硕士学位论文-EPS乳液铸造粘结剂的研究与开发.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 论文题目 乳液铸造粘结剂的开发与应用 作者 朱从舒 指导教师 李英民教授 单位 协助指导教师 毛萍莉副教授 单位 单位 论文提交日期年月日 学位授予单位沈阳 工业大学 沈阳工业大学 沈阳工业大学 乳液铸造粘结剂的开发与应用 研究生姓名朱从舒 指导教师姓名李英民毛萍莉 沈阳工业大学 沈阳 , 中国 , , 独创性说明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 。 尽我所知 , 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 , 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 , 也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 。 与我一同 工作的同志对 , 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示 一了 谢意 。 签各 率雄多 甲 期 , 嶙期“ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留 、 使用学位论文的规定 , 即 学校有权保留送交论文的复印件 , 允许论文被查阅和借阅学校可以公 布论文的全部或部分 内容 , 可 以采用影印 、 缩印或其他复制手段保存论 文 。 保密的论文在解密后应遵循此规定 黯 率粤 导 垂垫 旧期 沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 聚苯乙烯泡沫塑料 巨 , 简称是当今世界卜应用最广 泛的塑料之一 , 大部分都是一次性使用 , 数以百万吨的 白色垃圾在自然环境中 不被生物降解 , 也不能用 生化处理技术来消除它对环境的污染 , 另一方面也是宝贵 的可再生资源的浪费 。 因此 , 大量堆积的废回收利用技术己成为世人关注的问 题之一 。 木课题牙 乙 用废 定性和粘结强度的 为 主要原料 , 通过乳化 、 改性的方法 , 制备出了具有一定稳 乳液铸造粘结剂 , 并对其制备工艺进行了深入的酬究 对即砂的综合性能进行了分析与测定 。 本课题研制出了一种无酚 、 醛 、 硫 、 进而 氮等 有害物质 , 浇注时也不会释出 仍 、 等有害气体 , 且具有高的光亮碳生成率的铸 造粘结剂 , 这是本论文 的创新点 。 其主要研究内容如下 首先对聚苯乙 , 烯 的分子结构 、 热解特性及其防粘砂机理进行了分析和研究并 在此墓础上 , 根据胶体化学的特点对四溶液进行了乳化 、 改性利少正交试验设 计找出 了制 一备 乳液的最佳配方及工艺参数 。 然后对乳液粘结剂 的粘结机理 及其环境问题等进行了分析 。 其次对咫 砂的综合性能进行了测定 , 系统地研究了该粘结剂 的铸造工艺性 育旨 。 最后用乳液代替合脂油制芯进行浇注实验 。 通过生产实践 说明了本文研制 的 乳液粘结剂具有溃散性好 、 铸件内腔光洁等优点 , 具有良好 的应用前景 。 关键词乳化改性乳液铸造粘结剂 沈阳业大学硕士学位论文 咬 一 , 三 二 , 田 “ 址 。 , , ,一一、一 洲 , 一 , 田 、 、 一, 三 , 一一 一 、一 , 又一 , , , 飞 , 一 , 一 乏 , 一一 , 。, 一 , , 记 , 、 , 了 , 一, , 沈阳业人学硕十学位论文 目 录 摘要 , , , 绪论 , , , , 国内外铸造粘结剂的发展概况和展望 二 , , 二 , 国内外铸造粘结剂的发展概况 , 国内外铸造粘结剂的应用现状 , 铸造粘结剂的发展方向 , , 二 铸造粘结剂的要求 , , , 聚苯乙烯的热解特性 , , 聚苯乙烯的防粘砂机理的探讨 , , 本论文研究的提出 、 目的及意义 二 , 本研究的技术路线与主要内容 , , , 实验部分 , , 试验主要原料及主要试剂 卜 , 试验主要原料 , , 主要试剂 , , , 试验仪器及设备 , , 制备乳液的实验试验仪器及设备 制备乳液的实验装置 , , , 研究砂工艺性能的试验仪器及设备 , 沈阳工业大学硕士学位论文 实验及分析测试方法 , , 。 , 主要型砂性能的测试方法 , 乳液性能评价方法 , , 乳液的制备及结果分析 , , , , 制备,乳液的工艺过程 , 原料的准备 土要 艺过程 , , , 实验设计 , 孚液制备方式的确定 , 乳化方法的确定 溶剂的确定 乳化改性原理 , , 溶液乳化改性的目的 , , 选用溶液乳化改性的依据和其机理 乳化改性的结果与分析 , , , 影响乳液稳定性的因素 , , , , 乳化剂的研究 , 有利于乳液稳定性的其他添加剂的研究 掺水量 , , 乳化剂用量对乳液的影响 , 混砂试验 , , , 辅助粘结剂的确定 二 , 沈阳 一 几业人学硕十学位论文 乳 ,液配方及制 备工艺的设计 一与优化 , 粘结剂的研究与砂的工艺性能 , , 巨路 粘结剂组成及物理性能 粘结剂的粘结机理的初步探讨 砂的配比与混砂工艺的确定 , , 咫砂的工艺性能 , , 砂的回用及环境卫生问题的分析 二产验证及 粘结剂的成本估算 在汽车制动盘铸件上的生产验证 乳液粘结剂的成本估算 , 结论 , , , , 参考文 献 , , 在学研究成果 致谢 , , 沈阳业大学硕十学位论文 绪论 国内外铸造粘结剂的发展概况和展望 国内外铸造粘结剂的发展概况 在铸造生产 中 , 造型材料占有十分重要的地位 , 造型和制芯 是铸造生中费用最 高的工序 , 约占铸件生产的一半左右 , 除了金属熔炼占成本的外 , 还有的 成本要花 费在铸件的清理及后处理上 , 清砂及清铲工序成本的与造型材料有密 切 的关 系 。 