Research on multi-component sodium silicate coated sand with both moisture resistance and collapsibility
本研究は、ケイ酸ナトリウム結合剤をヒドロキシエチルセルロース、桐油、およびKH550シランカップリング剤で修飾することが、耐水性と崩壊性を大幅に向上させることで従来の限界を効果的に克服し、特定の産業環境において有機樹脂システムに代わる、カスタマイズされた環境に優しい選択肢を提供することを実証している。
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製造の世界において、金属部品の製作は、多くの場合、砂で作られた型から始まります。溶融金属の猛烈な熱に耐えて形状を維持するために、この砂は接着剤で固められなければなりません。数十年にわたり、業界はプラスチックの一種であるフェノール樹脂製の接着剤に頼ってきました。この材料は効果的ではあるものの、加熱されると毒性のあるガスを放出するため、作業員に健康リスクをもたらし、処分が困難な有害廃棄物を生み出します。科学者たちは、よりクリーンな代替品として、砂とソーダ灰から派生した水ベースのガラスであるケイ酸ナトリウムを長年求めてきました。これは無毒であり、無害な残留物しか残しません。しかし、この環境に優しい接着剤には、毒性のあるプラスチックに取って代わることを阻んできた2つの大きな欠点があります。第一に、それはスポンジのように空気中の水分を吸収するため、使用される前に砂の型が崩れてしまいます。第二に、一度金属が冷えると、ガラスのような接着剤があまりにも硬く脆くなるため、完成した部品から離れようとせず、作業員がそれを削り落とすために何時間も費やすことになります。
四川大学の研究者たちは、ケイ酸ナトリウムに3つの特定の添加剤を混合することで、湿度に強く耐えつつも、加熱されると容易に崩壊する砂を作り出すという、これらの問題を解決する新しい方法を開発しました。研究チームは、植物由来の増粘剤であるヒドロキシエチルセルロース、種子から採れる乾燥油である桐油、そして有機物と無機物を結びつける化学的な架け橋となるシランカップリング剤を、このガラス状の接着剤と組み合わせました。各成分の量を慎重に調整することで、彼らは湿度の高い環境下での保管でも強度を失わずに耐えうる一方で、鋳造プロセスが完了した後はバラバラの砂へと分解されるバインダーを作り出したのです。
科学者たちは、砂の粒子をコーティングし、鋳造プロセスを模して高温で焼き付けることで、この混合物のテストを行いました。彼らは、成形直後の砂の強さと、湿った空気の中に1日間置いた後の強さをそれぞれ測定しました。また、硬化した砂が加熱後にどれほど簡単に振り分けられるかも確認しました。その結果、適切な成分の組み合わせによって、圧力に対する保持能力の尺度である1.66メガパスカルの初期強度を持つ砂の型を作れることが示されました。さらに重要なことに、この混合物は湿度65パーセントの環境に24時間置かれた後でもかなりの強度を維持しており、従来の型を破壊してしまう水分に耐えられることが証明されました。
この成功の鍵は、これら3つの添加剤がどのように連携して作用するかという点にあります。植物ベースのセルロースは、砂の粒子の周囲に連続的な膜を形成し、ガラス状の接着剤に水が到達するのを防ぐ物理的なシールドとして機能します。桐油はガラスと反応して耐水性を高めます。一方、カップリング剤は有機膜と無機物の砂を化学的に連結し、構造全体が維持されるようにします。型が摂氏400度に加熱されると、有機成分が燃え尽きて、多孔質で脆弱な構造が残り、容易に崩れます。これにより、最小限の手間で砂を金属部品から落とすことが可能になり、困難な後処理の問題が解決されます。
研究者たちは、完璧なレシピは環境に応じて変化することを発見しました。非常に湿度の高い条件下では、水を遮断するために植物ベースの膜形成剤をより多く必要とし、一方で構造が硬くなりすぎるのを防ぐために化学的な架け橋の量を減らす必要があります。乾燥した条件下ではバランスが変わり、結合を強めるために化学的な架け橋をより多く必要とします。この柔軟性により、鋳造所は地域の気候や保管条件に合わせて砂の混合物を調整できるようになります。この研究は、保管に耐えうる強靭さと、必要な時に崩壊する弱さの両方を兼ね備えた砂のバインダーを持つことが可能であることを裏付けており、金属鋳造業界に向けた、実行可能な無毒の道筋を提示しています。
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