Research on multi-component sodium silicate coated sand with both moisture resistance and collapsibility
本研究表明，通过使用羟乙基纤维素、桐油和 KH550 硅烷偶联剂对硅酸钠粘结剂进行改性，可以有效克服其传统局限性，显著增强其耐水性和抗坍塌性，从而为特定的工业环境提供一种定制化且环保的有机树脂系统替代方案。
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在制造业领域，制造金属零件通常始于一个由沙子制成的模具。为了在熔融金属的灼热高温下保持形状，这些沙子必须被粘合在一起。几十年来，该行业一直依赖一种由酚醛树脂（一种塑料）制成的胶水。虽然这种材料很有效，但在受热时会释放出有毒烟雾，给工人带来健康风险，并产生难以处理的有毒废物。科学家们长期以来一直在寻找一种更清洁的替代品：硅酸钠，这是一种由沙子和纯碱制成的水基玻璃。它无毒，且留下的残余物无害。然而，这种环保胶水有两个主要缺陷，使其无法取代有毒的塑料。首先，它像海绵一样吸收空气中的水分，导致沙模在投入使用前就发生崩塌。其次，一旦金属冷却，这种类玻璃的胶水会变得非常坚硬且脆，导致其无法从成品中脱离，需要工人花费数小时进行凿除。
四川大学的研究人员开发了一种通过将硅酸钠与三种特定添加剂混合来解决这些问题的新方法，从而创造出一种既能抗湿度又能在加热后轻易分解的沙子。该团队将玻璃胶与羟乙基纤维素（一种源自植物的增稠剂）、桐油（一种源自种子的干燥油）以及硅烷偶联剂（一种帮助有机与无机材料粘合在一起的化学桥梁）结合在一起。通过仔细调整每种成分的用量，他们创造出了一种既能在潮湿储存环境下保持强度，又能在铸造过程完成后分解为松散沙子的粘合剂。
科学家们通过涂覆沙粒并进行高温烘烤来模拟铸造过程，以此测试他们的混合物。他们测量了沙子在成型后立即的强度，以及在潮湿空气中放置一天后的强度。他们还检查了硬化的沙子在加热后被摇晃散开的难易程度。结果显示，通过正确的成分组合，可以生产出初始强度为1.66兆帕（一种衡量其在压力下保持结合能力的度量）的沙模。更重要的是，该混合物在65%的湿度下放置24小时后仍能保持显著的强度，证明了它能够抵御通常会破坏此类模具的水分。
成功的关键在于这三种添加剂如何协同工作。植物基纤维素在沙粒周围形成一层连续的薄膜，充当物理屏蔽层，阻止水分接触玻璃胶。桐油则与玻璃发生反应，使其更具抗水性。同时，偶联剂在化学上将有机薄膜与无机沙粒连接起来，确保整个结构保持完整。当模具被加热到400摄氏度时，有机成分会被烧掉，留下一个多孔且脆弱的结构，从而轻易碎裂。这使得沙子能够以极小的努力从金属零件上脱落，解决了清理困难的问题。
研究人员发现，完美的配方会根据环境而变化。在非常潮湿的条件下，需要更高含量的植物基成膜剂来阻挡水分，同时减少化学桥梁的用量以防止结构变得过于僵硬。在较干燥的条件下，平衡点会发生偏移，需要更多的化学桥梁来加强结合。这种灵活性意味着铸造厂现在可以根据其特定的当地气候和储存条件来定制沙子混合物。该研究证实，制造一种既足够坚固以应对储存、又足够脆弱以在需要时坍塌的沙子粘合剂是可行的，这为金属铸造业提供了一条切实可行的无毒发展路径。
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