DE102019123372A1 - Thermosetting molding material for the production of cores and molds in the sand molding process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen wärmehärtenden Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren. Es handelt sich dabei um einen Formstoff aus natürlichen und/oder keramischen Sanden und einem zweikomponentigen, phenolharzfreien Polyurethan-Bindemittel sowie einem durch Wärmeeintrag aktivierbaren Katalysator. Das Bindemittel liegt dabei vor als Zweikomponenten-Bindemittel auf Polyurethan-Basis, umfassend➢ eine Harz-Komponente als Gemisch aus, in Bezug auf Isocyanate, wasserstoffaktiven Verbindungen, die Hydroxyl- und/oder Mercapto- und/oder Amino- und/oder Carbamidgruppen enthalten, mit einer OH-, SH- und NH-Funktionalität von 1,5 bis 8 und Äquivalentgewichten von 9 bis 2000 g/val der Einzelbestandteile, und➢ eine Härter-Komponente bestehend aus einem oder mehreren Diisocyanaten oder Polyisocyanaten.Der mindestens eine thermisch aktivierbare Katalysator, dessen Aktivierungstemperatur zwischen 50 und 180°C liegt, weist die Polyurethan-Reaktion fördernde Brönsted-Basen und/oder Lewis-Säuren sowie deren zugehörige Blockierungsmittel auf.Der Formstoff beinhaltet einen oder mehrere feuerfeste und schüttfähige Füllstoffe im mittleren Korngrößenbereich von 0,1 bis 0,9 mm mit 0,3 bis 4,0 % des beschriebenen Bindemittels, bezogen auf den Formgrundstoff, und 0,1 bis 2,5 % thermisch aktivierbaren Katalysators, bezogen auf die Harzkomponente des Bindemittels.The invention relates to a thermosetting molding material for the production of cores and molds in the sand molding process. It is a molding material made from natural and / or ceramic sands and a two-component, phenolic resin-free polyurethane binder and a catalyst that can be activated by the introduction of heat. The binder is present as a two-component binder based on polyurethane, comprising ➢ a resin component as a mixture of, in terms of isocyanates, hydrogen-active compounds that contain hydroxyl and / or mercapto and / or amino and / or carbamide groups , with an OH, SH and NH functionality of 1.5 to 8 and equivalent weights of 9 to 2000 g / eq of the individual components, and ➢ A hardener component consisting of one or more diisocyanates or polyisocyanates. The at least one thermally activatable Catalyst, the activation temperature of which is between 50 and 180 ° C, has Brönsted bases and / or Lewis acids that promote the polyurethane reaction, as well as their associated blocking agents. The molding material contains one or more refractory and pourable fillers in the mean grain size range of 0.1 up to 0.9 mm with 0.3 to 4.0% of the binder described, based on the basic molding material, and 0.1 to 2.5% thermally activated Kata lysators, based on the resin component of the binder.
Description
Die Erfindung betrifft einen warmhärtenden Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren. Es handelt sich dabei um einen Formstoff aus zweikomponentigen Polyurethan-Bindemitteln, einem oder mehreren thermisch aktivierbaren Katalysatoren und natürlichen und/oder keramischen Sanden. Dieser Formstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er schellhärtend und emissionsarm sowie für warm- und heißhärtende Kern- und Formenherstellungsverfahren geeignet ist.The invention relates to a thermosetting molding material for the production of cores and molds in the sand molding process. It is a molding material made from two-component polyurethane binders, one or more thermally activated catalysts and natural and / or ceramic sands. This molding material is characterized by the fact that it is shell-curing and low-emission as well as being suitable for warm and hot-curing core and mold manufacturing processes.
Zur Herstellung von „verlorenen“ Formen und Kernen im Gießereiwesen werden im Allgemeinen Formstoffmischungen durch gründliche Vermischung von einem Bindemittel mit einem Formgrundstoff hergestellt, in ein Modell eingebracht und nach Aushärtung des Formstoffs ausgeschalt. Nach dem Zulegen von einem Kern(-paket) und Formteilhälften erfolgt der Abguss mit metallischer Schmelze. Dabei werden anorganische oder organische Bindemittel zur Verklebung des Formgrundstoffs, zum Beispiel Quarzsand, eingesetzt.For the production of “lost” molds and cores in the foundry industry, molding material mixtures are generally produced by thoroughly mixing a binding agent with a molding base material, introduced into a model and, after the molding material has hardened, stripped out. After adding a core (package) and molded part halves, the casting with metallic melt takes place. Inorganic or organic binders are used to bond the basic molding material, for example quartz sand.
Als anorganische Bindemittel kommen dabei quellfähige Tonmineralien wie Bentonit oder wässrige Alkalisilikat-Lösungen, insbesondere modifizierte Wassergläser, zum Einsatz. Im Bereich organischer Bindemittel werden Phenol-, Furan- oder Harnstoffharze sowie Kondensate hiervon mit Formaldehyd oder deren Gemische eingesetzt, aber auch Phenolharz-basierte zweikomponentige Polyurethane.Swellable clay minerals such as bentonite or aqueous alkali silicate solutions, in particular modified water glasses, are used as inorganic binders. In the area of organic binders, phenolic, furan or urea resins and condensates thereof with formaldehyde or mixtures thereof are used, but also phenolic resin-based two-component polyurethanes.
Zur Verarbeitung von Formstoffen zu „verlorenen Formen“ und Kernen kommen unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz, die sich grundsätzlich in heiß- und kalthärtende Verfahren unterteilen lassen. Diese sollen im Folgenden sowohl in Bezug auf ihre Verfahrensparameter als auch auf die dazu genutzten Bindemittel beschrieben und miteinander verglichen werden. Gemeinsam ist den Verfahren, dass der fließfähige Formstoff zunächst händisch oder mittels Druckluft beim Kernschießen in eine Form eingebracht wird. Der Verarbeitungsschritt der Härtung unterscheidet sich hingegen bei allen beschriebenen Verfahren.A wide variety of processes are used to process molding materials into “lost forms” and cores, which can basically be divided into hot-curing and cold-curing processes. In the following, these will be described and compared with one another both with regard to their process parameters and the binders used for this purpose. What these processes have in common is that the flowable molding material is first introduced into a mold by hand or by means of compressed air during core shooting. The processing step of hardening, on the other hand, differs for all the processes described.
