呋喃樹脂性能的影響因素研究

呋喃樹脂性能的影響因素研究

采用合成樹脂作為粘合劑，制備型砂和芯砂。該建模工藝被稱為樹脂砂工藝。自硬呋喃樹脂砂具有造型和制芯強(qiáng)度高、尺寸精度高、硬化速度快、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn),目前在鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。國(guó)內(nèi)自硬呋喃樹脂砂技術(shù)起步較晚,發(fā)展相對(duì)較慢。主要受到兩個(gè)方面的制約:一是國(guó)內(nèi)的呋喃樹脂中游離甲醛含量高,氣味大,污染環(huán)境,損害工人身體健康;二是合成呋喃樹脂的主要原材料糠醇,其價(jià)格很高,導(dǎo)致呋喃樹脂的價(jià)格較高,一定程度上阻礙了呋喃樹脂的應(yīng)用。本文通過(guò)正交試驗(yàn),研究了影響呋喃樹脂質(zhì)量的幾個(gè)因素,并成功合成出了氮含量4.5%、游離甲醛含量<0.3%、24h抗拉強(qiáng)度>1.8MPa、粘度<30mPa·s、糠醇含量50%的適合鑄造生產(chǎn)的環(huán)保型呋喃樹脂。1測(cè)試1.1試驗(yàn)儀器及設(shè)備試驗(yàn)材料:甲醛、尿素、糠醇、氫氧化鈉、鹽酸等。試驗(yàn)儀器:恒溫油浴磁力加熱攪拌器、三口瓶(500mL)、溫度計(jì)、pH試紙、蛇形冷凝管、循環(huán)水真空泵、抽濾瓶等。1.2性縮聚工藝的設(shè)計(jì)試驗(yàn)采用甲醛、尿素、糠醇等原料,通過(guò)先堿性加成、后酸性縮聚的傳統(tǒng)工藝,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)考察各原料對(duì)合成樹脂的性能影響,得到了最優(yōu)工藝,并引入廉價(jià)的糠醇替代品、補(bǔ)醛劑等物質(zhì),進(jìn)一步降低了樹脂的生產(chǎn)成本和游離甲醛含量。2結(jié)果與討論2.1羥甲基縮合反應(yīng)鑄造用自硬砂呋喃樹脂采用甲醛、尿素、糠醇等原材料,首先是尿素與甲醛在堿性條件下進(jìn)行加成反應(yīng),生成一羥甲基脲和二羥甲基脲,接著中性條件真空脫水,然后在酸性條件下再與糠醇進(jìn)行糠脲縮合反應(yīng)。尿素和甲醛生成一羥甲基脲:2.2糠醇用量對(duì)呋喃樹脂性能的影響原料配比是影響呋喃樹脂性能的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)證明,當(dāng)甲醛用量過(guò)小時(shí),加成得到的產(chǎn)物主要是一羥甲基脲,而生成較多的二羥甲基脲,才能在縮聚反應(yīng)時(shí)生成優(yōu)質(zhì)的呋喃樹脂。如果甲醛用量過(guò)多,樹脂中有過(guò)多的游離甲醛,一方面造成環(huán)境污染和生產(chǎn)操作困難,對(duì)操作人員身體健康有害,也造成材料的浪費(fèi);另一方面也會(huì)降低固化后的耐水性,固化后的樹脂縮水性大,容易出現(xiàn)開裂。通常試驗(yàn)中尿素與甲醛摩爾比為1∶2,由于甲醛有揮發(fā)性,實(shí)際配比為1∶2.05左右。呋喃樹脂合成的另一個(gè)重要原料就是糠醇?？反嫉挠昧看笥?0%時(shí),成品中的氮含量低,樹脂適用于鑄鋼件和大型鑄鐵件,當(dāng)糠醇用量小于60%時(shí),產(chǎn)品適用于小型鑄鐵件,生產(chǎn)成本較低,本文的研究中糠醇含量為50%。樹脂合成中脫出去的水主要來(lái)自甲醛溶液中,因此脫水量應(yīng)與甲醛溶液中的含水量相當(dāng)。如果水脫不夠,則樹脂中水含量增加,會(huì)使樹脂砂強(qiáng)度降低,如果水脫多了,樹脂粘度增大,流動(dòng)性差,不利于混砂,型砂強(qiáng)度也會(huì)降低。