内容简介：: 184FEB2011VOI60NO2基于正交设计的脲醛呋喃树脂合成林生军，赵巍，李远才，王文清华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074摘要针对脲醛呋喃树脂的合成工艺，提出了使用正交设计的方法，系统地对试验结果进行了直观分析和方差分析，得到了影响显著性因子和优化结果。研究表明反应时间为1H，反应温度为90，反应液PH为85时得到的脲醛呋喃树脂砂强度性能最好。关键词脲醛呋喃树脂；合成工艺；正交设计；直观分析；方差分析中图分类号TG221文献标识码A文章编号10014977201102018404SYNTHESISOFFURANRESINBASEDONORTHOGONALDESIGNLINSHENGJUN，ZHAOWEI，LIYUANCAI，WANGWENQINGSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYWUHAN430074，HUBEI，CHINAABSTRACTTOOPTIMIZETHESYNTHESISTECHNOLOGYOFFURANRESINORTHOGONALDESIGNWASUSEDTHEIMPORTANTINFLUENTIALFACTORSANDOPTIMALSYNTHESISTECHNOLOGYWEREOBTAINEDTHROUGHDIRECTANALYSISANDVARIANCEANALYSISOFTHETESTRESULTSUNDERCONDITIONSOFREACTIONTIME1H，REACTIONTEMPERATURE90ANDPH85THEHIGHTENSILESTRENGTHFURANRESINWASOBTAINEDKEYWORDSFURANRESIN；SYNTHESISTECHNOLOGY；ORTHOGONALDESIGN；DIRECTANALYSIS；VARIANCEANALYSIS呋喃树脂是指以具有呋喃环的糠醇和或糠醛作原料生产的树脂类的总称。呋喃树脂是迄今为止在铸造生产中应用量最大的一类粘结剂，此外在木材、橡胶、金属、陶瓷等行业，呋喃树脂也被广泛用作粘结剂1。脲醛呋喃树脂的合成是其在生产和使用等众多环节中的关键，而工艺条件的优选又是呋喃树脂合成的重中之重，为此，本研究使用正交设计的方法以呋喃树脂砂的强度性能为主要研究指标，找出合成工艺条件各因素的主次关系和最优搭配。正交实验设计21是使用正交表来安排多因素、多水平试验，并采用统计学方法分析试验结果的一种实验设计方法，对于多因素、多水平的问题，研究人员一般希望通过若干次的试验找出各影响因素的主次关系和最优搭配条件。正交设计法具有均衡分散、整齐可比的特点，使用正交表合理地安排实验，可以省时、省力、省钱，同时又能得到基本满意的试验效果。因此，这种方法在改进产品质量、优化工艺条件及研发新产品等诸多方面广泛应用。目前虽然很多研究人员使用正交设计来优化呋喃树脂的合成工艺1，但往往只停留在表面层次上的研究，特别是往往只考虑单个因子对试验的影响，而忽略了考虑因子间可能出现的交互作用；对试验数据的分析上往往只注重直观分析，而忽略了必要的方差分析。本研究以含氮量3的脲醛呋哺树脂为主要研究对象，并严格按照正交实验设计的步骤以脲醛呋喃树脂强度为主要研究指标进行试验，并首次系统地从理论的深度来使用和分析正交试验，继而得到较好的呋喃树脂合成工艺。1试验方法及过程11原料和仪器试验用主要化学原料有甲醛、尿素、糠醇等。甲醛，HCHO，分子量3003，工业上一般通过甲醇氧化法和天然气直接氧化法来生产甲醛。尿素，CONH，分子量6006，工业上尿素用液氨和二氧化碳为原料，在高温高压条件下直接合成。糠醇，C4HCH2OH，分子量9810，工业糠醇一般以糠醛为主要原料，经催化加氢制得。主要仪器设备有电动搅拌器、三口烧瓶、冷凝管、温度计、电热套等。1。2合成工艺向反应釜中加入一定量甲醛，升高到适当温度，调节PH值至7090。随后加入助剂和一定量的尿素，再加入适量的糠醇，调节PH值至7090，在适当温度下反应一定时间，加入剩余的糠醇，调节PH值至收稿日期20100306Q初稿，20100517收到修订稿。作者简介林生军1981一，男，博士生，主要从事呋喃树脂及其固化剂研究。电话通讯作者李远才，教授，EMAILMFLYCSINACORN铸造林生军等基于正交设计的脲醛呋喃树脂合成1855060左右，反应一定时问，再加入剩余的部分尿素，调节PH值至7090，保温20RAIN。