中国压铸杂志

水基压铸脱模剂的研究进展

作者:admin 来源:原创 发表时间:2018-01-08
 
文:   重庆工商大学 制造装备机构设计与控制重点实验室 重庆市科学技术研究院    李 震,李 宁
 
摘 要: 水基脱模剂既有传统脱模剂的润滑性与脱模性,又兼具环保的特点,在国内有着很大的市场需求,堪称压铸行业的“工业味精”,是一种很有潜力的新型脱模剂; 但国内水基脱模剂起步较晚,技术不成熟一直是制约国产水基脱模剂发展进步的壁垒; 通过概述水基压铸脱模剂的国内研究现状及取得的重要成果,分析总结了国内自主研制的水基压铸脱模剂的性能及存在的问题,并提出了相应建议; 最后,对未来水基脱模剂的研究及发展方向进行了展望。
关键词: 水基脱模剂; 压铸; 乳化剂; 研究进展
压铸脱模剂又叫离型剂,顾名思义,是在铸件成型过程中对模具和铸件间起到一种隔离作用的辅助用剂,可以有效地防止或减少成型铸件出模时的机械损伤,从而对在改善铸件的外观品质和延长模具的使用寿命上起着不可或缺的作用。
压铸脱模剂的发展经历了漫长的过程,从最初的油基脱模发展到现如今已广泛使用的水基脱模剂,再到新兴的粉状脱模剂。脱模剂要求在使用过程中不易分解和磨损、不会黏附到铸件表面、不影响铸件的粘接、印刷、涂饰及压纹等后续加工,以保持铸件的完整性。
随着汽车行业的飞速发展以及笔记本电脑、手机等 IT 产品不断地更新升级,传统的油基脱模剂已远远不能满足压铸成型市场的需求,尤其像汽车的轻量化生产,笔记本、手机等电子产品的精密化,对铝合金、镁合金等合金压铸用脱模剂的综合性能有了更高的要求。甚至对于不同合金的压铸,需有针对性的研制出与之相匹配的水基脱模剂,来满足水基脱模剂市场的多元化。
传统的油基脱模剂含有较多的高挥点物质,涂膜厚、挥发慢,合模后及压射中还会有相当部分会继续挥发,这部分气体易被卷入压铸件形成气孔。此外,油基或溶剂基脱模剂的生产过程中,往往会加入一些具有较高表面活性的发泡剂来有效降低其表面张力,但发泡剂中含有的二氯甲烷、三氯甲烷等卤代烷在紫外线照射下分解的产物对臭氧层具有破坏作用。正因为传统的脱模剂具有影响压铸制品的质量、不环保、有害身体健康等缺点,已逐渐被水基脱模剂所取代。
水基脱模剂具有广阔的市场前景,这不仅得益于其具有易脱模、冷却效果好、不产生堆积、铸件表面质量好、内部气孔少、有利于自动化操作等优点,更是因为水基脱模剂有着环境友好的特点。相对油基或溶剂基脱模剂而言,以水作为载体的水基脱模剂,使压铸生产过程更加清洁、无毒、廉价,减少了对操作人员的危害。
1、 水基脱模剂的技术要求
性能优良的压铸水基脱模剂应具有以下特点:
( 1) 润滑和脱模效果好。
耐高温的有效成分能均匀的分散在模具的表面,形成一层具有良好润滑性和脱模性的薄膜,对于结构复杂的铸件能够起到有效的润滑和脱膜效果。
( 2) 冷却性和绝热性好。
在高温、高压下,液态金属对型腔会造成一定损害,而水基脱模剂中的水分及易挥发性物质的挥发,能有效降低模具的表面温度,从而形成一层具有隔热和保护作用的薄膜。
( 3) 化学稳定性好。
高温不会分解为有毒有害物质,不与成型物发生化学反应,且在模具和铸件表面不能形成积碳或沉积物,以免影响铸件表面质量。
( 4) 对模具和铸件无腐蚀。