铸造生产已有多年 的历史 , 而人工合成粘结剂的应川只不过是近 五六十年的事 。 年 , 德国的首创了用酚醛树脂作粘结 , 的壳型铸造 工 艺 , 世纪年代后期 , 东欧各国和前苏联广泛采用水玻璃粘结刘 。 达两项工 艺以 “ 化学硬化 ” 的新概念 , 使广大铸造界同仁为之耳目一新 。 此后 , 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 。 随着科技发 展 , 铸造粘结剂由原始的粘土 、 淀粉 、 动物蛋 白质发展到了品种繁多的化 学粘结 齐日 。 在 各种化学硬化 的粘结剂蓬勃发展 的今天 , 粘土仍是铸造行业 中最重要 的粘结 剂 。 粘土砂中烘模砂的应用将日趋减少 , 终将被淘汰 。 但湿型由于在造型方面取得 极大进展 , 高压 、 静压 、 射压 、 吸压和爆炸等成型工艺和机械生产线被不断开发出 来 , 造型工效和浇往效果显著提高 , 与其固有 的优点 , 如价格低廉 , 成 型即可浇 注 , 旧砂易于循环回用相结合 , 使它占有左右的份额 。 不仅如此 , 湿型砂的配 方也可能取得重大突破 , 例如最近研制成功的 “ 复合碳土 ” , 巳能完全不用煤粉 , 消除黑色污染侧它还采用了膨润土片晶化学推开剂和预分散技术 , 使膨润土的粘 结潜力得到充分发挥所以膨润土的加人量较传统膨润土一煤粉砂减少近半 , 且完 全不用煤粉 。 在铸造业中推广应用后 , 湿型砂也将变成 “ 白色铸造 ” 。 树脂砂以其 多样化热固 、 温固 、 室温自硬和吹气瞬硬 的多种硬化方法 , 尿 醛 、 酚醛 、 吠喃 、 异氰酸酷和不饱和聚酷构成品种繁多 , 使它能适应各式各样铸件 的需要 。 尺寸精度高 , 表面质量好 , 铸造缺陷较少 , 旧砂再生也得到较好解决 , 人 们 曾经看好树脂砂的竞争能力 , 但实际则不然 , 除战后重建 的德 、 外 , 树脂砂的 沈阳 业人学硕士学位论文 占有份额仅占上下 , 我国仅占左右 。 原因是树脂砂价格偏贵 , 浇注释放出 、 污染环境 , 不过价格较低 , 而又无酚 、 无醛 、 无硫又无氮的无公害的树脂 在世纪初被开发出来的可能性也很大 。 例如 , 法应用二元或 多元丙烯 酸作粘结剂 , 过氧化物 一 仍氧化还原作催化剂 , 的用量仅为催化量 , 己属低公 害 , 寻找 一 个还原性化合物代替应该不太困难 。 此外 , 像 、 一聚丁二烯和环 戊二烯 缩丙酮或缩丙烯 醛还有 高度活性不饱和环氧醋等 都有 可能开发成无公害树 脂 , 因此 , 也 下能断 一言 树脂砂的命肯定是 “ 黑色 ” 的 , 它 也 可能转变成 “ 白色铸 造 ” 。 近几十年来 , 随着科学技术的发展 , 铸造粘结材料 一 己经由原始的粘土发展到了其 它无机 、 有机或无机与有机相结合 的系列粘结剂 。 今日铸造业中的合成树脂是二战 期间 开始广 泛用于生产 的 , 当时尿醛和酚醛粘结剂己经 一 泛用于制造 产品 。 年代末出现了 一钠水 玻璃法 , 年代后期 , 使用了淀粉的加 仁制品 , 如 。 淀粉 、 糊精和磷酸淀粉卜 , 年代又发明了有机或无机基团相结合的有机粘结剂 冷硬砂 , 年代 , 有机冷硬砂进入成熟期 , 使传统的粘土砂和有机热芯盒艺受到 了有力的挑战 。 从砂芯砂型强度 、 环境污染和费用等 多个角度衡量 , 新型的无 机 、 有机冷硬砂都有明显的优越性 。 有机粘结剂的发展到了二十世纪九十年代 , 铸 造用型芯粘结剂分为三类热芯盒 、 冷芯盒 、 自硬法 。 热芯盒在有机粘结剂领域发明较早 。 早在年 , 法国人以葡萄糖母液为粘结 剂制成芯砂吹入热 芯盒中制成砂芯 , 引起了世界汽车及农业机械的铸造工作者的重 视 , 年后陆续在欧美等国家被逐 步开发应用 , 其发展速度极为迅速 , 可以说是铸 造工业所有制芯新工艺中发展最快的一种 , 己成为 年代最先进 的制芯方法 。 前 苏联于年开始应用热芯盒工艺 , 至年代已占制芯总量 的 。 由于热法制型芯需要加热 、 产生烟气 、 制好的型芯占地面积 大等原因 , 采 用热法造型芯工艺的趋势在减少 。 然而热芯盒法具有灵活性大 、 生产率高 、 成 本低的特点 、 在我国大力推广是较适宜的 。 冷芯盒法是指用气体或气雾催化剂 或固化剂 在室温下催化树脂砂瞬时固化的 工艺方法 。 共同特点是硬化速度快 、 制芯效率高 、 芯砂可使用时间长 、 砂芯尺寸 沈阳工业大学硕士学位论文 精度高及节约能源等 , 适合大批量复杂砂芯的生产 。 