聚乙烯醇纖維增強水溶性型芯的制備與性能

潘文軒 玄偉東 段方苗 白小龍 任興孚 任忠鳴

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2.中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司，北京 100061）

隨著我國航空航天和汽車工業的發展，熔模精密鑄件的應用越來越廣泛，對其尺寸精度和結構復雜化的要求也越來越高［1］。目前，在汽車及航空發動機等精密鑄件中常設計有許多數量不等、無法采用機加工成形的復雜孔和內腔，其中一些直徑較小的孔可通過鑄件內部制備的陶瓷型芯，在鑄件冷卻后直接將其從鑄件內部清除的方法來成形，而那些形狀特別復雜或不允許有拔模斜度的內腔則難以成形［2-4］。為此，研究者開發了多種水溶性型芯來成形鑄件的復雜內腔結構，根據型芯基體材料和黏結劑的不同，主要分為水溶性有機型芯、水溶性砂芯、水溶性鹽芯和水溶性陶瓷型芯［5-8］。

其中，以水溶性高分子材料聚乙二醇為黏結劑制備的型芯，因具有成形性好、表面光潔度高、易脫除等優點而被廣泛應用于熔模精密鑄造。然而由于聚乙二醇芯強度不高，在蠟模壓制過程中表面受到較大沖擊壓力容易發生斷裂，因此通常加入一定量的增強材料以改善其力學性能［9-10］。

目前，常用的增強材料有纖維（碳纖維）、晶須（陶瓷晶須）和顆粒（SiC）材料等［11］。研究發現，聚乙烯醇（PVA）纖維是一種力學性能優良的有機增強材料，具有良好的抗裂性和韌性、機械強度高、分散性好等優點，在增強復合材料強度，改善其塑韌性等方面具有廣闊的應用前景，且尚未有針對PVA纖維與其他材料復合應用于水溶性型芯的相關研究［12-14］。因此，針對水溶性型芯力學強度低、脆性大、易斷裂等問題，本文以具有良好水溶性的聚乙二醇作為黏結劑，云母粉、NaHCO3為填料，聚乙烯醇（PVA）纖維為增強材料，利用熱壓注法制備水溶性型芯，研究了PVA纖維添加量對聚乙二醇基水溶性型芯性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 材料制備

試驗用原材料分別為聚乙二醇（江蘇海安石油化工廠，PEG-4000）、云母粉（河北高邑利和化工有限公司，45 μm）、NaHCO3、聚乙烯醇（PVA）纖維（渾源駿宏新材料有限公司）。水溶性型芯的成分如表1所示。

采用熱壓注方法制備水溶性型芯試樣。先將聚乙二醇放入HZ-3S型漿料攪拌器中加熱至78℃完全熔化，然后將均勻混合的填料和PVA纖維分批加入漿料中攪拌并抽真空，攪拌5 h后，將漿料倒入射蠟機，利用熱壓注成形的方法壓制水溶芯試樣，壓注溫度為70℃，注射壓力為0.4 MPa，保壓時間為40 s，模具尺寸為40 mm×10 mm×4 mm。對壓制好的素坯進行修邊、去毛刺處理。

1.2 性能表征

根據HB 5353.2—2004《熔模鑄造陶瓷型芯性能試驗方法第2部分：燒成收縮率的測定》，采用WDW-300型微機控制電子萬能試驗機測試抗彎強度，跨距為30 mm，加載速率為0.5 mm/min。每組8個試樣，試驗結果去掉最大值和最小值后取平均值。常壓下，將試樣完全浸入室溫水中，靜置后觀察試樣的水溶潰散情況及完全潰散所需的時間，并拍照記錄。每組試驗結果取3個試樣的平均值。在恒溫恒濕環境下，采用精密電子天平測量試樣吸濕前后的質量，計算其吸濕率，吸濕率＝（吸濕后質量－吸濕前質量）/吸濕前質量。每組試驗結果取3個試樣的平均值。利用SU-1500型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察試樣的斷口形貌與顯微組織，測試電壓為15 kV，觀測前試樣斷面進行噴金處理。

2 試驗結果與分析

2.1 PVA纖維含量對水溶性型芯抗彎強度的影響

圖1為不同PVA纖維添加量型芯試樣的抗彎強度。由圖1可知，隨著PVA纖維含量的增加，型芯試樣的抗彎強度先升高后降低，當纖維質量分數為1.0%時，試樣的抗彎強度最高為17.01 MPa。不同PVA纖維添加量試樣的斷口SEM形貌如圖2所示。由圖2（a）可知，未添加纖維的試樣斷口沒有明顯孔洞，層片狀的云母粉與聚乙二醇黏結在一起；從圖2（b，c）可以看出，隨著PVA 纖維添加量的增加，試樣斷口孔洞明顯增多。通常，PVA纖維的添加會導致孔洞的數量和尺寸增加，這些孔洞容易導致裂紋的萌生和擴展（圖2（c）），從而降低試樣的抗彎強度。但試樣的抗彎強度隨著纖維含量的增加而逐漸升高，這是因為PVA纖維與聚乙二醇都是高分子有機材料，纖維與基體具有較好的相容性，纖維穿插于基體之中，起到了一定的增強作用；并且PVA纖維和水溶性型芯基體之間存在一些界面，這些界面導致裂紋偏轉并延長斷裂路徑，從而提高了材料的抗彎強度；此外，在型芯斷裂過程中會發生纖維拔出效應消耗更多的斷裂能，從而有利于型芯抗彎強度的提高。然而，隨著纖維含量的進一步增加，一方面纖維分散不均勻，容易發生纖維搭接團聚現象，這不利于纖維與基體的充分結合，將削弱纖維的橋聯作用［13］；另一方面由于纖維的含量過高導致云母粉與聚乙二醇之間的結合力減弱，從而惡化型芯的力學性能，使型芯的抗彎強度降低。

