有机酯水玻璃砂硬化剂的开发与研究

有机酯+CO2复合硬化水玻璃砂的生产工艺特性瞿建银刘风雷［摘要］本文着重介绍了温州市开诚机械有限公司有机酯+CO2复合硬化水玻璃砂生产工艺特性。

关键词：有机酯硬化、CO2硬化、复合硬化、旧砂再生。

一、前言有机酯硬化水玻璃砂造型工艺是近几年发展起来的一种新型绿色环保的铸造工艺方法，相较于有机粘结剂的树脂砂，具有以下特点：1. 造型成本低。

水玻璃粘结剂价格低廉，市场价格波动小，从2003年至今，价格波动没有超出15%，而呋喃树脂砂中树脂的价格波动很大，导致型砂成本波动大，给企业营销增加困难。

2. 具有绿色环保的特点。

由于水玻璃是一种无机粘结剂，因此在造型、浇注过程中，不会产生SO2、苯、甲醛和二恶英等有害气体污染环境，是所有砂型铸造工艺中最理想的环保型的造型工艺。

3. 适宜采用干法再生，解决了传统水玻璃砂旧砂再生处理难的问题，进一步降低了造型生产成本。

二、水玻璃的硬化机理1. 水玻璃有机酯硬化剂的硬化原理。

水玻璃硬化机理分为化学硬化和物理硬化，有机酯硬化剂的硬化原理既含有化学硬化，也含有物理硬化，主要分为三个阶段：第一阶段，有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。

化学反应式如下：R-COOR’+XH2O O H－RC00H+R’OH第二阶段，有机酯和水玻璃反应，使水玻璃模数升高，且整个反应过程为失水反应，当反应时水玻璃的粘度超过临界值，水玻璃便固化，化学反应式如下：Na2O•mSiO2•n H2O+XRCOOH⇌（1-X/2）Na2O•mSiO2•（n+X/2）H2O+XRCOONa以上两步总的反应式为：XRCOOR’+Na2O•mSiO2•n H2O+XH2O⇌（1-X/2）Na2O•mSiO2•（n+X/2）H2O+XR’OH+XRCOONa第三阶段，水玻璃进一步失水硬化。

由于反应产物的有机盐一般为结晶水化物，而生成的醇也要吸收溶剂水，再加上挥发失水，因此有机酯能使水玻璃模数、浓度升高到临界值以上，即可促进水玻璃的固化。

有机酯对水玻璃砂强度影响的试验分析苏建民（ 潍坊科技职业学院，山东 寿光 262700）摘 要:通过试验分析验证了水玻璃的加入量增加和有机酯的加入对水玻璃砂的残留强度和24h 终强度的影响程度的大小。

关键词：有机酯；残留强度；24h 终强度中图分类号：TB321 文献标识码：A有机酯硬化水玻璃砂的应用与许多因素有关，如：原砂种类；水玻璃的浓度、模数；水玻璃加入量；有机酯种类及有机酯加入量；原砂含水量 ；环境温度和湿度条件；硬化时间等。

从大量的参考资料，尤其是科技文摘中可以看到，目前许多工厂在使用有机酯硬化水玻璃砂的时候，水玻璃的加入量大多为3.5%～4.5%；有机酯的加入量基本上都是水玻璃加入量的1/10；原砂含水量小于1%；而硬化时间则根据各自的情况不尽相同。

本文结合各种文献中所讲述和应用的水玻璃加入量、有机酯加入量和原砂水分含量，并根据实际情况作了适当的调整，应用正交实验的方法初步研究分析水玻璃加入量、有机酯加入量和原砂水分含量三因素对有机酯硬化水玻璃砂强度的影响。

1、试验用原材料和试验方法 1.1试验用原材料原砂：擦洗砂 粒度28～55 含水量0.20% 含泥量0.40% 水玻璃：m=2.40 ρ=1.50有机酯：MTD903，三醋酸甘油酯试验温度及湿度：温度22℃，湿度30％ 1.2混砂与制样混砂：用碗式树脂砂混砂机混砂 工艺为：原砂 + 有机酯−−−→−-min 0.15.0水玻璃−−−→−-min5.11出砂 制样：用模手工制作5050⨯Φ的试样，一般出砂后20分钟内制样完成 2、试验数据及检测数据分析2.1有机酯硬化水玻璃砂工艺的原料主要是原砂、水玻璃粘结剂和有机酯硬化剂。

