Развитие научных основ создания связующих литейных материалов на основе технического лигнина и разработка ресурсоэффективных технологий их применения при производстве отливок

Опираясь на накопленный опыт  использования технического лигнина, или их классического представителя на рынке материалов, лигносульфонатов технических (ЛСТ), в качестве связующего материала в литейном производстве, и учитывая имеющиеся научные наработки, априорно определили четыре основных направления поиска:

• воздействие на ЛСТ химическими модификаторами (модифицирование);
• исследование температурных режимов отверждения в сочетании с химическим воздействием на связующие композиции с ЛСТ (термоактивация и термохимическая активация ЛСТ);
• комбинирование ЛСТ с другими связующими материалами (масляными связующими типа УСК, КО, СКТ, синтетическими смолами типа КФ-0, КФ-МТ);
• высокоэнергетическую обработку ЛСТ на активаторах-дезинтеграторах или механоактивацию ЛСТ.

Цель работы — поиск и разработка эффективных способов повышения  связующей способности технических лигносульфонатов для разработки на их основе новых экологически безопасных и качественных литейных связующих материалов.

В рамках реализации цели исследования, решить следующие задачи:

• проведение комплексного анализа состояния рассматриваемого вопроса для выявления возможностей его результативного решения;
• исследование известных научных подходов и предпосылок для теоретического понимания причин обуславливающих низкие прочностные показатели ЛСТ и реализации механизмов обеспечивающих повышение их связующей способности;
• проведение комплекса поисковых экспериментальных исследований для разработки эффективных способов повышения связующей способности технических лигносульфонатов, реализующих теоретические преставления о механизмах обеспечивающих такое повышение;
• разработка на основе полученных результатов новых связующих материалов, с проведением оценки их конкурентных возможностей и экологических параметров применения;
• выработка практических рекомендаций по применению разработанных связующих материалов на основе ЛСТ в различных технологических процессах литья.

В качестве критериев эффективности того или иного воздействия на материал, или химического модификатора выбрали [1]:

• соотношение каких-либо технологических характеристик смеси (например, вязкости и т. д.) модифицированного и не модифицированного ЛСТ;
• молекулярной массы связующего до и после модифицирования, влияющей на его связующую способность и в дальнейшем на свойства смеси и качество литья.

Характеризовали результативность действия связующего по следующим параметрам:

• определением адгезионных сил, исследуемого связующего (ЛСТ) до и после модифицирования и выявление взаимосвязи с прочностными характеристиками смеси;
• определением состояния формирующихся пленок связующего в смеси и связь этой величины с технологическими характеристиками смеси (например, прочностью, текучестью, прилипаемостью и т. д.

Такие способы оценки в литературе не отмечаются, проводятся на качественном уровне и позволяют судить о тенденциях в изменении того или иного свойства связующего [1, 2].

Главным критерием оценки эффективности того или иного способа воздействия на ЛСТ, приняли связующую способность композиции, которую определяли по величине прочности при растяжении стандартного образца-«восьмерки» после его отверждения. Стабильность свойств, связующей композиции, оценивали по повторяемости получаемых результатов на протяжении фиксированного отрезка времени.

Предложен и реализован подход к ЛСТ, как к потенциальному сырью, для разработки принципиально новых литейных связующих, отличающихся высокими прочностными характеристиками (на порядок выше, чем у исходного ЛСТ), экологичностью [3], при сохранении приемлемого уровня цен на готовый продукт.

Впервые теоретически сформулированы и экспериментально доказаны условия, при которых возможно обеспечение высокой связующей способности ЛСТ [4]:

1. гомогенность олиго-молекулярного состава исходной связующей композиции;
2. наличие в связующем активных центров для обеспечения процессов структурообразования, а именно: агрегатирование в объеме жидкости, при объемном состоянии; обеспечение улучшенной смачиваемости поверхности наполнителя, и формирование термодинамически уравновешенных структур пленок связующего, находящегося в коллоидном состоянии в формовочной или стержневой смеси; обеспечение поперечных связей между олигомерными цепями лигносульфоновых кислот и формирование на этой основе трехмерных полимерных структур интегрально обеспечивающих высокие прочностные показатели конечного связующего комплекса.

На этой основе, впервые, предложен предположительный механизм формирования связующей способности материалов с повышенными прочностными характеристиками, разработанных на основе технических лигносульфонатов. Его понимание открыло возможность для разработки технологических способов обработки ЛСТ с целью получения принципиально новых связующих материалов с заданными прочностными характеристиками и требующимися технологическими свойствами.

Установлено что качественно новые прочностные характеристики композиций на основе ЛСТ достигаются за счет образования комплекса кооперативных донорно-акцепторных связей.

Для реализации указанных механизмов воздействия впервые предложены для использования в качестве модификаторов вещества из класса неионогенных поверхностно активных веществ (НПАВ). Их применение позволяет увеличить связующие свойства с 0,40 МПа, у исходного ЛСТ, до 3,00 МПа и выше, у конечного продукта. Такой уровень достигаемых результатов позволяет говорить о создании принципиально новых связующих на основе ЛСТ.

Впервые предложено для гомогенизации полимолекулярного состава ЛСТ применять методы высокоэнергетической дезинтеграторной механической обработки.

Практическое значение полученных результатов:

Разработан новый связующий материал на основе ЛСТ, обладающий стабильными свойствами и высокой связующей способностью, сравнимый по удельным показателям прочности с наиболее эффективными и широко применяемыми связующими материалами (связующие УСК, КО, различные синтетические смолы, типа КФ-О, КФ-МТ  и др.).

Проведена адаптация разработанного связующего материала к условиям конкретных технологических процессов литья, на основе полученных результатов, разработаны составы стержневых смесей:

• для производства стержней раструбов в технологии производства чугунных напорных и канализационных труб;
• для изготовления стержней  при производстве чугунных отопительных радиаторов;
• для изготовления стержней в технологии производства чугунного фасонного литья.

Разработаны рекомендации по использованию итогов работы в указанных технологических процессах литья,  установили: оптимальное содержание модификатора НПАВ в ЛСТ в количестве 7–10 %, температурные режимы отверждения композиции соответствуют температуре нагрева 180–250 ºС при продолжительности 40–60 мин (зависит от массы и конфигурации литейной формы или стержня); выполнение указанных условий позволяет стабилизировать и увеличивать на порядок связующую способность ЛСТ.

В результате проведения комплекса экспериментов, установили, что:

1. Наиболее эффективным способом повышения связующей способности и стабилизации свойств ЛСТ является процесс модифицирования.
2. Наиболее высокоэффективным модификатором являются неионогенные ПАВ.
3. В любом случае можно тем или иным способом стабилизировать и улучшить (повысить связующую способность) свойства ЛСТ.
4. Комбинирование ЛСТ с другими типами связующих рационально применять для регулирования технологических свойств, при этом, увеличение доли этих связующих в композиции ведет к ухудшению санитарно-гигиенических норм.