改性醇酸樹脂砂強度及可使用時間研究

（寧夏共享化工有限公司，寧夏銀川 750021）

改性醇酸樹脂砂強度及可使用時間研究

孫鴻緒，何龍，方建濤

（寧夏共享化工有限公司，寧夏銀川 750021）

在對用植物油為主要原料制造醇酸樹脂及其與異氰酸酯聚合機理的研究基礎(chǔ)上，研究了梓油作為原料合成的醇酸樹脂與異氰酸酯的反應(yīng)在鑄造業(yè)的砂型/芯制作中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，植物油使用梓油合成的醇酸樹脂在砂型/芯制作中反應(yīng)速度較快，不適合于溫度較高時造型，但對于低溫下的造型則很有利。

醇酸樹脂；梓油；鑄造；粘結(jié)劑

0 前言

醇酸樹脂是由脂肪酸、多元醇及多元酸通過聚酯反應(yīng)合成的樹脂，具有原料易得、性能優(yōu)良等優(yōu)點，在涂料工業(yè)中應(yīng)用廣泛。受自干醇酸樹脂清漆[1]及其改性研究[2-3]的啟發(fā)，早前[4]我們研究過將醇酸樹脂進行改性應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域，作為砂型的粘結(jié)劑，但在進一步實踐中發(fā)現(xiàn)，此種樹脂在夏季使用性能良好，對造型工廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)有較好的適應(yīng)性，但在冬季氣溫低時，型砂的固化反應(yīng)慢，在生產(chǎn)中表現(xiàn)為起模時間長，會影響生產(chǎn)效率。為解決這一問題，我們選擇碘值更高的植物油生產(chǎn)醇酸樹脂，以縮短固化起模時間，加快生產(chǎn)效率。

1 實驗部分

1.1 反應(yīng)機理

（1）植物油中的酯在210～220 ℃下與醇發(fā)生醇解反應(yīng)：

（2）醇解產(chǎn)物與多元酸發(fā)生酯化：

（3）固化。在實際反應(yīng)中，由于空間位阻及原料配比的原因，尤其是醇加入量過量的情況下，酯化產(chǎn)物端基會有一定比例的羥基，為后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生可能。

1.2 實驗儀器與試劑

500 ml四口玻璃燒瓶，配套機械攪拌器一套，電加熱套，油水分離器，蛇形冷凝管，水銀溫度計，XQY-Ⅱ智能型砂強度機，SHY-A葉片式混砂機，NDJ-5S數(shù)字式粘度計，“8”字形標(biāo)準(zhǔn)試樣模具）、氮氣系統(tǒng)。

梓油（工業(yè)級）、甘油（工業(yè)級，99.5%）、鄰苯二甲酸酐（工業(yè)級）、氧化鈣（分析純）、200#溶劑油（工業(yè)級）、環(huán)烷酸鈷（工業(yè)級）。

標(biāo)準(zhǔn)砂（大林）、多聚異氰酸酯（工業(yè)級）。

1.3 實驗方法

經(jīng)實驗驗證，可用的實驗配方范圍為：梓油30%～55%，多元醇4%～10%，多元酸10%～25%，溶劑20%～40%，催干劑0.5%～2.5%，二甲苯1%，催化劑0.1%。

其中一個典型的方法為：四口瓶中加入161 g梓油，35 g甘油，打開機械攪拌、加熱套，通氮氣保護；升溫至130 ℃，加入0.3 g氧化鈣；繼續(xù)升溫至210 ℃計時反應(yīng)3 h；保溫結(jié)束后關(guān)閉加熱自然冷卻，降溫至120 ℃，停通氮氣，加入80 g苯酐，加入20 g二甲苯，換上回流裝置，升溫；等回流開始時計時反應(yīng)50 min；停止加熱，自然降溫至120 ℃加入120 g 200#溶劑油，繼續(xù)降溫至90 ℃，加入4 g環(huán)烷酸鈷；降溫至70 ℃以下，停止攪拌，得到產(chǎn)品。

1.4 性能檢測

外觀：紅棕色半透明液體。

密度：1.15 g/mL（20 ℃）。

粘度：350 mPa·s（20 ℃）。

混砂：標(biāo)準(zhǔn)砂中加入固化劑（多聚異氰酸酯），預(yù)混60 s，加入實驗樹脂，混砂60 s，制備試樣。

抗拉強度：將混好的樹脂砂加入“8”字形標(biāo)準(zhǔn)試樣模具制作試塊，24 h后測定其抗拉強度。

可使用時間測定：按前述方法混砂后立即制備一組試塊，此后每隔10 min在“8”字型模具中制備一組試樣，24 h后測定其抗拉強度，當(dāng)某組強度衰減至第一組混砂試塊強度的70%時，所對應(yīng)的制樣時間記為可使用時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑/樹脂加入量對抗拉強度的影響

