熔模铸造的铸件尺寸精度高、表面质量好，特别适合于生产内腔结构复杂、用机械加工工艺几乎无法形成的铸件，在铸件生产中应用广泛^[1]。水玻璃型壳生产工艺简单、制壳环境好、成本低，目前仍是熔模铸造生产广泛采用的主要工艺之一。但水玻璃型壳的型壳常温强度低，且易变形，无法实现单壳浇注。为提高型壳强度，多层复合型壳是目前常用的生产工艺，一般型壳需要涂挂5～7层耐火粉料才能满足要求。但过厚的型壳厚度又会带来一系列新的问题，诸如透气性差、冷却强度低，残留强度大、浇注后铸件清理困难、清理成本高、大量的废弃型壳难以回用、环保压力大等。因此，开发一种具有高强度、薄壁的型壳制备技术，不仅可以减少固体废弃物的排放所带来的严重环境污染，而且有利于铸件内部质量的提高。近年来发展起来的纤维增强混凝土技术为高强水玻璃制壳开发提供了一条极有价值的思路。传统的混凝土采用纤维增强后，其劈拉强度，抗压强度，防爆裂性能以及抗渗性能均得到显著提高^[2-4]。随着这一技术不断发展，更多的纤维被用于混凝土的增强^{[5, 6]}。此外，采用玻璃纤维增强聚丙烯复合材料也得到应用^[7]。受这一思路的启发，采用玻璃纤维来增强水玻璃型壳或许也能有效提高型壳的性能。而在制壳涂料中直接混入玻璃纤维的工艺无疑是最简单的且应首选的一种工艺。但作为增强相的玻璃纤维加入到涂料中，无疑会对涂料的流变性产生影响，这一点已引起许多研究者的重视^[8－14]。王钊等^[15]研究表明，在熔模铸造中，型壳用涂料的流变性会影响到涂料的涂挂难易程度与涂挂厚度、涂料层厚度的均匀性、涂料复制熔模轮廓的能力、撒砂砂粒在涂料中的穿透深度、型壳各层间的结合、铸件清理工作的难易程度等。因此，了解和掌握制壳用涂料流变特性的影响就显得尤为重要。

本工作采用短切玻璃纤维为水玻璃型壳的增强相，将占耐火粉料质量分数0%~0.5%短切玻璃纤维加入到制壳涂料中，制备出纤维增强型壳制壳用涂料。研究玻璃纤维加入量对水玻璃型壳制壳用涂料流变性的影响规律，以便深入了解和掌握含玻璃纤维的水玻璃精铸涂料的流变特性，为实现对涂料质量的有效调控以及该技术的工业化应用奠定理论与技术基础。

1 实验材料与方法

涂料制备用耐火粉料为200目石英粉，以模数为3.0、密度为1.3g·cm^-3的水玻璃为黏结剂，水为载液。涂料的粉液比为1∶1。配制涂料时，所用短切玻璃纤维的尺寸为8.2μm×3.0mm，加入量为0%~0.5%。涂料组成如表 1所示。

涂料混制时，先将纤维与耐火粉料干混均匀，然后逐渐加入水玻璃混成膏状，再加入载液混制120min后，待用。涂料混合、搅拌采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机。用RS323OLS型流变仪测试涂料的流变性。

对于非牛顿流体，由于高剪切速率下涂料黏度值测定的分辨率比低剪速率区更高。以150s^-1剪切速率下涂料的表观黏度值作为高剪黏度值，并以此来对涂料的流变性差异进行评价。

涂料的触变性可以用触变环面积大小来衡量。触变环面积越大，表示涂料的触变性越大。本工作以涂料在剪切速率从0s^-1连续增加到150s^-1，再从150s^-1减小到0s^-1时，其剪切应力值随剪切速率的变化，绘制出剪切应力-剪切速率封闭曲线即为触变环。利用R/S流变仪的数据处理功能计算触变环面积，以此作为评价涂料触变性的指标。

涂料屈服值是指使涂料开始流动所必须达到的最小剪切应力值。以剪切应力从0Pa线性增加到20Pa时，剪切应力-剪切速率曲线中的第一个非零的剪切速率值所对应的剪切应力值作为涂料的屈服值。为了减少实验误差，将每种涂料测试3次，取平均值为测试值。测试时，采样周期为40s，步长为4s。