So wird bei kaltselbsthärtenden Formstoff-Systemen nach dem Einformen eine Zeitspanne von 10 bis 90 Minuten abgewartet, nach der der Formstoff ausgehärtet ist und aus dem Modell entnommen werden kann (Pep-Set- oder No-Bake-Verfahren). Beispielhaft lassen sich hierfür Furanharze, Phenolharze oder Polyurethane als geeignete Bindemittel-Klassen nennen. Um hohe Stückzahlen an Kernen herzustellen, müssen die Taktzeiten auf wenige Sekunden bis eine Minute reduziert werden, was kalthärtend beispielsweise durch Begasung mit einem Amin im Cold-Box-Verfahren erreicht wird.In the case of cold, self-curing molding material systems, a period of 10 to 90 minutes is waited after molding, after which the molding material has hardened and can be removed from the model (pep-set or no-bake process). Furan resins, phenolic resins or polyurethanes can be named as suitable binder classes for this purpose. In order to produce large numbers of cores, the cycle times have to be reduced to a few seconds to a minute, which is achieved with cold curing, for example by gassing with an amine in the cold box process.
Warmhärtende Verfahren werden ebenfalls zur Verringerung der Taktzeiten eingesetzt und unterscheiden sich im Allgemeinen durch den Temperaturbereich oder die Art der Wärmezufuhr.Thermosetting processes are also used to reduce cycle times and generally differ in terms of the temperature range or the type of heat supply.
Für die verschiedenen warm- und heißhärtenden Verfahren stehen organische und anorganische Bindemittel zur Verfügung. Für organische Bindemittel wird zunächst in Hot-Box- und Warm-Box-Verfahren unterschieden, weil sich abhängig vom eingesetzten Bindemittel unterschiedliche Härtungstemperaturen und damit Werkzeuganforderungen ergeben. Bei beiden Verfahren wird eine beheizbare Kernbüchse beziehungsweise ein beheizbares Modell verwendet, die relativ kostenintensiv aus Metall gefertigt sind.Organic and inorganic binders are available for the various warm and hot-curing processes. For organic binders, a distinction is first made between hot-box and warm-box processes because, depending on the binder used, there are different curing temperatures and thus different tool requirements. In both processes, a heatable core box or a heatable model is used, which are made of metal at a relatively high cost.
Beim Hot-Box-Verfahren finden Bindemittel auf Basis von Phenol- oder Furanharzen Anwendung, deren Aushärtung bei Temperaturen bis 300 °C erfolgt. Das Warm-Box-Verfahren wird hingegen bei nur etwa 150 °C mit besonders additivierten Furanharzen als Binder durchgeführt.In the hot box process, binders based on phenolic or furan resins are used, which harden at temperatures of up to 300 ° C. The warm box process, on the other hand, is only carried out at around 150 ° C with specially additized furan resins as a binder.
Beispiele für Phenol-basierte Hot-Box-Binder sind Kondensate aus Phenol, Harnstoff, Formaldehyd und einem niedermolekularen Alkohol, denen als Härter wässrige Ammoniumchloridlösung zugegeben wird, wie zum Beispiel in der
Hot-Box-Binder auf Basis von Phenol-Resol-Harzen führen allerdings dazu, dass die Kerne auch unter Einsatz von Trennmittel stark in der Form haften und kaum ohne Beschädigung gelöst werden können, wie es zum Beispiel aus der
Furanharz-basierte Hot-Box-Systeme enthalten dihydroxymethyliertes Furan beziehungsweise die entsprechenden Polymere, die, wie aus der
Nachteile der bisherigen Hot-Box- und Warm-Box-Bindersysteme sind frei werdende Formaldehyd- und Phenoldämpfe beziehungsweise Furfurylalkoholdämpfe bei der Kernherstellung und - im Fall Harnstoff-haltiger Phenolharze - die Freisetzung von Methylisocyanat beim Abguss. In der
Ein weiterer Nachteil klassischer Hot-Box-Formstoffe besteht darin, dass Wasser, das bei der Kondensationsreaktion freigesetzt wird, aus dem Formstoff ausgetrieben werden muss, um keine Rückreaktion des Bindemittels oder Gefügefehler beim Guss zu verursachen. Gemäß der
Furanharzkondensate mit Harnstoff können Stickstoff freisetzen, der zu gasinduzierten Gussfehlern, den sogenannten Pinholes führt. Daher wurden Systeme aus Phenol-Resol-Harzen in alkalischer Lösung entwickelt, die ohne Zusatz eines Katalysators bei 230 bis 260 °C in 30 bis 90 Sekunden gehärtet werden. Derartige Systeme sind zum Beispiel in der
Beim Croning-Verfahren, auch Formmaskenverfahren genannt, wird ebenfalls Warmhärtung, aber nach einem anderen Prinzip genutzt. Ein derartiges Verfahren ist Gegenstand der
Weiterhin finden Wasserglas-basierte, anorganische Bindemittel zunehmend Verwendung in Gießereien. Deren Formstoff-Festigkeiten sind im Allgemeinen geringer als jene der organischen Bindemittel, jedoch ist ihre Emissionslast beim Abguss deutlich geringer. Neben der Härtung durch Zusatz flüssiger Ester oder Begasung mit CO2 sind auch beheizte Werkzeuge oder Warmluft üblich. Dadurch wird Wasser aus der Formstoffmischung abtransportiert und die Härtung beschleunigt. In der Praxis werden Taktzeiten von zwei bis fünf Minuten bei einem Warmluftstrom von 120 bis 150 °C erreicht, wie es auch aus der
Warmluft hat den entscheidenden Vorteil, dass keine teuren, beheizbaren Kernkästen wie beim Hot-Box- oder Warm-Box-Verfahren notwendig sind, sondern einfache Modelle aus Kunststoff genutzt werden können. Durch Warmluft wird der Kern gleichmäßig erwärmt. Es wird nicht nur die am Kernkasten anliegende äußere Hülle erwärmt, weil die Warmluft den Kern gleichmäßig durchdringt. Bei einem sehr stark erhitzten Werkzeug, das heißt auf eine Temperatur >200 °C, besteht für Formstoffe mit organischen Bestandteilen zudem die Gefahr, dass der mit dem Werkzeug in Kontakt stehende organische Bestandteil bereits verbrennt, während das Innere des Kerns noch keinen zur Härtung ausreichenden Temperatureintrag erfahren hat. Ein geeignetes Gerät zur Erwärmung von Luft wird beispielsweise in