本试验是在原砂（擦洗砂）、水玻璃模数、已经确定的前提下，参考了大量的书刊和科技文献，从中吸取了大量的科技成果。

从水玻璃加入量、有机酯加入量和原砂水分含量三个方面，应用正交实验的方法初步研究分析水玻璃加入量、有机酯加入量和原砂水分含量三因素对有机酯硬化水玻璃砂24h 抗压强度和800℃残留强度的影响程度（表如下1.1～表1.6）表1 水平因素表26％8％（占水玻璃）1.0％表2 试验方案及试验结果1 1 1 1 1.03 1.002 1 2 2 2.52 0.2153 2 1 2 1.42 1.804 2 2 1 2.45 1.30表3试验方案及其计算分析（1）1 1 1 1 1.032 1 2 2 2.523 2 1 2 1.42 42 2 1 2.45 1j K 3.55 2.45 3.487.42T =2j K 3.87 4.97 3.94 jS0.02561.58760.5290注：nK K S j j j 221)(-=，n 为数据个数，j K 1,j K 2 , j K 3为水平数据之和表4 方差分析(1)影响因素偏差S 自由度f 均方VF 值 显著性A 0.0256 1 0.0256 1B 1.5876 1 1.5876 62.017 （*）C 0.0529 1 0.0529 2.07 e 0.0256 1 0.025610.25(1,1) 5.83F = 0.10(1,1)39.1F =表5 试验方案及其计算分析（2） MPa1 1 1 1 1.002 1 2 2 0.2153 2 1 2 1.80 42 2 1 1.30 1j K 1.215 2.80 2.304.315T =2j K 3.10 1.515 2.015 jS0.88830.41280.0203注：nK K S j j j 221)(-=，n 为数据个数，j K 1,j K 2 , j K 3为水平数据之和表6 方差分析(2)影响因素偏差S 自由度f均方V F 值显著性A 0.8883 1 0.8883 43.76 （*）B 0.4128 1 0.4128 20.33 [*]C 0.0203 1 0.0203 1 e 0.0203 1 0.020310.25(1,1) 5.83F = 0.10(1,1)39.1F =2.2 利用差热分析得出试样在什么温度点或什么温度范围有无相变发生，以便来判断试样成分是否发生变化；变化点多发生曲线的峰值或峰谷。

水玻璃硬化剂(MDT-系列有机脂)
物化性能
微黄色透明液体;略溶于水;易溶于醇、醚和其它有机溶剂。

沸程：(101.3kPa)180～290℃
具有酯的一般化学性质，在苛性碱和无机酸存在下容易水解成醇和乙酸。

水玻璃硬化剂(MDT－系列有机酯)产品简介
随着铸造行业发展和生产技术进一步需要，我厂研制并生产了MDT系列有机酯，94年开始应用铸造生产，共有3个品种自硬特性好。

水玻璃自硬砂无毒无害，在混砂，造型硬化和浇注过程中均无刺激气味有毒气体释出，一旦旧砂再生和回用解决后，不再有废砂排放，在黏结强度，溃散性和旧砂性方面，均接近甚至达到树脂砂同样的水平，在水玻璃中添加少量MDT有机脂后，便成为在常温下，型砂达到自硬程度，砂在模型内自硬后脱模不需要烘干。

在全国不同地区大中型企业铸钢有色金属生产等方面验证，具有铸件尺寸精度高、加工余量小，溃散性好、发气能量少、生产能耗低等优点。

酯硬化水玻璃自硬原理
有机酯与水玻璃混合后，在水玻璃这感性介质中，有机酯发生水解，分解为醇和酸。

有机酸与水玻璃反应析出硅酸，却相互结合形成网状的硅酸凝胶，逐步硬化。

此时由于砂粒被分别包围在网状结构中，于是型砂建立起强度。

一般酯硬化水玻璃砂型抗压强度为1.5-3Mpa。

质量指标Q/320282NZX001-2003:
产品型号及技术指标
通常配比：原沙%;水玻璃2.4～4.0%;硬化剂0.25～0.4%;水玻璃模数2.2～2.5
硬化速度调节
运输及储存：
本产品易水解，注意防水和密封。

