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《华中科技大学》 2005年 博士论文
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轻合金铸造用EPA改性酚醛树脂及应用的研究

冀运东  
【摘要】: 本文采用理论分析和实验研究相结合的方法,研究了热塑性酚醛树脂性能的控制规律,研究了EPA改性酚醛树脂的合成工艺及高强度易溃散覆膜砂的制备技术,探讨了酚醛树脂特性与覆膜砂性能之间的相互关系,取得了以下主要成果: 系统研究了甲醛/苯酚(F/P)比例、缩合时间、催化剂种类等合成工艺对热塑性酚醛树脂的软化点、聚合速度、流动性和溶解粘度等性能的影响。甲醛/苯酚(F/P)摩尔比在0.5-0.9的范围内,随着F/P摩尔比的增加,合成树脂的平均分子量增加,分子量分布变窄,软化点逐渐增加,聚合速度变快,流动性下降,溶解粘度增加。在树脂合成的过程中,延长缩合时间,酚醛树脂的平均分子量增加,分子量的分布不变;树脂的软化点和聚合速度直线上升;流动性下降;溶解粘度上升。 系统研究了不同的酸催化剂草酸、A酸、硫酸、盐酸对酚醛树脂性能的影响,发现酸催化剂类型对酚醛树脂的官能团结构没有明显影响、但影响树脂的平均分子量及分布等物理特性。采用硫酸催化剂合成树脂的软化点、平均分子量和分子量分布系数值最大,采用草酸作催化剂,对降低树脂的聚合速度和提高流动性有利。而A酸作催化剂时,显著提高合成树脂的聚合速度并降低流动性。实验结果表明,采用由多种酸混配的复合催化剂,可获得综合性能优良的酚醛树脂。 研究了硬脂酸钙、邻苯二甲酸二丁酯和水杨酸等添加剂对合成树脂性能的影响。结果表明,随着硬脂酸钙量的增加,树脂的软化点和聚合速度也相应的增加,当硬脂酸钙加入量大于2%时,软化点和聚合速度又随加入量的增加而减少。在树脂合成过程中加入二丁酯,会降低树脂的软化点、减慢聚合速度。而水杨酸的加入则提高树脂的聚合速度。 根据对轻合金铸造覆膜砂服役条件的分析,提出了改性酚醛树脂分子结构设计的原则:树脂主链上含有长的烷基链等柔性基团的嵌段共缩聚;酚醛主链上同时具有醚键连接和亚甲基键连接,提高树脂韧性,降低树脂分解温度,降低残留碳密度,控制树脂熔体粘度。成功开发了一种EPA改性酚醛树脂,采用长链脂肪二元酸EPA作为改性剂,草酸+A酸作为复合催化剂,改性酚醛树脂具有软化点低、聚合速度快、流动性好、平均分子量大,分子量分布系数大、存放性好、在350-400℃之间迅速分解的特点。 系统研究了EPA加入量对改性酚醛树脂性能的影响,当EPA加入量小于10%时,随着EPA加入量的增加,软化温度降低,聚合速度加快,溶解粘度上升,流动性变小;当EPA加入量大于10%时,聚合速度变慢,流动性增加。 采用回归分析法研究了树脂软化点和聚合速度与覆膜砂常温抗弯强度的相互关系。随着软化点的降低和聚合速度的提高,覆膜砂常温抗弯强度呈现上升趋势。测定了不同树脂的熔融粘度-温度变化曲线,发现不同软化点的树脂达到熔融粘度趋于恒定时(45-50泊)的温度差别很大。指出若按传统的覆膜温度等于软化点加上(40℃-50℃)制备覆膜砂,有可能导致覆膜温度过低或过高,损害树脂的粘接效率,导致覆膜砂强度降低。提出覆膜温度应等于熔融粘度50泊时温度加上40℃的控制原则。 研究了EPA改性树脂覆膜砂的制备技术,确定了如下工艺参数:树脂加入量1-2%,覆膜温度130±5℃、固化剂加入量12±0.5%(wt%/R),冷却水0.5-1%(wt%/S)。覆膜砂(2%树脂加入量)常温抗弯强度6.8MPa,残留强度0.2MPa,溃散性96.5%,高温持久时间230秒,并成功的用于生产汽缸盖、进气歧管和蜗轮壳等铝合金铸件。 开发出一套酚醛树脂合成工艺自动控制系统,该系统选用具有模拟量控制的可编程逻辑控制器PLC加上位机模式,利用梯形图和组态软件,具有造价低,操作简单,工艺参数控制准确的特点,为稳定树脂的质量创造了有利条件。


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