在現代製造業不斷向高精度、高性能方向邁進的2025年，精密鑄造作為近淨成形的先進鑄造技術，在航空發動機渦輪葉片等關鍵零部件製造中占據核心地位。隨著行業對鑄件精度、表面品質要求的持續攀升，作為精密鑄造陶瓷型殼關鍵組成的矽溶膠黏結劑，其性能的優化與改性研究愈發關鍵。

  一、聚合物改性：提升精密鑄造矽溶膠黏結劑綜合性能的重要路徑

  1.1 聚合物增強矽溶膠

  早期採用乳膠增強矽溶膠存在諸多局限，如今水溶性高分子聚合物成為主流。聚丙烯醯胺(PAM)等聚合物與矽溶膠結合形成有機 - 無機複合體系，PAM 主鏈的醯胺基團與矽溶膠膠粒表面矽羥基形成氫鍵，還與耐火粉料發生靜電吸附，使漿料顆粒間產生橋聯。在剛玉粉 - 鹼性矽溶膠體系中加入 PAM，能有效增大漿料體系內部空間位阻，添加量適當時可形成聚合物三維網絡結構，阻礙顆粒自由運動，增大漿料黏度，改善沉降現象。在酸性矽溶膠體系中，PAM 相比其他添加劑，更能顯著增大體系黏度和剪切應力。

  《2025-2030年全球及中國精密鑄造行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，在鋯粉型殼製備中，含聚合物的黏結劑可使陶瓷漿料塗掛量增加，型殼濕態強度提高，殘餘強度降低。合物在 530℃完全分解，燒蝕分解增大陶瓷型殼內部孔隙程度，提高透氣性，降低澆注後陶瓷型殼殘餘強度過大對合金內部組織的影響風險。向傳統 830 矽溶膠中加入含氨基聚合物，可形成特殊膠粒 - 聚合物結構，提高矽溶膠穩定性，使陶瓷漿料塗掛性和流平性更好，鑄件不合格率從 13% 降至 3.5%。不過，聚合物改性也存在問題，過高的漿料黏度可能導致塗掛不均，孔隙率過高會降低型殼機械強度，因此需通過系統試驗確定最佳添加量。

  1.2 聚合物快干矽溶膠

  傳統矽溶膠黏結劑風乾膠凝時間長，增加了精密鑄造生產成本。通過聚合物改性開發快干矽溶膠是解決之道。20 世紀 80 年代起，多種水溶性聚合物被用於提高幹燥速率，美國杜邦公司的 Ludox SK 系列矽溶膠是快干矽溶膠的典型代表，在特定條件下製備型殼，每層乾燥時間可縮短至 1 - 2 h，型殼強度與矽酸乙酯型殼相當。國內也積極開展相關研究，宇達公司與清華大學合作研發的 FS - Ⅱ、FS - Ⅲ 型快干矽溶膠，以及研發的 ZF - 801 型快干矽溶膠，都能通過聚合物作用，加快矽溶膠膠凝過程，縮短乾燥時間，提高陶瓷型殼濕態強度，改善漿料塗掛性，提升產品合格率，適應大規模生產需求。

  二、纖維改性：優化精密鑄造矽溶膠型殼性能的有效手段

  2.1 有機纖維改性

  有機纖維改性矽溶膠在精密鑄造中展現出獨特優勢。美國和英國聯合開發的 WEXCOAT 黏結劑，通過加入不溶於水的尼龍絲實現增強效果。向矽溶膠陶瓷漿料中加入尼龍纖維，可改善陶瓷漿料塗掛量及型殼厚度，使型殼 R 角處厚度增大 40%，平面厚度增大 13%，厚度一致性達到 67%，在減少塗層的同時降低生產周期和成本。

  在鹼性矽溶膠中加入尼龍纖維，隨著纖維含量增加，漿料流動性變差，運動黏度增大，塗掛性提高。加入香蒲纖維製備的陶瓷型殼，其濕態強度隨纖維含量增加顯著提高，加入質量分數為 1% 的纖維後，型殼濕態強度比無纖維型殼提高了 44%。不過，纖維含量過高時，型殼室溫強度會下降，因為纖維間聚集導致燒蝕孔內產生裂紋，減小有效載荷面積。