因此 , 许多铸造 全 部或部分 取消了热芯盒制芯工 艺 , 而使用有机粘结剂气硬冷硬法制 芯【 “ 。 为了保护 环境研制 和 开发烟气和刺激性味少的树脂 , 如聚丙烯酸钠 一 法 、 碱性酚醛树脂 一 法以 及还氧树脂 一 法等低毒无害的粘结剂系统川 。 随着环保要求日益提高 , 人们纷纷致力于研究开发用低毒气体如仇硬化树 脂砂造型制芯工艺 , 并己成功用于生产 。 国内外铸造粘结剂的应用现状 有机 、 无机及粘土粘结剂在各种制芯 、 造型方法的应用比例也 随着时代的推进 而改变 。 年代末 , 国外有人作了一次调查 , 在造型方面采用粘类材粉的约占 采用其它无机粘结剂材料的占采用有机粘结剂材料 的占在制芯 方法方面 , 首 先 综 合了应用 无机粘结 剂 的各 种制芯方法 , 其 总和占总重 量 的 冷硬合成树脂法 占而热硬法占 。 进入年代以来 , 树脂 自 硬砂工艺在欧美 、 日本等发达国家发展很快 , 它己广泛应用于这些 国家的机床 、 重 型与矿山机械 、 造船及通用机械行业的大 、 中型铸件生产中 。 英国以比的铸铁 件和以上 的铸钢件是采用吠喃树脂自硬砂工艺生产的 , 最大件重达即 , 在美 国 , 化学粘结砂占全部型砂的以上 , 其 中 , 左右 为树脂自硬砂不包括壳型 壳芯 、 热芯盒 、 冷芯盒在日本大型铸件生产中 , 以上是采用树脂 自硬砂 , 树 脂自硬砂工艺已占其铸造生产 的第二位 , 仅次于湿型砂工 艺在欧洲树脂 自硬砂最 大应用者为德国 , 据原西德铸造工程协会调查 , 在其会员厂中 , 年采用 树脂自硬砂造型的比例己由年的提高到 。 近年来 , 德国研制了 一种无机冷硬粘结剂 , 以磷酸盐为基 , 低粘度液体加粉状硬化剂 , 强度增长速度比 树脂砂慢 , 优点是溃散性好 。 但应看到 , 我国目前以上的单件小批量铸件生 产厂 , 大多数还 是采用粘土砂工艺 , 树脂自硬砂工艺还有待于 加 速研究和推广应 用 。 据报道 , 美国生产的钢铁铸件中 , 用粘土作粘结剂的湿型砂造型约 占 , 我 国目前还多于 【 。 沈阳 二业大学硕士学位论文 铸造粘结剂的发展方向 随着科伎水平的提高和环境保护意识日益深入人心 , 铸造厂的环境污染问题越 来越为人们 普遍关注 。 面临世纪的铸造技术将以环境保护为基点 , 给铸造工作者 提出 了严峻的课题 。 铸造生产的污染是 多方面的 , 其中最大的污染是来自造型材料 , 其中粘结剂是 有害或有 毒物 质的主要来源 。 膨润土在 左右 失去结晶水 , 成为失去 枯结力 的 微粉 , 这是微粉的主体 “ 。 另一方面使用 有毒的化学粘结剂系的化学粘剂砂也同样 如此 。 儿 乎琢一种普遍使用 的有机树脂粘结剂都包含有 一 害物质苯 、 甲醛 、 苯酚 、 二甲苯 、 氨丛 甲酸乙酷 、 间苯二酚 、 甲苯 、 二氧化硫 、 甲酸甲酷 、 二异氰酸 、 丁酮 过氧化物等 ” 。 另外 , 湿型砂的煤粉和酚醛树脂 、 吠喃树脂在浇注过程中 , 由于不 完全燃烧和热解 易释 出二恶英 、 吠喃和苯并花 , 而二恶英和吠喃被称为 “ 环境激 素 ” , 是被联合国年斯德哥尔摩公约禁止或限制的种持久性有机污染物中 的种 , 臼们能严重损害人类和高级动物的内分泌和生殖系统 , 并具有致癌性 ” 。 环境保护及 一 世纪清洁生产方式促使我们设计和应用安全的无公害的绿色铸 造粘结剂 。 绿色铸造粘结剂是环境价值并利用现代科技全部潜力的技术【 ” 。 无公害 的水溶性和无机粘结材料在未来工业生产中有极强的竞争力 , 将作 为发展方向而得 到充分研究 。 铸造粘结剂的要求 铸造粘结剂不同于其它用途的粘结剂 , 对其在性能 、 经济性和环境等多方面都 有独特的要求 工人要直接或间接地接触到粘结剂 , 因此要求粘结剂无毒或低毒 、 无腐蚀 性 、 无刺激气味 、 直接接触时没有伤害皮肤的成分 粘 结剂受热分解后 , 要尽可能不产生有毒或易燃易爆物质 , 废料和废砂在 堆放场所不会分离出对水源和生态环境有毒和有害的物质 铸造用粘结剂的使用量很大 , 铸造砂一般都要循环反复地被使用 , 因此要 求铸造粘结剂要易分解 , 易去除和容易再生 沈阳工业大学硕士学位论文 铸造粘结剂的工艺性能 、 工作性能应满足铸造生产的制造工艺和铸件质量 的 要 求 , 因此除了具有高的粘结强度外 , 还要求用该粘结剂制造的型砂具 有 一 定 的可使用时间 , 型砂流动性好 , 易于制出表面致密 、 尺寸稳定的砂 型或砂芯 要有获得优质铸件的综合高温性能 , 型砂的发气量要低 , 以减 少铸件的气 孔倾 向 粘结剂要便于储运 、 价廉物美 。 聚苯乙烯的热解特性 聚苯乙烯, , 缩写为由单体苯乙烯通过本体聚合 、 浮聚合等聚合 方法制成 。它是非 晶态的结构 , 分子量为万至万 , 密度至 , 机械性 能一般 , 抗压弧度 、 抗冲强度 、 弯曲强度和伸长率随分子量增加而增加 , 分子量小 于万时 , 机 戒 性 能太差 。 能溶于芳烃 包括单体本身 、 卤代烷 、 酉旨 、 醚 、 不溶于 醇 , 对酸碱无作用 。 聚苯乙烯性能的最大缺点是质脆 , 内应力大 、 不耐冲击 、 软化 点低约为 , 在沸水之下能变形 , 限制了它的应用 , 故多采用改性聚苯乙烯 。 ” 苏 一 一执 言 “ 当聚苯乙烯 泡沫缓慢加热 到 左右 时 , 开始变软进入玻璃态若温度超过 时 , 体积急剧缩小继续升温立即从玻璃态进入高弹态 。 此时聚苯乙烯泡沫孔 内的空气和发泡剂开始穿过泡孔壁逸出 , 随之体积逐渐缩小到原来的几十分之一 。 当温度升至 左右时开始变成没有固定熔点的聚苯乙烯继续加热时泡孔组织 和空气全部消失 , 完全转变粘流状 的聚苯乙烯液体 。 此 时 , 它的分子量仍保持不 、 变 。 随着温度升高 , 聚苯乙烯发生解聚反应 。 伴随着大分子链解聚生成挥发性的低 分子化合物 。 多数文献认为解聚温度是 , 也即当温度到达 左右时气化过 沈阳 一业人学硕 十学位论文 程少种台 , 聚 苯乙 , 烯的重量随之变轻 。 在温度 至的过程中 , 长链状的高分 子聚合物逐渐断成短链状的低分子聚合物同 时 , 产生聚苯乙烯单体和它 的小分子 量的衍生物绍成的汽状物逐渐增加 。 当温度超过 时气体分解显著增加 , 气化反应加剧低分 二聚 合 勿开 始裂 解成少 量的氢 、 二氧化碳 、 一氧化碳和挥发性的饱和与不饱和碳氢化合物 。 继续升 温到以 , 裂解过程加剧 , 进入燃烧区域 。 表 物表 】 指出了聚苯乙烯在高温 下的状态和分解产物 。 其中 , 表 的试验 为把聚苯乙烯泡沫样品放在烧过的柑祸内有盖 , 然后 再分别 置入加热至 、 和 的马弗炉内 , 待泡沫塑料气化 、 燃烧后 , 分别保温一定 时 间 , 取出观察分解产物 。 表在不 同温度条件下泡沫塑料的热分解产物 马弗炉炉温气化燃烧的时间柑祸内泡沫塑料高温卜的状态 一一 一 以上取出 一 以上取出 置入炉 内 后开始冒白烟 白色玻璃状熔 体 一几 一 。 后开始气黑色粉状物。附 呈棕黑色的 粘稠液 黑色粉状物 化燃烧 , 持续约在增祸 内壁 极微量的 黄色粉状 一 “, 物 一 置入 。 一 即气化黑色粉状物附仅柑揭底有黄灰色粉状 燃烧 , 持续 一 在柑祸内壁极少的黑色物极微 薄层量 注为光亮碳 表为 一 泡沫塑料在碳质电炉中加热温度范围在 一 的热分解 产物组份 。 由表可知 , 低温时聚苯乙烯的分子产物主要是由液态烃基如苯 、 甲 苯 、 苯乙烯和乙烯等组成而高温 时主要是 由气体组成 。 随着温度 的升高 , 氢含量 沈阳业大学硕士学位论文 和烟气呈直线增长 , 在 一 时 , 一氧化碳 、 乙烯 、 乙炔的浓度达到最大值 之后就缓慢地下降 。 表泡沫塑料高温下的状态 物 质 一 的 热 分解 产物 气 今 。 。 。 残留物 痕迹 痕迹 痕迹 痕迹 痕迹 痕迹 总 年 有人对某种聚苯乙烯树脂做过热解试验 , 具体数据 , 山为 为 分 单体产率为 。、是 千卡克分子解聚温度是 。 。是高聚物在真空 中加热分钟后重量损失一半所需要的温度叫半分解温度 , 是指高聚物在 时的失重速率 。 如果以某些高聚物 的 山 对化学键 的键能作图 , 基本上是条直 线 , 这说明高聚物的热分解与高分子链 的断裂有直接关系 。 实验 结果表明 】 , 将 粒珠或废聚苯乙烯泡沫不经任何处理的情况下加热 , 在不到 时聚苯乙烯 沈卧工业大学硕士学位论文 将 儿 乎全部 转化为 小分子 主要是二 聚体 、 三聚体和四聚体 物质跑掉 , 最终几乎得 不到残留物 李海朝的 博士论文中用热重分析法来分析聚苯乙烯热解过程 , 分析仪器采用热 天平 , 它没有惰性气体保护 , 其实验所得的曲线见图 。 一 开月今比亡,仆 气休 一 八盆 。 姆作者, 曰曲 日朋 二幻,一月 。佑心 一加 嘴 一 , 一 甲沪一 图聚苯乙烯热解曲线 从图可以看出整个曲线只有三个平台 , 主要失重是发生在第二个台阶从 到 , 达到试样总质量 的 。 这说明在这个温度区间内聚苯乙烯泡 沫会 分解为挥发性的小分子物质 。 第一个台阶是发生在到的温度区 间 , 大约失重 , 这主要是中所含的物理发泡剂 石油醚 、 丙烷 、 丁烷或戊烷 等 所导致的 】 。 一般来讲所用发泡剂的沸点大多低于 。 生产土预发泡时 , 珠 粒在一 的蒸汽作用下开始软化 。 聚苯乙烯的防粘砂机理的探讨 随着工业的发展 , 人们对铸件的外观质量也提出了越来越多的要求 , 特别是一 些不需要加工而直接使用的铸件 , 或喷漆后直接装配的表面要求就更高 。 因此 , 铸 件的表面质量已经作为一个重要的考核指标被列入到铸件的评比项目中 。 在铸造 沈阳 业大学硕士学位论文 行业中 , 为了满足不 同的铸件需求而发展了众多的造型方法 , 其中 , 湿型铸造占据 突出的地位 。 据年不完全统计 , 我国湿型砂铸件占铸件年产量的 。 这 是由于它工 艺简单 , 生产效率高 , 铸件成本低 , 精度高等优点而得到 广泛应用 。 但是 , 用实型砂生产的铸件型腔表面一般不刷涂料 , 与干型相比 , 湿型铸件易产生 粘砂和夹砂 、 结疤等缺陷 , 尤其是厚壁铸件 , 粘砂就更严重 。 煤粉是铸铁件用湿型砂中经常加入的辅助原料 , 主要用来改善铸铁件的表面质 量 , 能有效地防止粘砂 , 减少夹砂 、 结疤缺陷 , 改善型砂的流动性和柔韧性 。 