涂料悬浮性采用相对高度沉降法表征。将待测涂料静置24h后，根据JB/T9226－1999进行测试。

2 结果与分析 2.1 水玻璃精铸涂料流变性能 2.1.1 水玻璃精铸涂料表观黏度

黏度是流体黏滞性的一种量度，它反映了流体内部摩擦力的大小。对于牛顿流体，在温度及压力不变的条件下，其黏度值恒定。而对于非牛顿流体，其黏度随着剪切率或时间的变化而改变，因此常用表观黏度来表征其黏滞力的大小。所谓表观黏度是指在一定速度梯度下，相应的剪切应力与剪切速率之比值。它是表征流体流动性的一个指标。真实黏度是不可逆的黏性流动的一部分，而表观黏度还包括了可逆的高弹性变形那一部分，所以表观黏度一般小于真实黏度。铸造用涂料均属于非牛顿流体，故采用表观黏度值来表征其黏滞性。

图 1为不同短切玻璃纤维加入量时6种涂料的表观黏度随剪切速率变化曲线。可以看出，相同剪切速率的条件下，加入玻璃纤维的5组涂料的表观黏度值高于不加纤维涂料的。在剪切速率约为5s^-1时，加入玻璃纤维的5组涂料的表观黏度值均有一个突增的变化。短切玻璃纤维加入量从0.1%增加到0.5%时，与未加入玻璃纤维涂料相比，表观黏度值分别增加了9.1%，17.5%，44.1%，29.4%，16.8%。加入到涂料中的短切玻璃纤维在剪切力作用下作圆周运动，纤维的轴向与剪切力方向一致，纤维间发生交织、搭牵现象，形成纤维网络结构，将涂料内部的粒子束缚在网络骨架里。而随着短切纤维的增多，涂料内部所形成的网络结构的致密度增高。涂料中的粒子进入纤维骨架，整个涂料几乎为一个完整的网络结构。在起初受到剪切作用时，涂料内部就此产生很大的流体流动阻力，涂料的表观黏度值也就由此而增大。

由图 1可知，6种涂料表观黏度随着剪切速率的增大而不断变小，且变化规律相似，均具有剪切稀释的性能。当剪切速率增至约45s^-1时，每组涂料的表观黏度均下降明显。与剪切速率约5s^-1时相比，玻璃纤维加入量为0%~0.5%的涂料分别下降了19.2%，20.6%，19.8%，24.8%，23.6%，22.9%，降幅最大的是加入量为0.3%时的涂料。而相同剪切速率条件下，含0.3%纤维的涂料表观黏度值均高于其他涂料。这是由于纤维加入量为0.3%时，涂料中的纤维分布较均匀，形成的初始网络结构牢固且致密，表观黏度大；纤维加入量过低时，涂料中形成的网络结构数量少；涂料中纤维加入量过高时，容易缠绕，出现结团现象，这样导致纤维的加入对涂料黏度的影响有限。此外，剪切速率增大时，纤维大网络结构遭到破坏，分散成若干小网络结构，再到单根纤维，其网状结构遭破坏最为严重。因此，流动阻滞力迅速减小，黏度大幅下降，涂料具有良好的剪切稀释性能。当剪切速率继续增加时，各组涂料的表观黏度值趋于恒定。这是因为在较高的剪切速率条件下，原来搭接、交织以及结团的玻璃纤维几乎全部呈单丝状，纤维对涂料黏度的影响作用减小。剪切速率继续增加至约150s^-1的过程中，涂料的宏观表现为表观黏度趋于恒定值。

由于玻璃纤维加入量和分散情况不同，其对涂料表观黏度的增强作用有所不同。随着玻璃纤维加入量的增多，相同的剪切速率条件下，涂料表观黏度值呈现先增大后又减小的趋势。当纤维加入量超过0.3%时，剪切速率相同的条件下，涂料表观黏度反而下降。当剪切速率为5s^-1时，纤维加入量为0.4%和0.5%的涂料与0.3%的表观黏度相比，分别下降了10.2%，19.0%。这是由于纤维加入量增多，在剪切应力作用下，涂料中的纤维相互碰撞的几率增大，偏聚、缠绕成团的概率增大，自由水分子挣脱束缚，涂料内溶剂增多，流动阻滞力减小，黏度反而降低。

2.1.2 水玻璃精铸涂料高剪黏度

图 2为水玻璃涂料在150s^-1剪切速率下的高剪黏度值随玻璃纤维加入量的变化。可以看出，玻璃纤维的加入使得水玻璃涂料的高剪黏度值先增加后减小。当玻璃纤维加入量为0.3%时，涂料的高剪黏度值达到最大，约为102.6×10^-3Pa·s，与不含纤维的涂料相比，增大约31.9%。