  2.2 複合纖維改性

  有機纖維改性存在焙燒後影響型殼強度的問題，複合纖維改性應運而生。在剛玉粉漿料中加入碳 - 尼龍雜化纖維，未焙燒時可提高型殼濕態抗拉和抗彎強度，真空燒結後，尼龍纖維燒蝕形成微孔提高透氣性，碳纖維與基體結合緊密增大燒結後型殼強度，最高達 5.46 MPa。引入矽酸鋁與聚丙烯複合纖維的型殼，當纖維添加量為 1% 時，濕態強度達 3.08 MPa，較未改性時提高了 35.7%，室溫強度在纖維添加量為 0.6% 時達到峰值，最高可達 4.96 MPa。

  複合纖維中各組分配比對體系性能影響重大。尼龍 - 氧化鋁複合纖維改性矽溶膠陶瓷型殼研究表明，隨著尼龍纖維占比下降，濕態強度降低，燒結強度先增後減，尼龍與氧化鋁質量比為 2∶3 的試樣最高燒結強度達 10.54 MPa。複合纖維在型殼焙燒前形成互鎖網絡結構，提高漿料黏度和型殼濕態強度，焙燒過程中有機纖維燒蝕形成孔洞提高透氣性，無機纖維增強型殼室溫和高溫強度，為精密鑄造矽溶膠提供了更穩定可靠的改性方案。

  三、膠粒表面改性：增強精密鑄造矽溶膠穩定性的關鍵舉措

  根據膠體化學相關理論，矽溶膠的穩定性受 SiO₂納米顆粒之間靜電相互作用影響。在鹼性條件下，矽溶膠表面矽羥基電離使膠粒帶負電荷，靜電排斥作用維持其穩定，但穩定性與溶液 pH 值密切相關。當 pH 值在 8.5 - 10.5 時，矽溶膠可長期保持穩定;pH 值為 5 - 7 時，易發生膠凝;pH 值降為 2 - 4 時，處於亞穩態。

  為提高矽溶膠的 pH 穩定性，可在製備過程中加入水溶性鋁鹽、海藻酸鹽等，將矽溶膠顆粒中部分 Si 替換為 Al 或其他元素，使膠粒表面新增負電荷，增大膠粒間互斥程度，降低聚集程度，減少因耐火粉料或添加劑加入導致 pH 值變化而使漿料失效的風險，降低生產成本。

  四、潛在改性方式：拓展精密鑄造矽溶膠應用前景的方向探索

  由於矽溶膠表面基團單一，與有機聚合物結合性差，限制了其在精密鑄造中的多功能化。對矽溶膠膠粒表面接枝矽烷偶聯劑或其他有機基團是解決途徑之一。用 γ 氨基丙基三乙氧基矽烷(KH - 550)偶聯劑對酸性矽溶膠膠粒表面進行化學處理，當 KH550 投料量為 21.6% 時，接枝率達到最大(21.18%)，可改善有機 - 無機相容性，擴大矽溶膠表面基團功能性，使其能與更多種類聚合物結合。

  此外，控制長鏈聚合物封端基團親疏水性製備的締合型聚氨酯類增稠劑，有望應用於精密鑄造矽溶膠。該增稠劑在水基體系中形成疏水締合網絡結構增大體系黏度，應用於矽溶膠中可能與膠粒相互作用，提高陶瓷漿料流變性能和塗掛性，改善水基陶瓷漿料與蠟模表面的潤濕性。

  綜上所述，在2025年精密鑄造行業對鑄件質量要求日益嚴苛的背景下，矽溶膠黏結劑的改性研究成果豐碩。聚合物改性可有效提升漿料性能和型殼強度，改變乾燥時間;纖維改性能優化型殼厚度和強度，平衡透氣性;膠粒表面改性增強了矽溶膠的穩定性。這些改性技術對精密鑄造的發展至關重要。未來，深入探究矽溶膠微觀結構與宏觀性能的聯繫，精確控制材料合成製備，綜合提升矽溶膠多種性能，加強學科交叉融合，將是矽溶膠改性技術發展的重要方向，有望為精密鑄造行業帶來新的突破。