专利名称：无酚中氮热芯盒制芯粘结剂及工艺的制作方法
技术领域：
本发明无酚中氮热芯盒制芯粘结剂及工艺属于铸造用辅助材料及工艺领域。
热芯盒射芯法是六十年代发展起来的铸造制芯工艺，该工艺适用于大批量生产和对砂芯要求较高的行业，比如广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机等行业的砂芯制造。
在本发明之前，热芯盒法制芯，在国内外虽有30多年的历史，但目前仍存在着不少问题，在传统的热芯盒制芯用芯砂粘结材料中，树脂的氮含量一般在12-13.5%范围内。高氮含量的芯砂在浇注时，易在铸件表面产生气孔和皮下针孔，同时，树脂中游离甲醛含量较高，这不仅缩短了树脂贮存期还在制芯过程中，释放出有刺激性气味的气体，恶化操作环境，这类芯砂粘结材料树脂一般采用呋喃改性脲醛树脂，固化剂主要是氯化铵尿素的水溶液，目前这类芯砂粘结材料在我国还相当普遍的应用于汽车、拖拉机等许多行业的热芯盒法制芯。
随着铸造技术的发展，近十年来在欧美、日本等一些工业发达国家中，热芯盒制芯粘结材料发生较大的变化，主要表现为树脂的氮含量、游离甲醛含量由高变低，粘度降低，众多有机材料在树脂合成时被采用，树脂用固化剂改变了以往芯砂的固化方式，延长芯砂使用的时间。美国Q.O公司WilliamJ.Mckillip撰写的《Improvementsinheatedboxhighproductioncoremaking》一文中介绍了一种新型的热芯盒用粘结材料，树脂的氮含量为2.5%，糠醇含量70%，粘度为65mpa·s，固化剂为50%对甲苯磺酸铜水溶液，混制的芯砂在芯盒温度为230℃下，30秒成型。德国Bakelite公司生产的脲醛改性的酚醛树脂，氮含量为7-8%，游离甲醛为0.5%，粘度为1600mpa·s。尽管热芯盒制芯有了较大发展，但目前仍存在着固化速度慢、芯盒加热温度高(230℃以上)、热芯盒树脂中含对人体有害的苯酚、固化剂中含氮量较高等缺点。
本发明的目的是针对现有技术的上述缺点所研制的无苯酚、快速硬化、新型中氮热芯盒树脂及潜活性不同季节配套使用的复合固化剂，采用本发明树脂及固化剂制芯，生产效率提高35%以上，有害气体的释放大幅度减少，砂芯的冷热态强度明显提高。
本发明的内容一、树脂的合成1、成分及配比成分糠醇、甲醛、尿素树脂中，糠醇(重量%)50-70尿素与糠醇摩尔比1∶2.0-2.7尿素与甲醛摩尔比1∶2.0-2.72、合成工艺树脂合成采用碱性反应，中间脱水反应、酸性反应和脱水反应四个阶段完成。其主要合成原理是甲醛与尿素在碱性物质催化下进行亲核加碱反应，生成各种分子形态的羟甲基脲混合物，然后再与糠醇在酸性物质催化下发生缩聚反应生成尿醛改性呋喃树脂。
合成时首先按上述摩尔比将甲醛、尿素加入反应器中，进行碱性阶段反应，所用的碱性催化剂可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨水等，稀释成25-5%水溶液加入，碱性阶段反应PH值可控制在PH＝8-10范围内，反应液在回流状态下进行反应10-60分钟，碱性反应结束后，进行中间减压脱水，脱水量可控制为反应液总量的14-30%。然后按前述范围的尿素与糠醇的摩尔比的量加入糠醇到反应器中，进行酸性反应;所用的酸性催化剂可以是盐酸、硫酸、草酸、醋酸等稀释成10-2%水溶液加入，酸性阶段反应的PH值可控制在4-6.5范围内，反应温度为90-110℃，反应时间为1-3小时。酸性反应结束后反应液的PH值应调整为中性，进行减压脱水反应脱水的数量可根据树脂粘度来加以控制，用φ4漏斗在35-40℃温度下测定树脂粘度值，其控制范围为15-40秒。
树脂合成的工艺流程见附
图1
按上述流程合成的树脂主要技术性能指标
※芯盒温度为210°±5℃二、固化剂的合成工艺过程及性能指标1、本发明所用的固化剂十分突出的特点是它在常温时是潜活性的，而当芯盒温度达到80℃以上时，又强烈地释放出酸活物质，使树脂硬化，它的化学成份为有机磺酸盐。主要合成原理是有机磺酸与金属氧化物发生酸碱反应生成盐。所用的有机磺酸可以是对甲苯磺酸、二甲苯磺酸、苯磺酸、萘磺酸等。金属氧化物可以是氧化锌、活性氧化铝、氧化铁、氧化铜等。
固化剂的合成工艺将磺酸加入反应釜中，加水溶解，然后缓慢加入金属氧化物，进行酸碱反应，反应温度为90-100℃，反应时间为30分钟，反应结束后，冷却结晶，用离心机进行固液分离，得到磺酸盐晶体与对甲苯磺酸、甲醇、水地行复配得到成品固化剂。
固化剂合成工艺流程见附图22、固化剂的成分配比(重量%比)
3、固化剂合成用原材料
4、按上述合成工艺合成的固化剂主要技术指标
制成本发明粘结剂所用树脂的量可比常规减少20-30%，配以占树脂用量25-35%的固化剂即可。
本发明与现有技术相比所具备的优点本发明树脂具有粘度小、含氮量适中、游离甲醛低和不含对人体有害的苯酚等特点，配以不同季节使用的三种复合固化剂，在常温时不释放酸性物质，当加热到一定温度后则强烈释放酸性，使树脂快速固化，并可降低芯盒温度(一般为180-210℃)。采用本发明热芯盒制芯粘结材料制芯效率可提高35%以上，有害气体的释放大幅度减少，砂芯的冷热态强度明显提高。
