鑄造用CO2氣硬酚醛樹脂粘結劑性能研究

孫 琪，李廣宇，李秋鶴

（營口理工學院遼寧營口，遼寧 營口 115000）

CO2氣硬堿性酚醛樹脂粘結劑是英國上世紀80年代推出的一種新型粘結劑，其環保、優質、制備工藝簡單、使用效果好，因而被稱為面向21世紀的造型材料之一[1]。CO2氣硬堿性酚醛樹脂粘結劑不含氮、硫、磷等有害元素[2]，生產中鑄件質量得以保證，采用CO2氣體硬化，對空氣和環境較為友好，造型、制芯過程安全，無污染，在使用性能上存在顯著優勢。CO2氣體的硬性酚醛樹脂生產工藝并不復雜，并且可以避免過吹問題出現。使用該種粘結劑制成的砂芯工藝較簡化，容易操作，可滿足不同生產規模的需要，并且適合于手工制芯，一些小型工廠也可達到生產標準。CO2氣硬堿性酚醛樹脂可達到環保級別，在進行鑄造過程中能夠有效節約能源[3]，應用范圍較廣泛。

1 實驗方案設計

1.1 實驗材料及設備

苯酚、甲醛、NaOH溶液（30%濃度）、KOH溶液（30%濃度）、硼砂、苯甲醇、乙二醇、無水乙醇、石油醚、硅烷、瓶裝CO2氣體等，原砂（鑄造用標準硅砂）。

制備酚醛樹脂及樹脂砂的實驗儀器主要有： JB300-D型電動攪拌器增力電動攪拌器、三口瓶、四口瓶、溫度計、冷凝管、滴定管、電子秤、SHY樹脂砂混砂機、SAC錘擊式制樣機、數字旋轉粘度計、型砂強度試驗機、發氣性測定儀等。

1.2 酚醛樹脂粘結劑的制備

酚醛樹脂是由酚類和醛類縮合而成的一類樹脂的總稱，其中性能最好應用最廣的是苯酚和甲醛縮合而成的，苯酚和甲醛在一定條件下發生縮聚反應[4]。在甲醛過剩，用堿性催化劑的條件下，進行反應而制得熱固性酚醛樹脂（Resol型樹脂）。不同的樹脂合成工藝對樹脂的性能都很大的影響[5]。

首先稱量好苯酚的量，并將苯酚由固態轉變為液態，可以提高其與甲醛反應的速率。然后稱量好甲醛、NaOH、 KOH、改性劑等材料，并將所有以上材料加入裝三口瓶中，將混合試驗樣品持續進行攪拌同時進行加熱，稱取適量硼砂、KOH溶液加入到瓶中，進行充分攪拌直至所有加入溶液完全溶解，注入硅烷偶聯劑、改良劑，將其進行均勻混合，即可得到需要制備的甲基酚醛樹脂粘結劑。

2 實驗過程

2.1 硬度測試

將制備完成的酚醛樹脂與原砂混合，利用混砂機進行混制，混制時間大約1分鐘，后將樹脂砂在SAC錘擊式制樣機上沖擊3次，沖制成?50mm x 50mm標準試樣，將試樣置于吹氣裝置上吹CO2氣體硬化，試樣制備完成。

型砂的強度一般可以用抗壓強度，拉伸強度和扭轉強度表示。本次實驗中測定的為應用最多的抗壓強度，測定的為即時強度和終強度。

2.2 酚醛樹脂粘度的測定

利用數字旋轉粘度計測定樹脂的粘度。從實驗燒瓶中將一部分樹脂材料取出，將取出材料冷卻到40攝氏度，放入固定容器內，從低落的第一滴樹脂直至容器內樹脂材料全部滴完，讀取粘度計上數據。

3 實驗結果分析

3.1 酚醛樹脂合成工藝正交試驗

CO2硬化堿性酚醛樹脂粘結劑中堿性酚醛樹脂是其重要的構成物質，對粘結劑的性能會有所影響[6]。酚醛樹脂合成工藝試驗過程中，要注意KOH、NaOH加入量、各種物質反應時間及加熱時間等有效參數記錄，在不同參數下進行正交試驗，如表1所示。本次實驗采用表1的實驗方案進行，實驗結果見表2。

表1 酚醛樹脂制備正交實驗方案設計

表2 正交實驗結果

根據表2中數據繪制抗壓強度與各個因素之間的關系圖，如圖 1 所示。

圖1 各因素極差分析結果

從表2和圖1中可以看出，因素A和B對抗壓強度影響較大，C和D影響較小。其中因素A、C和D對型砂抗壓強度的影響趨勢是先上升，然后下降，而因素B對型砂抗壓強度的影響是持續上升。對于抗壓強度而言最佳組合A2B3C2D2，反應溫度75 ℃，保溫時間1.5 h。

3.2 硼砂的影響

制備酚醛樹脂處于強堿條件，吹入CO2后粘結劑的pH值降低，處于弱堿狀態。此條件下硼砂主要以硼酸根離子的形式存在，粘結劑的固化是酚醛樹脂中酚羥基與硼酸根離子發生交聯反應而引起的[7]。硼砂含量大，硼酸鹽的負離子含量多，固化后形成的交聯點多，強度就高。本次試驗中，高溫制備酚醛樹脂，之后冷卻到室溫加入硼砂，攪拌混合均勻后制得樹脂樣品，后制備成試樣。硼砂含量對型砂抗壓強度的影響見圖2，可看出，硼砂含量對型砂強度有明顯影響。沒有硼砂時，試樣抗壓強度幾乎為零，隨著硼砂加入量的增加，型砂試樣強度先增加后減小，這是由于樹脂中能夠與硼酸根離子發生交聯反應的酚羥基數量有限，所以當硼砂過量后，剩余的硼酸根離子在CO2的作用下生成硼酸鹽結晶，存在于粘結劑中，使粘結劑的強度下降。本次實驗樹脂加入量為100g，當硼砂加入量為16g時，型砂抗壓強度達到最大值。

圖2 硼砂含量對型砂抗壓強度的影響

3.3 改性劑對酚醛樹脂性能的影響

目前鑄造生產使用的CO2氣硬堿性酚醛樹脂普遍存在樹脂粘度較大的問題，出現造型制芯困難，樹脂與原砂混合不均勻，而影響型砂的性能，并且容易在鑄造過程中影響鑄件表面質量。因此，鑄造生產要求在保證樹脂砂強度的前提下，降低樹脂的粘度。本試驗中，在樹脂制備階段，同時加入堿和改性劑醇，在醇和堿的共同催化作用下[8]，降低樹脂的粘度，而樹脂砂仍然具有較高的粘結強度，提高了造型、制芯過程中的混砂效率，同時保證鑄件的表面質量。從表3試驗結果來看，乙二醇和三甘醇作為改性劑能夠降低樹脂粘度，抗壓強度下降較少，但乙二醇粘度下降更為明顯，因此本實驗中選擇乙二醇作為改性劑。

表3 不同改性劑對樹脂粘度和粘結強度的影響（樹脂加入量為2%）

4 結論

本次實驗進行了酚醛樹脂合成工藝方案設計，并分析了各個組元在樹脂合成中的作用，通過正交試驗最終確定了甲基酚醛樹脂的最佳合成工藝。通過實驗測定了硼砂對樹脂砂粘結強度的影響，同時加入乙二醇和醚作為樹脂改性劑，以降低樹脂粘度，提高樹脂砂粘結強度。