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度高、尺寸精度高、硬化速度快、生產(chǎn)效率高、勞動強度低等優(yōu)點,目前在鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。國內(nèi)自硬呋喃樹脂砂技術(shù)起步較晚,發(fā)展相對較慢。主要受到兩個方面的制約:一是國內(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,其價格很高,導(dǎo)致呋喃樹脂的價格較高,一定程度上阻礙了呋喃樹脂的應(yīng)用。本文通過正交試驗,研究了影響呋喃樹脂質(zhì)量的幾個因素,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測試1.1試驗儀器及設(shè)備試驗材料:甲醛、尿素、糠醇、氫氧化鈉、鹽酸等。試驗儀器:恒溫油浴磁力加熱攪拌器、三口瓶(500mL)、溫度計、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)計試驗采用甲醛、尿素、糠醇等原料,通過先堿性加成、后酸性縮聚的傳統(tǒng)工藝,設(shè)計正交試驗考察各原料對合成樹脂的性能影響,得到了最優(yōu)工藝,并引入廉價的糠醇替代品、補醛劑等物質(zhì),進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。試驗證明,當甲醛用量過小時,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)時生成優(yōu)質(zhì)的呋喃樹脂。如果甲醛用量過多,樹脂中有過多的游離甲醛,一方面造成環(huán)境污染和生產(chǎn)操作困難,對操作人員身體健康有害,也造成材料的浪費;另一方面也會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。通常試驗中尿素與甲醛摩爾比為1∶2,由于甲醛有揮發(fā)性,實際配比為1∶2.05左右。呋喃樹脂合成的另一個重要原料就是糠醇?？反嫉挠昧看笥?0%時,成品中的氮含量低,樹脂適用于鑄鋼件和大型鑄鐵件,當糠醇用量小于60%時,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。如果水脫不夠,則樹脂中水含量增加,會使樹脂砂強度降低,如果水脫多了,樹脂粘度增大,流動性差,不利于混砂,型砂強度也會降低。反應(yīng)時間并不是一個獨立因素,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,如果其他條件都嚴格控制,反應(yīng)時間越長,樹脂粘度越大。通過對影響呋喃樹脂性能的因素分析,本試驗針對呋喃樹脂抗拉強度指標,選擇堿性反應(yīng)時間(h)、酸性反應(yīng)時間(h)、脫水量(%)、兩步糠醇加入量比等4個主要影響因素,并選擇相應(yīng)的3個水平進行了正交試驗。具體正交因素的設(shè)計以及水平的選取見表1,正交試驗結(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試驗指標的影響越大,因素越嚴重。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,通過表2的正交試驗結(jié)果分析可以看出,影響呋喃樹脂強度的程度由強到弱的因素依次為酸性反應(yīng)時間、脫水量、兩步糠醇加入量比、堿性反應(yīng)時間,試驗結(jié)果與理論相吻合,樹脂游離甲醛含量可通過加入捕醛劑來降低。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重要技術(shù)指標,如果樹脂中游離甲醛含量過高,則在混砂、造型、硬化等操作時甲醛會釋放出來,既污染環(huán)境,又危害操作者的身體健康。通過在酸性縮聚階段引入改性劑A來降低樹脂游離甲醛含量。試驗結(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的0.38%下降到了0.18%,降幅超過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一步反應(yīng),從而降低了游離甲醛的含量。2.4b的加入量對樹脂砂強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的加入對樹脂砂強度有一定的破壞作用,加入量越多強度就越低。因此,改性劑B加入量要要適當,盡量不要超過15%,否則將會大大影響樹脂砂的強度,見表4。2.5樹脂試驗和開發(fā)的性能指標樹脂在試驗條件及放大生產(chǎn)情況下的性能指標見表5。3改性劑a合成呋喃樹脂(1)呋喃樹脂合成的過程中,在尿醛比、加成和縮聚溫度一定的情況下,影響樹脂強度的因素強弱依次為:縮聚反應(yīng)時間、脫水量、糠醇加入比例、加成反應(yīng)時間。(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)