Auch organische Bindemittelsysteme werden im Warmluft-Verfahren gehärtet. Geeignete Binder sind wässrige Ammonium-Polyacrylate in Kombination mit Metallsalzen, wie es auch in der
Generative Fertigungsverfahren ergänzen zunehmend die klassische Kernfertigung in Gießereien. Anstatt Binder und Formgrundstoff zu vermischen und in eine Form einzubringen, wird Sand schichtweise in einer Box aufgetragen und an den gewünschten Stellen ein Binder aufgetragen. Die Binder sind selbst- oder warmhärtend. Der Wärmeeintrag erfolgt entweder nach dem beendeten Druck, indem die Box in einen Ofen überführt wird, oder direkt beim Druckvorgang mit Hilfe von Infrarotstrahlung. Eine Variante stellt eine Weiterentwicklung des Croning-Verfahrens dar, die in der
Eine thermische Härtung von Formstoffen kann auch durch Mikrowellenstrahlung erfolgen. Aus der
Neben dem zuvor aufgezeigten Einsatz in warmhärtenden Verfahren werden insbesondere Phenol-Formaldehyd-Harze mit Isocyanat-haltigen Härtern im Cold-Box-Verfahren verfestigt, bei dem durch Aminbegasung eine nahezu schlagartige Durchhärtung des Formstoffs unter Ausbildung eines Polyurethan-Additionsprodukts erreicht wird und das sich besonders für einen automatisierten Kernherstellungsprozess eignet. Das Cold-Box-Verfahren ist in zahlreichen Druckschriften erläutert, wie zum Beispiel in der
Während Phenolharze im Cold-Box-Verfahren tertiäre gasförmige Amine als Katalysatoren nutzen, wird dieselbe Binderklasse beim Einsatz in kaltselbsthärtenden Verfahren mit flüssigen, Pyridin-basierten Katalysatoren gehärtet. Letztgenannte können auch in einem warmhärtenden Verfahren additiv eingesetzt werden. Recht wenig Aufmerksamkeit wurde vor diesem Hintergrund den blockierten, thermisch aktivierbaren Katalysatoren geschenkt, die einerseits durch ihre chemische Verkappung lange Formstoffverarbeitungszeiten ermöglichen und gleichzeitig eine sehr schnelle Formstoffhärtung bei thermischer Beaufschlagung erzielen.While phenolic resins use tertiary gaseous amines as catalysts in the cold box process, the same binder class is hardened with liquid, pyridine-based catalysts when used in cold, self-curing processes. The latter can also be used additively in a thermosetting process. Against this background, very little attention was paid to the blocked, thermally activated catalysts, which on the one hand enable long molding material processing times due to their chemical capping and at the same time achieve very rapid molding material hardening when exposed to heat.
Aus der Literatur sind verschiedene Möglichkeiten der Blockierung von Aminen bekannt. So erhält man aus der Kondensation primärer Amine mit Aldehyden oder Ketonen die entsprechenden Aldimine beziehungsweise Ketimine. Durch Hydrolyse werden die ursprünglich eingesetzten Amine wieder freigesetzt. Various ways of blocking amines are known from the literature. The corresponding aldimines or ketimines are obtained from the condensation of primary amines with aldehydes or ketones. The amines originally used are released again through hydrolysis.
Gemäß der
Werden latente Amine, insbesondere hydrolysierbare, blockierte Amine eingesetzt, können, wie in der
If latent amines, in particular hydrolyzable, blocked amines, are used, as in FIG
In der
Auch bei Epoxidharzen finden blockierte Amine Anwendung. So wird gemäß der
Die
Ein sehr eleganter und zunehmend genutzter Ansatz besteht darin, tertiäre Amine durch Reaktion mit Carbonsäuren zu blockieren und auf diese Weise ein gut einstellbares wärmelatentes Katalysatorsystem zu erhalten. Als Amin-Katalysatoren mit verzögernder Wirkung werden solche Systeme zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen eingesetzt. Dies geht unter anderem aus den Druckschriften
In der
In the
Die
Thermolatente Katalysatoren auf Basis tertiärer Amine, die im Bereich von 50 bis 120 °C katalytisch wirksam werden, können in sogenannten Sheet Moulding Compounds zur Herstellung von Faserverbundbauteilen verwendet werden. Dies ist unter anderem auch aus der
Die
In der
Die Herstellung und Anwendung latenter vierwertiger Zinn-Katalysatoren wird in der
In der
Die zuvor beschriebenen organischen Bindemittel bestehen weitestgehend aus Phenolharzen oder Furfurylalkohlen. Deren Monomere sind meistens giftig und/oder kanzerogen und werden bei der Verarbeitung, spätestens jedoch bei der thermischen Zersetzung während des Gusses freigesetzt und stellen mithin eine Belastung für die Mitarbeiter und die Umwelt dar.The organic binders described above consist largely of phenolic resins or furfuryl alcohols. Their monomers are mostly toxic and / or carcinogenic and are released during processing, but at the latest during thermal decomposition during casting, and therefore represent a burden for employees and the environment.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein im Formstoff verwendetes System aus Bindemittel und einem geeigneten, die Formstoff-Aushärtung unter Wärmezufuhr begünstigenden Katalysator zu entwickeln, das es erlaubt, den Formstoff durch moderaten thermischen Eintrag nach dem Warm-Box- oder Warmluft-Verfahren zu härten und dabei schnelle Takt- und Ausschalzeiten zu erreichen, die denen des Amingas-härtenden Cold-Box-Verfahrens nahe kommen.The object on which the invention is based is to develop a system of binding agent and a suitable catalyst which is used in the molding material and which promotes hardening of the molding material with the supply of heat, which allows the molding material to be removed by moderate thermal input after the hot box or hot air. Curing processes and achieving fast cycle and stripping times that come close to those of the amine gas-curing cold box process.