由于 其矿藏丰富 , 成本低廉 , 加入方法简单 , 使用效果比较稳定 , 很容易织机械化流 水线生产 , 所以在国内外铸造工厂 的湿型铸铁件生产 中 , 一直沿用至今 。 煤粉的抗粘砂作用 , 主要表现在光亮碳 、 还原性挥发分和焦渣三个方面 。 焦渣 可以淤塞砂粒间的缝隙 , 阻止铁水的渗入还原性挥发分在高温下可以造成还原性氛 围 , 保护铁水不被氧化煤粉热分解产物光亮碳 , 沉积在砂粒表面 , 能够改变金属液 与硅砂 的润湿角 , 这层光亮碳使砂型不受铁液湿润和难以向砂粒孔隙中渗透 , 因而 获得表面光洁的铸件 。 在较早 的技术文献中 , 己提出四种主要理论来解释生产光滑 铸件表面时的煤粉的作用 。 气垫理论在浇注温度下 , 铸造金属和型壁之 间形成一层保护气体层 。 包覆理论 砂粒被煤粉软化所形成的一层保护包覆 。 还原理论煤粉产生还原性气氛 , 因此防止铁的氧化 , 借此避免了与造型材 料起反应 。 碳的析出理论碳是由煤粉的挥发物分解而成 , 它涂覆在边界层邻近的砂粒 上 。 由于煤粉加入型砂中的反应机理有各种不 同的看法 , 因此难以解 决进一步改善 煤粉的方向 。 克洛兹和勒贝克的工作是第一个能 说明一定 量的煤粉作为砂子的附加物时的适用性 。 这些作者指出光亮碳是生成光滑铸件表面 的决定因素 。 这是基本上符合第种理论的从气相中析出碳 。 同寸 , 他们亦能 指出还原性气氛本身理论对改善表面质量无影响 , 只是在铁和砂 的界面上形 沈阳工业大学硕士学位论文 成光亮碳的必要条件 。 认识了这些关系后 , 使得第一次进行改善煤粉的系统的研究 能 年以来 , 许多欧洲铸造工作者 , 特别是德国人 , 对煤粉在铸型 一 金属 界 向 面上产生的能阻止金属渗透的碳膜进行了大量的研究 一 , 并 证明为光亮碳 。 在年报导 , 铸型 中这种闪亮的碳膜是在 以上 , 或在 左右 由气相 在铸型表 面上析出的一种微晶碳 。 也认 为 , 如果有适当催化剂存 在的话 , 光亮碳可由挥发性的烃类在低至 时沉积出来 。 并非所有的烃类都可 析出光亮 碳 , 只有含支链的芳香烃类才能析出光亮碳 , 而含有直链的脂肪类烃无光 亮碳产生 。 用种不同粒度的原砂配制湿型砂 , 其光亮碳指数与铸件表面粗糙度的关系如 图所示 。 光亮碳指数是指型砂中富碳 附加物的光亮碳 生成率与其加入量之 积 。 例如某富碳材料的光亮碳生成率为 , 在型砂中的加入量为 , 则型砂的 光亮碳指数为 。 由图 一 可以看出 , 随着型砂光亮碳指数的增加 , 铸件表 面粗糙度变好 , 值明显降低 , 当光亮碳指数超过以后 , 值降低变缓在光 亮碳指数相同时 , 原砂粒度越小 , 铸件的表面粗糙度越好 。 ” 。 飞 咨 、一 一 一 一 一 , 一 一 一 一 曰 一 一 一 叫和物 私肋一竹 初 且 组翁洲形给 军了一一 小一一 衍 州亡 , 吸 祖砚留目月陀 砂粒勺 一平均直 径 一 , 砂粒的平均直径 。一 砂粒的平均准仁径 二一 图光亮碳指数与铸件表面粗糙度的关系 沈阳 卜业人学硕十学位论文 型砂中角亮碳 的沉积还与砂型的透气性 , 金属液的浇注温度及凝固时间等工艺 因素有关 。 通过正交试验及回归分析可知 , 砂型的透气性低 , 有利于怒尧碳的沉积 型砂的光亮碳指数与富碳附加物的加入量成正比砂型上实际光亮碳沉积厚度随浇注 温度的升高而减少 , 液态金属对砂型侵蚀时间越长 , 则砂型匕的光亮碳烧损越严 重 , 其厚度滩也汕 , 光亮碳实际指数越低 。 因为煤粉的危害性很大 , 所以一直以来国内外都在进行煤粉代用品的研 究 , 而 所有这方面的研究 , 都是以煤粉作用 原理为基础进行的 。 一般煤粉代用材料的开发 原则女 口厂二 煤粉代用材料一般应为白色或浅色 、 粉末状或液态有机化合物 , 使用方便且 不污染环境 代用材料应具备较高的光亮碳生成率 , 挥发初始温度较高 , 挥发温度范围 宽 , 并具有 一定的焦渣特性 灰分及硫含量低 , 吸水性要适中 易与湿型砂混合 , 不降低型砂的工艺性能和使用性能 浇注时发烟量小 , 分解释放气体应符合环保 的有关规定 资源丰富 、 成本低 、 加工工艺简单 。 一般很难找到一种材料能同时满足上述要求 , 对于煤粉代用材料的研究 , 国内 外己经进行了儿十年 , 先后开发了无规聚丙烯 、 聚苯乙烯 、 渣油乳化液等数十种富 碳材料哪 一 , 但均因工艺性能不理想或资源及价格等问题 , 而没有得以广泛应用 。 目前在铸造中所用的一些生成光亮碳的物质如表所示 。 天然煤粉是由高挥 发物成分的煤磨制而成 的 。 合成煤粉是由天然煤粉和地沥青或木沥青磨制而成的 。 用作型砂附加物的油是煤或石油的分馏的物 , 它们是由不同烃类如重烃 、 芳香族化 合物和蔡的混合物组成的乳化液 。 木树脂是生产纤维素的副产品 , 是由树脂酸和酚 固体混合物所组成的 。 沈阳业大学硕士学位论文 表 类亏 一些光亮碳生成物的组成 灰分拌 发物 含焦残潜 大然煤粉 合成煤粉 木 沥青 、 一 地 沥青 油乳化 木 树月 旨 聚合物 今 一 一 一 月 一石 一 一一一 生成光亮 碳的能力 一 竹 勺山 、 一 ,、 一一一 月 一 ,、 聚合物是指未取代的聚合物的碳氢化合物 , 如聚苯乙烯 、 聚乙烯和聚丙烯 。 