在运输、储存中应隔绝明火，产品应储存于阴凉、干燥处，防止受热、受潮、阳光暴晒和雨淋。

酯硬化水玻璃旧砂湿法再生工艺试验研究
酯硬化水玻璃旧砂湿法再生工艺试验研究是对一种具体的湿法再生工艺进行研究。

以下是可能的研究内容及步骤：
1. 实验目标：确定酯硬化水玻璃旧砂湿法再生工艺的可行性、再生效果及影响因素。

2. 实验材料和设备准备：
- 酯硬化水玻璃旧砂样本
- 酯硬化水玻璃湿法再生试验装置（包括反应器、搅拌器、
加热装置等）
- 实验室常规设备（天平、pH计等）
3. 实验设计：
- 设计不同的湿法再生工艺参数，如酯化剂浓度、反应时间、温度等
- 设计对照组，比较不同再生处理条件下的再生效果
4. 实验步骤如下：
- 收集酯硬化水玻璃旧砂样本
- 制备试验装置，确保其正常运行
- 设计实验组和对照组的具体参数和条件，并标记样品
- 按照设定参数，进行湿法再生处理，并记录处理过程中的
数据，如温度、pH值等
- 进行再生后的样品分析，如颗粒度分布、化学成分等
- 进行再生砂的物理性能测试，如压缩强度、耐火性等
- 对不同处理条件下的再生效果进行比较和分析
5. 结果分析：
- 对实验结果进行统计和分析，比较不同处理条件下的再生
效果
- 判断酯硬化水玻璃旧砂湿法再生工艺的可行性及其适应性
6. 结论：
- 根据实验结果，对酯硬化水玻璃旧砂湿法再生工艺进行总
结和评价
- 提出可能的优化建议和改进方向
以上是对酯硬化水玻璃旧砂湿法再生工艺试验研究的一种可能的方法和步骤，实际的研究可以根据具体情况进行调整和改进。

水玻璃有机脂自硬砂的研究一、前言：在单件小批量的铸件生产中，我国应用自硬型砂工艺来改善手工造型工人的劳动条件，提高劳动效率，改善铸件质量，取得了积极的成果，我国从七十年代初期开始，便对水玻璃自硬砂着手研究开发。

根据我国长期来在铸钢生产中应用这种自硬砂的体会，认为水玻璃有机脂没有呋喃树脂砂所存在的那么严重的环保，价格，气孔缺陷，铸钢增碳等问题，而且适应性强。

二、影响硬化反应的因素：水玻璃有机脂自硬砂是以石英砂（或其它特种砂）为原砂，水玻璃为粘结剂，易水解的液状有机脂为硬化剂的自硬性型砂。

影响水玻璃有机脂硬化反应的因素很多，其中主要有三个因素，有机脂的种类、水玻璃模数、环境温度。

1、脂的种类的影响有机脂的种类很多，它们的化学性又大不相同，与水玻璃之间硬化反应的速度相差悬殊，据有关资料介绍可以快到几分钟，慢到几小时，这样就可以根据生产需要，选用不同速度的硬化剂搭配。

为了解决冬季MDT-901硬化反应过慢的问题，在MDT-901中加入适量的1#调节脂，硬化反应速度显著加快，表1是采用2.6模数水玻璃的对比试验数据。

2、水玻璃模数的影响试验证明水玻璃模数越高，硬化反映速度越快。

表2是不同模数的水玻璃硬化反应的数据。

混合脂和MDT-901硬化反映速度对比（其它条件相同）表13、环境温度的影响系统温度是大多数化学反应的条件之一，造型是在敞开的条件下操作，所以环境温度——气温对硬化反应速度的影响很大，为适应生产需要，低温季节必须使用硬化调节脂（见表1）表3数据说明温度对硬化反应的影响。

