%的鈉基膨潤土水懸浮液呈現出帶有屈服值的假塑性流體特征，表現出了觸變性，且觸變性隨膨潤土水懸浮液質量分數的增加而增加。

(2)鋰基膨潤土水懸浮液呈現塑性流體的基本特征，形成了很小的觸變環，且觸變性受質量分數的影響很小。

(3)CMC水懸浮液呈現出假塑性流體的基本特征，觸變性很小。

(4)凹凸棒土水懸浮液呈現帶有一定屈服值的假塑性流體特征，均形成了觸變環，隨凹凸棒土水懸浮液質量分數增加，觸變環面積增加。但凹凸棒土水懸浮液的剪切應力－剪切速率曲線逆時針方向形成封閉的環，而不是像一般觸變性流體形成順時針方向封閉的觸變環。