反應(yīng)時(shí)間并不是一個(gè)獨(dú)立因素,它受原料配比、反應(yīng)液pH值、反應(yīng)溫度、脫水量等諸多因素的制約,如果其他條件都嚴(yán)格控制,反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),樹脂粘度越大。通過(guò)對(duì)影響呋喃樹脂性能的因素分析,本試驗(yàn)針對(duì)呋喃樹脂抗拉強(qiáng)度指標(biāo),選擇堿性反應(yīng)時(shí)間(h)、酸性反應(yīng)時(shí)間(h)、脫水量(%)、兩步糠醇加入量比等4個(gè)主要影響因素,并選擇相應(yīng)的3個(gè)水平進(jìn)行了正交試驗(yàn)。具體正交因素的設(shè)計(jì)以及水平的選取見表1,正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)極差大小,判斷因素的主次影響順序。R越大,表示該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,因素越嚴(yán)重。優(yōu)水平為同一水平中最大值。選定優(yōu)水平后,可以確定最優(yōu)組合。在醛尿摩爾比2.05、堿性pH值9.5、酸性pH值3.5、微沸反應(yīng)條件下,通過(guò)表2的正交試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出,影響呋喃樹脂強(qiáng)度的程度由強(qiáng)到弱的因素依次為酸性反應(yīng)時(shí)間、脫水量、兩步糠醇加入量比、堿性反應(yīng)時(shí)間,試驗(yàn)結(jié)果與理論相吻合,樹脂游離甲醛含量可通過(guò)加入捕醛劑來(lái)降低。2.3改性劑a的引入樹脂中游離甲醛含量的多少是衡量樹脂的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo),如果樹脂中游離甲醛含量過(guò)高,則在混砂、造型、硬化等操作時(shí)甲醛會(huì)釋放出來(lái),既污染環(huán)境,又危害操作者的身體健康。通過(guò)在酸性縮聚階段引入改性劑A來(lái)降低樹脂游離甲醛含量。試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果表明,在酸性縮聚階段加入適量的改性劑A,游離甲醛含量由原來(lái)的0.38%下降到了0.18%,降幅超過(guò)50%。原因是,加入改性劑A后,改性劑A與樹脂中的游離甲醛進(jìn)一步反應(yīng),從而降低了游離甲醛的含量。2.4b的加入量對(duì)樹脂砂強(qiáng)度的影響加入改性劑B后,樹脂粘度降低,利于混砂。但改性劑B的加入對(duì)樹脂砂強(qiáng)度有一定的破壞作用,加入量越多強(qiáng)度就越低。因此,改性劑B加入量要要適當(dāng),盡量不要超過(guò)15%,否則將會(huì)大大影響樹脂砂的強(qiáng)度,見表4。2.5樹脂試驗(yàn)和開發(fā)的性能指標(biāo)樹脂在試驗(yàn)條件及放大生產(chǎn)情況下的性能指標(biāo)見表5。3改性劑a合成呋喃樹脂(1)呋喃樹脂合成的過(guò)程中,在尿醛比、加成和縮聚溫度一定的情況下,影響樹脂強(qiáng)度的因素強(qiáng)弱依次為:縮聚反應(yīng)時(shí)間、脫水量、糠醇加入比例、加成反應(yīng)時(shí)間。(2)酸性縮聚階段加0.5%的改性劑A,樹脂的游離甲醛含量降低50%以上。(3)樹脂中加入不超過(guò)15%的改性劑B替代部分糠醇,使樹脂生產(chǎn)成本降低10%以上。(4)