樹(shù)脂合成用料視角下邦尼樹(shù)脂與堿酚醛樹(shù)脂環(huán)保性和再生性的差異分析

關(guān)鍵詞：邦尼樹(shù)脂；堿酚醛樹(shù)脂；鑄造性能；環(huán)保性；再生性

中圖分類號(hào)：TQ324.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）05-0074-03

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.020

Abstract： Bonnie resinand alkaline phenolic resin both belong to the class offormaldehyde resins，and their casting processes are similar，but thereare significant diferences in therecovery rate andodorof resin used sand.From the perspectiveofresin synthesis materials，this papercomparesandanalyzes the environmental friendlinessandrecyclability of Bonnieresin and alkali phenolic resin.Analysis shows that Bonnie resin is significantly superior to alkaline phenolic resin in terms of environmental friendliness，recyclability，and economic benefits.

Keywords： Bonnie resin;alkali phenolic resin; casting performance; environmental friendlinessrecyclability

邦尼樹(shù)脂和堿酚醛樹(shù)脂均屬于甲階酚醛樹(shù)脂，二者擁有相似的鑄造工藝，但在樹(shù)脂舊型砂回收率和氣味等方面差異明顯[1-3]。本文結(jié)合邦尼樹(shù)脂和堿酚醛樹(shù)脂的合成工藝，對(duì)比邦尼樹(shù)脂與國(guó)內(nèi)外堿酚醛樹(shù)脂的游離甲醛和游離苯酚含量，分析兩種樹(shù)脂膜性質(zhì)對(duì)型砂再生性能的影響，然后開(kāi)展邦尼樹(shù)脂與堿酚醛樹(shù)脂型砂在工藝性上的對(duì)比（硅砂條件），分析兩種樹(shù)脂固體（硅砂）廢料排放對(duì)環(huán)境的影響。

1邦尼樹(shù)脂和堿酚醛樹(shù)脂的合成工藝

1.1邦尼樹(shù)脂合成工藝

邦尼樹(shù)脂試驗(yàn)時(shí)所需的改性原材料是可再生資源，它利用植物的下腳料，如腰果殼和杏仁油，原材料無(wú)毒無(wú)害，綠色環(huán)保，樹(shù)脂生產(chǎn)工廠用料符合國(guó)家綠色環(huán)保要求。邦尼樹(shù)脂的主體原材料為腰果屬植物、腰果酚、杏類植物、杏仁酚、玉米類植物、糠醇和糠醛等。草酸、鹽酸是合成樹(shù)脂時(shí)的催化劑，澆注后無(wú)殘留。邦尼樹(shù)脂生產(chǎn)是從控制源頭開(kāi)始的，無(wú)游離甲醛和苯酚；有機(jī)顆粒物含量低，處理起來(lái)比較容易，費(fèi)用低。

根據(jù)合成工藝，在 Ba（OH）₂ 催化下先合成腰果酚醛樹(shù)脂，將其加入糠醇或糠醛中進(jìn)行縮聚反應(yīng)，調(diào)整 pH 值，脫水，最終形成綜合性能好的邦尼樹(shù)脂。邦尼樹(shù)脂的 pH 值為 7.0～7.5 ，黏度為 。

邦尼樹(shù)脂的游離甲醛含量為 0.0% ，游離苯酚含量為0.0% ，有造型氣味，澆注氣味輕，煙小，冒煙持續(xù)時(shí)間為 0.2～0.4h ，有毒氣味穿透力弱（基本無(wú)），有機(jī)廢氣產(chǎn)生少，廢氣治理難度小，費(fèi)用低。

1.2堿酚醛樹(shù)脂合成工藝

堿酚醛樹(shù)脂合成所需的原材料是苯酚、甲醛溶液（濃度 37% ）、NaOH、KOH和硅烷。堿酚醛樹(shù)脂的原材料分為兩類，一是石油副產(chǎn)品、甲醛和苯酚，屬于不可再生資源，二是氫氧化鉀和氫氧化鈉，易形成鹽類殘留。堿酚醛樹(shù)脂膜含有殘留鹽類物質(zhì)，易吸潮，影響再生[4]。

根據(jù)合成工藝，先加入一定量的苯酚與KOH升溫，加入甲醛反應(yīng)約 15min ，之后第二次加入NaOH和甲醛，升溫、真空脫水，使理論固體含量為 60% ，高溫反應(yīng)一段時(shí)間，冷卻至室溫，黏度達(dá)到 150MPa?_s 時(shí)降溫，加入適量的硅烷偶聯(lián)劑。合成原材料用的是石油類副產(chǎn)品，如苯酚和甲醛，其殘留物游離醛和酚是國(guó)家嚴(yán)格控制的，合成時(shí)氫氧化物用量較大，其加入量是甲醛加入量的 0.7～0.9 倍。合成時(shí)，苯酚與甲醛的摩爾比不大于1。堿性液體 pH 值介于13～14 。堿酚醛樹(shù)脂的游離甲醛含量不大于 0.2% ，游離苯酚含量不大于 0.5% ，有很輕的造型氣味，澆注氣味濃嗆，煙大，冒煙持續(xù)時(shí)間為 2～4h ，有毒氣味穿透力強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有機(jī)廢氣產(chǎn)生多，廢氣治理難度大，費(fèi)用高。