Ein weiteres Anliegen der Erfindung besteht in der Überwindung umwelt- und arbeitsschutzrelevanter Nachteile, die sich aus der Verwendung von klassische organische Bindemittel enthaltenden Formstoffen ergeben, die im Warm/Hot-Box- und/oder Warm-/Heißluft-Verfahren gehärtet werden. Insbesondere betrifft dies die Vermeidung der Freisetzung von emissionsrelevanten Substanzen wie leichtflüchtige Verbindungen (VOC), Phenole, Formaldehyd oder hydrolytischen Spaltprodukten wie Aldehyde oder Ketone.Another concern of the invention is to overcome disadvantages relevant to the environment and occupational health and safety, which result from the use of molding materials containing classic organic binders, which are cured in the warm / hot box and / or warm / hot air process. In particular, this concerns the avoidance of the release of emission-relevant substances such as volatile compounds (VOC), phenols, formaldehyde or hydrolytic breakdown products such as aldehydes or ketones.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen warmhärtenden Formstoff mit den Merkmalen von Anspruch 1, wobei dieser Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren geeignet ist. Weiterbildungen sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by a thermosetting molding material having the features of claim 1, this molding material being suitable for producing cores and molds in the sand molding process. Further developments are given in the claims dependent on claim 1.
Der erfindungsgemäße warmhärtende Formstoff umfasst mindestens
- • ein zweikomponentiges, phenol- und formaldehydfreies Bindemittel auf Polyurethan-Basis, enthaltend eine Harz-Komponente als Gemisch von zwei oder mehreren in Bezug auf Isocyanate wasserstoffaktiven Verbindungen mit Hydroxyl- und/oder Mercapto- und/oder Amino- und/oder Carbamidgruppen mit einer OH-, SH- und NH-Funktionalität von 1,5 bis 8 und Äquivalentgewichten von 9 bis 2000 g/val der Einzelbestandteile und eine Härter-Komponente mit einem oder mehreren Diisocyanaten oder Polyisocyanaten.
- • einen oder mehrere thermisch aktivierbare Katalysatoren, deren Aktivierungstemperaturen zwischen 50 und 180 °C liegen, aufweisend die Polyurethan-Reaktion fördernde Brönsted-Basen und/oder Lewis-Säuren sowie ihre zugehörigen Blockierungsmittel, und
- • einen oder mehrere feuerfeste schüttfähige Füllstoffe.
- • A two-component, phenol- and formaldehyde-free binder based on polyurethane, containing a resin component as a mixture of two or more isocyanate-active compounds with hydroxyl and / or mercapto and / or amino and / or carbamide groups with a OH, SH and NH functionality from 1.5 to 8 and equivalent weights from 9 to 2000 g / eq of the individual components and a hardener component with one or more diisocyanates or polyisocyanates.
- • one or more thermally activatable catalysts, the activation temperatures of which are between 50 and 180 ° C, having the polyurethane reaction promoting Bronsted bases and / or Lewis acids and their associated blocking agents, and
- • one or more refractory pourable fillers.
Das zweikomponentige Bindemittel im erfindungsgemäßen Formstoff besteht einerseits aus der Harz-Komponente mit in Bezug auf Isocyanat wasserstoffaktiven Einzelverbindungen der durchschnittlichen Funktionalität von 1,8 bis 4,0, als Zusatz/Zusätze vorzugsweise einem oder mehreren Verdünnern, gegebenenfalls einem oder mehreren die Polyurethanreaktion beeinflussenden Additiven wie Katalysatoren oder Verzögerern sowie gegebenenfalls Homogenisierungszusätzen und andererseits aus der Isocyanat-enthaltenden Härter-Komponente.The two-component binder in the molding material according to the invention consists on the one hand of the resin component with isocyanate-hydrogen-active individual compounds with an average functionality of 1.8 to 4.0, as additives, preferably one or more thinners, optionally one or more additives that influence the polyurethane reaction such as catalysts or retarders and optionally homogenizing additives and, on the other hand, from the isocyanate-containing hardener component.
Vorzugsweise werden für die erfindungsgemäßen Zweikomponenten-Systeme in der Harz-Komponente ausgewogene Kombinationen verschiedener aliphatischer und/oder cycloaliphatischer, in Bezug auf Isocyanat wasserstoffaktiver Verbindungen eingesetzt, wobei es sich bei diesen Verbindungen um Polyetheralkohole, reaktive und nicht reaktive Polymerpolyole, Polycaprolactone, Polyetherpolyesteralkohole, Polythiole, Aminopolyetheralkohole, zwei- und höherfunktionelle Alkohole, Amine, Carbamid-Verbindungen handelt. Es werden zwei oder mehr Einzelkomponenten einer oder mehrerer dieser Substanzklassen in die Harzkomponente eingebracht.For the two-component systems according to the invention, balanced combinations of different aliphatic and / or cycloaliphatic compounds which are hydrogen-active with respect to isocyanate are preferably used in the resin component, these compounds being polyether alcohols, reactive and non-reactive polymer polyols, polycaprolactones, polyether polyester alcohols, polythiols , Aminopolyether alcohols, di- and higher-functional alcohols, amines, carbamide compounds. Two or more individual components of one or more of these substance classes are incorporated into the resin component.
