一种铸造粘结剂的改性及性能研究

一种铸造粘结剂的改性及性能研究

0铸造粘结剂的研制在造型材料中使用的原料中，合脂是重要的一部分。它来源丰富，价格低廉，方便砂芯的制备，砂芯的强度和抗吸湿性也很好。因此，几十年来，合脂在铸造行业被广泛使用。合脂粘合剂也有缺点。例如，流动性差、爬行性强、粘合性差，尤其是在干燥温度高、时间长、大量能耗的情况下，以及在烘焙和精炼过程中产生的黑烟，因此很难闻。这是能源和环境的主要问题。显然，这是一个必须尽快解决的问题。近几年来,一些发达国家的铸造业大量采用酚醛、呋喃、尿脘等冷固树脂,正在逐渐淘汰合脂油粘结剂.目前我国因受设备和成本限制,许多大中型铸造厂,仍在大量使用着传统的合脂油粘结剂,迫切需要一种价格与合脂油相当,但节能、污染小的新型铸造粘结剂.PVA是一种水溶性高分子聚合物,它具有良好的粘结性能,且来源丰富、成本较低、无毒、无味、无污染.然而,直接用PVA水溶液作铸造粘结剂,存在吸湿性大、强度低、烘干过程易产生蠕变等缺陷.因此必须经过适当的改性处理方可使用.以醛类与PVA缩合改性,提高烘干强度和抗吸湿能力,是最简单而实用的方法,也是众多研究者普遍采用的方法.但是,由于缩醛中残存的游离甲醛含量较高,有刺激气味,且烘干过程的蠕变现象也时有发生.所以,影响了它的推广应用.本文仍以廉价的(PVA-1799)为主体原料,首先用氧化剂H进行处理,然后,用甲醛缩合改性,最后,再以适量氧化剂消除体系内游离的甲醛,并加入少量抗蠕变剂,制成一种比较实用的铸造粘结剂.1实验部分1.1氧化剂缩醛化法在2000mL三口瓶中,加入850～900g水和150gPVA-1799,加热到90℃溶解,降温到60℃左右,酸性条件下加氧化剂H,氧化1h后再进行缩醛化,缩合完毕,再用少量氧化剂消除游离的甲醛,最后,中和到pH=6～7,加抗蠕变剂,搅匀后即可.1.2型钢试样的性能测试砂:粘结剂按100∶4的比例混合均匀后,制成柱形和8字型试样,测试其各项性能.烘干条件为100℃,1h.再升温到170℃,保持0.5h即可.用此粘结剂与砂制芯,进行铸铁件的浇铸实验,此实验由工厂协助完成.2拉伸及压缩试验按粘结剂用量为砂量的4%,制成试样后的性能测试结果为:湿强度0.01～0.02MPa;烘干条件100℃/1h再升温到170℃/0.5h;拉伸强度1.2～1.5MPa;压缩强度>3.0MPa;外观及清砂性平整光滑、不粘砂、清砂容易;含氮量0.3结果讨论3.1改模后冷却时间的确定分别用合脂油和本文的铸造粘结剂制砂芯、浇铸,进行性能测试,其结果如表1所示.由对比实验可以看出,使用改性PVA作铸造粘结剂,湿强度高、蠕变性小、烘干温度由240℃下降到170℃,时间由3h缩短到1.5h.同时,从制芯到烘干、浇铸整个过程,不产生大量烟雾.且铸件易清理,产品合格率有所提高.3.2氧化剂对高分子砂芯分散性能的影响PVA-1799分子量很高,平均聚合度1700.因而,其水溶液粘度很大,使用不便.用氧化剂处理后,会使高分子断链,体系粘度下降.同时,由于在断裂部位引入了羧酸基团,使得用该粘结剂制成的砂芯,加热固化时,部分羧基会同分子内的羟基发生脱水反应,从而增大交联密度,使砂芯的强度和抗吸湿能力都有一定提高.实验结果证实了这一点,如表2所示.3.3缩醛缩合成分配比的确定PVA-1799属高度水解类型,含有大量的羟基,具有高度结晶性质.其水溶液浓度超过5%时,室温放置很快就会凝胶而失去流动性.显然,直接用作铸造粘结剂是不行的.最有效的处理方法是用甲醛进行缩合处理,减少羟基的含量,破坏结晶性.化学反应式为缩醛化的程度对粘结剂的粘度、强度、抗吸湿性等都有较大的影响,已有很多资料对此进行过比较详细的讨论,这里不再赘述.实验发现,作为铸件粘结剂,控制缩醛度为15%～20%,浓度为12%～15%,综合性能最佳.3.4抗涣变剂.复配剂为复合添加剂合脂油的一个重要特性就是粘度随温度变化非常大,从5℃至100℃,粘度可由大约600s下降到100s左右,而且在开始的20℃内,粘度就会下降400s左右,这正是它蠕变性大的一个关键原因.改性PVA缩醛水溶性粘结剂,也不同程度地存在类似问题,尽管其粘度变化没有那么大,但直接应用仍有蠕变现象.为此,经过实验选择了一种具有特殊性质的抗蠕变添加剂.这种物质具有类似蛋白质的性质,常温时可溶解在水中,受热时其水溶液会凝固而失去流动性.加入这种添加剂后,湿砂芯加热过程不会引起强度的急速下降,提高其抗蠕变性能.3.5甲醛含量的测定结果过去PVA缩醛粘结剂中游离甲醛的消除主要是采用添加尿素、酰胺等氨类化合物,使其与甲醛进一步缩合,以使游离醛含量减少到人不能感觉到的含量以下(0.5%以下).由于氨类化合物都含有氮,制成砂芯浇铸时,受热分解产生大量氮气,增加发气量,易造成铸件出现气孔等缺陷.基于醛类容易被氧化成羧酸的特点,在缩合完毕后,按比例加入一定数量的氧化剂,可将游离的甲醛迅速氧化掉.游离醛含量的测定采用先使其与Na2SO3加成,再用酸滴定的方法.实验结果如表4所示.由表4看出,处理后体系内的游离甲醛可降到0.2%以下,人们感觉不到有甲醛味.4小批量应用试验本文以廉价的PVA-1799为主体原料,制成了一种水溶性粘结剂,经测试其各项性能满足要求,并经工厂小批量应用试验,效果良好,可以代替现有的