2邦尼樹(shù)脂與國(guó)內(nèi)外堿酚醛樹(shù)脂的游離甲醛和游離苯酚含量對(duì)比

經(jīng)對(duì)比，邦尼樹(shù)脂在環(huán)保性上遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)內(nèi)外的堿酚醛樹(shù)脂。如圖1所示，國(guó)內(nèi)堿酚醛樹(shù)脂游離甲醛含量不大于 0.2% ，國(guó)外堿酚醛樹(shù)脂游離甲醛含量不大于 0.1% ，但仍有一定殘留；邦尼樹(shù)脂通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)游離甲醛的完全消除，游離甲醛含量達(dá)到0.0% 。這表明邦尼樹(shù)脂不僅在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境友好，更大幅減少鑄造過(guò)程中有害物質(zhì)的釋放。國(guó)內(nèi)堿酚醛樹(shù)脂的游離苯酚含量不大于 0.5% ，國(guó)外不大于 0.2% ，而邦尼樹(shù)脂同樣達(dá)到 0.0% 的水平，完全無(wú)殘留。這一差異源于兩種樹(shù)脂在原材料選擇上的不同。邦尼樹(shù)脂采用可再生植物資源，徹底擺脫傳統(tǒng)石油化工副產(chǎn)品苯酚和甲醛的依賴，從源頭實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。同時(shí)，邦尼樹(shù)脂減少有毒氣體的釋放，降低對(duì)工人健康的威脅和對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，其優(yōu)勢(shì)在綠色制造和可持續(xù)發(fā)展方面尤為突出。

圖1邦尼樹(shù)脂與國(guó)內(nèi)外堿酚醛樹(shù)脂的游離甲醛和游離苯酚含量對(duì)比

3兩種樹(shù)脂膜性質(zhì)對(duì)型砂再生性能的影響

邦尼樹(shù)脂與堿酚醛樹(shù)脂在膜的性質(zhì)上存在顯著差異，這直接影響型砂的再生性能[5-。堿酚醛樹(shù)脂的薄膜通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成網(wǎng)狀的大分子鏈結(jié)構(gòu)，但其合成過(guò)程需要加入大量氫氧化物作為催化劑，導(dǎo)致樹(shù)脂中殘留鉀鹽和鈉鹽等堿金屬鹽。這些鹽類殘留不僅使樹(shù)脂膜具有較強(qiáng)的吸濕性，降低型砂的使用壽命，還使舊砂的再生性能顯著惡化。對(duì)于堿酚醛樹(shù)脂的再生，目前尚未找到理想的解決方案。具體影響主要有兩點(diǎn)。其一，鹽類物質(zhì)附著于型砂粒表面，特別是寶珠砂表面，會(huì)直接降低砂粒的耐火度及其循環(huán)使用壽命，導(dǎo)致更大的黏砂傾向；其二，堿酚醛樹(shù)脂形成的膜為韌性結(jié)構(gòu)，再生過(guò)程中難以機(jī)械剝離，隨著反復(fù)使用，砂粒會(huì)逐漸變大。相比之下，邦尼樹(shù)脂也形成網(wǎng)狀的大分子鏈結(jié)構(gòu)，但生產(chǎn)過(guò)程不使用會(huì)產(chǎn)生鹽類殘留的催化劑，其薄膜完全沒(méi)有鹽類殘留。這一特點(diǎn)使邦尼樹(shù)脂膜具有不易吸潮的特性，同時(shí)其膜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)脆性，更容易通過(guò)機(jī)械方式剝離，大大提高型砂的再生效率。邦尼樹(shù)脂的這一優(yōu)勢(shì)不僅使型砂的再生更為高效，還避免因鹽類殘留導(dǎo)致的性能惡化，其在環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性上明顯優(yōu)于堿酚醛樹(shù)脂。

4邦尼樹(shù)脂與堿酚醛樹(shù)脂型砂在工藝性上的對(duì)比（硅砂條件）

根據(jù)型砂特性，邦尼樹(shù)脂常溫強(qiáng)度較好，遇熱有二次硬化（一般），發(fā)氣量較高，發(fā)氣速率高，催化劑不參與反應(yīng)，硬透性一般，型砂硬化方式為從外向里，樹(shù)脂加入量為 0.9%～ 1.1% ，催化劑加入量為30%～50% ，型砂常溫比強(qiáng)度較高，高溫退讓性一般，高溫條件下燒結(jié)碳骨架殘留，樹(shù)脂膜呈脆性，在高溫燃燒后殘留少量碳骨架，不易吸潮，舊砂再生容易，單一砂工藝再生砂更好用，新砂消耗量小，采購(gòu)費(fèi)低。