停止加热降温到适当温度、负压脱水。最后再加入一定量的糠醇，搅拌均匀后冷却出料即为产品。13正交设计试验的步骤正交设计试验总的来说包括两个部分一是试验设计；二是数据处理。基本步骤可简单归纳如下明确试验目的，确定评价指标一挑选因素，确定水平一优选正交表，进行表头设计一明确试验方案，进行试验，得到结果一对试验结果进行统计分析一进行验证试验，作进一步分析。2正交设计试验因子及因子水平的选取呋喃树脂的合成一般分为两阶段进行第一阶段为甲醛与尿素反应生成羟基脲及其缩合物；第二阶段是糠醇与第一阶段产物发生缩聚及糠醇自聚等反应生成树脂。从以往的试验和经验发现，第一阶段反应对呋喃树脂砂的强度性能有着非常重要的影响，本研究拟定尿素和甲醛的物质的量比为I2，通过初步试验筛选出影响第一阶段反应的三个最重要的因素，即反应时间A、反应温度B和反应液PH值C，估计因子间可能存在交互作用，即反应时间与反应温度AB及反应时间与反应液PH值AC，每个因子均取三个水平，具体见表1。表1正交设计的因子水平TABLE1FACTORSANDLEVELSOFORTHOGONALDESIGN3正交设计31正交表的选取与表头设计由于因子均为3水平，故选用3水平正交表。由正交表每列自由度U等于各列的水平数减1，两交互作用的自由度等于两因素的自由度的乘积，则因子与交互作用的自由度之和为FAFBFCFFACFAFBFCFAXFBCAXFC14据选择正交表的必要条件同，其行数N应满足N14。为了避免表头出现混杂现象，并且尽量保证试验次数少，所以选正交表37。对于两个3水平的因素，每个因素的自由度为2，交互作用的自由度为4，得出交互作用为3水平，所以交互作用列要占两列。首先将因子A、B分别放在第1、2列，查交互作用列表知，第1、2列的交互作用列在第3、4Y1，记为AB和AB，将C放在第5列，则第1、5列的交互作用列在第6、7AJ，记为AC和AC。综上所述，表头设计见表2。表2正交试验表头设计TABLE2HEADERDESIGNOFORTHOGONALDESIGN表头设计ABAB，ABCACTACZ列号1234567为了减少或避免事先某些考虑不周及环境条件变化所引起的系统误差，常采用试验次序随机化，本研究采用试验编号随机抽取的方法来进行试验。32试验结果的直观分析直观分析7】主要是通过计算每个因子的水平均值，进而计算出每个因子的极差，通过极差的大小来判断因子对指标的影响因子的极差大，则该因子对指标的影响就大，反之，影响就小。因子的水平均值为第U中数字“I”的重复数，其中L，2，3；产L，2，3为第0中第I水平对应的指标Y之和。极差R为每个水平均值的最大值与最小值之差。强度测定参照最新国家标准JB厂R75262008，测试数据汇总见表3。从表3中的各列极差可见，各因子及交互作用对指标的影响从主要到次要依次为A，B，AC，C，AB，AB，AC。33试验结果的方差分析正交设计的直观分析法简便、直观、计算量小，但直观分析法没有把数据中由于因子变化与试验误差所引起的两种波动区分开来。这种方法可以判断因子瑚一一一。，。，N。一一一一。，。一一一一，。，。，一一一一，。，。，。试N一一，一B2123123L2312II郝一一2，4B“FOUNDRYFEB2011VOI60NO2的“重要性”，但不能定量地判断因子的“显著性”，因此它不能确切地分析试验结果的精度，即可靠性。要解决此问题，很有必要对试验结果进行方差分析_8】。方差分析的主要任务就是在建立统计模型9诸多假定基础之上进行的一系列假设检验，通过定量分析因子的“显著性”，最终得出最佳的因子组合。331方差分析的统计模型数据的直观分析法简单、有效，但还有不足之处，它不能回答那些因子对试验指标有显著影响，为了回答这一问题可采用方差分析法，因此需要对试验结果做出如下若干假定。1假定在同一水平组合下试验结果的全体构成一个总体，服从正态分布；2各正态分布的方差是相同的，即假定每一个总体的方差均为；3各正态均值与水平组合有关；4不同水平组合下的试验是相互独立进行的，即试验结果相互独立。332方差分析1平方和分解及自由度计算进行方差分析的第一步就是作平方和分解，主要是考察引起试验结果波动的原因，将它们各自用平方和表示出来，具体计算公式如下。