Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

МАЛОТОКСИЧНЫЕ ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ЛИГНОСУЛЬФОНАТОВ

Евстифеев Е.Н. 1 Савускан Т.Н. 1
1 Донской государственный технический университет
х смесей/ С.С. Жуковский, А.М. Лясс. – М.: Машиностроение, 1978.– 223с.
2.Перцовский, В.Н. Смеси холодного отверждения для стальных отливок/ В.Н. Перцовский, В.Г. Кушнарев// Литейное производство.– 1974.– №7.– С. 5-9.
3.Евстифеев, Е.Н. Использование кубовых остатков органического синтеза НЗСП для модифицирования технических лигносульфонатов/ Е.Н. Евстифеев, А.А. Нестеров// Безопасность, экология, энергосбережение: Материалы науч.-практ. конф.– Ростов н/Д: РГСУ, 2001.– С. 146−152.
4.Евстифеев, Е.Н. Модифицированные лигносульфонаты и смолы для литейных стержней и форм/ Е.Н. Евстифеев.– Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2011.– 393с.

Основной особенностью технического прогресса в литейном производстве является его интенсивная химизация, которая обеспечивает быстрые темпы развития технологических процессов изготовления форм и стержней. В настоящее время в массовом производстве отливок все большее распространение получают способы изготовления стержней и форм в холодной оснастке из смесей на основе синтетических смол [1, 2]. Однако применение в качестве литейных связующих различных термореактивных смол приводит к выделению в воздух рабочей зоны литейных цехов значительного количества токсичных веществ, среди которых формальдегид представляет наибольшую опасность. Это требует дополнительных мер по обеспечению безопасных условий труда рабочих.

Современные требования по созданию природосберегающих технологий заставляют специалистов литейного производства искать альтернативные решения применению синтетических смол. В связи с этим перспективна разработка сыпучих холоднотвердеющих смесей (ХТС) нового поколения, не содержащих смолу. Они позволяют придать процессу изготовления стержней в холодной оснастке более совершенные технико-экономические и экологические показатели. Основой для разработки таких смесей может служить природный полимерный материал – технические лигносульфонаты (ТЛС), образующиеся на ЦБК при сульфитном и бисульфитном способах получения целлюлозы. В состав макромолекул ТЛC входят различные функциональных группы: −SO3H, −OCH3, −OH, -COOH, которые в решающей степени определяют их реакционные свойства. Лигносульфонаты способны как к полимераналогичным превращениям, так и к макромолекулярным реакциям. Реакционная способность лигносульфонатов линейной и разветвлённой структуры зависит не только от содержания перечисленных выше функциональных групп, но и присутствия в них свободных макрорадикалов.

Известно немного холоднотвердеющих сыпучих смесей на основе технических лигносульфонатов, в которых роль отвердителя ТЛС выполнял хромовый ангидрид (CrO3). В связи с его высокой токсичностью эти смеси не нашли широкого применения. Поэтому исследования, направленные на уменьшение в смесях CrO3, представляют практический интерес.

Цель настоящего исследования – разработка рецептуры малотоксичных холоднотвердеющих смесей на основе модифицированных технических лигносульфонатов с прочностными свойствами смоляных ХТС.

Для повышения связующих свойств технических лигносульфонатов использовали комплесный модификатор в виде водного раствора из смеси кубовых остатков органического синтеза (КООС) [3], а с целью уменьшения токсичности и снижения себестоимости смесей в качестве отвердителя ТЛС вместо CrO3 применяли отходы гальванического производства от ванн хромирования (ОГПХ) [4].

Оптимальные соотношения между компонентами связующей композиции определяли путём исследования внутренних разрезов холоднотвердеющей стержневой системы ТЛС – КООС – ОГПХ, составы которой в качестве огнеупорного наполнителя содержали кварцевый песок Верхне-Днепровского карьера марки 2-3К1-3О1-2О3 с постоянной добавкой строительного гипса в количестве 2 %. Для приготовления и исследования физико-механических и технологических свойств холоднотвердеющих стержневых смесей использовали лабораторное оборудовании фирмы «Центрозап». Все составы ХТС внутренних разрезов готовили в лобароторном смесителе LM-R2. В течение 1 мин перемешивали кварцевый песок со строительным гипсом, в приготовленный огнеупорный наполнитель вводили модифицированные технические лигносульфонаты (связующее МЛС) и перемешивали 2 мин, затем добавляли отвердитель ОГПХ и продолжали перемешивание смеси ещё в течение 1 мин, после чего выгружали из смесителя. Содержание холоднотвердеющей связующей композиции в составах ХТС соответствовало 7,0 % от веса огнеупорного наполнителя.