使用正交試驗的方法，調(diào)整醇酸樹脂在原砂中的占比，測定固化劑占樹脂不同比例（質(zhì)量分數(shù)，下同）下的24 h抗拉強度。圖1是在不同的樹脂加入量下，隨著固化劑/樹脂比例的改變，制成的“8”字試塊的抗拉強度。

由圖1可知，固化劑占樹脂比例相同時，隨著樹脂加入量在原砂中含量的增加，型砂強度逐漸增加。樹脂加入量相同時，隨著固化劑/樹脂比例的增大，型砂抗拉強度呈現(xiàn)先增大后趨平的現(xiàn)象，在固化劑/樹脂=40%左右達到拐點。

樹脂、固化劑任一項的增加都會導(dǎo)致成本上升，且隨著固化劑的加入量增加，澆注時產(chǎn)生的氣體越多，越容易產(chǎn)生氣孔，對鑄件的質(zhì)量和外觀影響越大。結(jié)合生產(chǎn)需要的強度綜合考慮，根據(jù)鑄件大小及復(fù)雜程度選擇樹脂加入量為1.5%～2.0%為最佳樹脂加入量，選取固化劑為樹脂加入量的40%～50%作為最佳配比。

2.2 可使用時間與溫度的關(guān)系

在實驗室條件下模擬生產(chǎn)車間在不同季節(jié)下的砂芯強度。

分別將原砂、樹脂和固化劑6組置于-10、0、10、20、30、40 ℃下2 h，取出以樹脂加入量1.5%，固化劑占比40%，按照前述可使用時間的測定方法，制成“8”字試塊后放置在相應(yīng)溫度下，24 h后測定各組試塊的抗拉強度，以此判定不同溫度下的可使用時間。

由圖2可知，隨著造型時溫度的升高，經(jīng)過相同時間造型的試塊強度下降越來越明顯，亦即可使用時間越來越短。生產(chǎn)中需要可使用時間在30 min以上，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，對應(yīng)大約20 ℃時的數(shù)據(jù)，即在溫度不超過20 ℃時，本文所述樹脂可以在生產(chǎn)中使用。隨著溫度的下降，在不高于20 ℃且不低于-10 ℃時，本文所述樹脂可以有很長的可使用時間及較高強度，較好地解決了早前[4]樹脂在低溫下固化慢、起模時間長的問題。

圖1 固化劑/樹脂加入量對抗拉強度的影響

圖2 不同溫度下抗拉強度與造型時間的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）一定樹脂、固化劑加入范圍內(nèi)，在同等樹脂、固化劑配比下，隨著樹脂在標(biāo)準(zhǔn)砂中加入量的增加，實驗試塊的抗拉強度增大；在同等樹脂加入量下，隨固化劑對樹脂比例的增大，型砂抗拉強度先升高后趨平，在固化劑/樹脂=40%左右達到拐點。

（2）一定溫度范圍內(nèi)，樹脂的可使用時間隨溫度的上升而減少，使用本實驗方法合成的樹脂在溫度不超過20 ℃時可滿足生產(chǎn)所需可使用時間。

（3）在溫度不超過20 ℃且不低于-10 ℃時，使用本實驗方法合成醇酸樹脂，當(dāng)樹脂加入量為原砂質(zhì)量的1.5%～2%，固化劑加入量為樹脂加入量的40%時，所制成的砂型/芯性能最優(yōu)，其抗拉強度可達到1.75～2.25 MPa，可使用時間不少于30 min。

[1] 胡喬生, 家波, 范小林,等. 水溶性自干醇酸樹脂清漆的研制[J],化學(xué)建材, 2007,23(4):14-16.

[2] H. J. LANSON. Chemistry and Technology of Alkyd and Saturat ed Resctive Polyester Resins [J]. Applied Polymer Science, 1985:1181-1204.

[3] 趙韜. 水性改性醇酸樹脂合成及其性能研究[D], 廣州, 華南理工大學(xué), 2013.

[4] 何龍, 孫鴻緒, 朱勁松.一種環(huán)保型大型鑄件用新型樹脂的合成研究[J]，中國鑄造裝備與技術(shù), 2014（6）:44-46.

Research on strength and using time of new epoxy resin casting sand

SUN HongXu, HE Long, Fang JianTao
(Ningxia Kocel Chemicals Co. Ltd., Yinchuan 750021, Ningxia, China)

Based on using vegetable oils as raw materials to make alkyd resins and based on the study on polymerization mechanism of isocyanate, catalpa oil was studied as synthesis of alkyd resins react with isocyanate application in Foundry sand/ core production. Experimental results showed that the synthesis of vegetable oil use oil alkyd resin sand mold making responses faster/ core, not suitable for higher temperature model, which is good for styling at low temperatures.

alkyd resin; catalpa oil; casting;binder

TG22；

A；

1 006-9658（201 6）04-0053-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.01 3

2016-01-22

稿件編號: 1601-1227

孫鴻緒（1990—），男，助理工程師，主要從事鑄造粘結(jié)劑及鑄造輔材的研究.