CN1184010A - 一种铸造用自硬砂固化剂及其制备 - Google Patents
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Abstract
一种铸造用自硬砂固化剂,其特征在于:该固化剂为木糖醇有机酸酯,分子式为C5H7(OH)mRn,其中n=1~5,m=5-n,R为C9以下的脂肪酸根。系以木糖醇、1~8倍的有机酸为原料,在1~4倍的携水剂中,0.01~0.1倍的催化剂作用下发生酯化反应生成。可用作碱性酚醛树脂、水玻璃固化剂。本发明性能优良,且成本较低。
Description
本发明涉及铸造技术领域,特别提供了一种用碱性酚醛树脂和水玻璃作粘结剂制作铸造砂型、砂芯用固化剂。
随着机械工业的发展,对铸件尺寸精度、内部和外表质量的要求越来越高,因此人工合成树脂砂工艺得到广泛应用。在单件、中、小批量铸件生产中,树脂自硬砂成为铸造厂家首选工艺。其中酸固化呋喃树脂自硬砂大量应用于机床、水泵、阀门、矿山、重型、纺织机械等机械行业,取得较为明显的经济效益。但是广大铸造工作者发现:由于酸固化粘结剂系统中,不同程度的含有硫、氮、磷等有害元素,对铸件质量造成多种危害,尤其用于生产铸钢件时,极易发生热裂、气孔及表面质量缺陷。生产球墨铸铁件时,由于硫的侵入,造成铸件表面球化不良,常使铸件报废。这类树脂固化剂中多含有磺酸,在浇注时磺酸分解释放出SO2气体,恶化劳动条件,污染环境,危害人的身体健康。从环境保护长远考虑,广大铸造工作者深切关注这个问题的尽早解决。针对酸固化树脂自硬砂存在的问题,人们对酯固化碱性酚醛树脂和酯固化水玻璃发生兴趣,并对这两项技术的完善和提高做了大量的研究工作。这两种粘结剂过去主要采用甘油醋酸酯及结构相似的酯做固化剂。目前甘油主要来源于动植物油脂水解的副产物,来源有限,生产工艺复杂,化妆品行业,制药业大量应用,价格昂贵。因而增加了铸件生产成本,在推广使用时受到限制。
本发明的目的在于提供一种铸造用自硬砂固化剂及其制备技术,其性能优良,且制造成本较低。
本发明提供了一种铸造用自硬砂固化剂,其特征在于:该固化剂为木糖醇有机酸酯,分子式为C5H7(OH)mRn,其中n=1~5,m=5-n,R为C9以下的脂肪酸根。固化剂中还可以含有甘油、丙二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇等其它多元醇有机酸酯。
本发明还提供了铸造用自硬砂固化剂的制备方法,其特征在于:以木糖醇、1~8倍(除特殊指明外,均指与木糖醇的摩尔比)的有机酸为原料,在1~4倍的携水剂中,0.01~0.1倍的催化剂作用下发生酯化反应,生成木糖醇有机酸酯;其中有机酸为C9以下的脂肪酸,催化剂为硫酸、磺酸,携水剂为与水不溶,沸点在60~130℃之间的有机溶剂,如苯类及酯类物质,酯化温度60~150℃,反应时间5~35h。其中木糖醇可部分用其它多元醇替代,多元醇为甘油、丙二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇等,木糖醇量为1~100%。
具体实施步骤是木糖醇母液、木糖醇残液或精制木糖醇与有机酸为主要原料,在催化剂作用下,加热沸腾,发生酯化反应生成木糖醇有机酸酯和水,水被携水剂带走,经分水器与反应物分开,携水剂重新回流至反应混合物中,直至反应终点,携水剂回流过程不再有水分出,停止反应,负压下脱出携水剂。对反应产物中残留的催化剂进行中和处理,即得木糖醇有机酸酯。
本发明所利用木糖醇来源于玉米芯、玉米杆、稻壳、谷壳类农业副产物,该类物质经水解制成木糖,木糖加氢制成木糖醇母液。木糖醇母液可生产精制木糖醇,并产生木糖醇残液。木糖醇母液及残液来源丰富,价格低,尤其木糖醇残液,由于提纯木糖醇后,其杂质含量提高,目前工业应用前景正待开发,而用其生产木糖醇有机酸酯做铸造固化剂,性能足以满足铸造生产要求。
本发明所提供的木糖醇有机酸酯可做碱性酚醛树脂的固化剂,由于该粘结剂对原砂酸耗值无苛刻要求,可以使用水洗硅砂,擦洗硅砂,精选硅砂,也可用于锆砂、镁橄榄石砂、铬铁矿砂。采用上述硅砂时,树脂加入量为1.2~2.5%(占砂重),本发明固化剂加入量占树脂量的20~50%,可以用于生产各种合金铸件的型、芯。尤其适用于对热裂、气孔敏感的水泵、阀门、机车车辆等铸钢件的砂型、砂芯生产。
