Регулирование скорости отверждения
Когда мы говорим о химической реакции, мы обращаемся к процессу, при котором одно или более веществ, простых либо сложных, соединяются, чтобы образовать одно или более веществ со свойствами, отличающимися от свойств исходных материалов. В случае с самотвердеющими связующими конечный продукт химической реакции представляет собой прочный твёрдый состав, способный жёстко связывать формовочную смесь.
Используемые в этих реакциях элементы и соединения могут быть как неорганическими, так и органическими.
Связующие соединения при формовке с применением ХТС могут быть органическими, то есть синтетическими соединениями с углеродом в качестве основного элемента, или неорганическими, с кремнием в качестве основного элемента.
Как правило, наиболее часто применяются органические связующие.
Химические реакции происходят самопроизвольно, со скоростью, определяемой соотношением количества образующегося продукта и времени, необходимого для его образования.
Эта скорость обуславливается рядом факторов: фотохимическим и электрическим эффектами, смешиванием реагентов, давлением, температурой, наличием катализаторов, количеством присутствующей воды и т.д.
При формовке с применением ХТС синхронизация скорости реакции со стадиями формовки достигается с помощью катализаторов или отвердителей в соответствии с температурой формовочной смеси и количеством присутствующей воды или воды, образующейся во время процесса.
Ниже рассмотрим факторы, воздействующие на скорость реакций в процессе формовки с применением ХТС, и их взаимоотношения:
Температура
Регулирование температуры формовочной смеси и модельной плиты и их зависимость от изменений температуры окружающей среды являются существенными факторами для поддержания постоянного времени отверждения литейной формы и управления стадиями процесса формовки. При повышении температуры формовочной смеси на 10°С скорость отверждения повышается вдвое (см. рис. 2.17). Следует помнить, что реакции отверждения являются экзотермическими.
Катализаторы
Применение катализаторов увеличивает скорость образования точки связи таким же образом, как и повышение температуры. Следовательно, катализаторы, повышают скорость реакций отверждения. Если бы катализаторы не использовались, образование связи происходило бы так медленно, что было бы невозможно применять этот процесс. Поэтому катализаторы являются неотъемлемой частью системы формовки с применением ХТС.
Рис. 2.17. Влияние температуры на скорость отверждения
Тип и количество катализаторов определяются требованиями производственного цикла, характеристиками изготавливаемой литейной формы, изменениями условий окружающей среды и типом применяемой смолы.
Наиболее важные параметры, воздействующие на стадию отверждения, приведены ниже, а в п. (9) указаны некоторые меры предосторожности, необходимые при обращении с катализаторами и их использовании.
Следует чётко определить взаимозависимость между живучестьюи временем снятия.Под «живучестью» мы подразумеваем фактическое время, предусматриваемое для работы со смесью песка и смолы после начала процесса отверждения.
Под «временем снятия» мы понимаем время, необходимое для снятия формы с модели и последующих манипуляций с ней для дальнейших операций без нанесения ей каких-либо повреждений.
Катализ процесса формовки с применением ХТС должен обеспечивать некоторую степень гибкости в процессе отверждения, так, чтобы можно было изменять некоторые его стадии одна относительно другой в соответствии с временем формовки (то есть временем для приготовления смеси и временем снятия формы с модели, которое является производственным циклом.
Для примера на рис.2.18. показаны две формовочные смеси, с фурановой смолой в качестве связующего и разными катализаторами. Заметно, что тип катализатора существенно влияет на скорость отверждения.
Рис. 2.18. Влияние скорости отверждения для двух формовочных смесей с использование фурановой смолы:
с катализаторами:-о- метанола толуолсульфокислоты ; -Δ-ортофосфорной кислоты
Регулирование взаимозависимости между «живучестью» и «временем снятия формы» для формовочных смесей, связанных с использованием полиуретановых смол, с применением одного и того же катализатора (фенилпропилпиридина), но в разных количествах показано на рис.2.19.
Влияние качества катализатора на скорость отверждения формовочных смесей, связанных фурановыми смолами. Изменения контролируются измерением механических свойств показано на рис.2.20.
Изменение скорости отверждения формовочной смеси, связанной фурановыми смолами показывает рис.2.21. Изменения контролируются измерением механических свойств смесей при использовании различных типов и различного количества катализатора (через 24 часа).
Выбор катализатора определяется также его совместимостью с используемым металлом, в отношении количества и типов газов, которые выделяются при заливке.
Кинетика выделяющегося газа, образуемого двумя свежими формовочными смесями, на фурановых смолах, с катализаторами толуолсульфокислотой и ортофосфорной кислотой соответственно представлена на рис.2.22.
Рис.2.19. Влияние отношения живучести к времени снятия формы для формовочных смесей:
с полиуретановой смолой в качестве связующего с катализатором фенил-пропиленпиридина в различных соотношениях ( количество катализатора уменьшается от V1до V3).
Существенное влияние на увеличении предела прочности оказывают силаны,которые улучшают свойства смол по смачиванию песка. Это означает, что количество смоляного крепителя может быть уменьшено. Применение силанов снижает также гигроскопичность собранной литейной формы.
Количество газа, образуемого при каждом цикле смесью по рис. 2.22., на регенерате (максимальное количество циклов 10) на фурановой смоле с разными катализаторами при воздействии температуры1371 С представлено, на рис. 2.23.
При химической формовке кислотные катализаторы работают с фурановыми, мочевинофурановыми, фенольными и фенол-фурановыми смолами.
Эти кислоты подразделяются на две группы:
1. Неорганические кислоты, например, ортофосфорная
кислота и серная кислота;
2. Органические кислоты. Исходя из рыночных требований
(наличие в промышленных количествах) и экологических
соображений (меньшее воздействие на персонал и окружающую
среду) наиболее применяемыми органическими кислотами
являются сульфоновые кислоты.
Рис. 2.20.Влияние типа катализатора на прочность на растяжения для смесей на фурановой смоле
Как можно видеть, основания для выбора этого типа катализатора подкрепляются техническими требованиями, главным образом, необходимостью более быстрого отверждения. Кроме того, катализатор
может иметь небольшую добавку серной кислоты для стимулирования реакции.
Сульфоновые кислоты
Сульфоновая кислота представляет собой молекулу с функциональной (химически активной) группой, электронная структура которой изображена в виде следующей визуальной модели:
О
IIR — S — ОН
II О
в которой [ОН] диссоциируется на [О]- и [Н]+, где [Н]+ представляет кислотность, a R представляет часть (радикал), даюший соединению своё имя.
Рис.2.21. Влияние типа катализатора и его процентным содержанием на предел прочности при растяжении:
через 24 час для смесей на фурановой смоле
Рис.2.22. Объем газа, выделяемого формовочной смесью на фурановой смоле во времени:
при воздействии температуры1371 С и количества катализатора
Рис. 2.23 Объем газа, к рассматриваемому времени, выделяемого стержнями, сделанными из смеси:
на регенерате(максимальное количество циклов 10) на фурановой смоле с катализаторами: толуолсульфокислоты (TSA) и ортофосфорной кислоты (P) под воздействием температуры 1300 С.