作 为型砂 附加物的合成聚合物的应用 , 意味着是纯粹的光泽碳 的生成物而没有加入任 何未反应的材料 。 由此可以得出 , 光亮碳 的生成是煤粉代用材料最重要和决定性的 因素 , 其它功能是不需要的或者是不必要的 。 由此可见 , 聚苯乙烯可作为煤粉的代用材料用于铸造生产 , 防止粘砂 , 改善铸 件表面质量 , 完全是因为其光亮碳形成能力 。 本论文研究的提出 、 目的及意义 聚苯乙烯泡沫塑料 , 简称是 当今世界上应用最广 泛的塑料之一 , 由于它具有良好 的耐水 性 、 低吸湿性及较强 的抗震强度 , 及易成 型 、 价格低等特点 , 其应用领域十分广泛 。 年世界的生产能力己超过 包括 , 年为 , 年生产能力达 , 。 我 国于年 代兴起塑料热 , 预计到年 , 我国需要万吨 , 随着电子仪表 、 家用电 器工业的迅速发展及西部开发的推进 , ,的用量会越来越大 , 拒统计近十年来 , 我国年平均消费量增长 。 大部分都是一次性使用 , 数以百万吨的白色 垃圾在自然环境中不被生物降解 , 也不能用生化处理技术来消除它对环境的污染 , 另一方面也是宝贵的可再生资源的浪费 。 因此 , 大量堆积的废回收利用技术已 沈阳 几业人学硕十学位论文 成为过人关注的问题之一 。 从年代起 , 日本 、 西欧和美国就相继对废塑料进行工 业化处理 , 到年代 , 综合利用废旧塑料的技术己趋于成熟 , 产业化高达 , 截止到年 , 美国塑料废弃物回收率达 , 英 国达 , 一 本达 , 意大 利不仅 回收本国的塑料垃圾 , 还从欧洲其它 国家进 口废旧塑料进行再生利用 。 我国 从年代末期开始研究废弃塑料的回收利用技术 , 进入年代以后 , 研究开始活 跃起来 , 但吱术产业化率还很低 , 每年大约仅有的废弃塑料得到回收 刊 , 其余 大都被掩埋 , 造成对 一 土壤的污染 。 在包装市场中 , 占有明显 的优势 , 但也易受生态学 家的攻击 , 主要指向是 废弃物对环境的污染 一 , 。 一些国家甚至拟定法规加以限制 , 然而 不少学者认 为 , 真正的解 决办法不应是限制某种包装材料 , 而是要教育消费者不要乱扔 , 同时 要强化废包装的回收利用 , 这是现在鱼待解决的问题 。 年 , 提出 以聚苯乙烯珠粒作为型砂添加剂 , 由于它的光亮碳形成 能力高达 一 , 挥发分质量分数接近 】 , 加入量只有煤粉的 一 。 它 尤其适用于厚大铸件 , 它不仅能提高铸件的表面质量 , 还能提高型砂的综合性能 , 但由于它的价格昂贵 一 元吨限制了它的使用 。 根据有关资料 , 由煤粉 更换成聚苯乙烯以后 , 车间铸件尺寸更精确 , 车间空气中含量降低 , 浇注时产 生的苯乙烯单体含量未超过允许含量 , 用煤粉时 , 车间粉尘中煤粉残 留物的质量分 数约为 , 而聚苯乙烯不存在这种残留物 , 对环境和工作场地的污染最小 , 但在 各种煤粉代用品中聚苯乙烯的价格最贵 。 聚苯乙烯作为煤粉的代用材料的研究在实 验室试验成功后 , 早在年就第一次用聚苯乙烯作为一种光亮碳生成物来改变铸 造车间的湿型砂系统 , 在美国 、 联邦德国都有铸造厂正式用于生产 。 但因其价格昂 贵 , 目前尚未推广使用 。 由此可 见 , 如果采用 以聚苯乙烯 为基料的铸造粘结剂 , 就有可 能无 需加入煤 粉 , 可 以改善铸件表面质量 , 而且分解基本无毒 , 符合环保要求 。 本研究的技术路线与主要内容 聚苯乙烯作为煤粉代用材料的研究主要有两个方向 制成聚苯乙烯珠粒 沈阳 业大学硕士学位论文 直接用溶剂制成聚苯乙烯溶液以粘结剂 的形式加入到型砂中 。 第 一方向的研究 , 即制成聚苯乙烯珠粒作为煤粉代用材料 , 本专业 的毛萍莉老 师己经作了深入具体的研究 , 因此 , 在这方面不再作研究另一个方 向 , 直接用 溶 剂制成聚苯乙烯溶液 , 以粘结剂的形式加入到型砂中 , 这方面的研究 , 娄建新等同 学已经作了初 步 的研究 , 并进行了浇注 实验 , 取得了一定效果 , 并积累了有关经 验和数据 , 给了作者极大的帮助和借鉴 。 但是后 一种方法 中有许多不足之处溶剂量力入太大 , 聚苯乙烯与溶剂质量 之比高达 , 造成成本过高溶济有毒 , 挥发后造成环境污染 一 该粘结剂强 度是靠溶剂挥发所得 , 导致强度不 高 , 另外有粘模等缺点 制成 的型砂有效使用 时 间短 , 而且溶剂挥发后聚苯乙烯以白色絮状物质析出 , 降低了型砂质量和回用 性 。 本研究的设计方案基本上是针对第二种研究方向所产生的问题而设计的 。 因此 需解决的主要问题有 减少溶剂 勺 含量, 务低成本 延长溶剂挥发时间 , 增加型砂的有效使用时间 选择毒性小或无毒的溶剂 溶液是比较稳定的乳液 , 以便于储存和运输 。 本研究是在边理论 、 边实践的基础上进行的 , 所做 的主要工作 , 总的 说来一共 分两大部分一是进行新型粘结剂的研制工作二是用新型粘结剂进行混砂 , 考查 型砂 的综合工艺性能 。 