CN104525840B - 一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂及其制备方法，本发明使用胺改性热固性酚醛树脂作为窄分布低软化点快固化热塑性酚醛树脂覆膜砂的固化剂，固化温度低、速率快，最高温度只需要188℃，固化时间只需87s；制备过程中无需添加乌洛托品作为固化剂，无副产物、有害气体产生，对环境无危害；固化中采用脂肪族多胺作为胺类改性剂，使其固化后所得覆膜砂韧性大大提高，弯曲强度可达到7.8MPa。

Description

一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸造砂及其制备方法，尤其涉及一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂及其制备方法。
技术背景
热塑性酚醛树脂的一个重要用途就是制备金属铸造行业中的覆膜砂。热塑性酚醛树脂是覆膜砂的基体材料，其低聚物和固化后的性能对覆膜砂的性能有着重要影响。固化剂的种类和数量决定着酚醛树脂固化后的性能。目前，热塑性酚醛树脂的主要固化剂是乌洛托品(六亚甲基四胺)，简称HMTA。乌洛托品的固化机理一般认为是当树脂熔化时，其苯环上有未反应的活性点，此时乌洛托品分解并以次甲基桥将两个酚环连接起来，使树脂缩聚形成体型结构。也有文献认为，乌洛托品先与树脂中游离酚(一般小于5％)生成二(羟基苄)胺或三(羟基苄)胺的中间过渡产物，而过渡产物并不稳定，在较高固化温度下进一步与游离酚反应，释放出NH3以形成次甲基键交联树脂。六亚甲基四胺固化热塑性酚醛树脂存在很多问题：(1)固化温度偏高，需要250℃以上的温度；(2)固化后材料过脆；(3)胺味大，对环境不利。
发明内容
为解决使用六亚甲基四胺作为固化剂，制备覆膜砂的过程中存在的上述问题，本发明提供了一种固化温度低、固化后材料韧性好、对环境无污染的自增强酚醛树脂快固化覆膜砂及其制备方法。
本发明采用的技术方案是:一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂，它由原砂、热塑性酚醛树脂、胺改性热固性酚醛树脂和润滑剂混合制备而成，其中：热塑性酚醛树脂占原砂重量的1.8％～3.0％，胺改性热固性酚醛树脂占热塑性酚醛树脂的18％～30％，润滑剂占热塑性酚醛树脂的4％～6％；所述的热塑性性酚醛树脂由苯酚、甲醛和硅烷偶联剂在草酸作为催化剂的条件下制备而成，所述的胺改性热固性酚醛树脂由苯酚、甲醛和胺类改性剂在十六烷基三甲基溴化胺作为催化剂的条件下制备而成。
作为优选，所述润滑剂为硬脂酸钙。
作为优选，所述原砂为70～100目的石英砂。
上述自增强酚醛树脂快固化覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
A、热塑性性酚醛树脂的制备：
a)将苯酚和甲醛按照摩尔比1:0.7～0.9投入到反应釜中充分混合，然后向反应釜中加入催化剂和硅烷偶联剂形成混合溶液，控制溶液pH为2.1；b)加热混合溶液至60～70℃，回流1～2小时；c)控制溶液温度为80-90℃，滴加甲醛，控制溶液分子量分布指数为1.5～1.8；d)减压脱水，除去未反应的苯酚，即可得到所需热塑性性酚醛树脂；
B、胺改性热固性酚醛树脂的制备：
a)将苯酚、甲醛及胺类改性剂按摩尔比1:2.0～2.5:0.1～0.2投入到另一反应釜中充分混合；b)加入催化剂，固化，形成固化物；c)加入甲醇，调整固化物粘度至100泊，所得棕色液体产物即为所需胺改性热固性酚醛树脂；
C、覆膜砂的制备
a)将石英砂放入反应容器中加热至135～155℃；b)投入所述A步骤中得到的窄分布低软化点快固化热塑性酚醛树脂，搅拌均匀；c)投入所述B步骤中得到的胺改性热固性酚醛树脂，搅拌均匀；d)加入润滑剂，得到混合物；e)冷却步骤d得到的混合物，破碎、筛分包装，即得所需成品覆膜砂。