表2：不同模数的水玻璃硬化反应速度对比表3：不同季节相同配方的型砂硬化反应速度对比三、原材料及配方工艺原材料及配方工艺（一）原材料1、原砂水玻璃有机脂自硬砂对原砂的要求不象树脂砂那样苛刻，当然粒形比较好、灰、粉少，粒度分布好的原砂，水玻璃加入量可经减少，我们原则上规定，作为面砂的石英砂，其成分级别在2S以上粒度为5#（40/70或45/75目），水分含量＜1，过去在生产中应用江、浙一带的人工石英砂、粒形和灰、粉含量均不够理想，因而水玻璃加入量较多，一般为原砂量的1.5%左右，采用粒形好，粉尘少的海砂，水玻璃加入量为原砂的.3%。

酯硬化水玻璃砂再生相关技术的研究的开题报告一、选题背景随着经济的发展和社会的进步，建筑业、铸造业等行业迅速发展，需要逐渐提高各类建筑和铸造工艺的效率和质量。

在这些行业中，酯硬化水玻璃砂被广泛应用，但是这种材料不易再利用，导致大量的废料产生，对环境造成了极大的危害。

因此，如何有效地处理和再利用酯硬化水玻璃砂废料成为了一个迫切需要解决的问题。

本研究将着重研究酯硬化水玻璃砂再生技术，以期达到减少废料，环保可持续发展等目的。

二、研究意义酯硬化水玻璃砂是建筑和铸造行业必不可少的材料，但是其废料处理成为一个长期存在的问题。

酯硬化水玻璃砂采用节能环保的方式，可以有效节约能源和环境保护。

通过对酯硬化水玻璃砂再生技术的研究，我们可以实现对酯硬化水玻璃砂的再生利用，实现废物资源化，保护环境，达到可持续发展的目的。

三、研究内容和方法本研究主要围绕酯硬化水玻璃砂再生技术展开研究，主要内容包括以下几点：1.酯硬化水玻璃砂废料再生处理技术研究通过对酯硬化水玻璃砂废料进行物理及化学处理，实现资源化、减少掩埋处理等目的。

2.酯硬化水玻璃砂废料再生利用技术研究将处理后的酯硬化水玻璃砂废料再生利用到建筑、铸造等行业中，实现资源再利用。

3.实验设计和分析方法采用实验室实验、文献分析、问卷调查等方法，从不同角度分析测试所得数据，探讨酯硬化水玻璃砂废料再生技术的可行性和优化方案。

四、预期效果与创新点通过本研究的实施，可以为酯硬化水玻璃砂废料的再生利用提供实用性的技术方案，达到减少废料，环保可持续发展等目的。

此外，在研究过程中，本研究将探索出不同行业酯硬化水玻璃砂废料的特性和处理方法，丰富和完善酯硬化水玻璃砂废料再生处理技术，具有一定的创新点。

有机酯水玻璃砂硬化剂的开发与研究摘要：利用化工厂生产副产品（甘油醋酸酯、乙二醇醋酸酯）改良成有机酯硬化剂，应用于铸造企业。

关键词：有机酯；副产品；甘油醋酸酯多元醇醋酸酯（甘油醋酸酯、乙二醇醋酸酯）现已广泛用于自硬化碱性酚醛树脂和改性水玻璃砂的固化剂，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较为常用固化剂，它们的固化脱模时间一般在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，它们基本能满足大部分自硬化碱性酚醛树脂与改性水玻璃砂固化时间要求。

如果固化速度需要更快或更慢，也可将它们与固化速度更快或更慢的酯进行复配，以期到达所需固化时间要求。

一般固化速度更快的酯主要有碳酸丙烯酯或γ-丁内酯，而更慢的酯主要是多元酸酯。

如甘油与醋酸酯化，可生成三种不同醋酸酯，其中固化速度快慢顺序是：甘油二醋酸酯（脱模时间12～15 min）>甘油三醋酸酯（脱模时间20～25 min）>甘油一醋酸酯（脱模时间60～65 min）。

对于碱性酚醛树脂，固化速度主要是通过固化剂种类来调节，也可通过调节树脂分子量来调节，但后者调整幅度较小，另外，碱性酚醛树脂分子量太小，则影响树脂砂终强度；而对于改性水玻璃来说，在某一季节里，除了可通过固化剂种类外，更主要的是通过水玻璃模数来调节，一般将水玻璃模数与固化剂种类二者结合起来控制固化速度。

