CN110465619B - 铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统及其制备方法。所述铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统包括聚丙烯酸钠树脂和固化剂；所述聚丙烯酸钠树脂的化学成分按照质量份计算，具体为100份混合溶剂、20～40份丙烯酸、8～12份碱、8～12份水、0.1～1份引发剂、0.1～1份链终止剂、1～5份表面活性剂、1～5份氯化铝或氯化铁中的至少一种；所述固化剂的化学成分按照质量份计算，具体为100份过硫酸钠和80～120份水组成；所述聚丙烯酸钠树脂的数均分子量在6万以上。本发明树脂产品不含游离甲醛、游离酚等有害成分，无挥发性VOC成分，能够显著改善铸造现场作业环境，分解产物不含有害的苯类物质；且粘结剂系统为水性粘结剂，对人体无腐蚀和刺激性，容易操作。

Description

铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统及其制备方法
技术领域
本发明涉及铸造领域，具体涉及一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统及其制备方法。
背景技术
铸造粘结剂是铸造工业中涉及到的一种重要辅助材料之一。造型、制芯过程中所用的各种粘结剂中，粘土是历史悠久、应用广泛的粘结剂。粘土工艺使用量大，但是存在粘结强度差、硬化时间长等缺点，而且硬化过程中引入的水分等会对铸件产生不良影响。
随后，开发出了呋喃、酚醛这类人工合成的高分子粘结剂。铸造生产有5000多年历史，而人工合成粘结剂的应用只不过是近五、六十年的事。1944年，德国的 J.Croning用酚醛树脂作粘结剂的壳型铸造工艺。上世纪40年代后期，东欧各国和前苏联广泛采用水玻璃粘结砂。这两项工艺，以“化学硬化”的新概念，使广大铸造业界同仁耳目为之一新。以后，新的粘结剂体系层出不穷，造型材料及相关的工艺方法进入了一个崭新的时代。
呋喃、酚醛类粘结剂发展迅猛，短短时间内就改变了铸造行业的效率问题。同时，因为限于合成原料的限制，此类合成类粘结剂中不免含有游离甲醛、游离酚等有害成分，而在高温浇注过程中，此类有机粘结剂受热分解形成其它一些有害分解产物，排放到了大气中。另外，呋喃类粘结剂采用有机磺酸、无机强酸或是酸与低分子醇类的合成物作为固化剂，腐蚀性强，存在合成过程以及安全使用方面的隐患。综上，此类粘结剂一方面，不利于铸造工厂内劳动环境、空气质量的改善和提升，另一方面，也对环境造成了不容忽视的影响。
2001年，美国环保局，为控制有害气体对空气的污染，制订了“MACT标准”，“MACT”的含义是“可能达到的控制技术”。这项标准随即引起了铸造业界人士的极大关注，有人认为：“在此后的10～15年中，MACT标准对铸造厂的冲击将是广泛而深刻的”。美国的这一举措，必将影响到其他地方。
随着铸造行业环保问题的日益严峻，铸造行业环境准入愈来愈高，国家环保打击力度愈来愈大，酚醛、呋喃类合成类铸造粘结剂的弊端也暴露出来，新型环保型铸造粘结剂的开发已经成为必然趋势。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术存在的不足，开发出绿色环保的新型铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，从而解决传统铸造粘结剂含游离甲醛、游离酚的缺点。
为解决上述不足，本发明采用的技术方案为：
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，所述铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统包括聚丙烯酸钠树脂和固化剂；所述聚丙烯酸钠树脂的化学成分按照质量份计算，具体为100 份混合溶剂、20～40份丙烯酸、8～12份碱、8～12份水、0.1～1份引发剂、0.1～1 份链终止剂、1～5份表面活性剂、1～5份氯化铝或氯化铁中的至少一种；所述固化剂的化学成分按照质量份计算，具体为100份过硫酸钠和80～120份水组成。
进一步的，所述聚丙烯酸钠树脂的数均分子量在6万以上。
进一步的，所述的混合溶剂由水和非水溶性溶剂混合而成；所述水和所述非水溶性溶剂的混合的重量比例为1:0.2～0.5。
进一步的，所述非水溶性溶剂为环烷烃；所述环烷烃的碳原子个数为5～8。
进一步的，所述引发剂为过硫酸钾、亚硫酸氢钠、N,N-亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种。
进一步的，所述链终止剂为十二烷基硫醇或异丙醇中的至少一种；
进一步的，所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠或琥珀酸辛酯磺酸钠中的至少一种。