( 5) 铸件内部产生气孔少。
脱模剂中挥发性气体,不能使铸件表面或内部产生气孔。
( 6) 无毒、无污染。
脱模剂中的成分必须是无毒或低毒成分,不能对生产环境和自然环境造成污染。
( 7) 有利于自动化操作。
要把握水基脱模剂的黏度及流动性,有利于在生产过程中的自动化操作。
( 8) 成型物表面光滑。
( 9) 易流展,且稀释后具有一定的稳定性。
2、 水基脱模剂的主要组成
2.1 水
水是水基脱模剂中的主要成分,作为其有效成分的载体。一般离子交换水或饮用水的含量在95%以上,切忌使用硬水。水基脱模剂水分占比大,并且在使用过程中会有几十甚至上百倍的稀释,故而对其水质要求很高。加入水的硬度会直接影响到水基脱模剂的品质,而硬度较高的水基脱模剂,其使用寿命及效用也会有很大程度上的降低。
硬水的使用情况纷繁复杂,不仅涉及其金属离子的影响,还有不同地区水质不同等区域因素,故国内外各科研机构及生产厂家多用去离子水或饮用水作为水基脱模剂的分散介质。
我国水基脱模剂的研制仍处于探索研究阶段,还未形成一定的体系,加之国内对抗硬水剂的研究亦处于起步阶段,但不排除将来会以硬水作为水基脱模剂中水分的可能。
目前,硬水应用较多者为水基金属加工液,但往往需要添加一种抗硬水剂来提高产品的耐硬水能力,这样做的目的可在规模化生产过程中降低生产成本,节约饮用水资源,但仍有诸多技术问题亟待寻求突破。
2.2 基础材料
起脱模和润滑作用的有效组分通常为油、脂、蜡、有机硅等基础材料,如动植物油脂、卵磷脂、二甲基硅油、聚乙烯蜡等。国外的有些产品中还会添加醇和胺等具有挥发性及水溶性的有机溶剂,如异丙醇等。基础材料主要包括主润滑材料和基础油,它们是水基脱模剂中各种添加剂的载体。其中,主润滑材料对产品综合性能的提升发挥着举足轻重的作用,故在选择主润滑材料时,要求其具有优异的内部及外部润滑作用,耐高温,易清洗且不影响后续的印刷、涂饰及压纹等工序。基础油是润滑剂、脱模剂及各种添加剂的主要载体,其本身也起到一定润滑作用。基础油的选择非常重要,要求高温下不可产生沉积物,并且在能有效溶解各种添加剂的基础上,还应具有表面张力小、黏度低、闪点高的特点。
低黏度的基础油有利于其在水中的分散,在高温模具的表面喷涂后可以形成一层厚度均匀的薄膜,较低的表面张力则有助于后续乳液的形成; 较高的闪点是为了保证水基脱模剂的安全储存和运输。
基础油作为水基脱模剂的基础材料,对其润滑性发挥着重要的作用。目前,国内自主研制的各水基脱模剂对基础油的选用大相径庭,如祝辉等以机械油和羊毛脂作为基础油制备的水基脱模剂,通过优化各组分间的配比,以转相乳化法在复配乳化剂的作用下得到了较好的混合。以此制得的水基脱模剂,不仅有着较好的成模性和稳定性,还解决了废旧机械油的循环利用; 黄宇剑等选用多种改性有机硅油作为基础油,他们对长烷链苯基改性有机硅油、聚醚改性硅油、羟基改性硅油 3 种进行了任意组合,通过优化最后得到了最佳配比的混合型改性硅油。
与其他基础油相比,硅油以其独特的结构而具有许多优异的性能: 耐高温耐候性好、抗氧化能力强、表面张力小、闪点高、溶解度参数低、不腐蚀模具,具有良好的喷出性和生理惰性,且能提升铸件表面的光洁度。