作为优选，所述步骤A中催化剂为草酸，用量为苯酚重量的3～5％，硅烷偶联剂为KH550或KH560，用量为苯酚重量的0.1％。
作为优选，所述步骤A中减压脱水温度为188℃。
作为优选，所述步骤B中催化剂为十六烷基三甲基溴化胺，用量为苯酚重量的0.1％。
作为优选，所述步骤B中胺类改性剂为脂肪族多胺，其组成为物质的量比为1:1的二乙烯三胺(DETA)和三乙烯四胺混合物。
本发明采用热固性酚醛树脂固化热塑性酚醛树脂，在干法覆膜制备覆膜砂的工艺条件下，制备自增强覆膜砂，实现酚醛树脂的自增强，且减少胺的使用，达到环保高强低温固化的作用。通过使用催化剂和硅烷偶联剂对热塑性酚醛树脂进行改性，提高热塑性酚醛树脂的固化速度，降低固化温度，通过使用胺类改性剂对热固性酚醛树脂的改性，防止热固性酚醛树脂的提前自聚。
本发明取得的有益效果：本发明使用胺改性热固性酚醛树脂作为热塑性酚醛树脂覆膜砂的固化剂，固化温度低、速率快，最高温度只需要188℃，固化时间只需87s；制备过程中无需添加乌洛托品作为固化剂，无副产物、有害气体产生，对环境无危害，且固化后所得覆膜砂韧性大大提高，弯曲强度可达到7.8MPa。
附图说明
图1是热塑性酚醛树脂的反应机理示意图；
图2是胺改性热固性酚醛树脂的反应机理示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方式进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
将含37％甲醛的水溶液与苯酚按照摩尔比1:1.1投入到反应釜1中充分混合；然后向反应釜1中加入占苯酚重量3％的草酸作为催化剂，加入占苯重量0.1％的Y-氨丙基三乙氧基硅烷作为硅烷偶联剂，控制溶液pH为2.1，形成混合溶液；将上述混合溶液采用水浴加热至60℃，回流1小时；然后向溶液中匀速滴加甲醛,滴加速度为2kg/min，控制溶液温度为80℃，直至用凝胶渗透色谱检测溶液分子量分布指数为D＝M(w)/M(n)为1.5，停止滴加甲醛；最后将溶液减压脱水，并除去未反应的苯酚，控制脱水温度为188℃，即可得到所需热塑性性酚醛树脂。
将苯酚、含37％甲醛水溶液、二乙烯三胺、三乙烯四胺按物质的量比1:2.0:0.05:0.05投入到另一反应釜2中充分混合，然后向该反应釜2加入占苯酚重量0.1％的十六烷基三甲基溴化胺作为催化剂，使其充分反应，固化，形成固化物；向上述固化物中匀速加入15％的甲醇水溶液，调整其粘度，直至粘度为100泊，所得棕色溶液即为所需胺改性热固性酚醛树脂。
将200KG、70目石英砂放入反应容器中加热至135℃，向容器中投入3.6KG的热塑性性酚醛树脂，搅拌55秒；然后向容器中投入0.65KG的胺改性热固性酚醛树脂，搅拌20秒；最后向容器中加入0.14KG的硬脂酸钙，得到混合物，再将混合物冷却到70℃以下，破碎、筛分包装，即得覆膜砂。
实施例2
将含37％甲醛的水溶液与苯酚按照摩尔比1:1.1投入到反应釜1中充分混合；然后向反应釜1中加入占苯酚重量3％的草酸作为催化剂，加入占苯酚重量0.1％的Y-氨丙基三乙氧基硅烷作为硅烷偶联剂，控制溶液pH为2.1，将所得溶液采用水浴加热至60℃，回流1小时，形成混合溶液；然后向混合溶液中匀速滴加甲醛，滴加速度为2kg/min，控制溶液温度为85℃，直至用凝胶渗透色谱检测溶液分子量分布指数为D＝M(w)/M(n)为1.6，停止滴加甲醛；最后将溶液减压脱水，并除去未反应的苯酚，控制脱水温度为188℃，即可得到所需热塑性性酚醛树脂。
将苯酚、含37％甲醛水溶液、二乙烯三胺、三乙烯四胺按物质的量比1:2.2:0.05:0.05投入到反应釜2中充分混合，然后向反应釜2加入占苯酚重量0.1％的十六烷基三甲基溴化胺作为催化剂，使其充分反应，固化，形成固化物；向上述固化物中匀速加入15％的甲醇水溶液，调整其粘度，直至粘度为100泊，所得棕色溶液即为所需胺改性热固性酚醛树脂。