一种用于制备如上任一项所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统的方法，包括如下步骤：
A.聚丙烯酸钠树脂的制备：
1)水相制备：向碱溶解釜加入水，开启搅拌及冷却水系统，然后慢慢加入碱，搅拌至全部溶解；加入丙烯酸和链终止剂，搅拌10～30min至反应结束；
2)油相制备：开启搅拌，向乳化反应釜中加入混合溶剂，然后加入表面活性剂，快速搅拌10～30min；
3)将由步骤1)制得的水相加入到乳化反应釜中，釜内通入惰性气体进行保护，加入引发剂，加入氯化铝或氯化铁中的至少一种，开启水套加热，升温至50～60℃，保温2～4h行乳液聚合，然后升温至60～65℃，保温继续反应；
4)减压蒸馏，脱除有机溶剂，既得聚丙烯酸钠树脂产品；
B.固化剂的制备：开启固化剂制备釜搅拌，抽入水，然后加入过硫酸钠，充分搅拌至全部溶解。
如上任一项所述聚丙烯酸钠粘结剂系统的使用方法，在搅拌状态下，在铸造用型砂中加入聚丙烯酸钠树脂和固化剂。
本发明的有益效果：
(1)开发出的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统成功能应用于铸造行业，该类树脂不含游离甲醛、游离酚等有害成分，无挥发性VOC成分，能够显著改善铸造现场作业环境，分解产物不含有害的苯类物质，降低了浇铸过程中的烟气排放。
(2)粘结剂系统为水性粘结剂，对人体无腐蚀和刺激性，容易操作。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。实施例中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，所述铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统包括聚丙烯酸钠树脂和固化剂；所述聚丙烯酸钠树脂的化学成分按照质量份计算，具体为100 份混合溶剂、20～40份丙烯酸、8～12份碱、8～12份水、0.1～1份引发剂、0.1～1 份链终止剂、1～5份表面活性剂、1～5份氯化铝或氯化铁中的至少一种；所述固化剂的化学成分按照质量份计算，具体为100份过硫酸钠和80～120份水组成。
其中，所述聚丙烯酸钠树脂的数均分子量在6万以上；所述的碱包括氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或以上。所述的引发剂为过硫酸钾、亚硫酸氢钠、N,N-亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种；所述的链终止剂为十二烷基硫醇或异丙醇中的至少一种；所述的混合溶剂由水和非水溶性溶剂混合而成；所述水和所述非水溶性溶剂的混合的重量比例为1:0.2～0.5；所述非水溶性溶剂为环烷烃，环烷烃的碳原子个数为5～8；所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、琥珀酸辛酯磺酸钠中的至少一种。
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统的制备方法，包括如下步骤：
A.树脂的制备：
1)水相制备：向碱溶解釜加入水，开启搅拌及冷却水系统，然后慢慢加入碱，搅拌至全部溶解；加入丙烯酸和链终止剂，搅拌10～30min至反应结束；
2)油相制备：开启搅拌，向乳化反应釜中加入混合溶剂，然后加入表面活性剂，快速搅拌10～30min；
3)将由步骤1)制得的水相加入到乳化反应釜中，釜内通入惰性气体进行保护，加入引发剂，加入氯化铝或氯化铁中的至少一种，开启水套加热，升温至50～60℃，保温2～4h进行乳液聚合，然后升温至60～65℃，保温2～4h继续反应。
4)减压蒸馏，脱除有机溶剂，既得聚丙烯酸钠树脂产品。
B.固化剂的制备：开启固化剂制备釜搅拌，抽入水，然后加入过硫酸钠，充分搅拌至全部溶解。
一种聚丙烯酸钠粘结剂系统的使用方法，在搅拌状态下，将1.5～4份聚丙烯酸钠树脂加入到100份铸造用型砂中，待混砂设备混合均匀后，再加入0.5～1.5份固化剂混合均匀，放置1h后，进入微波设备加热5～15min脱水固化。
一种聚丙烯酸钠粘结剂系统的使用方法，在搅拌状态下，将聚丙烯酸钠树脂加入到铸造用型砂中，待混砂设备混合均匀后，并用吹CO2气体的方法进行固化成型。
实施例1
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，包括聚丙烯酸钠树脂组分和固化剂组分，其中聚丙烯酸钠树脂是由100份混合溶剂(水：环己烷＝1:0.4)、30份丙烯酸、10份氢氧化钠、10份水、0.5份过硫酸钾、0.5份十二烷基硫醇、3份脂肪醇聚氧乙烯醚、3 份氯化铁组成，固化剂由100份过硫酸钠和100份水组成。
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统的制备方法，包括如下步骤：
