动物胶粘结剂改性合成机制及粘结固化机理的研究

发布时间：2020-11-06 16:17

　　 随着我国铸造行业的快速发展,铸造粘结剂的消耗量巨大,环保压力巨增,开发绿色环保可降解的粘结剂具有重要的意义。动物胶具有无毒无害、可生物降解、水溶性等特点,是环境友好型粘结剂之一。本文以动物骨胶为原料,通过水解改性增强其反应活性,提高粘结强度,并对粘结剂的合成机制、粘结剂与硅砂间的粘结性能以及硬化机理做了系统理论分析,成功地制备出了一种热硬动物胶铸造粘结剂;另外还对动物胶旧砂的再生工艺进行了试验研究。首先,对动物骨胶的组成成份及分子构成进行了系统的分析。结果表明,动物胶主要有C、H、N、O四种元素组成,且其分子结构主要有肽链构成,并含有氨基(-NH_2)和羧基(-COOH)基团。动物胶的相对分子量分布较宽,主要集中在20000Da-100000Da区间。主要含有甘氨酸、脯氨酸等20种氨基酸,总氨基酸含量为8633.10nmol/mg。由于普通的动物骨胶的粘度大,流动性差,型砂强度低,需要对动物胶进行改性处理提高其粘结强度和流动性能,并使之常温呈液态。对动物骨胶水解原理进行了分析和探讨,并对水解工艺进行了优化。选择无水碳酸钠作为水解催化剂及确定了其最佳加入量为动物胶质量的3%、水与动物胶的质量比为140:100、60℃水解温度和50min水解时间,水解后动物胶粘结剂的粘度为580mPa·s。由水解机理分析可知,水解后动物胶的分子量和粘度降低,活性基团数量增加。为了进一步提高动物胶粘结剂强度,降低粘结剂用量,选择丙烯酸和糠醇作为改性剂,过硫酸铵作为引发剂进行改性,以型砂的抗拉强度为指标,通过正交试验对改性剂的配比进行优化,得到接枝-交联改性的最优配比(质量比)为:动物胶粘结剂:丙烯酸:过硫酸铵:糠醇=100:14:3:10。在80℃改性温度和改性时间100min下,改性动物胶粘结剂粘度为1000mPa·s,通过加热硬化其型砂的初抗拉强度为2.69MPa(180℃×15min),终抗拉强度为2.55MPa。通过红外光谱、核磁共振、拉曼光谱等对改性粘结剂的进行表征,并分析了改性机理。结果表明,丙烯酸、糠醇分别与动物胶分子发生接枝共聚反应和酯化交联反应,使动物胶分子结构发生变化,提高了粘结剂体系的粘结强度、亲水性和热稳定性能。对动物胶型砂硬化机理及粘结机理进行了理论分析。其中,动物胶型砂的加热硬化主要是粘结剂分子脱水缩聚过程。粘结剂分子中的氨基、羧基、羟基等活性基团之间发生化学反应脱去水分子而紧密接触,粘结剂分子间相互缩聚建立强度。动物胶型砂微波硬化主要是粘结剂分子在微波作用下,分子中的水分子迅速脱去建立强度的过程。而动物胶型砂吹入CO_2气体硬化是利用促硬剂氢氧化钙与CO_2反应放热使粘结剂分子中水脱去,而且Ca~(2+)还可以与粘结剂发生配位反应起到“搭桥”的作用,建立型砂粘结强度。为了揭示粘结剂与砂粒表面之间的物理化学反应,对其改性动物胶粘结剂与原砂之间的粘结特点进行了剖析。通过对粘结剂的接触角、粘度、表面张力等测定和分析,得出改性动物胶粘结剂与原砂的接触角θ=40.158?,降低了55.08%,改性后粘结剂的表面张力值为36.000mN/m,降低了54.34%,改性后粘结剂对砂粒的润湿性能越好,更易浸润表面张力大的砂粒。通过扫描电镜宏观观察可知,改性动物胶粘结剂与硅砂间的粘结桥数量更多,从而粘结力更高。为了降低铸造旧砂对环境的污染,选择三种再生方法对动物胶旧砂进行再生并对其再生机理深入研究。通过对动物胶旧砂的机械法再生、热法再生、湿法擦洗再生的探讨分析,得出三种再生方法都能有效的去除旧砂表面残留的粘结剂膜,机械法设备简单已能够满足动物胶旧砂再生的要求。最后,对改性动物胶粘结剂砂的可使用时间、发气量、溃散性等工艺性能进行了分析检测,并现场浇注了出铝合金铸件,铸件表面光洁、无气孔、无缺陷。对改性动物胶粘结剂经济性进行了分析,其制芯成本较低。改性动物胶粘结剂具有无毒无害、可降解、型砂强度高、成本低、易再生的优点,能满足铸造实际生产的要求,有推广应用的空间。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG221
【部分图文】：

器及设备生工艺性能的研究所用的主要试验仪等，具体各项参数见表 2.7。表 2.7 旧砂再生试验用仪器及设备e instrument and equipment of test for reclaDYY-6C 上Viscotek TDA305max TGA-Q500 Invia 英型号 S1105 青KSY-12-16A 天津市SSZ 湘潭SXW-A 湘潭

图 2.2 擦洗再生机结构图Fig. 2.2 Structure of swaging machine方法及表征改性动物胶粘结剂的合成骤：向 1000ml 的三口烧瓶中，分别加入一定质量比的水与动物分钟后，加入催化剂进行水解，并升温至设定的水解温度，中速水解动物胶溶液；随后加入一定配比的改性剂，调温至改性反拌一定时间，形成黄褐色流动性较好的液体，自然冷却至室温。 为改性粘结剂的合成装置图。

图 2.2 擦洗再生机结构图Fig. 2.2 Structure of swaging machine征粘结剂的合成000ml 的三口烧瓶中，分别加入一定质量比的入催化剂进行水解，并升温至设定的水解温胶溶液；随后加入一定配比的改性剂，调温间，形成黄褐色流动性较好的液体，自然冷结剂的合成装置图。
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本文编号：2873361