本发明所提供的木糖醇有机酸酯同时可以用做水玻璃的固化剂。由于水玻璃价格便宜,因此对原砂要求可酌情放宽。除上述原砂外,粒形稍差的砂也可使用,如:南方福建海砂,北方辽宁的海域砂。采用上述硅砂,水玻璃加入量为2.0~4.0%(占砂重),本发明固化剂加入量占水玻璃量的6~20%。由于水玻璃加入量低,型、芯强度高,发气量低,浇注后溃散性好,因此可以用于各种合金铸件的生产。应用本发明制作水玻璃自硬砂在浇注初期有相当的热塑性,可以防止铸件产生热裂,因此更适宜生产铸钢件。本工艺制型、制芯、浇注时无刺激性气味,改善了劳动条件。生产中产生的废砂与有机粘结剂废砂相比,对环境的危害最小,更有利于环境保护。
总之本发明具有下述优点:
1.木糖醇酯生产原料来源广,价格便宜,可显著降低铸件生产成本。
2.使用本专利固化剂,采用碱性酚醛树脂自硬砂和水玻璃自硬砂,对原砂适用性广,不仅可采用各种硅砂,也可用锆砂、铬铁矿砂和镁橄榄石砂。
3.粘结剂系统中不含S、N、P有害元素,避免了由这些元素引起的铸件缺陷。
4.这两种粘结剂所制型、芯均具有相当的热塑性,可防止铸件产生热裂,尤其适用于水泵、阀门、机车车辆等壳体类铸钢件的生产。
5.粘结剂发气量低,减少铸件气孔缺陷。
6.浇注后型、芯溃散性好,易于除砂,旧砂易再生。
7.制型、制芯、浇注时气味低,不释放SO2等有害气体,改善了劳动条件,有利于环境保护。
8.生产铸件尺寸精度高,表面缺陷少,铸件修补费用降低。
9.水玻璃酯自硬砂工艺产生的废砂是合成粘结剂中对环境危害最小的,从环境保护长远考虑,水玻璃、酯是人们最希望的铸造材料之一。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1
向装有分水器的三口瓶内加155g木糖醇母液(本发明实施例中母液和残液均以实含木糖醇量计),200g冰醋酸,5g硫酸,200g苯,搅拌升温至沸腾,连续分水,78℃~100℃反应约1.5h,100~128℃反应2~3h,沸腾冷凝液中无水分出终止反应。减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得木糖醇醋酸酯约280g。
实施例2
向装有分水器的三口瓶内加110g木糖醇残液,甘油28g,冰醋酸210g,硫酸3g,苯205g,搅拌升温至沸腾,连续分水,80~100℃反应1.5~2h,100~130℃反应2~4h,至分水器不再有水分出时终止反应,减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得混合木糖醇有机酸酯约242g。
实施例3
向装有分水器的三口瓶内加入108g木糖醇母液,18g甘油,10.5g二甘醇,203g冰醋酸,4g硫酸,苯205g。搅拌升温至沸腾,连续分水,78~100℃反应1.5~2h,100~132℃反应2~4h,至分水器不再有水分出终止反应,减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得混合木糖醇有机酸酯约262g。
实施例4
向装有分水器的三口瓶内加入108g木糖醇,28g甘油,138g冰醋酸,106g戊酸,6g对甲苯磺酸,苯200g。搅拌升温至沸腾,连续分水,78~100℃反应1.5~2h,100~132℃反应2~4h,至分水器不再有水分出终止反应,减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得混合木糖醇有机酸酯约281g。
实施例5
向装有分水器的三口瓶内加入108g木糖醇,28g甘油,138g冰醋酸,130g C5~C9混合酸,乙酸乙酯195g,。搅拌升温至沸腾,连续分水,78~100℃反应1.5~2h,100~132℃反应2~4h,至分水器不再有水分出终止反应,减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得混合木糖醇有机酸酯约301g。
实施例6
向装有分水器的三口瓶内加入15g木糖醇,31g甘油,42g二甘醇,200g冰醋酸,5g硫酸,苯200g。搅拌升温至沸腾,连续分水,78~100℃反应1.5~2h,100~132℃反应2~4h,至分水器不再有水分出终止反应,减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得混合木糖醇有机酸酯约216g。
实施例7
向装有分水器的三口瓶内加入38g木糖醇,31g甘油,26g二甘醇,200g冰醋酸,5g硫酸,苯200g。搅拌升温至沸腾,连续分水,78~100℃反应1.5~2h,100~132℃反应2~4h,至分水器不再有水分出终止反应,减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得混合木糖醇有机酸酯约219g。
实施例8
