覆膜砂是将原砂通过冷法或热法在其表面附上一层树脂膜的树脂粘结剂砂,用覆膜砂铸造的方法称为壳法。壳法铸造生产的铸件尺寸精度高、表面粗糙度低,是目前制芯的主要方法,在汽车铸件的生产中应用相当普遍。传统的覆膜砂采用的粘结剂为酚醛树脂,其优点是工艺成熟、通用性强,存在的主要问题一是内聚强度偏低,二是对人体健康和环境危害较大。而双酚A型环氧树脂具有内聚强度高、胶合力强、固化收缩小、稳定性好、环保性好,在较低温度下可与多种固化剂快速固化等特点。故本文使用双酚A型环氧树脂作为覆膜砂的粘结剂,以双氰胺作为固化剂,并加入少量的促进剂以增快树脂的固化速度。利用FTIR研究了环氧树脂和双氰胺的固化反应机理。环氧树脂与双氰胺反应时,首先是双氰胺中伯胺上的氢原子与环氧基发生开环反应,然后是腈基与羟基反应生成酰胺并进一步与环氧基进行开环反应。促进剂的加入大幅度加快了体系的聚合速度。在树脂/固化剂质量比为100:6,固化温度为150℃的条件下,未加促进剂体系的聚合速度为1997s,而加入促进剂后,体系的聚合速度显著增快至93s,增快了约20倍。使用DSC利用Kissinger法计算了加入促进剂前后固化反应的活化能。加入促进剂前的活化能为103.9kJ/mol,而加入促进剂后为63.2kJ/mol。固化反应活化能越小表明反应越容易进行,聚合速度越快。促进剂的加入大幅度降低了反应的活化能,故显著提升了反应的聚合速度。纯环氧树脂的粘结强度和内聚能较高,但由于固化过程中树脂和固化剂之间形成了高度交联的三维网状结构,故固化后体系的韧性较差。本文通过加入端羧基丁腈橡胶(CTBN)对环氧树脂进行了改性。FTIR测试表明橡胶对环氧树脂的改性为化学改性,两者之间由于发生了化学反应而存在着很强的键合。在橡胶含量为20%时,树脂的冲击强度为改性前的2.5倍,剪切强度为改性前的1.9倍,韧性和粘结性都得到了提高。利用SEM分析了树脂的冲击断面,发现纯树脂固化物呈单相结构,断面平整光滑,为典型的脆性断裂。而在化学改性后的环氧树脂中,橡胶与环氧树脂发生了相分离,形成了以橡胶颗粒为分散相,以环氧树脂为连续相的多相形态结构。断面凹凸不平,表面有很多微裂纹,呈韧性断裂特征。随着橡胶含量的增加,析出的橡胶颗粒也不断增加。5%橡胶含量的橡胶颗粒平均直径为2μm左右,而25%的橡胶颗粒平均直径增大为5μm左右。橡胶增韧树脂的机理主要为银纹、橡胶颗粒的拉伸撕裂和孔洞剪切屈服三种机理。橡胶的加入加快了树脂的聚合速度、降低了树脂的软化点,并增加了覆膜砂的拉伸和弯曲强度。橡胶含量为20%时树脂和覆膜砂的综合性能最好。橡胶改性环氧树脂覆膜砂和传统酚醛树脂覆膜砂相比具有以下优点:(1)更好的力学性能。抗拉和抗弯强度分别比传统酚醛树脂覆膜砂提高了16%和11%;(2)提高了覆膜砂的溃散性。使用环氧树脂可使覆膜砂的应用范围进一步拓宽;(3)改善了覆膜砂的覆膜性。橡胶对树脂的改性降低了树脂的软化点,改善了树脂的流动性和覆膜性;(4)更好的抗粘连性。采用环氧树脂可制得抗粘性极佳的覆膜砂,在室温下放置3个月都不会发生粘连或结块;(5)更环保健康。传统酚醛树脂覆膜砂的树脂和固化剂之间的反应为缩聚反应,在固化时有大量的氨气产生。而环氧树脂和固化剂之间的固化为加聚反应,反应过程中不会有气体小分子放出,因而环氧树脂为环境友好型覆膜砂树脂。