A.树脂的制备：1)水相制备：向碱溶解釜加入10份水，开启搅拌及冷却水系统，然后慢慢加入10份氢氧化钠，搅拌10min使其全部溶解；然后加入30份丙烯酸和3 份氯化铁，搅拌10min至反应结束；2)油相制备：开启搅拌，向乳化反应釜中加入100 份混合溶剂(水：环己烷＝1:0.4)，然后加入3份脂肪醇聚氧乙烯醚，快速搅拌10min； 3)将由步骤1)制得的水相加入到乳化反应釜中，釜内通入惰性气体进行保护，加入 0.5份过硫酸钾和0.5份十二烷基硫醇，开启水套加热，升温至55℃，保温2h进行乳液聚合，然后升温至65℃，保温2h继续反应。4)减压蒸馏，脱除有机溶剂，既得聚丙烯酸钠树脂产品。
B.固化剂的制备：开启固化剂制备釜搅拌，抽入100份水，然后加入100份过硫酸钠，充分搅拌至全部溶解。
本发明粘结剂系统的使用方法：将上述2.5份聚丙烯酸钠树脂加入到100份铸造用型砂中，在混砂设备中混合2min，然后加入1份固化剂，继续在混砂机中混合均匀后，放置1h，之后进入微波设备加热10min脱水固化。最终砂型强度：1.55MPa。
实施例2
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，包括聚丙烯酸钠树脂组分和固化剂组分，其中聚丙烯酸钠树脂是由100份混合溶剂(水：环戊烷＝1:0.2)、20份丙烯酸、8份氢氧化钠、8份水、0.1份亚硫酸氢钠、0.1份异丙醇、1份烷基酚聚氧乙烯醚、1份氯化铝组成，固化剂由100份过硫酸钠和80份水组成。
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统的制备方法，包括如下步骤：
A.树脂的制备：1)水相制备：向碱溶解釜加入8份水，开启搅拌及冷却水系统，然后慢慢加入8份氢氧化钠，搅拌10min使其全部溶解；然后加入20份丙烯酸和0.1 份氯化铝，搅拌10min至反应结束；2)油相制备：开启搅拌，向乳化反应釜中加入100 份混合溶剂(水：环戊烷＝1:0.2)，然后加入1份烷基酚聚氧乙烯醚，快速搅拌10min； 3)将由步骤1)制得的水相加入到乳化反应釜中，釜内通入惰性气体进行保护，加入 0.1份亚硫酸氢钠和0.1份异丙醇，开启水套加热，升温至55℃，保温2h进行乳液聚合，然后升温至65℃，保温2h继续反应。4)减压蒸馏，脱除有机溶剂，既得聚丙烯酸钠树脂产品。
B.固化剂的制备：开启固化剂制备釜搅拌，抽入100份水，然后加入80份过硫酸钠，充分搅拌至全部溶解。
本发明粘结剂系统的使用方法：将上述3份聚丙烯酸钠树脂加入到100份铸造用型砂中，在混砂设备中混合2min，然后加入1份固化剂，继续在混砂机中混合均匀后，放置1h，之后进入微波设备加热10min脱水固化。最终砂型强度：1.48MPa。
实施例3
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，包括聚丙烯酸钠树脂组分和固化剂组分，其中聚丙烯酸钠树脂是由100份混合溶剂(水：环己烷＝1:0.3)、40份丙烯酸、12份氢氧化钠、12份水、1份N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1份异丙醇、5份十二烷基硫酸钠、5 份氯化铁组成，固化剂由100份过硫酸钠和100份水组成。
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统的制备方法，包括如下步骤：
A.树脂的制备：1)水相制备：向碱溶解釜加入12份水，开启搅拌及冷却水系统，然后慢慢加入12份氢氧化钠，搅拌10min使其全部溶解；然后加入40份丙烯酸和5 份氯化铁，搅拌10min至反应结束；2)油相制备：开启搅拌，向乳化反应釜中加入100 份混合溶剂(水：环己烷＝1:0.3)，然后加入5份十二烷基硫酸钠，快速搅拌10min；3) 将由步骤1)制得的水相加入到乳化反应釜中，釜内通入惰性气体进行保护，加入1份 N,N-亚甲基双丙烯酰胺和1份异丙醇，开启水套加热，升温至55℃，保温2h进行乳液聚合，然后升温至65℃，保温2h继续反应。4)减压蒸馏，脱除有机溶剂，既得聚丙烯酸钠树脂产品。
B.固化剂的制备：开启固化剂制备釜搅拌，抽入100份水，然后加入100份过硫酸钠，充分搅拌至全部溶解。
本发明粘结剂系统的使用方法：将上述3份聚丙烯酸钠树脂加入到100份铸造用型砂中，在混砂设备中混合2min，然后加入1份固化剂，继续在混砂机中混合均匀后，放置1h，之后进入微波设备加热10min脱水固化。最终砂型强度：1.52MPa。
实施例4