向2000升反应釜中加155Kg木糖醇,40Kg甘油,42Kg二甘醇,600Kg冰醋酸,8Kg硫酸,苯200Kg。升温沸腾,连续分水,80~150℃反应28~35h,至分水器不再有水分出终止反应,减压脱苯,对残存硫酸进行中和处理,得混合木糖醇有机酸酯约364Kg。
实施例9
称检测粘结剂用标准砂1000g,加入叶片式试验室用混砂机,加实施例1有机酯7.0g混合1min,再加碱性酚醛树脂20g,混合1min,出砂,打制标准"8"形试样块,其放置不同时间的坑拉强度见表1。
用实施例2混合有机酯代替例1有机酯,重复上述试验,其结果列入表1。
用实施例3混合有机酯代替例1有机酯,重复上述试验,其结果列入表1。
用实施例4混合有机酯代替例1有机酯,重复上述试验,其结果列入表1。
用实施例5混合有机酯代替例1有机酯,重复上述试验,其结果列入表1。
用实施例6混合有机酯代替例1有机酯,重复上述试验,其结果列入表1。
用实施例7混合有机酯代替例1有机酯,重复上述试验,其结果列入表1。
用实施例8混合有机酯代替例1有机酯,重复上述试验,其结果列入表1。
实施例10
称检测粘结剂用标准砂1000g,加入叶片式试验室用混砂机中,加实施例1有机酯3.6g混合1min,再加铸造用模数为2.4的水玻璃30g混合1min,出砂打制标准"8"形试样块,其放置不同时间的抗拉强度见表2。
用实施例2混合有机酯代替实施例1有机酯,重复上述试验,所得数据列入表2。
用实施例3混合有机酯代替实施例1有机酯,重复上述试验,所得数据列入表2。
用实施例4混合有机酯代替实施例1有机酯,重复上述试验,所得数据列入表2。用实施例5混合有机酯代替实施例1有机酯,重复上述试验,所得数据列入表2。用实施例6混合有机酯代替实施例1有机酯,重复上述试验,所得数据列入表2。用实施例7混合有机酯代替实施例1有机酯,重复上述试验,所得数据列入表2。用实施例8混合有机酯代替实施例1有机酯,重复上述试验,所得数据列入表2。
表1不同酯用于碱性酚醛树脂砂试样强度
放置时间酯别 | 抗拉强度MPa | ||
0.5h | 1h | 24h | |
实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7实施例8 | 0.040.050.030.020.010.040.040.05 | 0.120.200.100.080.060.180.210.22 | 1.281.411.221.11.01.31.351.4 |
表2不同酯用于水玻璃砂试样强度
放置时间酯别 | 抗拉强度MPa | ||
0.5h | 1h | 24h | |
实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7实施例8 | 0.040.030.030.020.020.040.030.03 | 0.150.10.120.110.100.180.160.14 | 1.11.151.00.90.81.11.121.16 |
Claims (8)
1.一种铸造用自硬砂固化剂,其特征在于:该固化剂为木糖醇有机酸酯,分子式为C5H7(OH)mRn,其中n=1~5,m=5-n,R为C9以下的脂肪酸根。
2.按照权利要求1所述铸造用自硬砂固化剂,其特征在于:固化剂中含有甘油、丙二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇其它多元醇有机酸酯。
3.一种权利要求1所述铸造用自硬砂固化剂的制备方法,其特征在于:以木糖醇、1~8倍的有机酸为原料,在1~4倍的携水剂中,0.01~0.1倍的催化剂作用下发生酯化反应,生成木糖醇有机酸酯;其中有机酸为C9以下的脂肪酸,催化剂为硫酸、磺酸;携水剂为苯类及酯类物质,酯化温度60~150℃,酯化时间5~35h。
4.按照权利要求3所述铸造用自硬砂固化剂的制备方法,其特征在于:木糖醇为木糖醇母液或木糖醇残液。
5.按照权利要求3或4所述铸造用自硬砂固化剂的制备方法,其特征在于:脂肪酸为醋酸。
6.按照权利要求3或4所述铸造用自硬砂固化剂的制备方法,其特征在于:木糖醇可部分地用其它多元醇替代,多元醇为甘油、丙二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇,木糖醇所占比例为1~100%。
7.权利要求1或2所述铸造用自硬砂固化剂用作碱性酚醛树脂固化剂。
8.权利要求1或2所述铸造用自硬砂固化剂用作水玻璃固化剂。
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