鑄造用CO2氣硬酚醛樹脂粘結(jié)劑性能研究

孫 琪，李廣宇，李秋鶴

（營口理工學(xué)院遼寧營口，遼寧 營口 115000）

CO2氣硬堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑是英國上世紀(jì)80年代推出的一種新型粘結(jié)劑，其環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、制備工藝簡單、使用效果好，因而被稱為面向21世紀(jì)的造型材料之一[1]。CO2氣硬堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑不含氮、硫、磷等有害元素[2]，生產(chǎn)中鑄件質(zhì)量得以保證，采用CO2氣體硬化，對(duì)空氣和環(huán)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(yōu)勢(shì)。CO2氣體的硬性酚醛樹脂生產(chǎn)工藝并不復(fù)雜，并且可以避免過吹問題出現(xiàn)。使用該種粘結(jié)劑制成的砂芯工藝較簡化，容易操作，可滿足不同生產(chǎn)規(guī)模的需要，并且適合于手工制芯，一些小型工廠也可達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。CO2氣硬堿性酚醛樹脂可達(dá)到環(huán)保級(jí)別，在進(jìn)行鑄造過程中能夠有效節(jié)約能源[3]，應(yīng)用范圍較廣泛。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)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(biāo)準(zhǔn)硅砂）。

制備酚醛樹脂及樹脂砂的實(shí)驗(yàn)儀器主要有： JB300-D型電動(dòng)攪拌器增力電動(dòng)攪拌器、三口瓶、四口瓶、溫度計(jì)、冷凝管、滴定管、電子秤、SHY樹脂砂混砂機(jī)、SAC錘擊式制樣機(jī)、數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、型砂強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、發(fā)氣性測定儀等。

1.2 酚醛樹脂粘結(jié)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(yīng)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(fā)生縮聚反應(yīng)[4]。在甲醛過剩，用堿性催化劑的條件下，進(jìn)行反應(yīng)而制得熱固性酚醛樹脂（Resol型樹脂）。不同的樹脂合成工藝對(duì)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，可以提高其與甲醛反應(yīng)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(yàn)樣品持續(xù)進(jìn)行攪拌同時(shí)進(jìn)行加熱，稱取適量硼砂、KOH溶液加入到瓶中，進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚敝了屑尤肴芤和耆芙猓⑷牍柰榕悸?lián)劑、改良劑，將其進(jìn)行均勻混合，即可得到需要制備的甲基酚醛樹脂粘結(jié)劑。

2 實(shí)驗(yàn)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(jī)進(jìn)行混制，混制時(shí)間大約1分鐘，后將樹脂砂在SAC錘擊式制樣機(jī)上沖擊3次，沖制成?50mm x 50mm標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度一般可以用抗壓強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度表示。本次實(shí)驗(yàn)中測定的為應(yīng)用最多的抗壓強(qiáng)度，測定的為即時(shí)強(qiáng)度和終強(qiáng)度。

2.2 酚醛樹脂粘度的測定

利用數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定樹脂的粘度。從實(shí)驗(yàn)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(nèi)，從低落的第一滴樹脂直至容器內(nèi)樹脂材料全部滴完，讀取粘度計(jì)上數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 酚醛樹脂合成工藝正交試驗(yàn)

CO2硬化堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑中堿性酚醛樹脂是其重要的構(gòu)成物質(zhì)，對(duì)粘結(jié)劑的性能會(huì)有所影響[6]。酚醛樹脂合成工藝試驗(yàn)過程中，要注意KOH、NaOH加入量、各種物質(zhì)反應(yīng)時(shí)間及加熱時(shí)間等有效參數(shù)記錄，在不同參數(shù)下進(jìn)行正交試驗(yàn)，如表1所示。本次實(shí)驗(yàn)采用表1的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 酚醛樹脂制備正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)繪制抗壓強(qiáng)度與各個(gè)因素之間的關(guān)系圖，如圖 1 所示。

圖1 各因素極差分析結(jié)果

從表2和圖1中可以看出，因素A和B對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較大，C和D影響較小。其中因素A、C和D對(duì)型砂抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)是先上升，然后下降，而因素B對(duì)型砂抗壓強(qiáng)度的影響是持續(xù)上升。對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言最佳組合A2B3C2D2，反應(yīng)溫度75 ℃，保溫時(shí)間1.5 h。

3.2 硼砂的影響

制備酚醛樹脂處于強(qiáng)堿條件，吹入CO2后粘結(jié)劑的pH值降低，處于弱堿狀態(tài)。此條件下硼砂主要以硼酸根離子的形式存在，粘結(jié)劑的固化是酚醛樹脂中酚羥基與硼酸根離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而引起的[7]。硼砂含量大，硼酸鹽的負(fù)離子含量多，固化后形成的交聯(lián)點(diǎn)多，強(qiáng)度就高。本次試驗(yàn)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(duì)型砂抗壓強(qiáng)度的影響見圖2，可看出，硼砂含量對(duì)型砂強(qiáng)度有明顯影響。沒有硼砂時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度幾乎為零，隨著硼砂加入量的增加，型砂試樣強(qiáng)度先增加后減小，這是由于樹脂中能夠與硼酸根離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的酚羥基數(shù)量有限，所以當(dāng)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(jié)晶，存在于粘結(jié)劑中，使粘結(jié)劑的強(qiáng)度下降。本次實(shí)驗(yàn)樹脂加入量為100g，當(dāng)硼砂加入量為16g時(shí)，型砂抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖2 硼砂含量對(duì)型砂抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 改性劑對(duì)酚醛樹脂性能的影響

目前鑄造生產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)量。因此，鑄造生產(chǎn)要求在保證樹脂砂強(qiáng)度的前提下，降低樹脂的粘度。本試驗(yàn)中，在樹脂制備階段，同時(shí)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(jié)強(qiáng)度，提高了造型、制芯過程中的混砂效率，同時(shí)保證鑄件的表面質(zhì)量。從表3試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度下降較少，但乙二醇粘度下降更為明顯，因此本實(shí)驗(yàn)中選擇乙二醇作為改性劑。

表3 不同改性劑對(duì)樹脂粘度和粘結(jié)強(qiáng)度的影響（樹脂加入量為2%）

4 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了酚醛樹脂合成工藝方案設(shè)計(jì)，并分析了各個(gè)組元在樹脂合成中的作用，通過正交試驗(yàn)最終確定了甲基酚醛樹脂的最佳合成工藝。通過實(shí)驗(yàn)測定了硼砂對(duì)樹脂砂粘結(jié)強(qiáng)度的影響，同時(shí)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(jié)強(qiáng)度。