有機酯水玻璃砂硬化劑的開發與研究

李曉琳

摘要：利用化工廠生產副產品（甘油醋酸酯、乙二醇醋酸酯）改良成有機酯硬化劑，應用于鑄造企業。

關鍵詞：有機酯；副產品；甘油醋酸酯

多元醇醋酸酯 （甘油醋酸酯、乙二醇醋酸酯） 現已廣泛用于自硬化堿性酚醛樹脂和改性水玻璃砂的固化劑，其中甘油二醋酸酯、甘油三醋酸酯、乙二醇一醋酸酯和乙二醇二醋酸酯是較為常用固化劑，它們的固化脫模時間一般在5～30 min，其中甘油二醋酸酯固化速度比甘油三醋酸酯快，而乙二醇一醋酸酯固化速度比乙二醇二醋酸酯快，它們基本能滿足大部分自硬化堿性酚醛樹脂與改性水玻璃砂固化時間要求。如果固化速度需要更快或更慢，也可將它們與固化速度更快或更慢的酯進行復配，以期到達所需固化時間要求。一般固化速度更快的酯主要有碳酸丙烯酯或γ-丁內酯，而更慢的酯主要是多元酸酯。如甘油與醋酸酯化，可生成三種不同醋酸酯，其中固化速度快慢順序是：甘油二醋酸酯 （脫模時間12～15 min） >甘油三醋酸酯 （脫模時間20～25 min） >甘油一醋酸酯 （脫模時間60～65 min）。對于堿性酚醛樹脂，固化速度主要是通過固化劑種類來調節，也可通過調節樹脂分子量來調節，但后者調整幅度較小，另外，堿性酚醛樹脂分子量太小，則影響樹脂砂終強度；而對于改性水玻璃來說，在某一季節里，除了可通過固化劑種類外，更主要的是通過水玻璃模數來調節，一般將水玻璃模數與固化劑種類二者結合起來控制固化速度。目前生產堿性酚醛樹脂與改性水玻璃的鑄造材料生產廠家生產與之相配套固化劑的還較少。

市場上有機酯產品無色、低氣味、外觀較好，但價格高，而作為鑄造材料用有機酯固化劑的外觀與少量醋酸氣味不會影響樹脂砂或水玻璃砂性能，因此利用化工副產品三醋酸甘油酯自己生產，可降低生產成本，增加利潤空間。本研究提出簡易生產甘油醋酸酯硬化劑方法，分析醋酸甘油酯酯硬化劑生產過程，及實際鑄造驗證，為中小型鑄造材料廠生產有機酯固化劑及化工廠副產品處理及資源再利用提供參考。

1.基本情況

某機械廠鑄鋼車間生產中，鑄件重0.5t～2t，普通碳素鋼。由于鑄件結構復雜，品種多，要求根據實際情況調配快速硬化劑、中速硬化劑、慢速硬化劑，且大多數鑄型要在12h以內澆注。

2.工藝試驗

2.1控制型砂的強度

根據造型操作、翻箱起模和澆注的實際要求，型砂的抗拉強度控制在以下范圍：0.5h時≥0.1MPa；2h時≥0.30MPa；6h時≥0.50MPa。0.5h強度控制可使用時間和起模時間，其值低于0.03MPa，將延長型砂的可使用時間，脫模時間也隨之延長，降低生產效率，超過0.30MPa，可使用時間縮短，稍大的鑄型在放砂過程中會出現接茬現象；4h的強度，主要是確保合箱和澆注的需要，低于0.1MPa，容易產生蹋箱，大的型芯可能出現蠕變，澆注時還可能出現沖砂、漲箱等缺陷，超過0.6MP，將使回收砂的殘留強度提高，舊砂破碎再生變得困難；檢測24h的強度，是為了了解包括水玻璃、有機酯和舊砂在內的整個型砂系統運行變化的情況。例如，檢測某種水玻璃在現場條件下所能達到的最高強度等。

2.2 選擇合適的水玻璃和固化劑：

當前，水玻璃和固化劑的供應比較保守，只能用一家的產品搭配，不同廠家提供的水玻璃和固化劑沒有互換性。即使這樣，用戶也要結合雙方的特點精心選用。

生產中經常碰到的問題是固化劑的搭配不易掌握，不是型砂遲遲不能硬化，取模時間過長，操作無法連續進行，就是硬化過快，可使用時間過短，填砂過程還末完成，砂子就失去流動性，再就是強度達不到技術要求。有時，填砂過程也能完成，也能硬化，但就是砂子發脆，強度不高。針對不同模數水玻璃搭配不同有機酯固化劑是非常重要的。另外，特別是有機酯固化劑對季節十分敏感。因此在市場供給情況沒有得到改善之前，最好是先在實驗室調試，搭配好后再投入生產使用。我們采用廠方提供水玻璃與特定有機酯固化劑固化劑，用于單一砂造型制芯，生產一直比較穩定。

2.3試驗驗證

有機酯固化劑配比（環境溫度20℃至30℃）

三醋酸甘油酯 M物質 二醋酸甘油酯

慢速 95%～100% 5%～0

中速 60% 10% 30%

快速 10% 30% 60%

注：M物質的加入有利于醋酸甘油酯的水解

在水玻璃加入量為3%～4%，固化劑加入量為水玻璃的10%時，用20t/h混砂機混制的型砂，其抗拉強度，0.5h為0.10～0.24MPa，1h為0.31～0.57MPa，6h為0.50～0.65MPa

2.4選擇合適的原砂

為保證再生砂的質量，首先要選擇好合適的原砂，盡可能選擇粒形較園整的天然石英砂。與多角形砂和人造石英砂相比較，天然石英砂除了具有較高的比強度外，還具有不易被破碎的特點。福建東山砂比較理想。原砂的粒度應根據鑄件的大小和壁厚選用，粒度較細、篩號較分散的砂子，有利于砂型強度的提高和鑄件表面粗糙度的降低，我們用的是40/70，偏重于50目。

表1為不同原砂的性能比較：試驗時室溫：24.5℃，相對濕度：84%，水玻璃加入量2.5%，固化劑加入量15%（占水玻璃質量分數）。

3.結論

通過選擇合適的水玻璃和有機酯（某化工廠副產品）做硬化劑，使用粒形較好的天然石英砂，制定合理的工藝規程，可以將水玻璃加入量控制在4%以下， 其抗拉強度，0.5h為0.10～0.24MPa，1h為0.31～0.57MPa，6h為0.50～0.65MPa。