Um hohe Formstoff-Festigkeiten zu erzielen, haben sich Gemische von wasserstoffaktiven Verbindungen als vorteilhaft erwiesen. Die Auswahl und Kombination dieser in Bezug auf Isocyanat wasserstoffaktiven Verbindungen erfolgt deshalb in der Weise, dass deren Funktionalitäten und deren Äquivalentgewichte einen Gradienten abbilden. Dadurch wird eine optimale Vernetzung innerhalb des Polyadditionsproduktes erreicht, was für die Verarbeitungseigenschaften des damit vermischten Formstoffs und für die Klebwirkung zwischen den Sandpartikeln vorteilhaft ist. Als besonders geeignet haben sich dafür Harz-Komponenten mit einem durchschnittlichen Äquivalentgewicht von 90 bis 200 g/val, bezogen auf die wasserstoffaktiven Bestandteile, herausgestellt. Dieses durchschnittliche Äquivalentgewicht berechnet sich aus dem prozentualen Gehalt an OH- und/oder SH- und/oder NH-Gruppen der Einzelkomponenten unter Berücksichtigung ihrer Massenanteile im Gemisch.In order to achieve high molding material strengths, mixtures of hydrogen-active compounds have proven to be advantageous. The selection and combination of these compounds, which are hydrogen-active with respect to isocyanate, are therefore made in such a way that their functionalities and their equivalent weights map a gradient. This achieves optimal crosslinking within the polyaddition product, which is advantageous for the processing properties of the molding material mixed with it and for the adhesive effect between the sand particles. Resin components with an average equivalent weight of 90 to 200 g / eq, based on the hydrogen-active constituents, have proven to be particularly suitable for this. This average equivalent weight is calculated from the percentage content of OH and / or SH and / or NH groups of the individual components, taking into account their proportions by mass in the mixture.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Einzelbestandteile der Harz-Komponente so gewählt, dass eine durchschnittliche H-Funktionalität von 1,8 bis 4,0, vorzugsweise 2,2 bis 3,5, vorliegt. Für eine optimale Vernetzung hat sich die Kombination von zweifunktionellen mit höherfunktionellen Verbindungen als vorteilhaft erwiesen, wobei eine optimale Durchschnittsfunktionalität angestrebt wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the individual constituents of the resin component are selected in such a way that an average H functionality of 1.8 to 4.0, preferably 2.2 to 3.5, is present. The combination of two-functional with higher-functional compounds has proven to be advantageous for optimal crosslinking, with an optimal average functionality being sought.
Als vernetzende Polyole für die Herstellung der erfindungsgemäßen Harz-Komponente eignen sich insbesondere di-, tri- und tetra-funktionelle Polyetheralkohole. Solche Polyole sind zum Beispiel Voranole® von Dow Chemical®, Desmophene® von Covestro®, Lupranole® von BASF®, Isoter® von Coim®, Puranole® von Jiahua®, Lipoxole® von Sasol®, Polyglykole von Clariant®, Polyole von Perstorp®. Besonders geeignet sind beispielsweise die Voranole® CP 260, CP 6055 und P400, die Desmophene® 1262 BD, 1300 BT, 1380 BT, 4051B, 5031 BT, 21 AP25, die Lupranole® 1000/1, 1100, 1200, 2070, 2090, 3300, 3423, 3424, 3902, die Isotere® 804SA, 803SA, 809SA, 840G, 860T, die Puranole R3776, F3020, G303, G305, TMP850 und die Polyole 3165, 3380, 4640, 4290. Als H-funktionelle schwefelhaltige Zusätze haben sich die Thioplast®-Typen der Firma Akzo Nobel® und die Thiocure®-Palette der Firma Bruno Bock bewährt. Geeignete Polycaprolactone sind beispielsweise Placcel® 205, 305 und 410 der Firma Daicel®, Durez® Ter S 1063-72 und S 2006-120 von Sumitoma Bakelite® oder Capa® 3031, 3022 und 2043 von Ingevity®. Als NH-funktionelle Verbindungen können Polyetherdiamine wie Jeffamine® D-400 und D-230 von Huntsman® oder auch einfache Strukturen wie Diglykolamin verwendet werden. Als mehrwertige kurzkettige Alkohole vorzugsweise mit einem maximalen Molgewicht von 200 g/mol kommen Diole wie Ethylenglykol, 1,3-Propandiol, 2-Butyl-2-ethylpropandiol, 2-Methyl-1,3-propandiol, Neopentylglykol, 1,4-Butandiol, Diethylenglykol, 1,5-Pentandiol, 2,2,4-Trimethylpentan-1,3-diol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, 2-Methyl-2,4-pentanediol, 1,6-Hexandiol und 2-Ethylhexan-1,3-diol, Triole wie Glycerin, Trimethylolpropan, Triethanolamin, Tetrole wie Pentaerythrit oder Di(trimethylolpropan) sowie Einfach- und Mehrfachzucker wie Glucose, Saccharose und Sorbit zum Einsatz. Di-, tri- and tetra-functional polyether alcohols are particularly suitable as crosslinking polyols for the production of the resin component according to the invention. Such polyols are, for example Voranole ® from Dow Chemical ®, Desmophene ® from Covestro ®, Lupranole ® from BASF ®, Isoter ® from Coim ®, Puranole ® from Jiahua ®, Lipoxole ® of Sasol ®, polyglycols of Clariant ®, polyols from Perstorp ® . Voranole ® CP 260, CP 6055 and P400, the Desmophene ® 1262 BD, 1300 BT, 1380 BT, 4051B, 5031 BT, 21 AP25, the Lupranole ® 1000/1, 1100, 1200, 2070, 2090, for example, are particularly suitable 3300, 3423, 3424, 3902, the Isotere ® 804SA, 803SA, 809SA, 840G, 860T, which Puranole R3776, F3020, G303, G305, TMP850 and the polyols 3165, 3380, 4640, 4290. The Thioplast ® types from Akzo Nobel ® and the Thiocure ® range from Bruno Bock have proven useful as H-functional sulfur-containing additives. Suitable polycaprolactones are, for example Placcel ® 205, 305 and 410 Daicel ®, ® Durez Ter S S 1063-72 and 2006-120 of Sumitoma Bakelite ® or Capa ® 3031, 3022 and 2043 of Ingevity ®. When NH-functional compounds can be used as polyether diamines diglycolamine Jeffamine ® D-400 and D-230 from Huntsman ® or even simple structures like. Polyhydric short-chain alcohols, preferably with a maximum molecular weight of 200 g / mol, are diols such as ethylene glycol, 1,3-propanediol, 2-butyl-2-ethylpropanediol, 2-methyl-1,3-propanediol, neopentyl glycol, 1,4-butanediol , Diethylene glycol, 1,5-pentanediol, 2,2,4-trimethylpentane-1,3-diol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 2-methyl-2,4-pentanediol, 1,6-hexanediol and 2 -Ethylhexane-1,3-diol, triols such as glycerol, trimethylolpropane, triethanolamine, tetrols such as pentaerythritol or di (trimethylolpropane) as well as single and multiple sugars such as glucose, sucrose and sorbitol are used.