目前生产碱性酚醛树脂与改性水玻璃的铸造材料生产厂家生产与之相配套固化剂的还较少。

市场上有机酯产品无色、低气味、外观较好，但价格高，而作为铸造材料用有机酯固化剂的外观与少量醋酸气味不会影响树脂砂或水玻璃砂性能，因此利用化工副产品三醋酸甘油酯自己生产，可降低生产成本，增加利润空间。

本研究提出简易生产甘油醋酸酯硬化剂方法，分析醋酸甘油酯酯硬化剂生产过程，及实际铸造验证，为中小型铸造材料厂生产有机酯固化剂及化工厂副产品处理及资源再利用提供参考。

酯硬化水玻璃砂工艺应用简介水玻璃又叫硅酸钠，系一种硅酸钠真溶液和二氧化硅胶粒组成的多相分散的水溶液。

由于它本钱低廉资源广，操作方便无污染，应用灵活能源省，铸件优质废品少等许多优势，从20世纪50年代初引入我国的铸造行业，专门是在铸钢件生产中取得了普遍的应用，而且还有不断扩大应用的趋势，其应用前景十分广漠。

可是，随着该工艺应用范围的慢慢扩大，水玻璃砂的一些固有缺点，也暴露出来了，其中最要紧的有：采纳传统CO2硬化工艺，水玻璃本身的粘结强度未能取得充分的发挥，水玻璃加入量高（一样达7～8%），致使浇注后型、芯砂的溃散性差，铸件清砂十分困难。

第二是水玻璃旧砂脱模率低，旧砂难以再生回用，强碱性水玻璃废砂的大量排放，严峻污染了环境，阻碍了这一工艺进一步的的扩大推行应用。

直到20世纪90年代以后，人们对水玻璃大体组成和硬化机理的熟悉深化，在用活化金属离子改性水玻璃和用有机酯硬化水玻璃等两个方面取得了冲破性进展，可使型、芯砂中水玻璃加入量减少至～%，从而明显降低了水玻璃砂的残留强度，这不仅提高了铸件的表面质量，缩短了铸件的清砂时刻，而且也使水玻璃旧砂再生回用成为可能。

目前改性水玻璃砂工艺，专门是酯硬化改性水玻璃砂工艺正在我国取得普遍推行应用，专门是铸钢件，如机车车辆、重型、泵、阀门等行业在生产薄壁、箱形等易产生热裂的铸钢件上，更是受到了人们普遍的关心和应用。

下面将较系统地介绍我所最近几年来在用活性金属离子改性水玻璃和用有机酯硬化水玻璃砂工艺等方面的科研功效及在铸造生产中的实际应用情形。

1.水玻璃砂用原材料硅砂大量的实验和生产实践说明，硅砂的性能对水玻璃砂的强度起着重要作用，例如，粒型较好的大林和福建硅砂比含泥量相同的海城砂的硬化强度几乎高一倍以上；而且粒型较好的大林和福建硅砂的含泥量从%（即水洗砂）降低到%以下（擦洗砂），其硬化强度也将提高一倍左右。

尽管水玻璃砂对硅砂的要求不像树脂砂那样严格，可是为了降低水玻璃加入量，改善水玻璃砂的工艺性能和再生回用性能，对水玻璃用硅砂提出如下性能指标：角型系数≤含泥量＜%含水量＜%微粉含量＜200目≤%水玻璃目前我国水玻璃生产厂家较多，由于水玻璃成份比较复杂，大多数生产厂家又缺乏必要的检测手腕，因此，水玻璃的质量较差，无法知足铸造生产日趋增加的要求。

目录第一部分水玻璃基础水玻璃有机酯自硬砂工艺简介 (1)关于水玻璃的几个基本概念 (1)第二部分改性水玻璃改性水玻璃自硬砂的主要性能参数 (3)酯硬化水玻璃硬化机理 (4)影响水玻璃自硬砂硬化特性的主要因素 (5)改性水玻璃自硬砂的材料 (6)改性水玻璃和有机酯固化剂的使用方法 (7)混砂、造型注意事项 (8)常见问题诊断及解决方案 (9)第三部分再生砂水玻璃再生砂的特性 (11)再生砂工艺要点 (11)再生砂水玻璃材料及工艺 (12)常见问题诊断及解决方案 (13)关于水玻璃残留Na2O (14)第一部分水玻璃基础一、水玻璃有机脂自硬砂工艺简介改性水玻璃有机酯自硬砂工艺是一种先进的造型工艺，它克服了传统水玻璃砂加入量高、溃散性差、旧砂回用率低等缺点，是一种符合二十一世纪可持续发展的绿色环保工艺。