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，包括聚丙烯酸钠树脂组分和固化剂组分，其中聚丙烯酸钠树脂是由100份混合溶剂(水：环庚烷＝1:0.3)、40份丙烯酸、10份氢氧化钠、10份水、0.5份N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.8份十二烷基硫醇、3份琥珀酸辛酯磺酸钠、3份氯化铁组成，固化剂由100份过硫酸钠和90份水组成。
一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统的制备方法，包括如下步骤：
A.树脂的制备：1)水相制备：向碱溶解釜加入10份水，开启搅拌及冷却水系统，然后慢慢加入10份氢氧化钠，搅拌10min使其全部溶解；然后加入40份丙烯酸和3 份氯化铁，搅拌10min至反应结束；2)油相制备：开启搅拌，向乳化反应釜中加入100 份混合溶剂(水：环己烷＝1:0.3)，然后加入3份琥珀酸辛酯磺酸钠，快速搅拌10min； 3)将由步骤1)制得的水相加入到乳化反应釜中，釜内通入惰性气体进行保护，加入 0.5份N,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.8份十二烷基硫醇，开启水套加热，升温至55℃，保温2h进行乳液聚合，然后升温至65℃，保温2h继续反应。4)减压蒸馏，脱除有机溶剂，既得聚丙烯酸钠树脂产品。
B.固化剂的制备：开启固化剂制备釜搅拌，抽入100份水，然后加入90份过硫酸钠，充分搅拌至全部溶解。
本发明粘结剂系统的使用方法：将上述3份聚丙烯酸钠树脂加入到100份铸造用型砂中，在混砂设备中混合2min，然后加入1份固化剂，继续在混砂机中混合均匀后，放置1h，之后进入微波设备加热10min脱水固化。最终砂型强度：1.57MPa。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，其特征在于，所述铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统包括聚丙烯酸钠树脂和固化剂；所述聚丙烯酸钠树脂的化学成分按照质量份计算，具体为100份混合溶剂、20～40份丙烯酸、8～12份碱、8～12份水、0.1～1份引发剂、0.1～1份链终止剂、1～5份表面活性剂、1～5份氯化铝或氯化铁中的至少一种；所述固化剂的化学成分按照质量份计算，具体为100份过硫酸钠和80～120份水组成。
2.根据权利要求1所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，其特征在于，所述聚丙烯酸钠树脂的数均分子量在6万以上。
3.根据权利要求1所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，其特征在于，所述的混合溶剂由水和非水溶性溶剂混合而成；所述水和所述非水溶性溶剂的混合的重量比例为1:0.2～0.5。
4.根据权利要求3所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，其特征在于，所述非水溶性溶剂为环烷烃；所述环烷烃的碳原子个数为5～8。
5.根据权利要求1所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾、亚硫酸氢钠、N,N-亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，其特征在于，所述链终止剂为十二烷基硫醇或异丙醇中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统，其特征在于，所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠或琥珀酸辛酯磺酸钠中的至少一种。
8.一种用于制备如权利要求1至7中任一项所述的铸造用聚丙烯酸钠粘结剂系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.聚丙烯酸钠树脂的制备：
1)水相制备：向碱溶解釜加入水，开启搅拌及冷却水系统，然后慢慢加入碱，搅拌至全部溶解；加入丙烯酸和链终止剂，搅拌10～30min至反应结束；
2)油相制备：开启搅拌，向乳化反应釜中加入混合溶剂，然后加入表面活性剂，快速搅拌10～30min；
3)将由步骤1)制得的水相加入到乳化反应釜中，釜内通入惰性气体进行保护，加入引发剂，加入氯化铝或氯化铁中的至少一种，开启水套加热，升温至50～60℃，保温2～4h行乳液聚合，然后升温至60～65℃，保温继续反应；
4)减压蒸馏，脱除有机溶剂，既得聚丙烯酸钠树脂产品；
B.固化剂的制备：开启固化剂制备釜搅拌，抽入水，然后加入过硫酸钠，充分搅拌至全部溶解。
9.一种如权利要求1至7中任一项所述聚丙烯酸钠粘结剂系统的使用方法，其特征在于：在搅拌状态下，在铸造用型砂中加入聚丙烯酸钠树脂和固化剂。
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