加入到涂料中的短切玻璃纤维交织、搭牵形成网络结构的同时会产生微量弹性弯曲，导致内聚力变大^[15]，宏观表现为黏度值增大。而在高剪切速率作用下，涂料内部的网络结构会遭到破坏，削弱了纤维对涂料黏度的影响。但涂料内部还是会有纤维单丝交织成网，起到增强作用。因而含玻璃纤维涂料的高剪黏度值仍高于不含玻璃纤维的涂料。

2.1.3 水玻璃精铸涂料触变性

触变性是涂料的一个非常重要的参数，直接关系着涂料贮存稳定性、工作性能及涂层厚度。涂料的沉降和分离、流动性差、流挂等缺陷均与涂料的触变性紧密相关。

图 3为涂料的剪切应力随剪切速率的变化图。由图 3曲线计算得到涂料的触变环面积如表 2所示。从表 2可以看出，随着玻璃纤维加入量的增加，涂料的触变环面积呈现先增大后减小的趋势。纤维加入量为0.3%时，涂料的触变环面积达到最大，为11.8Pa·s^-1。究其原因，当涂料受到逐渐增大的剪切作用时，已形成的网状骨架很容易遭到破坏；而当剪切作用逐渐减小直至消失时，纤维之间的网络骨架又会依靠布朗运动而重新构成。正是由于骨架结构的破坏速率远大于重构的速率就使得涂料具有一定的触变性能。由于玻璃纤维加入量和分散情况的不同，涂料黏度值随剪切速率的变化规律也会不同，进而对涂料的触变性产生不同的影响。纤维加入量为0.3%时，涂料内形成的骨架结构最多，其遭到破坏的速率以及重构的速率差距最大，从而使得涂料更能满足熔模制壳用涂料的要求。纤维加入量低于0.3%时，骨架结构的节点少，涂料抗剪切破坏能力弱；但纤维加入量过高时，纤维在涂料混制过程中又易结团、缠绕，涂料内形成的骨架结构减少，导致涂料的抗剪切破坏能力低。因此，纤维加入量过低或过高，均可使涂料的触变环面积减小，触变性难以达到熔模制壳用涂料的要求。

2.1.4 水玻璃精铸涂料屈服值

涂料的屈服值是保证涂料具有良好的工作性能的基础。具有一定屈服值的涂料，在制壳时的施涂过程中，可以避免涂料在自重力的作用下，在型壳的垂直壁面上流淌，也即涂料具有好的抗流淌性。表 3是涂料的屈服值随纤维加入量的变化。可以看出，涂料中加入纤维后，其屈服值并没有变化，均为0.7Pa。这说明玻璃纤维的加入对涂料屈服值无明显影响。

根据上述分析可以发现，加入0.3%玻璃纤维的涂料有较高的表观黏度，高剪黏度以及较好的剪切稀释性能及良好的触变性。

2.2 水玻璃精铸涂料悬浮性能

悬浮性是涂料的重要的工作性能，是涂料流变性的重要参数。表 4所示为涂料悬浮性测试结果。可知玻璃纤维的加入对涂料悬浮性无明显影响。涂料的悬浮性主要取决于分散相(耐火粉料)的粒度、形态及分散介质的胶体特性。分散介质中能促进复杂网络结构形成的物质越多，分散相(耐火粉料)的粒度越小，涂料的悬浮性就越好。涂料中加入纤维后，虽然纤维之间能形成一定的网络骨架，但相比于涂料中原有的复杂网络结构来说，其所占比例仍然很小，因而对涂料的悬浮率影响很微弱。因此，要从根本上改善涂料的悬浮性能，必须在涂料中加入适量悬浮剂、减小耐火粉料的粒度涂料等方面着手。

3 结论

(1)制壳涂料中加入0%~0.5%的直径为8.2μm、长度约3.0mm的短切玻璃纤维后，涂料的表观黏度值随着剪切速率的增大而不断减小，均具有剪切稀化的特性，且变化规律与不含纤维的涂料相似。但在相同剪切速率下，含纤维涂料的表观黏度值均高于不含纤维涂料。

(2)相同剪切速率条件下，含0.3%短切玻璃纤维涂料的表观黏度值均高于其他涂料。

(3)随着涂料中玻璃纤维加入量的增大，150s^-1剪切速率下涂料的高剪黏度值呈现先增加后减小的变化规律。玻璃纤维加入量为0.3%时，涂料的高剪黏度值达到最大，约为102.6×10^-3Pa·s，与不含纤维的涂料相比，增大约31.9%。

(4)涂料中的纤维加入量为0.3%时，其触变环面积达到最大，为11.8Pa·s^-1，涂料触变性最好。

(5)玻璃纤维的加入对涂料的屈服值及悬浮性均无显著影响。