具体说就是用废弃的塑料泡沫为主要原料 , 在大量理论知识 的基础上 , 结合乳化改性技术研制 出一种新型的有机粘结剂 , 并以乳液的方式加入 到型砂中进行混砂 , 代替生产中常用的粘土或树酷粘结剂 , 以改性后的新型粘结剂 砂的抗压强度为主要检测指标 , 通过对型砂常温和高温两 部分铸造工艺性能进行全 面考察 , 并与其他的粘结剂进行横向比较 , 具体工作如下 根据胶体化学及的分子结构的特点 , 通过乳化剂和改性剂将乳化 改性 , 研制出一种液态有机铸造粘结剂 , 该粘结剂无酚 、 醛 、 硫 、 氮等有 害物 , 具有溃散性好 , 强度高 、 抗吸湿性好 , 铸件内腔光洁等优点 沈阳 二业大学硕十学位论文 设计 出合理的乳化改性的工艺路线 乳液铸造粘结剂砂的性能 , 找出最佳造型工艺 川研究,砂的其它工艺性能 。 沈阳工业大学硕士学位论文 实验部分 试验主要原料及主要试剂 试验主要原料 废聚苯乙烯泡沫 聚苯乙烯是苯乙烯的均聚物 , 是苯乙烯系树脂的最基本 的品种 , 它含有简 单重复的结构 , 省 一 一 “ 聚苯乙烯大体上是线型 聚合物 , 所以是一种热塑性树 脂 。 山于苯环的阻位效应 , 使得在一般情况下不能产生结晶 , 只形成无规聚合 物 , 另一方面 , 苯环的存在使聚合物链段的刚性提高 , 因此在室温 一 呈硬质透明 状 。 发泡聚苯乙烯或是 由发泡制得 。 本实验使用的是 , 是收集来的 废弃泡沫板 。 糊精 铸造用黄糊精 。 原砂 试验用原砂采用大林水洗砂 , 砂粒组成及含泥量见表 。 表原砂粒度组成及含泥量 粒度组成含泥 量 筛孔尺寸 停 留量 沈阳业大学硕十学位论文 主要试剂 试验主要试剂混合溶剂乙酸乙醋 、 松节油为工业级混合乳化剂 、 聚 乙烯醇 增塑 剂邻苯二甲酸二丁酚改性 剂梭甲基纤维素钠 二 水 。 试验仪器及设备 制备乳液的实验试验仪器及设备 控温电热套 一 卜 型天津市泰斯特仪器有限公 司 增力电动搅拌器金檀市华电器有限 公司 旋转粘度计一型上海天平仪器厂 温度计 三口烧瓶 冷凝管 、 恒压滴液漏斗 制备,乳液的实验装置 砂热台 一嗽热密 升释台 二二孟 一二一砚, 、 一 严严 计州杭 杭 图制备乳液的实验简易装置图 沈阳工业大学硕士学位论文 研究砂工艺性能的试验仪器及设备 研究砂工艺性能的试验仪器及设备的名称 、 型号见表 表试验中所用设备和仪器的名称 、 型号 序号名称产地 八为口 杠杆式型砂强度测试仪 造型材料发气量测 定仪 型砂仪器透气性仪 架盘药物大平 型砂试验仪器破碎指数试验仪 分析天平 锤击式制样机 锤击式制样机 上海东方机械厂 邯郸市 白动化仪表厂 上海东方机械厂 北京 言武仪 器 国营常德仪彬 上海天平仪器厂 浙江嘉兴仪器 国营常德仪器 实验及分析测试方法 主要型砂性能的测试方法 强度的测定 主要仪器型砂仪器强度试验仪 , 型锤击式制样机 , 型锤击式制样 机 试验方法采用标准方法按 一 测得 , 强度试样尺寸为小 义 , 抗拉强度试样为字样 。 破碎指数的测定 主要仪器型破碎指数试验仪 , 型锤击式制样机 试验方法试验 时 , 将湿态标准试样放在破碎指数试 验仪的铁砧 一, 用 中 , 重鲍硬质钢球 自距铁砧上表面高处自由落下 , 直接打在筛上 , 碎砂的 通过筛网落入底盘 内 , 然后称量筛网上大块砂重 , 破碎指数按式计算 。 破碎指数 大块砂重试样重 沈阳 一 业大学硕士学位论文 湿透气性的测定 主要仪器型透气性仪 , 型杠杆式型砂强度测试仪 试验方法标准方法 一 。 型砂可使用 时间的测定 从混砂机中卸 出至仍能用于造型制芯 的允许存放的时间 , 主要仪器型锤式制样机 试验方 法将混制好的型芯砂放入密闭的容器中 , 每隔分钟用制样机冲 制圆柱型标准试样个 , 直到型芯砂已硬化松散 , 不 能再打试样为止之后 , 在一定的环境温度和相对湿度下 , 放置测定其抗压强度 , 再与出碾后 里 时 所制作的 , 井放置后 的试样强度进行比较 。 以其强度下降时的试样所经历 的寸间 , 作为该型砂的使用时间 。 溃散性的测定 试验仪器囚 一一 型高温电炉 试验力 一 法将打好的试样放置 飞, 待完全干透后 , 将试样放在电炉中分别放 置 、 , 之后取出 , 观查试样的表面状况 。 流动性的测定 粘土砂的流动性是指其型芯砂在外力或自重作用下 , 沿摸样和砂粒之间相 对移动的能力 。 主要仪器型锤击式制样机 、 天平 试验方法环形空腔法在锤击式制样机上先冲制一个圆柱形标准试样 , 并称 其重量 。 再称同样重量的型砂 , 添入特制的试样筒中 。 该试样筒的 一下端 有环型空 腔 。 在型锤击式制样机上冲打次 , 测量试样的高度 , 型芯砂的流动性见 式 。 流动性 二 。 一 式中 。 一当型 芯砂的流动性为零时试样的高度氏 二 , 一当型 芯砂的流动性为时试样的高度 。 一实际试样的高度 。 沈阳工业大学硕十学位论文 此法 能反 映出型芯砂受力后向各个方向移动 的能力 , 它也比较适川于测定 湿态强度较低的型芯砂的流动性 。 发气量的测 定 主要仪器型砂仪器透气性仪 试验方法先将发气量测 定仪升温至 , 并保持恒温 , 在称取试样 士 , 置于瓷舟中使用前 , 瓷舟需经 酌烧 后 , 置 于千燥中冷却 到 室温 。 将盛有试样的瓷舟送入发气量测定仪的石英管红热部分 , 迅速用塞子将 管 口封闭 , 同时 , 发气量 一记 录仪的 一记 录部分开始工作 , 一记 录下被测试样 的发气过程 和发气量 。 