Je nach Zusammensetzung der Harz- und Härter-Komponenten und je nach gewünschter Verarbeitungszeit im Kern- und Formherstellungsprozess werden die Bindemittel mit oder ohne zusätzliche katalytische Unterstützung verarbeitet. Als Katalysatoren eignen sich Organozinn-, Organobismuth-, Organozink-, Organokalium- und Organoaluminiumverbindungen sowie tertiären beziehungsweise quartären Stickstoff enthaltende Substanzen wie Dimethylcyclohexylamin, N-substituierte Pyrrolidone, N-substituierte Imidazole, Diazabicyclooctan und Triazin-Derivate.Depending on the composition of the resin and hardener components and the desired processing time in the core and mold manufacturing process, the binders are processed with or without additional catalytic support. Suitable catalysts are organotin, organobismuth, organozinc, organopotassium and organoaluminum compounds and also tertiary or quaternary nitrogen-containing substances such as dimethylcyclohexylamine, N-substituted pyrrolidones, N-substituted imidazoles, diazabicyclooctane and triazine derivatives.
Geeignete Metall-basierte Katalysatoren sind zum Beispiel die Kosmos®- und DABCO®-Typen von Evonik®, Katalysatoren von TIB®, K-Kat®-Produkte von King Industries®, die Borchi® Kat-Reihe von Borchers® und Tytane® von Borica. Eine umfassende Auswahl an Katalysatoren mit tertiärem Stickstoff bieten die BASF mit der Lupragen®-Reihe, Lanxess® mit Addocat®-Typen sowie Huntsmann® mit der Jeffcat®-Reihe an.Suitable metal-based catalysts are, for example, the Cosmos ® - and DABCO ® grades from Evonik ®, catalysts of TIB ®, K-Kat ® products of King Industries ®, the Borchi ® Cat series of Borchers ® and Tytane ® from Borica. BASF offers a comprehensive selection of catalysts with tertiary nitrogen with the Lupragen ® series, Lanxess ® with Addocat ® types and Huntsmann ® with the Jeffcat ® series.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die Härter-Komponente aus Gemischen eines oder mehrerer Isocyanate mit Verdünnern sowie die Verarbeitbarkeit gewährleistenden Zusätzen, wobei der Isocyanat-Anteil vorzugsweise im ausgeglichenen stöchiometrischen Verhältnis zu den wasserstoffaktiven Verbindungen der Harz-Komponente steht.According to an advantageous embodiment of the invention, the hardener component consists of mixtures of one or more isocyanates with thinners and additives ensuring processability, the isocyanate content preferably being in a balanced stoichiometric ratio to the hydrogen-active compounds of the resin component.
Als Isocyanate der Härter-Komponente des erfindungsgemäßen Formstoffs eignen sich oligomere oder polymere Derivate vom Grundtyp des 2,4'- und 4,4'-Diphenylmethan-Diisocyanates und/oder oligomere oder polymere Varianten vom Typ des 2,4'- und 4,4'-Dicyclohexylmethan-Diisocyanates und/oder oligomere oder polymere Derivate des Hexamethylen-Diisocyanates mit gegebenenfalls ganz oder partiell blockierten Isocyanatgruppen und/oder Isophorondiisocyanat und/oder dessen Derivate, außerdem die in einem Prepolymer-Verfahren dargestellten aromatischen, aliphatischen und cycloaliphatischen Isocyanate sowie deren Oligomere und Polymere. Oligomere und polymere Derivate von Isocyanaten sind unter anderem Carbodiimide, Isocyanurate, Biurete, Uretdione und Uretonimine. Gängige Blockierungsmittel für Isocyanate, die in unter Wärmeeinwirkung wieder abgespalten werden können, sind Phenol, Kresol, Acetessigester, Malonsäurediethylester, ε-Caprolactam und Butanonoxim. Vorzugsweise haben die Isocyanate mindestens die Funktionalität 2 und liegen bei Raumtemperatur flüssig vor.Suitable isocyanates of the hardener component of the molding material according to the invention are oligomeric or polymeric derivatives of the basic type of 2,4'- and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and / or oligomeric or polymeric variants of the type of 2,4'- and 4, 4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and / or oligomeric or polymeric derivatives of hexamethylene diisocyanate with optionally completely or partially blocked isocyanate groups and / or isophorone diisocyanate and / or its derivatives, as well as the aromatic, aliphatic and cycloaliphatic isocyanates prepared in a prepolymer process and their Oligomers and polymers. Oligomeric and polymeric derivatives of isocyanates include carbodiimides, isocyanurates, biurets, uretdiones and uretonimines. Common blocking agents for isocyanates, which can be split off again under the action of heat, are phenol, cresol, acetoacetate, diethyl malonate, ε-caprolactam and butanone oxime. The isocyanates preferably have at least functionality 2 and are liquid at room temperature.
