環(huán)保型生物基呋喃樹脂的開發(fā)及應(yīng)用
呋喃樹脂砂工藝應(yīng)用現(xiàn)狀
我國長期以來一直采用濕型砂造型（芯），存在生產(chǎn)周期長，勞動條件差，生產(chǎn)效率低，鑄件質(zhì)量差等許多問題。到 20 世紀(jì) 50 年代末我國開始采用CO2 水玻璃砂法， 該方法的生產(chǎn)成本低，設(shè)備簡單，操作方便，使用靈活，當(dāng)時在許多鑄造企業(yè)得到應(yīng)用。不過該工藝在使用過程中暴露出鑄件表面質(zhì)量低，芯砂潰散性差，鑄件清砂十分困難，舊砂還不能再生回用等許多問題。到了 80 年代，我國鑄造工作者積極推廣應(yīng)用樹脂砂工藝，尤其是呋喃樹脂砂工藝，占我國樹脂砂工藝的 80％以上。
盡管呋喃樹脂砂工藝在鑄鐵件生產(chǎn)中獲得了較好的效果和廣泛的應(yīng)用，但是，采用它生產(chǎn)鑄鋼件和鑄鋁件時，出現(xiàn)了許多問題亟待解決，從而導(dǎo)致呋喃樹脂砂工藝在鑄鋼和鑄鋁件生產(chǎn)中的應(yīng)用受到了一定的限制。對于鑄鋼件來說，由于呋喃樹脂砂發(fā)氣量和發(fā)氣速度大、導(dǎo)熱性差、高溫強(qiáng)度高及固化劑含硫等問題，使鑄鋼件產(chǎn)生許多鑄造缺陷，導(dǎo)致其質(zhì)量難以控制。對于鑄鋁件來說，高溫強(qiáng)度高，鋁鑄件熱裂傾向嚴(yán)重，清砂十分困難。
呋喃樹脂砂工藝亟待解決問題
（1）呋喃樹脂的污染嚴(yán)重，原材料依靠短缺的石油資源。
目前在鑄造生產(chǎn)中使用的呋喃樹脂，是采用苯酚、甲醛、尿素和糠醇等材料縮聚而成的。由于樹脂中含有苯酚、甲醛、尿素和糠醇等對人體有毒、有害的物質(zhì)，在高溫金屬液澆注和鑄件落砂清理時都會大量的釋放出來，污染環(huán)境。為了解決呋喃樹脂的污染和擴(kuò)大原材料的資源，近年來，國外已采用（5-HMF）來取代糠醇，作為呋喃樹脂的主要組分，不僅能大幅度減少糠醇用量，而且還能提高呋喃樹指砂的工藝性能。但是這一工藝還存在產(chǎn)出率低、耗能高、成本大等問題，還未能應(yīng)用于生產(chǎn)。
（2）磺酸硬化呋喃樹脂砂對球鐵件表層球化不良的影響。
球墨鑄鐵經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種不可替代的金屬材料，它的產(chǎn)量和所占鑄件的比例逐年增加，而且，我國也是世界上球墨鑄鐵件產(chǎn)量最多的國家。
但是，呋喃樹脂砂型使用磺酸類作催化劑時生產(chǎn)球鐵件，在鑄件表層常出現(xiàn)變異組織，其表層硫含量大大高于鑄件中心。鑄件表層出現(xiàn)異常組織導(dǎo)致試件的沖擊值等力學(xué)性能顯著降低。因此，研究解決磺酸類固化劑硬化呋喃樹脂砂對球鐵件表層組織變異的問題，對于我國球鐵件的今后發(fā)展有著積極的作用。目前，已開發(fā)的防滲硫涂料，技術(shù)還不成熟，也未成為商品出售。
呋喃樹脂砂工藝面臨的挑戰(zhàn)
有機(jī)粘接劑在我國鑄造生產(chǎn)中的使用，有力地推動了造型制芯方法的進(jìn)步，其中以自硬樹脂發(fā)展最為迅速，尤以呋喃系樹脂砂，在型砂粘接劑中占有非常重要的地位，也是我國應(yīng)用最多的一種樹脂砂。由于呋喃樹脂具有許多優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著呋喃樹脂砂的應(yīng)用日益廣泛，不斷研發(fā)出了許多不同需要的新型改性呋喃樹脂。但是呋喃樹脂存在的問題還很多，例如，生產(chǎn)出的鑄件缺陷多（熱裂、滲碳、滲硫、氣孔等）、污染重，仍需進(jìn)一步改進(jìn)與提高。
為此，我國面臨的挑戰(zhàn)是，在系統(tǒng)研究呋喃樹脂合成反應(yīng)機(jī)理的共性技術(shù)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化對呋喃樹脂的改性，開發(fā)環(huán)保型呋喃樹脂體系，降低生產(chǎn)成本，縮短固化時間，提高生產(chǎn)效率，改善作業(yè)環(huán)境，進(jìn)一步擴(kuò)寬呋喃樹脂砂的應(yīng)用領(lǐng)域。
呋喃樹脂砂要實現(xiàn)的目標(biāo)
目前，鑄造用的改性呋喃樹脂主要是以石油資源中獲得苯酚、甲醛和尿素等為原始材料，隨著石油等不可再生資源的大量消耗，原油價格不斷上升，以石油為主導(dǎo)的化工工業(yè)的成本將不斷地提高。同時，生物質(zhì)，如 5- 羥甲基糠醛（5-HMF）， 是一種可持續(xù)性資源，數(shù)量巨大，價格低廉，可被生物降解，并且可不斷再生，采用它作為呋喃樹脂生產(chǎn)的原始材料，是解決目前資源和能源危機(jī)的重要方法。
開發(fā)應(yīng)用與呋喃樹脂配套使用的低硫磺酸固化劑和防增碳、滲硫涂料，以解決呋喃樹脂砂使用磺酸類作催化劑生產(chǎn)球鐵件時，鑄件表層出現(xiàn)的變異組織，其導(dǎo)致鑄件沖擊韌性等力學(xué)性能顯著降低。
資料來源：《鑄造技術(shù)路線圖》
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