呋喃树脂性能的影响因素研究

呋喃树脂性能的影响因素研究

采用合成树脂作为粘合剂，制备型砂和芯砂。该建模工艺被称为树脂砂工艺。自硬呋喃树脂砂具有造型和制芯强度高、尺寸精度高、硬化速度快、生产效率高、劳动强度低等优点,目前在铸造生产中应用非常广泛。国内自硬呋喃树脂砂技术起步较晚,发展相对较慢。主要受到两个方面的制约:一是国内的呋喃树脂中游离甲醛含量高,气味大,污染环境,损害工人身体健康;二是合成呋喃树脂的主要原材料糠醇,其价格很高,导致呋喃树脂的价格较高,一定程度上阻碍了呋喃树脂的应用。本文通过正交试验,研究了影响呋喃树脂质量的几个因素,并成功合成出了氮含量4.5%、游离甲醛含量<0.3%、24h抗拉强度>1.8MPa、粘度<30mPa·s、糠醇含量50%的适合铸造生产的环保型呋喃树脂。1测试1.1试验仪器及设备试验材料:甲醛、尿素、糠醇、氢氧化钠、盐酸等。试验仪器:恒温油浴磁力加热搅拌器、三口瓶(500mL)、温度计、pH试纸、蛇形冷凝管、循环水真空泵、抽滤瓶等。1.2性缩聚工艺的设计试验采用甲醛、尿素、糠醇等原料,通过先碱性加成、后酸性缩聚的传统工艺,设计正交试验考察各原料对合成树脂的性能影响,得到了最优工艺,并引入廉价的糠醇替代品、补醛剂等物质,进一步降低了树脂的生产成本和游离甲醛含量。2结果与讨论2.1羟甲基缩合反应铸造用自硬砂呋喃树脂采用甲醛、尿素、糠醇等原材料,首先是尿素与甲醛在碱性条件下进行加成反应,生成一羟甲基脲和二羟甲基脲,接着中性条件真空脱水,然后在酸性条件下再与糠醇进行糠脲缩合反应。尿素和甲醛生成一羟甲基脲:2.2糠醇用量对呋喃树脂性能的影响原料配比是影响呋喃树脂性能的关键因素。试验证明,当甲醛用量过小时,加成得到的产物主要是一羟甲基脲,而生成较多的二羟甲基脲,才能在缩聚反应时生成优质的呋喃树脂。如果甲醛用量过多,树脂中有过多的游离甲醛,一方面造成环境污染和生产操作困难,对操作人员身体健康有害,也造成材料的浪费;另一方面也会降低固化后的耐水性,固化后的树脂缩水性大,容易出现开裂。通常试验中尿素与甲醛摩尔比为1∶2,由于甲醛有挥发性,实际配比为1∶2.05左右。呋喃树脂合成的另一个重要原料就是糠醇。糠醇的用量大于80%时,成品中的氮含量低,树脂适用于铸钢件和大型铸铁件,当糠醇用量小于60%时,产品适用于小型铸铁件,生产成本较低,本文的研究中糠醇含量为50%。树脂合成中脱出去的水主要来自甲醛溶液中,因此脱水量应与甲醛溶液中的含水量相当。如果水脱不够,则树脂中水含量增加,会使树脂砂强度降低,如果水脱多了,树脂粘度增大,流动性差,不利于混砂,型砂强度也会降低。反应时间并不是一个独立因素,它受原料配比、反应液pH值、反应温度、脱水量等诸多因素的制约,如果其他条件都严格控制,反应时间越长,树脂粘度越大。通过对影响呋喃树脂性能的因素分析,本试验针对呋喃树脂抗拉强度指标,选择碱性反应时间(h)、酸性反应时间(h)、脱水量(%)、两步糠醇加入量比等4个主要影响因素,并选择相应的3个水平进行了正交试验。具体正交因素的设计以及水平的选取见表1,正交试验结果见表2。根据极差大小,判断因素的主次影响顺序。R越大,表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大,因素越严重。优水平为同一水平中最大值。选定优水平后,可以确定最优组合。在醛尿摩尔比2.05、碱性pH值9.5、酸性pH值3.5、微沸反应条件下,通过表2的正交试验结果分析可以看出,影响呋喃树脂强度的程度由强到弱的因素依次为酸性反应时间、脱水量、两步糠醇加入量比、碱性反应时间,试验结果与理论相吻合,树脂游离甲醛含量可通过加入捕醛剂来降低。2.3改性剂a的引入树脂中游离甲醛含量的多少是衡量树脂的一个重要技术指标,如果树脂中游离甲醛含量过高,则在混砂、造型、硬化等操作时甲醛会释放出来,既污染环境,又危害操作者的身体健康。通过在酸性缩聚阶段引入改性剂A来降低树脂游离甲醛含量。试验结果见表3。结果表明,在酸性缩聚阶段加入适量的改性剂A,游离甲醛含量由原来的0.38%下降到了0.18%,降幅超过50%。原因是,加入改性剂A后,改性剂A与树脂中的游离甲醛进一步反应,从而降低了游离甲醛的含量。2.4b的加入量对树脂砂强度的影响加入改性剂B后,树脂粘度降低,利于混砂。但改性剂B的加入对树脂砂强度有一定的破坏作用,加入量越多强度就越低。因此,改性剂B加入量要要适当,尽量不要超过15%,否则将会大大影响树脂砂的强度,见表4。2.5树脂试验和开发的性能指标树脂在试验条件及放大生产情况下的性能指标见表5。3改性剂a合成呋喃树脂(1)呋喃树脂合成的过程中,在尿醛比、加成和缩聚温度一定的情况下,影响树脂强度的因素强弱依次为:缩聚反应时间、脱水量、糠醇加入比例、加成反应时间。(2)酸性缩聚阶段加0.5%的改性剂A,树脂的游离甲醛含量降低50%以上。(3)树脂中加入不超过15%的改性剂B替代部分糠醇,使树脂生产成本降低10%以上。(4)