应用故事 | 旋转流变仪 在封箱膏（膏体）生产应用上的解决方案

应用故事 | 旋转流变仪在封箱膏（膏体）生产应用上的解决方案

前言

在金属的铸造工艺中，为了有效地防止铸型浇注时箱缝飞边、跑火，提高铸件尺寸精度，提高铸件合格率，都离不开一些铸造辅助材料的使用。封箱膏就是铸型合箱时常用的密封材料，它一般是由多元复合耐火材料（铝硅酸盐等）、无机黏结剂及填料组成的均匀黏稠油状膏体，大多呈现砖红色，具有良好的塑性，易成型，密封性好，耐火度高，应用于粘土砂、水玻璃砂、树脂砂等其他各种砂型浇注前的合箱密封如图1所示。

图1 铸造过程中的封箱工艺

那么这种封箱膏在我们流变上有什么好研究的呢？首先在流变学上，我们一直强调剪切速率的重要性，离开了剪切速率来谈流变一切都没有意义，那剪切速率在实际生产生活中就对应着我们的使用场景。市场上大部分封箱膏主要有瓶装和袋装两种如图2所示。封箱膏的应用无外乎就是从包装中的挤出、生产中的泵送、人为的涂抹抹刷。简短估算一下，假设瓶口袋口直径2cm，挤出速度10cm/s，那么大致的剪切速率按照圆形管道模型计算，剪切速率=4Q/pR3=4pR2L/pR3=4L/R=40s-1。如果开口再小一点，挤出速度再快一点，剪切速率最大也就到几百倒秒，因此对于封箱膏的流变研究来说，剪切速率我们控制在1000s-1以下即可。

图2 市售瓶装（左）和袋装（右）封箱膏

确定了剪切速率，那么我们根据这些应用场景能进行那些流变项目的测试呢？归纳目前市面上的一些封箱膏厂家的些技术要求，还是有很多要求和我们流变紧密相连的：

1、 封箱膏黏度标准：易挤出（屈服应力），涂抹时均匀流畅，连贯的挤出，并且无块状物，挤出后不软榻变形（触变性，流动性）。

2、 ﹣10℃不冻结，冬季不硬结（温度扫描，低温下流动性），挤压口不封皮。

3、 泵送性能良好，泵送压力不太高（屈服应力）。

4、 其他技术要求：封箱膏的耐火度≥1700℃；包装密封严实，剪口挤膏时，除出料口外包装的其他部位都不得破裂溢膏；封箱膏挤出后，2小时内表面不干，晾干后无裂纹；常温下保质期24个月；封箱效果显著。

那么下面就根据一个具体的例子来看看流变的测试结果如何与封箱膏的泵送行为联系起来。

测试案例

某款封箱膏外观类似比较湿润的泥土如图3（左）所示，在光滑平板上会发生严重的打滑，黏度整体比较大，夹具最终选用20mm刻槽平板如图3（右）所示，在25oC下进行剪切速率扫描（流动曲线）和剪切应力扫描（屈服应力）。

图3 封箱膏外观及测试所用转子

结果分析

流动曲线测试范围0.1-1000s-1。从流动曲线（剪切速率扫描）如图4所示结果来看，封箱膏整体上呈现出剪切变稀的特性，没有零剪切平台，属于带有屈服应力的流体，对两个样品进行重复性验证，曲线重合，重复性优异。在模拟挤出泵送的中剪切速率下10-1000s-1，流动曲线基本重合，两个产品的黏度相似。

但在模拟静置的低剪切速率0.1s-1下，显然2#的黏度（12940Pa·s）要大于1#（9662Pa·s），可能具有更大的屈服应力。因此在正常使用过程中的挤出等中高速剪切下，在使用体验上并不会有什么区别，但是较大的静置黏度可以适当提高膏体抗软榻的能力，同时也会导致屈服应力增加，泵送启动压强会增加。

图4 剪切速率扫描（流动曲线）测试结果

屈服应力就是使材料发生流动所需的临界应力如示意图5所示。低于此应力，材料仅发生弹性变形；高于此应力，材料开始发生流动。常见于一些高颗粒物含量的体系。

图5 材料发生屈服示意图

获得屈服应力的方式有很多，首先我们可以对上面的流动曲线进行模型拟合，得到一个拟合的预估屈服应力值。这里我们对上面的流动曲线进行Herschel-Bulkley模型拟合，拟合结果如图6所示，2#样的屈服应力(1040Pa)大于1#(840Pa)，2#泵送时可能需要更大的启动压强。

图6 流动曲线Herschel-Bulkley模型拟合结果

屈服应力也可以直接测出，对样品施加一个线性增加的应力，就可以直接从图中读取屈服应力值如图7所示，屈服应力测试剪切应力扫描范围0-2000Pa，扫描时间1min40s。从图上可以看出，该样品重复性优异，1#屈服应力840Pa，2#1050Pa，和前面从流动曲线上通过H-B模型拟合的结果一致。

图7 剪切应力扫描（屈服应力）测试结果

有了屈服应力，我们就可以对泵送压强进行一些预估，按照理想的平躺管道（15m长，φ150mm）简单估算如图8所示，1#样约需要0.34Mpa的启动压强， 2#样约需要约0.42Mpa的启动压强。当然实际情况肯定比这种理想的平躺管道复杂的多，纯粹地通过数学计算是非常困难的。

图8 屈服应力

虽然说实际的情况不可能像上面提到的单一平躺理想管道，会有倾斜角度，管道弯折等等，但这些硬件的设施条件是固定不变的，因此泵送压强或者电流（很多泵送设备会以电流值来显示，P µ I ）实际上就是材料属性的函数P=f(材料属性)，那在我们封箱膏的泵送上，流量一定，材料的密度基本一定，能够影响到它在管道中流动的只有黏度和屈服应力了，而一旦膏体正常开始流动达到中速剪切速率，就已经可以忽视黏度对它的影响了，因此我们可以适当简化，把泵送压力理解成一个仅仅和屈服应力有关的函数P=f(σ0)，那么在实际中我们就可以测试一系列不同的屈服应力值的样品及其在一定流速下的泵送压强，得到屈服应力和泵送压强（包括启动泵送压强、正常工作泵送压强等）的检量线如图9所示（具体检量线呈现何种数学关系就和实际管道设置情况有关了），在以后的生产或配方设计时，就可以通过简单快速测试屈服应力来快速判断产品的泵送情况。

图9 泵送压强/电流Vs屈服应力检量线

流变的测试更多的是用来提供综合问题解决方案的，不像其他一些测试分析可能就是需要材料的某一个固有属性。我们需要带着目的去进行流变测试，我想要解决什么样的问题，这个问题是不是与我材料的流动与变形有关？是！那么我用什么样的测试方法能够模拟我材料的应用过程呢？确定了测试方法测试条件，得到这个数据怎么和我的现实条件能联系起来指导我的应用呢？如果大家都能够带着明确的目的指向性，就一定能更加高效地利用我们的流变仪了。

作者：杨阳

耐驰仪器公司应用实验室

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