根據(jù)型砂特性，堿酚醛樹(shù)脂常溫強(qiáng)度一般，遇熱有二次硬化（高），發(fā)氣量高，發(fā)氣速率低，固化劑參與反應(yīng)，硬透性好，型砂硬化方式為內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行，樹(shù)脂加入量為 1.3%～ 1.7% ，固化劑加入量為20%～25% ，型砂常溫比強(qiáng)度低，高溫退讓性較好，高溫條件下燒結(jié)時(shí)有玻璃狀殘留，樹(shù)脂膜韌性好，在高溫燃燒后殘留堿金屬鹽，易吸潮，舊砂再生困難，采用雙砂工藝，新砂好用，新砂消耗量大，采購(gòu)費(fèi)用高。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，邦尼樹(shù)脂加入量低，平均加入量為1.0% ，這意味著成本降低。2種樹(shù)脂發(fā)氣量相當(dāng)，但邦尼樹(shù)脂發(fā)氣速率高，注意排氣即可。兩種樹(shù)脂硬化方式不同，固化特點(diǎn)也不同。邦尼樹(shù)脂砂呈酸性，堿酚醛砂呈堿性， pH 值介于 12～14 。邦尼樹(shù)脂略有一定的二次硬化特點(diǎn)，近似甲階堿酚醛樹(shù)脂，故鑄造工藝?yán)^承性較好，原堿酚醛工藝、工裝可完整地使用。

5兩種樹(shù)脂固體（硅砂）廢料排放對(duì)環(huán)境的影響

根據(jù)廢料排放特征，邦尼樹(shù)脂舊型砂回收率為90%～95% ，新砂補(bǔ)充率為 5%～ 10% ，再生設(shè)備為2級(jí)機(jī)械，再生設(shè)備投資費(fèi)用低，再生方法基本定型，無(wú)須大幅改進(jìn)。堿酚醛樹(shù)脂舊型砂回收率為70%～85% ，新砂補(bǔ)充率為 15%～30% ，再生設(shè)備為多級(jí)機(jī)械（熱法），再生設(shè)備投資費(fèi)用高，再生方法處于摸索階段，持續(xù)改進(jìn)。

邦尼樹(shù)脂砂容易再生，設(shè)備投資少，能耗低。運(yùn)行中，新砂（硅砂）補(bǔ)充很少，節(jié)約新砂采購(gòu)資金。如果采用人造砂，型砂回收率更高，接近零排放。采用硅砂，堿酚醛樹(shù)脂加入量為 1.6% ，回收率為 85% ，砂鐵比為4時(shí)，舊砂排放造成固體廢料污染，固體廢料排放巨大，帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，如表1所示。邦尼樹(shù)脂加入量為 1.0% ，采用硅砂，回收率為 92% ，砂鐵比為4時(shí)，固體廢料產(chǎn)生量大幅度降低，舊砂排放沒(méi)有造成固體廢料污染，社會(huì)效益較好，如表2所示。如果選用寶珠砂，就可以進(jìn)一步降低邦尼樹(shù)脂砂廢料的排放量，型砂管理到位，采用人造砂可以實(shí)現(xiàn)近零排放。

表1采用堿酚醛樹(shù)脂的固體廢料產(chǎn)生量 單位：t

6結(jié)論

邦尼樹(shù)脂膜易再生，堿酚醛樹(shù)脂膜不易再生。堿酚醛再生砂中有鹽類物質(zhì)，砂粒耐火度低。邦尼樹(shù)脂再生型砂綜合性能穩(wěn)定，生產(chǎn)的厚壁鑄件質(zhì)量穩(wěn)定。邦尼樹(shù)脂膜中無(wú)鹽類物質(zhì)殘留，耐火度較高。如果采用人造寶珠砂，邦尼樹(shù)脂優(yōu)勢(shì)更容易得到發(fā)揮。邦尼樹(shù)脂采用磺酸固化劑，不宜生產(chǎn)忌硫、氮的鑄鋼件。

參考文獻(xiàn)

1鄭本陪.腰果酚的改性及其在呋喃樹(shù)脂防腐材料性能優(yōu)化上的應(yīng)用[D].蕪湖：安徽工程大學(xué)，2015.

2 虞華祥.鑄造用自硬呋喃樹(shù)脂固化劑的合成工藝研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

3 劉柄言.鑄造用呋喃樹(shù)脂糠醇代用材料的研究[D]沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2007.

4劉琦，孫小強(qiáng)，謝寅，等.鑄造用堿性酚醛樹(shù)脂粘結(jié)劑的研制[J].江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997（2）：42-45.

5熊高虎.腰果酚改性呋喃樹(shù)脂的性能研究[J].鑄造，2019（9）：1005-1008.

6 張林，張麗，翟保利，等.腰果酚改性酯固化酚醛樹(shù)脂的研究及性能表征[J].鑄造，2019（9）：1016-1020.