NNNS总互2XK2札K11，、K1试验总次数一LN一1I1K一KLXKAI1NF、因子4的水平数一15ET1K一耋XK0I1IC3，NF产因子的水平数一L1K一D,1I14C|_|因子C的水平数一15ABS1SAB2；，名SACSAC1SAC2；FAXFCS误差JS总一S因子交互因子；子咬互因子2列出方差分析表及作肘盒验由于表头设计将正交表的各列均排满，没有空余的列作为误差列，为了进行方差分析，常用离差平方和最小的列作为误差列来估计误差平方和。通常，若P届子，厂鹾就称该因子的影响是高度显著的，用“料”表示；若FFO子，差就称该因子的影响是显著的，用“书“表示；若7子，差就称该因子的影响是不显著的11，具体见表4。从表4中膛与临界值的比较可知，因子A，B和交互作用AC对试验结果的影响是显著的。本研究的试验指标为呋喃树脂砂的强度，当然是越大越好。结合表3和表4，因子A应取第1水平A，因子B应取第2水平B。交互作用AC由于占两列，直观无法看出，因此把A和C的各种组合的试验结果对照分析，见表5。表4方差分析表TABLE4RESULTOFVARIANCEANALYSIS表5因子AIC组合表TABLE5COMBINATIONTABLEOFFACTORSAANDC从表5知，当A取第1水平、C取第2水平时，试验结果为2215，是所有结果中的最大值，因此取ACZ。综上所述，本试验得出的最优方案为ABC，即为试验2。34验证试验由于理论计算的最佳水平组合和实际问题分析的往往有一定程度的偏差，为了检验试验最佳水平的稳定性，又对最佳水平组合ABC，R12号配方在5L实验室用微型反应釜进行3次重复试验，得到的指标值为254、256、251，因此可以认为试验最佳水平组合稳定。综上所述，通过正交设计得到的呋喃树脂合成的最佳工艺条件为反应时间为1H，反应温度为90，反应液PH值为85。4结论利用正交设计的方法对呋喃树脂的合成工艺进行了分析与优化。通过全面系统的理论分析得到了影响合成工艺条件各因子的主次关系和最优搭配。研究表铸造林生军等基于正交设计的脲醛呋喃树脂合成187明反应时间的影响最为显著，反应温度次之，反应时问与反应液的PH值存在较为显著的交互作用，并且得到了经过实际验证的最佳工艺条件为反应时间为1H，反应温度为90，反应液PH值为85。参考文献1牛炳华糠醇树脂的生产和发展J】化工科技市场，2003，26126282】周怀梧医药应用概率统计M北京百家出版社，1990234236【3田志高，李本林，宋春玲改性呋喃树脂的研制J】襄樊学院学报，2008，29237404冯拉俊适用于铸造的中氮呋喃树脂的应用研究J铸造技术，1999217195姚书芳，安钢，王志书，等中氮呋喃树脂合成工艺的试验研究J河北化工，1996219206MONTGOMERYDCDESIGNANDANALYSISOFEXPERIMENTSM北京人民邮电出版社，20071L71507为何，陈际达优化试验设计法及其在化学中的应用M】成都电子科技大学出版社，19948】虞鸿祉，杨玉，鲍弋正业试验设计技术数理统计在工业技术中的应用M南京东南大学出版社，19909】茆诗松，周纪芗，陈颖试验设计M】北京中国统计出版社，2004L4LL4210】张春华，严云良L医药数理统计M北京科学出版社，20012L22L3【L1】陈魁试验设计与分析M】北京清华大学出版社，2005889O12茆诗松，周纪芗，陈颖试验设计学习指导与习题M】北京中国统计出版社，2005L65166编辑刘冬梅，LDMFOUNDRYWORLDCORN、潮豳登LLXGZJ因HI三LL_L三三J一LLLL蹑R山珊、J霞豳一_我厂是生产铸造用芯撑铸顶、涂料笔、造型具的专业制造厂，3O年来生产的“西果”系列铸具销往全国各地，质量信誉好，服务到位，规格全，当日邮寄。可供图定做，产品实行三包，欢迎国内外新老客户洽谈。一、芯撑工字型铸卡各种高度、形状圆、方、长方、异形、单柱、双柱、多柱、普通轴、螺纹轴、表面镀锌、镀锡，以及各种垫片。二、涂料笔羊毛掸笔212CM10个品种，水笔122CM3个品种，猪鬃掸笔等。三、修造型工具材质不锈钢、弹簧钢MM_。_一_矗疆重蛐螽_2L7046匍竹TT4,2280X2I26052刮刀424020压勺22O4531545平竹批32602242OO32尖头刮刀2L卯43钩批2薛30020L4二型压勺L25O50L36OXL6秋叶2L踟3222法兰钩226OL3提钩332OL2齐头压勺32O032托兰根222O1625528OX8双

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