Die vorgenannten Prepolymere werden durch eine Vorvernetzung von einem stöchiometrischen Unterschuss an di- oder mehrfunktionellen Polyolen mit geeigneten aliphatischen und/oder aromatischen und/oder cycloaliphatischen Isocyanaten hergestellt, wobei vorzugsweise ein Restgehalt an freien Isocyanatgruppen zwischen 5 und 35 %, besonders bevorzugt zwischen 6 und 30 %, resultiert. Weiterhin müssen solche Prepolymere eine verarbeitungsfreundliche Viskosität haben, die eine gute Durchmischung mit dem Formgrundstoff gewährleistet und daher maximal 900 mPas, vorzugsweise aber 300 bis 600 mPas, bei 20 °C beträgt. Alle im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angegebenen Viskositäten wurden mit einem Rotationsviskosimeter gemäß DIN 53019 ermittelt.The aforementioned prepolymers are prepared by pre-crosslinking a stoichiometric deficit of di- or polyfunctional polyols with suitable aliphatic and / or aromatic and / or cycloaliphatic isocyanates, preferably with a residual content of free isocyanate groups between 5 and 35%, particularly preferably between 6 and 30 %, results. Furthermore, such prepolymers must have a processing-friendly viscosity which ensures thorough mixing with the basic molding material and is therefore a maximum of 900 mPas, but preferably 300 to 600 mPas, at 20 ° C. All viscosities specified in connection with the present invention were determined using a rotary viscometer in accordance with DIN 53019.
Geeignete Isocyanate für Bindemittel des erfindungsgemäßen Formstoffs sind unter anderem Lupranate® aus der Produktpalette der Firma BASF®, Desmodur®-Typen von der Firma Covestro®, Voranate® und Isonate® der Firma Dow Chemical®, Vestanate® der Firma Evonik®, die Suprasec®-Reihe von Huntsman®, Tolonate® der Firma Vencorex®, Polurene® und Hydrorene® von Sapici® oder auch Ongronate® der Firma Wanhua®. Zu den oben genannten geeigneten Isocyanaten zählen insbesondere Lupranat® M 70 R, Lupranat MM® 103, Lupranat M® 105, Lupranat® MIP, Lupranat® M 10 R, Lupranat® M 20 S, Desmodur® 44 V 70 L, Desmodur® 44 V 20 L, Desmodur® CD-S, Desmodur® DN, Desmodur® I, Desmodur® W/1, Vestanat® IPDI, Vestanat® H12MDI, Vestanat® TMDI, Vestanat® HT 2500/LV, Suprasec® 2030, Suprasec® 2085, Tolonate® HDB LV, Tolonate® HDT LV, Ongronat® 3800, Ongronat® CR-30-20, Ongronat® CR-30-40, Ongronat® CR-30-60.Suitable isocyanates for the binder of the molding material of the invention include Lupranate ® from the product range of BASF ® company, Desmodur ® grades by the company Covestro ®, Voranate ® and Isonate ® from Dow Chemical ®, Vestanate ® from Evonik ®, the Suprasec ® series from Huntsman ® , Tolonate ® from Vencorex ® , Polurene ® and Hydrorene ® from Sapici ® or Ongronate ® from Wanhua ® . The above-mentioned suitable isocyanates particular Lupranat ® M include 70 R, Lupranat MM ® 103, Lupranat M ® 105, Lupranat ® MIP, Lupranat ® M 10 R, Lupranat ® M 20 S, Desmodur ® 44 V 70 L, Desmodur ® 44 V 20 L, Desmodur ® CD-S, Desmodur ® DN, Desmodur ® I, Desmodur ® W / 1, Vestanat ® IPDI, Vestanat ® H12MDI, Vestanat ® TMDI, Vestanat ® HT 2500 / LV, Suprasec ® 2030, Suprasec ® 2085 , Tolonate ® HDB LV, Tolonate ® HDT LV, Ongronat ® 3800, ® Ongronat CR 30-20, Ongronat CR 30-40 ®, ® Ongronat CR 30-60.
Die Bindemittelkomponenten der erfindungsgemäßen Formstoffe, also Harz und Härter, sind mit dem Ziel einer guten Verarbeitbarkeit vorzugsweise durch Verdünner ergänzt. Solche Verdünner sind zum Beispiel Fettsäureester auf Basis nachwachsender Rohstoffe, wie Umesterungsprodukte von Pflanzenölen, vor allem deren Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl- und Isobutylester. Weiterhin geeignet sind synthetische Mono-, Di- und Tricarbonsäureester, Organosilikate, Sulfonsäureester und/oder weitgehend aromatenfreie Fraktionen aus der Erdölaufbereitung, Phosphorsäureester, cyclische und nicht-cyclische Carbonate und/oder nicht hydroxy-funktionell endständige Polyether.The binder components of the molding materials according to the invention, that is to say resin and hardener, are preferably supplemented by thinners with the aim of good processability. Such thinners are, for example, fatty acid esters based on renewable raw materials, such as transesterification products from vegetable oils, especially their methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl and isobutyl esters. Synthetic mono-, di- and tricarboxylic acid esters, organosilicates, sulfonic acid esters and / or largely aromatic-free fractions from petroleum processing, phosphoric acid esters, cyclic and non-cyclic carbonates and / or non-hydroxy-functional terminal polyethers are also suitable.