另外,硅油易流展到细小结构的模具表面形成致密的薄膜,且用量比较少,一次涂刷还可重复使用。目前,水基脱模剂的研究制备更多倾向于改性硅油的选用,这源于改性硅油有着其他基础油所不具备的优良特性。如为提高二甲基硅油的铺展性、对模具表面的亲和力以及与其他组分的相容性,会引入长链烷基或巯烃基进行改性等。如苏州兴业材料科技股份有限公司用改性的有机硅油作为基础油,制备了一种性能较好的水基铝合金压铸脱模剂,其中包括了长烷链苯基改性、聚醚改性和羟基改性。
硅油的改性有着很大的研发潜力和提升空间。现用到的改性硅油有长链烷基或芳基硅油、二甲基硅氧烷等。但根据目前以改性硅油为基础油研制出的水基脱模剂,仍存在着诸多缺陷,如在较高稀释比的使用中而出现漂油的现象,硅油改性方面仍有很多地方需要提升,尤其是改性硅油对乳化剂乳化发挥的积极作用上。
在基础油的选用上,国外进口优质产品中有使用硅油作为基础油的成功案例,至少对目前国内研制水基脱模剂在努力方向上是有据可循的。推测不久的将来,国内会研制出具有自主知识产权的水基脱模剂,以取代进口水基脱模剂对中国压铸行业的掣肘。
2.3 添加剂
随着压铸工业的快速发展,对压铸产品各方面的要求也随之提高,而压铸工艺的环境要求也愈加苛刻。水基脱模剂综合性能的提升少不了添加剂的加入,虽量少却能产生不可或缺的效果。优质的水基脱模剂其组成成分有十几甚至二十几种,有时添加剂微小的改变,对水基脱模剂的性能就会产生很大的影响,甚至对规模化生产的成本产生很大的变化。一种优质水基脱模剂的研制成功,需综合考虑各方因素,平衡各项指标,尤其不容忽视各原料及添加剂混合后的协同效应。
故添加剂对水基脱模剂的影响不容忽视。
单一的添加剂已无法满足当今市场多样化的需求,综合把握各添加剂的协同作用,添加剂复配的重要性已愈加显现。这就需要加入不同的添加剂以满足不同合金压铸产品的需求。不同的合金压铸用水基脱模剂中添加剂存在一定的差异。
根据现已研制成功的水基脱模剂案例,其用途可大致分为化学作用和物理作用。
在水基脱模剂中起化学作用的添加剂有防腐剂、防霉剂、防锈剂等,起物理作用的有增溶剂、分散剂、消泡剂等。吐温( 聚山梨酯) 是一种良好的增溶剂,具有很好的增溶和分散能力,国内水基脱模剂中添加吐温-20 和吐温-80居多。
另外,吐温是非离子表面活性剂,还对乳化液的乳化起到积极的作用。黄宇剑等发明专利中,用到了一种异构十醇聚氧乙烯醚,是一种很好的分散剂,同时还兼顾润滑剂和乳化剂的作用。祝辉等通过转相乳化法制备了一种水基脱模剂,加入的 OP-10( 聚氧乙烯辛基苯酚醚-10) 可有效提升乳化液在水中的分散能力,从而能够提高乳化液的HLB 值。
有时,根据制备工艺的特点亦会影响到添加剂种类以及用量,比如转相乳化过程中会产生一定量的泡沫,会加入消泡剂降低泡沫的影响。防锈剂的添加,可有效减少对铸件及模具的腐蚀作用,还可达到增溶的双重效果。防锈剂一般呈弱碱性,对乳液中呈酸性的物质还可起到中和的作用。其主要作用机理是防锈剂中存在的极性基团对金属表面有着较强的吸附作用,由此产生一层保护层,从而阻断了腐蚀物质与金属表面的接触,最后达到了防锈的效果。
卵磷脂是近几年才用于水基脱模剂的新型添加剂。它通常溶于脂肪酸或油中,单独或混合使用,可以形成一种油基混合物来作为水基脱模剂脱模的有效组分。
食品级的卵磷脂除在食品行业具有广泛益处外,在造纸、水泥、橡胶、陶瓷成型等不同工业产品中亦有广泛的应用。
