RF气凝胶制备及在树脂砂铸造中的应用研究

摘要

间苯二酚-甲醛(RF)气凝胶是一种由间苯二酚-甲醛树脂纳米团簇构成的多孔、无序、具有三维连续网络结构的典型纳米固态材料。在保持树脂砂铸型强度高，尺寸偏差小等特点的同时，针对现代铸造业高效、低耗、绿色环保的发展要求，本文以RF有机气凝胶作为新型树脂粘结剂，混合铸造标准砂制备RF气凝胶粘结砂。通过测试RF气凝胶的密度、收缩率及力学性能，分析其孔结构、热物理性能及微观形貌等，研究了反应物浓度和催化剂浓度对RF气凝胶结构和性能的影响规律；通过测试RF气凝胶粘结砂的力学性能、透气性、发气性及热分解性等，研究了RF溶液含量和RF溶液原料配比对RF气凝胶粘结砂性能的影响。制备出了强度高、发气量小、透气性好且对环境污染小的RF气凝胶粘结砂，并初步探讨了其在铝合金铸造方面的应用。本文的主要研究内容和结论如下：
　　(1)随着RF气凝胶反应物浓度的增大，气凝胶密度增大，强度也增大，同时比表面积和孔体积增大，但气凝胶平均粒径和平均孔径减小，热导率也呈减小趋势；
　　(2)RF气凝胶的干燥收缩率和密度随着催化剂浓度的减小而减小，同时强度降低；催化剂浓度减小使气凝胶平均粒径和平均孔径大幅增大，比表面积和孔体积大幅减小，当问苯二酚与碳酸钠摩尔比为1500时，可以获得以介孔为主同时具有大孔特征的多孔网络材料，其平均孔径大于200nm；
　　(3)增加粘结剂量使RF气凝胶粘结砂强度增大，但透气性降低，发气量增大。因此在保证砂型力学性能达到铸造要求的同时，应尽量降低RF溶液的加入量(不超过砂重量的8％)；
　　(4)RF气凝胶粘结砂中，气凝胶在砂粒间构成粘结桥。随着RF溶液中水用量及甲醛用量的减小，RF气凝胶粘结砂的强度增大，但同时发气量和发气速度也小幅增大。增大水用量时，气凝胶结构变得更疏松，孔径增大。最优的RF溶液原料配比是：甲醛与间苯二酚的摩尔比为1.4，间苯二酚与碳酸钠的摩尔比为1500，去离子水与问苯二酚的摩尔比为16；
　　(5)对RF气凝胶及RF气凝胶粘结砂的热分解特性研究表明，低于180℃时，RF气凝胶及RF气凝胶粘结砂脱去的主要是气凝胶孔中吸附的水分和未完全干燥的溶剂；继续升温，失重区间分为180-400℃和400-850℃两个阶段，此时凝胶结构被破坏，主要是化学吸附的小分子和有机物的去除，以及苯环的分解和碳的氧化。纯RF气凝胶失重率为50％左右，分解产物包括二氧化碳，甲烷，一氧化碳和水。RF气凝胶及RF气凝胶粘结砂的热分解产物均对环境无污染；
　　(6)RF气凝胶粘结砂强度较高，透气性较好且型芯易移除；铸件形状完整，表面光洁度较好，无夹砂、掉块、气孔等铸造缺陷。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 传统粘结剂在砂型铸造中的应用现状

1.3 气凝胶及其在铸造应用中的研究进展

1.4 选题依据和研究内容

2 实验与研究方法

2.1 实验试剂和仪器

2.2 样品制备

2.3 间苯二酚-甲醛气凝胶的结构与性能表征

2.4 间苯二酚-甲醛气凝胶粘结砂的结构与性能表征

3 间苯二酚-甲醛气凝胶的制备与性能研究

3.1 间苯二酚-甲醛气凝胶的制备工艺研究

3.2 水用量对气凝胶性质的影响规律

3.3 催化剂用量对气凝胶性质的影响规律

3.4 甲醛用量对气凝胶性质的影响规律

3.5 间苯二酚-甲醛气凝胶的结构表征

3.6 小结

4 间苯二酚-甲醛气凝胶粘结砂的制备及性能研究

4.1 间苯二酚-甲醛气凝胶粘结砂的制备工艺研究

4.2 间苯二酚-甲醛气凝胶粘结砂的微观形貌

4.3 间苯二酚-甲醛气凝胶粘结砂的性能

4.4 新型RF气凝胶粘结砂的铝合金浇注试验

4.5小结

5 结论

致谢

参考文献

在校学习期间发表的论文