将200KG、80目石英砂放入反应容器中加热至140℃，向容器中投入4.2KG的热塑性性酚醛树脂，搅拌56秒；然后向容器中投入0.88KG的胺改性热固性酚醛树脂，搅拌22秒；最后向容器中加入O.19KG的硬脂酸钙，得到混合物，再将混合物冷却到70℃以下，破碎、筛分包装，即得覆膜砂。
实施例3
将含37％甲醛的水溶液与苯酚按照摩尔比1:1.2投入到反应釜1中充分混合；然后向反应釜1中加入占苯酚重量4％的草酸作为催化剂，加入占苯酚重量0.1％的Y-氨丙基三乙氧基硅烷作为硅烷偶联剂，控制溶液pH为2.1，将所得溶液采用水浴加热至65℃，回流1.5小时，形成混合溶液；然后向混合溶液中匀速滴加甲醛，滴加速度为2kg/min，控制溶液温度为85℃，直至用凝胶渗透色谱检测溶液分子量分布指数为D＝M(w)/M(n)为1.7，停止滴加甲醛；最后将溶液减压脱水，并除去未反应的苯酚，控制脱水温度为188℃，即可得到所需热塑性性酚醛树脂。
将苯酚、含37％甲醛水溶液、二乙烯三胺、三乙烯四胺按物质的量比1:2.3:0.05:0.05投入到反应釜2中充分混合，然后向反应釜2加入占苯酚重量0.1％的十六烷基三甲基溴化胺作为催化剂，使其充分反应，固化，形成固化物；向固化物中匀速加入15％的甲醇水溶液，调整其粘度，直至粘度为100泊，所得棕色溶液即为所需胺改性热固性酚醛树脂。
将200KG、80目石英砂放入反应容器中加热至145℃，向容器中投入4.8KG的热塑性性酚醛树脂，搅拌57秒；然后向容器中投入1.15KG的胺改性热固性酚醛树脂，搅拌24秒；最后向容器中0.24KG的硬脂酸钙，得到混合物，再将混合物冷却到70℃以下，破碎、筛分包装，即得覆膜砂。
实施例4
将含37％甲醛的水溶液与苯酚按照摩尔比1:1.2投入到反应釜1中充分混合；然后向反应釜1中加入占苯酚重量5％的草酸作为催化剂，加入占苯酚重量0.1％的Y-氨丙基三乙氧基硅烷作为硅烷偶联剂，控制溶液pH为2.1，将所得溶液采用水浴加热至65℃，回流1.5小时，形成混合溶液；然后向混合溶液中匀速滴加甲醛，滴加速度为2kg/min，控制溶液温度为85℃，直至用凝胶渗透色谱检测溶液分子量分布指数为D＝M(w)/M(n)为1.7，停止滴加甲醛；最后将溶液减压脱水，并除去未反应的苯酚，控制脱水温度为188℃，即可得到所需热塑性性酚醛树脂。
将苯酚、含37％甲醛水溶液、二乙烯三胺、三乙烯四胺按物质的量比1:2.4:0.01:0.01投入到反应釜2中充分混合，然后向反应釜2加入占苯酚重量0.1％的十六烷基三甲基溴化胺作为催化剂，使其充分反应，固化，形成固化物；向固化物中匀速加入15％的甲醇水溶液，调整其粘度，直至粘度为100泊，所得棕色溶液即为所需胺改性热固性酚醛树脂。
将200KG、90目石英砂放入反应容器中加热至145℃，向容器中投入5.4KG的热塑性性酚醛树脂，搅拌58秒；然后向容器中投入1.46KG的胺改性热固性酚醛树脂，搅拌26秒；最后向容器中加入0.30KG的硬脂酸钙，得到混合物，再将混合物冷却到70℃以下，破碎、筛分包装，即得覆膜砂。
实施例5
将含37％甲醛的水溶液与苯酚按照摩尔比1:1.2投入到反应釜1中充分混合；然后向反应釜1中加入占苯酚重量6％的草酸作为催化剂，加入占苯酚重量0.1％的Y-氨丙基三乙氧基硅烷作为硅烷偶联剂，控制溶液pH为2.1，将所得溶液采用水浴加热至70℃，回流2小时，形成混合溶液；然后向混合溶液中匀速滴加甲醛，滴加速度为2kg/min，控制溶液温度为90℃，直至用凝胶渗透色谱检测溶液分子量分布指数为D＝M(w)/M(n)为1.8，停止滴加甲醛；最后将溶液减压脱水，并除去未反应的苯酚，控制脱水温度为188℃，即可得到所需热塑性性酚醛树脂。