生产本发明树脂每吨获利税2000元，目前我国每年消耗热芯盒树脂约5000吨，如替代50%，则每年需生产该树脂2500吨，可获利500万元。
使用本发明技术每吨芯砂树脂耗量将下降20%，同样代替50%计算，则每年节省树脂500吨，价值约450万元。
由于该树脂固化时间短，生产同样数量的砂芯，设备开动时间将缩短，初步计算可缩短30%，以一台40公斤射芯机，每小时电耗150千瓦时，以每班开动7小时，年工作日为300天计算则每年耗电315万千瓦时，开工率减少30%，节电94.5万千瓦时。
具体实施例方式实施例1，称取200kg尿素、37%甲醛溶液701kg加入反应釜中，开动搅拌，使尿素完全溶解。用16.5%氯氧化钠水溶液调整PH值，使PH＝9.5，升温至98℃，回流反应30分钟，反应体系接通真空脱水装置，进行减压脱水，在真空度为0.08Mpa以下脱水150kg。脱水后向三口瓶中加入690kg糠醇，用2%盐酸水溶液调整PH值，使PH值＝5.5。升温至95-100℃，保温反应1.5小时，降温至70℃，反应体系接通真空脱水装置，进行减压脱水。在真空度为0.08Mpa以下脱水550kg，也可按φ4漏斗粘度为34S/37℃控制脱水量。
称取3000g标准砂，加到实验室用辗轮式混砂机中，加入18g复合固化剂，混制2分钟，然后加入60g例1合成出的树脂，混制2分钟，出砂。
称取混制好的芯砂180g加入到在样筒下端带有φ12mm小孔的φ50mm圆柱形样筒中，在SYC型锤式制样机上，使重锤冲击试样十次，计录下由小孔流出芯砂的重量，作为流动性数据。
混制好的芯砂在Z861型试样热芯盒射芯机上制样，芯盒温度为210±5℃，分别在不同时间制样测定试样的冷热态抗拉强度。
试验结果
实施例2称取尿素175kg、37%甲醛溶液65kg加入反应釜中，开动搅拌，使尿素完全溶解。用8.5%氯氧化钠水溶液调整PH值，使PH＝9.0，升温至98℃，回流反应30分钟，反应体系接通真空脱水装置，进行减压脱水，在真空度为0.08Mpa以下，脱水170kg。脱水后向三口瓶中加入690kg糠醇，用2%盐酸水溶液调整PH值，使PH值＝5.5。升温至95-100℃，保温反应1小时，降温至70℃，反应体系接通真空脱水装置，进行减压脱水。在真空度为0.08Mpa以下，脱水505kg，也可按φ4漏斗粘度为19/40℃控制脱水量。减压结束后，向反应釜夹套内通入冷却水，降温至40℃以下，得到粘结剂成品。
权利要求
1.一种无酚中氮热芯盒制芯粘结剂，它是由树脂和固化剂组成的，其特征是树脂的合成和配比是成分糠醇、甲醛、尿素树脂中，糠醇(重量%)50-70尿素与糠醇摩尔比 1∶2.0-2.7尿素与甲醛摩尔比 1∶2.0-2.7其合成工艺为按上述摩尔比将甲醛、尿素加入反应器中，进行碱性阶段反应，所用的碱性催化剂可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨水等，稀释成25-5%水溶液加入，碱性阶段反应PH值可控制在PH=8-10范围内，反应液在回流状态下进行反应10-60分钟，碱性反应结束后，进行中间减压脱水，脱水量可控制为反应液总量的14-30%；然后按前述范围的尿素与糠醇的摩尔比的量加入糠醇到反应器中，进行酸性反应；所用的酸性催化剂可以是盐酸、硫酸、草酸、醋酸等稀释成10-2%水溶液加入，酸性阶段反应的PH值可控制在4-6.5范围内，反应温度为90-110℃，反应时间为1-3小时；酸性反应结束后反应液的PH值应调整为中性，进行减压脱水反应；脱水的数量可根据树脂粘度来加以控制，用φ4漏斗在35-40℃温度下测定树脂粘度值，其控制范围为15-40秒，脱水后树脂合成完毕；固化剂的成分及配比(重量%)
固化剂的合成工艺；将磺酸加入反应釜中，加水溶解，然后缓慢加入金属氧化物，进行酸碱反应，反应温度为90-100℃，反应时间30分钟，然后冷却结晶，用离心机进行固液分离，得到磺酸盐晶体与对甲苯磺酸、甲醇、水进行复配得到成品固化剂。
2.根据权利要求1所述的制芯粘结剂，其特征是其制芯中用量树脂按常规用量减少20-30%，配以占树脂用量25-35%的固化剂。
全文摘要
无酚中氮热芯盒制芯粘结剂及工艺是铸造用辅助材料及工艺。这种粘结剂由粘度小、含氮量适中、游离甲醛低和不含对人体有害苯酚的树脂配以不同季节使用的三种复合固化剂组成。在常温时不释放酸性物质，当加热到一定温度后则强烈释放酸性，使树脂快速固化并可降低芯盒温度。采用本粘结剂制芯效率可提高35％以上，有害气体的释放大幅度减少，砂芯冷热态强度明显提高。本发明可使树脂耗量下降20％，固化时间短，有极大的推广价值。
文档编号B22C1/22GK1088494SQ92113868
公开日1994年6月29日 申请日期1992年12月25日 优先权日1992年12月25日
发明者刘烨, 金广明, 余明伟, 王岩 申请人:机械电子工业部沈阳铸造研究所