Приготовленные смеси засыпали в металлические разъёмные стержневые ящики с гнёздами в виде стандартных образцов-цилиндров, которые через 5-7 мин извлекали и отверждали на воздухе при комнатной температуре. Через 30 мин, 1, 4, 6 и 24 ч образцы испытывали на сжатие машиной LRu. Живучесть смесей определялась временем с момента приготовления смеси до того момента, когда прочность на сжатие достигала 0,07 МПа. При прочности выше 0,07 МПа смеси теряют свои технологические и механические показатели при отверждении. Газопроницаемость и осыпаемость смесей определялась по стандартным методикам на цилиндрических образцах после выдержки их на воздухе в течение 24 ч.

Данные исследования смесей по разрезу (95 % ТЛС + 5 % КООС) → ОГПХ приведены в табл. 1 и 2.

Свойства ХТС составов № 1-4, отверждённых за 0,5, 1, 4, 6 и 24 ч, приведены в табл. 2.

Таблица 1

Составы ХТС по разрезу (95 % ТЛС + 5 % КООС) → ОГПХ

Ингредиенты ХТС

Содержание ингредиентов

в составах ХТС, %

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

Огнеупорный наполнитель

93

93

93

93

Технические лигносульфонаты

5,32

4,66

3,99

3,32

Кубовые остатки органического синтеза

0,28

0,24

0,21

0,18

Отходы гальванического производства от ванн хромирования плотностью 1,17 г/см3

1,40

2,10

2,80

3,50

Таблица 2

Физико-механические свойства ХТС по разрезу (95 % ТЛС + 5 % КООС) → ОГПХ

Свойства ХТС

Показатели свойств в составах ХТС

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

Живучесть, мин

11−12

10−11

9−10

7-8

Прочность на сжатие, МПа, через:

0,5 ч

1 ч

4 ч

6 ч

24 ч

0,05

0,20

1,06

1,25

3,12

0,34

0,65

1,40

1,80

2,84

0,46

0,60

1,32

1,58

2,15

0,24

0,35

0,90

1,08

1,60

Осыпаемость стержней через 24 ч, %

0,08

0,10

0,14

0,22

Из табл. 2 видно, что оптимальным является состав № 2: 70 % (95 % ТЛС + 5 % КООС) + +30 % ОГПХ. Свойства этого состава сравнимы со свойствами смоляных ХТС.

Из анализа физико-механических свойств изученных смесей можно рекомендовать следующий оптимальный состав холоднотвердеющей связующей композиции, %:

Технические лигносульфонаты 67

Модификатор КООС 3

Отвердитель ОГПХ 30

В литературе нет исчерпывающей информации по механизму отверждения лигносульфонатов. Можно предположить, что он включает в себя прежде всего окислительно-восстановительные процессы с участием функциональных групп лигносульфонатов и хромового ангидрида, содержащегося в ОГПХ. В водном растворе ОГПХ имеют место равновесия:

CrO3+H2OD H2CrO4

H2CrO4 D H+ + HCrO4–

HCrO4DH+ + CrO42–

Образующаяся сильная хромовая кислота окисляет гидроксильные группы лигносульфонатов до альдегидных и карбонильных групп по следующим вероятным уравнениям:

evst1.tiff

Образовавшиеся альдегидные группы подвергаются дальнейшему окислению до активных карбоксильных групп:

evst2.tiff

Все эти окислительно-восстановительные реакции сопровождаются выделением большого количества тепла. В условиях повышенной температуры и кислой среды через протонирование карбоксильных групп протекают реакции поликонденсации молекул лигносульфонатов с образованием полимера.

Окисление модифицированных лигносульфонатов может протекать и с образованием радикалов и карбкатионов. Катионы карбония являются сильными кислотами Льюиса и выступают по отношению к олигомерам лигносульфонатов как электрофильные реагенты очень высокой активности. Поэтому эти активные центры могут инициировать реакции радикальной и катионной полимеризации лигносульфонатов с синтезом полимера с разветвлённой, или сетчатой структуры. Возникающие при этом новые химические связи существенно изменяют химическое строение лигносульфонатного комплекса, а следовательно, и физико-механические свойства ТЛС. Этим объясняется высокая прочность отверждённых образцов ХТС и их низкая осыпаемость.


Библиографическая ссылка

Евстифеев Е.Н., Савускан Т.Н. МАЛОТОКСИЧНЫЕ ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ЛИГНОСУЛЬФОНАТОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – № 10-2. – С. 270-273;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4171 (дата обращения: 26.05.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074