国外研究表明,卵磷脂作为水基脱模剂的辅助剂,对水基脱模剂脱模性能的提高起到积极的作用,可提供脱模能力。例如,修建东等用卵磷脂作为辅助剂,制备了一种铝合金水基脱模剂,并且已获得专利,使卵磷脂在水基脱模剂应用方面取得了重要进展。卵磷脂通常与脂肪酸或油等有机溶剂混合使用,在表面活性剂的作用下,得到稳定的乳液。
3 、乳化技术
乳化技术在水基脱模剂的制备中有着重要的应用,从油基乳化到水基乳化,对乳化剂的性能要求越来越高,乳液乳化越发成为水基脱模剂制备的关键步骤,它关乎着水基脱模剂的稳定性,即产品使用寿命。
乳化技术是各科研机构及生产厂家一直以来研究的重要方向,水基脱模剂乳化效果的好坏是评价水基脱模剂产品质量优劣的重要指标。可见,在乳化技术上寻求新的突破是制备优质水基脱模剂的一个重要途径。
3.1 乳化剂的选择
在制备乳液的过程中,乳化剂的选择至关重要,而生产厂家都会考虑乳化过程的经济性,生产成本和使用效果是他们需要衡量的主要问题。水基脱模剂是水包油 O/W 型乳化体系,评价乳化剂乳化好坏时,亲水亲油平衡值,即 HLB 值是人们评价乳化剂乳化效果好坏时常用到的方法。
乳化剂是指具有乳化能力的表面活性剂,由多种较强表面活性的表面活性物质组成,用以降低液体的表面张力,增加乳液的乳化效果,乳化剂对水基脱模剂体系的稳定至关重要,有乳化、分散、增湿及增溶等功能,在搅拌的作用下,可将有机溶剂以极细致的颗粒状均匀分散并悬浮在连续的水相中,形成水包油 O/W 型稳定的乳液。
乳化剂的分子结构比较特殊,由可溶于水的离子基团和长链疏水的离子基团组成。正是由于这种双亲分子的作用,才使得互不相容的水相和油相能够均匀而稳定的混合,形成乳化效果较好的乳状液。表面活性剂还可增加有效组分在液体中分布的均匀性。水基脱模剂涂布在型腔表面后,不具挥发性的物质就会均匀的分散开来,形成一层厚度只有微米级的薄膜。
表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、两性及非离子型四类。阳离子表面活性剂在水溶液中容易发生水解反应,生成的表面活性离子带正电荷,使乳液具有一定的酸性,而偏酸性乳液的长期使用对型腔及铸件表面会造成一定的腐蚀作用。
有些表面活性剂在酸性条件下具有表面活性,而在碱性条件下会游离出来降低其表面活性,如脂肪胺盐 RN+H3•X-( X=Cl、I、CH3COO、NO3等)。
阴离子表面活性剂有显著的乳化效果,能够增加润湿性能且有助于清洗,但阴离子表面活性剂抗硬水能力差,易造成乳液粒径的增加,导致乳液凝结或结乳,如N-月桂酰基谷氨酸钠( LGS-11) 、支链烷基苯磺酸钠( LAS) 等。
3.2 乳化剂的复配
目前,乳化剂在水基脱模剂的应用上,通常分为两种情况: 一种是单一乳化剂,另一种是复配乳化剂。单一乳化剂现已很难保持水基脱模剂体系的稳定性,随着研究的深入,其缺陷也逐渐显现。为获得更加稳定的乳液,使得各种添加剂取长补短,或取得协同效应,复配乳化剂成为了水基脱模剂研究的主流方向。