将苯酚、含37％甲醛水溶液、二乙烯三胺、三乙烯四胺按物质的量比1:2.5:0.01:0.01投入到反应釜2中充分混合，然后向反应釜2加入占苯酚重量0.1％的十六烷基三甲基溴化胺作为催化剂，使其充分反应，固化，形成固化物；向固化物中匀速加入15％的甲醇水溶液，调整其粘度，直至粘度为100泊，所得棕色溶液即为所需胺改性热固性酚醛树脂。
将200KG、100目石英砂放入反应容器中加热至155℃，向容器中投入6.0KG的热塑性性酚醛树脂，搅拌60秒；然后向容器中投入1.62KG的胺改性热固性酚醛树脂，搅拌30秒；最后向容器中加入0.36KG的硬脂酸钙，得到混合物，再将混合物冷却到70℃以下，破碎、筛分包装，即得覆膜砂。

Claims (6)

1.一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂，它由原砂、热塑性酚醛树脂、胺改性热固性酚醛树脂和润滑剂混合制备而成，其中：热塑性酚醛树脂占原砂重量的1.8％～3.0％，胺改性热固性酚醛树脂占热塑性酚醛树脂的18％～30％，润滑剂占热塑性酚醛树脂的4％～6％；所述的热塑性酚醛树脂由苯酚、甲醛和硅烷偶联剂在草酸作为催化剂的条件下制备而成，所述的胺改性热固性酚醛树脂由苯酚、甲醛和胺类改性剂在十六烷基三甲基溴化胺作为催化剂的条件下制备而成；所述润滑剂为硬脂酸钙，所述原砂为70～100目的石英砂。
2.权利要求1所述的一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
A、热塑性酚醛树脂的制备：
a)将苯酚和甲醛按照摩尔比1:0.7～0.9投入到反应釜中充分混合，然后向反应釜中加入催化剂和硅烷偶联剂形成混合溶液，控制溶液pH为2.1；b)加热至60～70℃，回流1～2小时；c)控制溶液温度为80-90℃，滴加甲醛，控制溶液分子量分布指数为1.5～1.8；d)减压脱水，除去未反应的苯酚，即可得到所需热塑性酚醛树脂；
B、胺改性热固性酚醛树脂的制备：
a)将苯酚、甲醛及胺类改性剂按摩尔比1:2.0～2.5:0.1～0.2投入到另一反应釜中充分混合；b)加入催化剂，固化，形成固化物；c)加入甲醇，调整固化物粘度至100泊，所得棕色液体产物即为所需胺改性热固性酚醛树脂；
C、覆膜砂的制备
a)将石英砂放入反应容器中加热至135～155℃；b)投入所述A步骤中得到的窄分布低软化点快固化热塑性酚醛树脂，搅拌均匀；c)投入所述B步骤中得到的胺改性热固性酚醛树脂，搅拌均匀；d)加入润滑剂，得到混合物；e)冷却步骤d得到的混合物，破碎、筛分包装，即得所需成品覆膜砂。
3.根据权利要求2所述的一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂的制备方法，其特征在于：所述步骤A中催化剂为草酸，用量为苯酚重量的3～5％，硅烷偶联剂为KH550或KH560，用量为苯酚重量的0.1％。
4.根据权利要求2所述的一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂的制备方法，其特征在于：所述步骤A中减压脱水温度为188℃。
5.根据权利要求2所述的一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂的制备方法，其特征在于：所述步骤B中催化剂为十六烷基三甲基溴化胺，用量为苯酚重量的0.1％。
6.根据权利要求2所述的一种自增强酚醛树脂快固化覆膜砂的制备方法，其特征在于：所述步骤B中胺类改性剂为脂肪族多胺，其为摩尔比为1:1的二乙烯三胺(DETA)和三乙烯四胺组成的混合物。
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