【 后可以从记录纸上直接读出试样的发气量 。 乳液性能评价方法 乳液性能主要有粒经 、 粘度和稳定性等几个方面 , 其中最重要的是稳定性 。 考察稳定性 , 就是考察油水分离情况 , 评价方法如下 常温下 , 将 制备好 的乳液在室温下放置一段时间 , 观察其粘度 、 粘壁程度及析 水量等综合乳化效率 , 按照等级打分 。 一般来说 , 性能最佳的乳液具有 卜一 列特点 无析水量 、 粘度较低 、 粘壁程度适中 。 沈阳 一 业大学硕士学位论文 乳液的制备及结果分析 制备乳液的工艺过程 原料的准备 废在不同程度上沾有杂质 , 如不经处理会影响粘结剂的质量 。 预处理 的方 法为 将废,在热碱水中浸泡一定时间 , 然后进行机械搅拌 一 , 然后取出放 入清水池中搅拌清理 , 凉干后 , 用粉碎机粉碎成 一 左右的颗粒 。 主要工艺过程 将预处理后的加入到溶剂中 , 用控温电热套加热 , 控制温度在 一 范 围内 , 边加边搅拌 , 待全部溶解后 , 加入适量的乳化剂和改性剂 , 彻底混合后 , 加 热到乳化需要的温度在恒定速度下充分搅拌 , 慢慢加入经过预热 的水 , 确保在任 何时间都有良好的均匀性 。 在乳化的第一阶段形成不稳定的油包水型型乳 液 , 随着水 的加入量增加 , 乳液粘度也明显增加 , 并在转化点时指型转变成 型粘度达到最大值 , 当加入更多的水时 , 不稳定的油包水型乳液转化为稳定 的水包油型型乳液 , 进一步用水稀释粘度会降低油相的体积分数逐渐降 低 , 在达到转化 点后 , 加入水可稍快点在恒定的搅拌下 , 把乳液冷却到室温 。 其工艺流程如图 。 图乳液制备工艺流程 沈阳业大学硕十学位论文 实验设计 乳液制备方式的确定 要 制备好一种乳液 , 除了选好乳化剂外还 一要 注意乳液的制备方式 , 就是采取什 么样的途径把一种液体分散到另一液体 中 。 因为在制备乳液时要形成巨大的界面需 要 能量 , 而一般的震摇往往不能将液珠分散得很细很匀 , 所以要制备更细的乳液 , 就需要特殊的设备 , 提供更激烈的震 荡 , 这样才 一 能得 到更细 的乳液 , 以下是目前制 备乳液的种常用方式 ,月 。 机械搅拌用 带有螺旋桨的具有较高速度的搅拌器 , 使两种液体剧烈搅拌混合 。 这种方法 简单 , 操作方便 , 是工业生产和实验室最易实现的 一种方式 。 但此法所 制的乳液分散度低 , 均匀性差 , 还容易混入空气 。 胶体磨胶体磨的主要部件由固定子和转子组成 , 转子的速度一般为 ,一 转分 一 一 。 所以在固定子与转子之间产生很大的剪切力 , 靠这种力就 可 以乳化液体 。 均化器将被乳化液体加压 , 从一可调节的狭缝中流过 , 一达 到乳化的目的 。 均 化器设备简单 , 主要部分是一个泵 , 可加压到 一。 这种方式可得 到分散度高 , 均匀性好的乳液 。 超声波乳 化 器是实验室中常用的乳化方式 , 通常借压 电晶体或磁致伸缩来产生 超声波 , 在工业上 , 由于得不到大功率的超声波发生器 , 所以不能作为生产大量 乳液的手段 。 以上所介绍的各种乳化方式的乳化效果并不一样 , 若将的油用某种非离 子型乳化剂 , 那 么用各种不同形式搅拌进行乳化的效果如表所示 。 表搅拌方式与颗粒分布 搅拌方式 粒子大小范围恤 螺旋桨 胶体磨 均化器 乳化剂 不乳化 乳化剂乳化剂 沈阳 二业大学硕士学位论文 实验发现搅拌器方式不同 , 乳化效率也不一样 , 而且对某一种体系用 一种方式 进行分散叼 , 最多只能达到某种分散程度 , 企图利用长时间的方法提高分散度是徒 劳的 。 从乳化 一犯 过程来看 , 仅在开始一段时 间内分散度通时间增加 , 达到 一 定时 一 间 后 分散程度 就不再 改变了 。 本课题选择机械搅拌的方 一 式制 备乳液 , 因为此方法 简 单 , 操作方便 , 是工 业生产和实验室最易实现的一种方式 。 用此方法制得的乳液 , 再用 匀化器或胶体磨处理 , 就可以得到均匀 的乳液 。 乳化方法的确定 除了选择好 的乳化工具外 , 乳化方法也很重要 , 如果方法使用恰当不必经过剧 烈的 的搅拌混合就可获得稳定性良好的乳液 。 乳化方法就是要注意加料顺序 、 方 式 、 混合时间等 。 衡量乳液质量的指标是多方面 的 , 包括有粒子大小分布 、 分层速 度 、 外观 、 粘度等 。 所 以应 当根据实际需要来挑选乳化方法 。 本课题主要是研究一 种稳定的乳液 , 因而主要考虑用最低成本得到最稳定的乳液 。 乳化通常采用的几种 方法有车专 相乳化法 、 自然乳化分散法 、 瞬间成皂法 、 界面复合物生成法及轮流加 液法 。 以上几种方法以转相法较差 , 乳液液珠不仅粗 , 而且大小不均 , 是很不稳定 的乳液 , 但是此方法简单 , 操作容易实现 。 本课题采用转相乳化法 , 即乳液转化点方法 。 在乳液转化点方法中 , 首先把乳 化剂溶解在油相树脂中 , 然后再不断搅拌下慢慢将水相加到树脂和表面活性剂 的混合物中 , 先形成油包水型型的乳液 。 当加入更多的水时 , 这种油包水 乳液的粘度显著地增加 , 到达转变点时 , 乳液的粘度达到最大值 。 到达转变点后 , 这种油包水 型