乳化剂的复配一般选用两性或非离子型表面活性剂,根据不同乳化剂间的协同效应,有时为尽可能减小乳液粒径、增加乳化效果,还会加入极少量低碳连的醇( C3~ C6) 作为助表面活性剂。例如,郭迎庆等用聚氧丙烯甘油醚、月桂酸聚氧乙烯酯等非离子型表面活性剂以及低碳连的醇进行乳化剂的复配,制备了一种压铸用环保型脱模剂,并已申请专利。
非离子表面活性剂与其他离子表面活性剂相比其稳定性及安全性较高,且不易水解,故而更受青睐,另外表面活性剂的复配比单独使用显示出了更为优异的乳化效果。
4 、使用方法
金属铸造的发展具有悠久的历史,但压铸却是近年来发展起来的铸造工艺。
压铸是在高压高速环境下进行的,这使得其工艺过程环境的复杂性与其他铸造工艺相比要求苛刻了很多。在保证水基脱模剂质量的情况下,压铸对水基脱模剂的使用上也要求很高,尤其在水基脱模剂的喷涂过程,需有着严谨的操作流程和最佳的喷涂条件。
水基脱模剂在使用过程中,根据不同压铸材质要注意水基脱模剂的选择,使用前要确定水基脱模剂的最佳稀释比,以保证水基脱模剂使用过程中体系的稳定性和喷涂的均匀性。水基脱模剂的使用情况是继提升其品质之后又一不可小觑的事项。在寻求水基脱模剂技术上取得新突破的同时,通过完善工艺过程来解决产品脱模问题进而提升铸件品质,是各铸造厂家一直以来努力探索和研究的新方向。
目前,水基脱模剂的使用多为喷涂使用,这样可有效解决水基脱模剂在型腔表面涂布不均的问题,比如喷射罐装水基脱模剂,即解决产品的存储问题又可直接喷涂使用。但需注意的是,喷涂过程中喷嘴的喷射力以及型腔内的温度的控制,在最佳的喷涂条件下可使得水基脱模剂在模具表面更加均匀地分布,用以保证铸件质量。
5、 水基脱模剂的市场现状
5.1 市场需求旺盛
近年来,中国压铸行业的飞速发展,使得水基脱模剂的需求量大增。水基脱模剂是金属压铸的“工业味精”,其对压铸工业的贡献不言而喻,这就使得水基脱模剂具有广泛的应用市场。
水基脱模剂有着其他脱模剂不具备的优良特性,它是一种非常有市场需求、有前景的新型脱模剂。目前,水基脱模剂在合金压铸工业中的广泛需求和应用,尤其汽车行业的飞速发展,是水基脱模剂在开发研究中不断取得新突破的重要动力。将水取代油或溶剂作为乳液的载体,根据各产品对水基脱模剂性能要求的不同,可研制出具有针对性强、类型丰富的水基脱模剂。
水基脱模剂在铸件超薄化发展方面也有着重要意义。镁合金以其密度小、比强度大等优势,广受人们青睐。而水基脱模剂开发研究的滞后,使得镁合金超薄成型技术得不到有效利用。另外,镁合金在汽车轻量化方面也有着重要用途,如汽车发动机罩盖、变速器等,对减少油耗、提高减振性能上发挥着重要作用,但发动机罩盖及变速器构件的复杂性,对水基脱模剂的综合性能有了更高的要求。因此,如何研制出适用于镁合金超薄成型技术,且在构件复杂的情况下不影响脱模效果的水基脱模剂,已成为国内相关领域科研机构关注的重要问题。
水基脱模剂在风电行业亦有巨大的应用市场。近年来,我国风电新增装机容量快速增长,2012 年我国风电装机已经升至全球榜首,很大程度上拓展了水基脱模剂的应用市场。
5.2 自给能力不足
我国对水基脱模剂的研究起步较晚,生产技术尚不成熟,国产水基脱模剂与国外同类产品在性能上仍有较大差距。国内压铸用水基脱模剂仍依赖于国外进口及合资厂商生产。水基脱模剂的国内市场多被国外进口产品占据,尤其是中高端压铸水基脱模剂的应用市场几乎被其垄断。比较有名的国外品牌有美国的肯天、
