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铸造用EPS粘结剂的合成工艺

2013年06月09日

 l  前言
        发泡聚苯乙烯有质轻、吸震、易成型、成本低等优点,是当今世界上应用最广泛的塑料之一。我国80年代开始使用这种材料,这些年发展很快,已成为全世界十大塑料制品生产国之一。EPS大都是一次性使用,所以废塑料的污染问题也越来越严重。世界上很多国家都研究如何回收废EPS.因此,探讨废聚苯乙烯泡沫塑料的处理方法是科研工作者的热门课题。目前研究的重点主要在利用废聚苯乙烯泡沫塑料热降解回收苯乙烯单体,制取涂料、防水材料、胶粘剂等。本文介绍一种用废聚苯乙烯泡沫塑料制铸造粘结剂的方法,并研究成分配比、改性剂、增塑剂等对粘接剂的影响。
        2 EPS乳液粘结剂的合成
        2.1  实验仪器及实验药品
        实验合成仪器:J50型电动搅拌器、型砂强度测试仪、锤击式制样机等。
        实验所需药品:二甲苯、丙酮、乙酸已酯、OP一10、磺酸钠、E剂、B剂、松节油。
        2.2混合溶剂的确定
        利用废弃聚苯乙烯研制铸造用粘接剂,混合溶剂的选用不仅决定了粘接剂的成本,而且还决定了其毒性的高低及其性能的好坏。理想的溶剂应具有以下籍点:(1)具有很强的溶解力;(2)易与其他溶剂混合且混砂时有较好的分散性;(3)溶剂具有最小的毒性以减少对人体的伤害;(4)价廉易得且挥发速度适中等。
        根据化学知识我们知道,溶解强弱可以根据聚苯乙烯与溶剂的溶解参数差来确定,即一般溶解度参数相近原则。如表1列举了一些物质的溶解度参数。
        溶剂溶解能力的强弱取决于溶剂分子和高分子聚合物间的亲合力,亲合力决定了溶剂向高分子聚合物分子间隙中扩散的难易。通常当溶解度参数δ值的差值即|δ1-δ2|<1.3时,两种物质就能够溶解。因此,我们选用了二甲苯、乙酸乙酯、丙酮做为制取胶粘剂的混合溶剂。并确定三者的比例为3:3:4.
        2.3溶质量的确定
        对于一种溶剂来讲,溶解物质的能力是一定的。超过溶解能力,就会溶不了,而达不到溶解的极限,又会存在影响性能的问题,不能充分的挖掘溶剂的能力。因此,在合成的过程中,合适的加入量不但能充分利用溶剂的性能,还可以达到一个理想的效果。为此我们做了实验,结果如表2所示。
        由图1我们知道:随着溶质量的增加,砂样初始强度先增加后下降。我们选择的溶质加人量是42克,即取:溶质(克)/溶剂(m1)=0.42时效果较佳。
        2.4改性剂对粘结剂的影响
        要合成铸造用的EPS粘接剂,改性剂的选择至关重要。因为聚苯乙烯是非极性物质,其分子中因含有苯环提高了刚性,降低了链节的柔韧性,性脆而易断阎。用它作粘接剂就必须用极性的物质对其改性,在聚苯乙烯分子链上引入极性基团,增加粘接剂的附着力,这是利用废塑料生产粘接剂的关键。综合考查各种常用的EPS改性剂,我们选择E剂作为我们实验的改性剂。E剂是一种强极性的物质,含有强极性基团,极少量的用量就能得到很好的改性效果。表3列出了改性剂对粘结剂初始强度的影响。
        由表中的数据画出的曲线图如图2所示。我们可以看出改性剂的用量占到EPS用量的2.7%时改性效果最好,所以我们确定的改性剂用量为EPS用量的2.7%。
        2.5乳化剂
        乳化剂是一类能使互不相溶的液体形成稳定乳液的化合物。它们都是有表面活性的物质,能降低界面张力,使不相溶液体乳化。乳化剂种类影响乳液的稳定性,非离子型乳化剂赋予乳液好的化学稳定性,阴离子乳化剂赋予乳液好的机械稳定性。我们选用非离子乳化剂OP一10与阴离子乳化剂十二烷基磺酸钠和硫酸钠组成复合体系。阴离子乳化剂采用1:1比例,非离子与阴离子乳化剂比例为2:1,乳化剂的用量占溶剂体积的2.6%时稳定性最好。
        2.6增塑剂
