改性醇酸树脂砂强度及可使用时间研究

（宁夏共享化工有限公司，宁夏银川 750021）

改性醇酸树脂砂强度及可使用时间研究

孙鸿绪，何龙，方建涛

（宁夏共享化工有限公司，宁夏银川 750021）

在对用植物油为主要原料制造醇酸树脂及其与异氰酸酯聚合机理的研究基础上，研究了梓油作为原料合成的醇酸树脂与异氰酸酯的反应在铸造业的砂型/芯制作中的应用。实验结果表明，植物油使用梓油合成的醇酸树脂在砂型/芯制作中反应速度较快，不适合于温度较高时造型，但对于低温下的造型则很有利。

醇酸树脂；梓油；铸造；粘结剂

0 前言

醇酸树脂是由脂肪酸、多元醇及多元酸通过聚酯反应合成的树脂，具有原料易得、性能优良等优点，在涂料工业中应用广泛。受自干醇酸树脂清漆[1]及其改性研究[2-3]的启发，早前[4]我们研究过将醇酸树脂进行改性应用于铸造领域，作为砂型的粘结剂，但在进一步实践中发现，此种树脂在夏季使用性能良好，对造型工厂的生产环节有较好的适应性，但在冬季气温低时，型砂的固化反应慢，在生产中表现为起模时间长，会影响生产效率。为解决这一问题，我们选择碘值更高的植物油生产醇酸树脂，以缩短固化起模时间，加快生产效率。

1 实验部分

1.1 反应机理

（1）植物油中的酯在210～220 ℃下与醇发生醇解反应：

（2）醇解产物与多元酸发生酯化：

（3）固化。在实际反应中，由于空间位阻及原料配比的原因，尤其是醇加入量过量的情况下，酯化产物端基会有一定比例的羟基，为后续反应产生可能。

1.2 实验仪器与试剂

500 ml四口玻璃烧瓶，配套机械搅拌器一套，电加热套，油水分离器，蛇形冷凝管，水银温度计，XQY-Ⅱ智能型砂强度机，SHY-A叶片式混砂机，NDJ-5S数字式粘度计，“8”字形标准试样模具）、氮气系统。

梓油（工业级）、甘油（工业级，99.5%）、邻苯二甲酸酐（工业级）、氧化钙（分析纯）、200#溶剂油（工业级）、环烷酸钴（工业级）。

标准砂（大林）、多聚异氰酸酯（工业级）。

1.3 实验方法

经实验验证，可用的实验配方范围为：梓油30%～55%，多元醇4%～10%，多元酸10%～25%，溶剂20%～40%，催干剂0.5%～2.5%，二甲苯1%，催化剂0.1%。

其中一个典型的方法为：四口瓶中加入161 g梓油，35 g甘油，打开机械搅拌、加热套，通氮气保护；升温至130 ℃，加入0.3 g氧化钙；继续升温至210 ℃计时反应3 h；保温结束后关闭加热自然冷却，降温至120 ℃，停通氮气，加入80 g苯酐，加入20 g二甲苯，换上回流装置，升温；等回流开始时计时反应50 min；停止加热，自然降温至120 ℃加入120 g 200#溶剂油，继续降温至90 ℃，加入4 g环烷酸钴；降温至70 ℃以下，停止搅拌，得到产品。

1.4 性能检测

外观：红棕色半透明液体。

密度：1.15 g/mL（20 ℃）。

粘度：350 mPa·s（20 ℃）。

混砂：标准砂中加入固化剂（多聚异氰酸酯），预混60 s，加入实验树脂，混砂60 s，制备试样。

抗拉强度：将混好的树脂砂加入“8”字形标准试样模具制作试块，24 h后测定其抗拉强度。

可使用时间测定：按前述方法混砂后立即制备一组试块，此后每隔10 min在“8”字型模具中制备一组试样，24 h后测定其抗拉强度，当某组强度衰减至第一组混砂试块强度的70%时，所对应的制样时间记为可使用时间。

2 结果与讨论

2.1 固化剂/树脂加入量对抗拉强度的影响

使用正交试验的方法，调整醇酸树脂在原砂中的占比，测定固化剂占树脂不同比例（质量分数，下同）下的24 h抗拉强度。图1是在不同的树脂加入量下，随着固化剂/树脂比例的改变，制成的“8”字试块的抗拉强度。

由图1可知，固化剂占树脂比例相同时，随着树脂加入量在原砂中含量的增加，型砂强度逐渐增加。树脂加入量相同时，随着固化剂/树脂比例的增大，型砂抗拉强度呈现先增大后趋平的现象，在固化剂/树脂=40%左右达到拐点。

树脂、固化剂任一项的增加都会导致成本上升，且随着固化剂的加入量增加，浇注时产生的气体越多，越容易产生气孔，对铸件的质量和外观影响越大。结合生产需要的强度综合考虑，根据铸件大小及复杂程度选择树脂加入量为1.5%～2.0%为最佳树脂加入量，选取固化剂为树脂加入量的40%～50%作为最佳配比。

2.2 可使用时间与温度的关系

在实验室条件下模拟生产车间在不同季节下的砂芯强度。

分别将原砂、树脂和固化剂6组置于-10、0、10、20、30、40 ℃下2 h，取出以树脂加入量1.5%，固化剂占比40%，按照前述可使用时间的测定方法，制成“8”字试块后放置在相应温度下，24 h后测定各组试块的抗拉强度，以此判定不同温度下的可使用时间。

由图2可知，随着造型时温度的升高，经过相同时间造型的试块强度下降越来越明显，亦即可使用时间越来越短。生产中需要可使用时间在30 min以上，根据实验数据，对应大约20 ℃时的数据，即在温度不超过20 ℃时，本文所述树脂可以在生产中使用。随着温度的下降，在不高于20 ℃且不低于-10 ℃时，本文所述树脂可以有很长的可使用时间及较高强度，较好地解决了早前[4]树脂在低温下固化慢、起模时间长的问题。

图1 固化剂/树脂加入量对抗拉强度的影响

图2 不同温度下抗拉强度与造型时间的关系

3 结论

（1）一定树脂、固化剂加入范围内，在同等树脂、固化剂配比下，随着树脂在标准砂中加入量的增加，实验试块的抗拉强度增大；在同等树脂加入量下，随固化剂对树脂比例的增大，型砂抗拉强度先升高后趋平，在固化剂/树脂=40%左右达到拐点。

（2）一定温度范围内，树脂的可使用时间随温度的上升而减少，使用本实验方法合成的树脂在温度不超过20 ℃时可满足生产所需可使用时间。

（3）在温度不超过20 ℃且不低于-10 ℃时，使用本实验方法合成醇酸树脂，当树脂加入量为原砂质量的1.5%～2%，固化剂加入量为树脂加入量的40%时，所制成的砂型/芯性能最优，其抗拉强度可达到1.75～2.25 MPa，可使用时间不少于30 min。

[1] 胡乔生, 家波, 范小林,等. 水溶性自干醇酸树脂清漆的研制[J],化学建材, 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] 赵韬. 水性改性醇酸树脂合成及其性能研究[D], 广州, 华南理工大学, 2013.

[4] 何龙, 孙鸿绪, 朱劲松.一种环保型大型铸件用新型树脂的合成研究[J]，中国铸造装备与技术, 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

稿件编号: 1601-1227

孙鸿绪（1990—），男，助理工程师，主要从事铸造粘结剂及铸造辅材的研究.