西班牙的沛西、意大利的玛宝、日本的松村等,而我国产品做得较好的公司也多为合资企业。
进口水基脱模剂高昂的价格造成了国内压铸产品生产成本的增加,在某种程度上削弱了国内金属压铸品的竞争力。可喜的是,国内水基脱模剂正异军突起,如上海的博湃等。国产水基脱模剂因其品质与国外同类进口产品相比仍有不小差距,在质量上竞争优势不明显,这正是国产水基脱模剂多处在中低端压铸用水基脱模剂市场的“症结”,比如应用于摩托车等对铸件要求相对较低的行业。
我国要加快优质水基脱模剂的研发,国产水基脱模剂不能总是价格低廉的代名词,更需技术突破,进军高端优质水基脱模剂市场。
6、 问题及建议
6.1 问 题
虽然国内已有多家研究机构研制出了自己的水基脱模剂,初见成效,但与进口优质产品相比,仍存在不小差距,如普遍存在乳化效果不佳、产品质量不稳定、光洁度差等问题,严重制约着中国水基脱模剂行业的发展。另外,部分产品尚存在储存期短、健康与安全上无保证、以及对模具和铸件的腐蚀、易漂油等问题。
若需制造质量高、结构复杂的铸件,各铸造厂家还得选用价格较为高昂的国外进口水基脱模剂。
此外,在几十甚至上百倍的高比例稀释下,有些水基脱模剂稳定性开始下降,故乳液乳化能力还有待提高。
6.2 建 议
水基脱模剂在使用过程中,要注意涂覆均匀,低浓度的重复涂覆亦可提高其脱模能力。对水基脱模剂未来的发展建议:
( 1) 研制具有多重官能团、多种功能基的水基脱模剂,以克服单一品种的性能缺陷;
(2) 随着我国水基脱模剂生产技术的不断成熟,其应用领域及市场会越来越大,环境友好型的脱模剂将是未来发展的主流方向;
( 3) 增加对水基脱模剂研发的资金投入力度;
( 4) 加大对研发人员的培训,使生产更专业化;
( 5) 与国际标准接轨。
7、 展 望
我国俨然已是工业生产大国,汽车工业的蓬勃发展、风电行业的日益兴起等离不开压铸工艺的发展与进步,而压铸行业的发展,在很大程度上推动着水基脱模剂的进步,但同时对水基脱模剂的品质也有了更高的要求。
水基脱模剂不仅要具有良好的脱模、润滑等综合性能,还必须具有环保性。
近年来,各种国产水基脱模剂的发明专利相继出现,其国内应用市场正在日益拓宽。
虽然我国对水基脱模剂的研究仍处于起步阶段,还有很多技术问题亟待突破,但随着行业对水剂脱模剂的日益关注,我国自主研制的水基脱模剂大有取代国外产品之势。
为适应市场多样化需求,解决不同合金压铸用水基脱模剂的要求,将来水基脱模剂会在产品系列化、专业化方向深入发展。对于不同材质的合金压铸所用的水基脱模剂存在一定差异,未来一款水基脱模剂适用于多种合金压铸将是又一重要的研究方向。
基础材料的选择和乳液乳化技术的改进,将是水基脱模剂今后发展进步的主攻方向。国内各研究机构研制出的水基脱模剂在基础材料的选择上各有差异。
其中,改性硅油的应用是当前研究较为热门且业内专家较为看好的一种,并取得了重要的研究成果,为未来水基脱模剂中基础油的研究奠定了重要的基础。另外,水基脱模剂乳液的乳化效果关乎着水基脱模剂的稳定性能,这就需要研制出一种高效、稳定的乳化剂,能够保证水基脱模剂的长期储存。乳化技术的改进将是水基脱模剂未来研究的又一重点。
 
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