圖1 不同PVA纖維添加量型芯試樣的抗彎強度Fig.1 Flexural strength of the core specimens with different amounts of PVA fiber

圖2 不同PVA纖維添加量型芯試樣的斷口形貌Fig.2 Fracture patterns of the core specimens with different amounts of PVA fiber

2.2 PVA纖維含量對水溶性型芯水溶速率的影響

聚乙二醇的水溶過程主要分為兩步：首先，水分子通過擴散和毛細作用接觸并滲入水溶性黏結劑內部，聚乙二醇吸水膨脹；其次，由于聚乙二醇膨脹致使分子間作用力減弱而被分散在水中開始溶解［15］。在實際生產中，為了節約時間，一般會加入一定濃度的HCl或檸檬酸來提高水溶潰散速率，本文將尺寸為20 mm×10 mm×4 mm的4個水溶性型芯試樣分別置于靜止的純水中溶解5、10、15、20 min，溶解過程如圖3 所示。從圖3可以看出，水溶時間相同，添加PVA纖維試樣的水溶潰散性明顯優于不含纖維的試樣，并且隨著水溶時間的延長，試樣向四周潰散的程度逐漸增大，說明PVA纖維加速了水溶性型芯的潰散。其中，纖維質量分數為0.5%試樣的潰散現象最明顯且潰散程度最大。此外，為了定量分析PVA纖維含量對水溶性型芯試樣水溶速率的影響，計算各試樣的初始質量與完全溶解所需時間，結果如圖4所示。可見隨著纖維含量的增加，水溶速率先增大后減小，當PVA纖維質量分數為0.5%時，水溶速率最大，為1.52×10－3g/s。

圖3 不同PVA纖維添加量型芯試樣的水溶潰散圖Fig.3 Water dissolution collapse diagrams of the core specimens with different amounts of PVA fiber

圖4 不同PVA纖維添加量型芯試樣的水溶速率Fig.4 Water soluble rate of the core specimens with different amounts of PVA fiber

為了進一步探究試樣的水溶潰散機制，觀察水溶后試樣的SEM形貌，如圖5所示。從圖5（a）可以看出，試樣表面有很多細小的孔洞，并且在水溶過程中，層片狀的云母粉與已潰散的糊狀漿料結合在一起，試樣表面浸蝕產生了一定數量的凹坑，這些凹坑加速了水分子的滲透。通常纖維的作用是為水分子提供快速通道，水分子更容易沿纖維路徑擴散滲透。但是隨著試樣的潰散，穿插在基體中的纖維和云母粉與已潰散的糊狀漿料附著在一起形成了阻礙層，阻礙了水分子的進一步滲透，導致試樣的水溶速率下降（圖5（c，d））［10］。因此，PVA纖維的添加量不宜過高。

圖5 不同PVA纖維添加量試樣水溶后的表面微觀形貌Fig.5 Surface morphologies of the core specimens with different amounts of PVA fiber after dissolving into water

2.3 PVA纖維含量對水溶性型芯抗吸濕性的影響

水溶性型芯原料中含有吸濕性較強的NaHCO3，型芯壓制后若沒有干燥的儲存條件，會出現吸濕現象。為了探究水溶性型芯的抗吸濕性能，將不同PVA纖維添加量的試樣在恒溫恒濕環境中分別放置5、15、30和60 d后，稱量其質量，結果如圖6所示。可以看出，隨著在空氣中暴露時間的延長，型芯吸收空氣中水分的質量越大，30 d后型芯質量增加趨勢減緩，最終達到濕度飽和點，試樣的累積相對吸濕量達到最大。此外，放置時間相同，PVA纖維含量越高型芯的抗吸濕性越強。分析認為，水溶性型芯的初始吸附主要是由于NaHCO3的水合作用，生成十水合碳酸氫鈉，而作為增強材料的PVA纖維只能通過毛細作用吸濕，影響較小。當NaHCO3吸濕飽和時，型芯會發生一定潮解，但由于PVA纖維穿插在型芯基體中，使得纖維與基體之間的結合較為致密，對型芯結構的破壞有一定的阻滯作用。因此，型芯中纖維的網狀結構不易斷開，型芯的吸潮面積也較小，抗吸濕性提高。

圖6 不同PVA纖維添加量試樣的吸濕率Fig.6 Hygroscopicity of the core specimens with different amounts of PVA fiber

3 結論

（1）PVA纖維顯著提高了水溶性型芯的抗彎強度。隨著纖維含量的增加，型芯的抗彎強度先升高后降低，當纖維質量分數為1.0%時，纖維的橋接作用最明顯，型芯的抗彎強度達到17.01MPa；若纖維含量過高，纖維不均勻分布會產生部分團聚，顯著降低型芯的力學性能。

（2）PVA纖維在一定程度上可提高型芯的水溶速率。當纖維質量分數為0.5%時，型芯的水溶潰散性最佳；當纖維質量分數超過1.0%時，纖維與基體之間潰散的糊狀漿料附著在一起形成了阻礙層，阻礙型芯的潰散。

（3）PVA纖維降低了型芯的吸濕性，因此添加PVA纖維的水溶性型芯的抗吸濕性優于未添加纖維的型芯，且隨著PVA纖維含量的增加，型芯的抗吸濕性提高。