我公司顺应时代发展潮流，契合铸造厂家的实际需要，发展和完善了这一重要而先进的生产技术。

水玻璃作为一种铸造粘结剂，引进中国铸造车间已有几十年的历史，其应用工艺也从早期的二氧化碳硬化，发展到固化剂硬化。

二氧化碳硬化法硬化速度快，但硬化过程中稳定性欠佳，常使型砂过吹，厚大砂芯内部难以硬透，导致铸件产生较多的缺陷。

粉状硬化剂硬化法虽然比二氧化碳法有了较大进步，但由于水玻璃容量高达8%以上，浇铸后型砂残留强度高，溃散性差，这使其应用受到限制。

液体硬化剂的使用，由于其水玻璃加入量少、溃散性好、工艺简单等特点，至今已发展成为一种有强大生命力的新型砂型。

它具有以下的工艺特点：1）水玻璃加入量低而砂型强度高。

改性水玻璃的加入量为砂重的2.2~3.0%，型砂抗压强度达2.0~3.6MPa。

2）型砂综合工艺性能好。

冬季硬透性好，硬化性能可调性好。

通过调整水玻璃和固化剂的种类及加入量，容易适应外界环境、铸件生产要求的变化，可完全满足不同工厂造型制芯的工艺要求，能建成生产线大批量生产。

3）可实现水玻璃砂的干法再生回用，回用率≥80%，可以消除水玻璃砂废砂和废水对生态环境的污染。

液体有机酯硬化剂早在1967年美国已应用于水玻璃自硬砂，而在近10年才得到推广应用，发展至今日已成为90年代的新型铸造工艺。

我国是从70年代开始这方面的研究，并逐步得到应用，目前已引起愈来愈多的铸造厂家的关注。

其主要原因是，硬化强度高，是CO2法、粉状硬化剂自硬砂的1～2倍，从而可明显降低水玻璃加入量，改善型、芯砂溃散性，旧砂再生回用已成为可能，大大改善了CO2水玻璃砂的工艺性能。

因此，在铸钢件上具有广阔的应用前景，被描述成为“本世纪将是酯硬化水玻璃砂与树脂砂激烈竟争的年代”。

武汉一大型铸钢厂多年来一直采用赤泥自硬水玻璃砂工艺生产大型铸钢件，水玻璃加入量高达10%。

混砂时赤泥粉尘污染严重，铸件清理十分困难，铸件表面品质也不尽人意，且每年近万吨的废砂排放，耗资巨大。

为了提高铸件表面光洁度，降低成本，增强产品的市场竟争能力，工厂决定进行技改。

第一期目标是用有机酯水玻璃砂工艺取代原来的赤泥自硬工艺，最大限度的降低水玻璃加入量，并为第二期实现旧砂再生回用创造条件。

本文根据工厂的实际情况从有机酯水玻璃砂选用原材料着手，讨论了相关因素对有机酯水玻璃砂性能的影响，提出了原材料的选用原则和用于实际生产的最佳配方。

1 试验材料及方法1.1 试验材料试验用原砂及性能，如表1所示。

表1 试验用几种硅砂的性能Tab.1 The property of some experimental silicate sands原砂筛孔尺寸/mm 含泥量/%角形系数大林标准砂0.300/0.150.25 1.14湖南溆浦砂0.425/0.2120.08 1.19湖南长沙砂0.425/0.2120.30 1.23湖南岳阳砂0.425/0.2121.31 1.31有机酯：MDT901；密度ρ=1.04 g/cm3水玻璃：模数M=2.53；密度ρ=1.45 g/cm3 1.2 试验方法混砂工艺：原砂+有机酯混20 s+水玻璃混20 s。

混砂机为S2004高速混砂机制样及强度测试：手工制作50 mm×50 mm标准圆柱试样，用SWY强度试验机及高压附件测试抗压强度。