        聚苯乙烯是线性结构,苯环侧基在主链上的位置是无规则,无定性的。使主链变硬,造成软化点较高,常温下较脆。因此除了对聚苯乙烯进行改性外,还要加人一定的物质优化粘结剂的性能,即在乳液中加入增塑剂。增大了链问的距离,减少了范德华力的作用,使链段活动能力增大,从而降低了软化温度,借以制得韧性好的粘结剂㈣。我们选择了与EPS有较好的相溶性的B剂作为粘结剂的增塑剂。且增塑剂对砂样初始强度的影响见表4.
        由表4我们知道B剂用量占EPS用量的10%左右时,粘结性能是最好的,所以我们选择的B剂用量是占EPS用量的8-10%。
        2.7稳定剂
        粘结剂在混砂实验中挥发速度过快,与实际生产中的要求不符。为了改变这种情况,减缓溶剂挥发速度,延长型砂使用时间,我们在粘结剂中加人稳定剂。选择稳定剂的条件是:沸点比较高,常温下挥发速度适中。根据要求我们考察了几种稳定剂,选择了松节油剂作为我们的稳定剂,并通过实验确定松节油剂的加入量为20ml.
        2.8合成温度对粘结剂的影响
        粘结剂合成过程中,需要对废聚苯乙烯进行改性和增塑,所以反应温度对粘结剂性能也是一个重要的因素。确定一个合适的反应温度对得到高性能的粘结剂很重要。为此我们设计了一组实验,验证实验温度对性能的影响,如表5所示:
        由表5中数据看出:最佳的反应温度是在40-50℃之间,这也是我们确定的反应温度。
        3合成工艺
        3.1原料的准备
        由于实验原料是废聚苯乙烯,泡沫表面会有或多或少的杂质,这些有可能影响最终的实验结果。所以实验之前我们要做的就是要清除这些杂质和油污,然后晾干、粉碎,已备使用。
        3.2粘结剂的合成
        在铁架台上架好三口烧瓶,安装好电动搅拌器和温度计。然后将乙酸乙酯、二甲苯、丙酮按照比例加人烧瓶中。启动电动搅拌器,将粉碎的废聚苯乙烯(EPS)慢慢的加人到溶剂中,在边搅拌边加聚苯乙烯的条件下待全部溶解后,加入适量改性剂对聚苯乙烯进行改性反应。然后加入适量的稳定剂,同时加入混合乳化剂,来降低各相之间的界面张力达到充分混合的目的,并将温度控制在40——50℃内,反应一个小时后加入增塑剂,再反应两个小时后,自然冷却至常温,得到黄褐色的粘结剂。反应工芦的流程图如图3.1所示
        4粘结剂的性能及结果分析
        4.1粘结剂加入量的确足
        型砂试验中,粘结剂加人量对砂样的初始强度有很大影响。加人量不足时,砂粒问的空隙较多,型砂的透气性提高,但强度不够,不能体现粘结剂性能;加入量过大,粘结剂填充在砂粒间空隙,型砂透气性下降。浇铸时,在高问金属作用下,粘结剂烧损量增加,产生大量气体。由于透气性下降,气体不能及时排出,会导致铸件气孔缺陷的产生。同时,没有烧损的粘结剂,由于过量存在,也可能使型砂溃散性能恶化,不利于型砂的再利用。
        所以,确定合适的加入量就显得很有必要。我们设计了找出最佳加人量的实验,结果如表6所示。这个实验是在加人l%的Ca(OH)2,吹CO2反应建立初始强度的基础上进行的。采用CO2流量参数是0.5,吹气时间1分钟。
        由表6中数据知,采用的粘结剂最佳加人量为16克/500克(原砂)。
        4.2型砂添加物量的确定
        通过对几种粘结剂辅助物的型砂试验我们知道,Ca(OH)2对型砂初始强度的提高有明显的帮助,因此确定为我们型砂试验的辅助添加剂。表7就是确定添加物量的实验结果。
        由表7中的数据我们得到Ca(OH)2的加人量应占原砂质量的l%左右为佳。
        5结论
        1)本文是用废聚苯乙烯来研制铸造用粘结剂,为"白色污染"物的回收提供了一种实用的方法。
        2)通过一系列针对性实验,得出合成粘结剂原料的合适加入量,通过加入稳定剂延长了型砂的使用时间,优化了工艺方案。得出实验合成的配方如表7.
        3)通过在型砂中加入不同的粘结剂确定出最佳的粘结剂加人量为16克/500克(原砂)。
        4)通过实验找出了本粘结剂的辅助添加剂Ca(OH)2,并确定它的最佳加人量为1%。
        5)通过实验找出了本粘结剂的最佳合成温度为40-50℃。

 

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