Beispiele für Fettsäureester aus natürlichen Ölen sind der Rapsmethylester von Glencore oder anderen etablierten Biodieselherstellern, die Palm- und Sojamethylester der Firma Cremer, die Priolube®-Typen der Firma Croda®, die DUB®-Produkte von Stearinerie Dubois®, sowie die RADIA®-Ester der Firma Oleon®. Für die Anwendungsmöglichkeiten synthetischer Carbonsäureester stehen die Produktpaletten der Oxsoft®- und Oxblue®-Ester der Firma Oxea®, Softenol®-Ester der Firma Sasol®, die Jayflex®-Produkte von Exxon®, die mit Freeflex® bezeichneten Dibenzoatester von Caffaro® oder Weichmacher der BASF®, wie Hexamoll® DINCH oder Plastomoll® zur Verfügung. Geeignete Organosilikate, insbesondere Alkylsilikate und Alkylsilikatoligomere, sind zum Beispiel Tetraethylsilikat, Tetra-n-propylsilikat, sowie Mono-, Di- und Trialkylsilikate der Firmen Wacker®, Evonik® und Dow Corning®.Examples of fatty acid esters from natural oils are the rapeseed methyl ester from Glencore or other established biodiesel manufacturers, the palm and soy methyl esters from Cremer, the Priolube ® types from Croda ® , the DUB ® products from Stearinerie Dubois ® , and the RADIA ® - esters of Oleon ®. The product ranges of Oxsoft ® and Oxblue ® esters from Oxea ® , Softenol ® esters from Sasol ® , Jayflex ® products from Exxon ® , the dibenzoate esters labeled Freeflex ® from Caffaro ® or represent the possible uses of synthetic carboxylic acid esters Plasticizers from BASF ® , such as Hexamoll ® DINCH or Plastomoll ®, are available. Suitable organosilicates, in particular alkyl silicates and Alkylsilikatoligomere are, for example, tetraethyl silicate, tetra-n-propyl silicate, as well as mono-, di- and Trialkylsilikate the company Wacker ®, Evonik ® and Dow Corning ®.
Zur Beschleunigung der Polyurethan-Reaktion von Harz und Härter werden erfindungsgemäß thermisch aktivierbare Amin-Katalysatoren und/oder Metall-basierte Katalysatoren zur Härtung des Formstoffs in einer beheizten Kernbüchse nach dem Warm-Box-Verfahren oder in der unbeheizten Kernbüchse durch Warmlufteintrag eingesetzt. Diese werden als Teil der Harz-Komponente in dieser vorgelegt und/oder als Einzelkomponente zum Formstoff hinzugefügt. Der thermisch aktivierbare Katalysator setzt die katalytisch aktive Spezies bei Temperaturen von 50 bis 180 °C frei. Die dadurch initiierte Polyurethan-Reaktion des zweikomponentigen Bindemittels sorgt für eine sofortige Härtung des Formstoffs und ermöglicht die unmittelbare Entnahme des gehärteten Formstoffs aus der Kernbüchse. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist dabei um ein vielfaches höher als mit anderen gängigen Polyurethan-Katalysatoren oder ganz ohne Katalysator. Im Gegensatz zu den gängigen Katalysatoren bleibt bei Verwendung thermolabiler Katalysatoren die verarbeitungsoffene Zeit bei Raumtemperatur weitgehend unbeeinflusst.In order to accelerate the polyurethane reaction of resin and hardener, thermally activatable amine catalysts and / or metal-based catalysts are used according to the invention for curing the molding material in a heated core box according to the warm box process or in the unheated core box by introducing hot air. These are presented as part of the resin component in this and / or added to the molding material as an individual component. The thermally activated catalyst releases the catalytically active species at temperatures from 50 to 180 ° C. The polyurethane reaction of the two-component binder initiated as a result ensures immediate hardening of the molding material and enables the hardened molding material to be removed from the core box. The reaction rate is many times higher than with other common polyurethane catalysts or without a catalyst at all. In contrast to the usual catalysts, when using thermolabile catalysts, the processing time at room temperature remains largely unaffected.
Die thermisch aktivierbaren Katalysatoren weisen als katalytisch wirksame, thermisch freisetzbare tertiäre Amine beispielsweise 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU), 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO), Bis(2-dimethylaminoethyl)ether, Imidazol-, Piperazin-, Guanidin- oder Morpholin-Derivate auf. Mögliche Säuren zur Blockierung sind dabei Monocarbonsäuren wie Ameisensäure, Dichloressigsäure, Trifluoressigsäure oder 2-Ethylhexansäure, Dicarbonsäuren wie Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure, Korksäure und Hydroxycarbonsäuren wie Zitronensäure oder Salicylsäure. Komplexe thermisch freisetzbare Katalysatoren sind meist Addukte aus tertiären Aminen mit kurzkettigen Diolen wie Ethylenglykol und Carbonsäureanhydriden wie Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid oder Bernsteinsäureanhydrid.The thermally activated catalysts have, as catalytically active, thermally releasable tertiary amines, for example 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-en (DBU), 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (DABCO), bis ( 2-dimethylaminoethyl) ether, imidazole, piperazine, guanidine or morpholine derivatives. Possible acids for blocking are monocarboxylic acids such as formic acid, dichloroacetic acid, trifluoroacetic acid or 2-ethylhexanoic acid, dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, sebacic acid, suberic acid and hydroxycarboxylic acids such as citric acid or salicylic acid. Complex thermally releasable catalysts are usually adducts of tertiary amines with short-chain diols such as ethylene glycol and carboxylic acid anhydrides such as phthalic anhydride, maleic anhydride or succinic anhydride.
Als quartäre Ammoniumsalze, die durch Wärmeeinwirkung tertiäre Amine freisetzen, eignen sich zum Beispiel Cholin und seine Derivate. Im Weiteren können auch Reaktionsprodukte aus cyclischen Carbonsäureanhydriden und Diaminen wie N,N-Dimethylethylendiamin genutzt werden.Choline and its derivatives, for example, are suitable as quaternary ammonium salts which release tertiary amines when exposed to heat. Furthermore, reaction products from cyclic carboxylic acid anhydrides and diamines such as N, N-dimethylethylenediamine can also be used.
Typische latente Katalysatoren sind beispielsweise blockierte Amin- und Amidin-Katalysatoren der Hersteller Evonik® wie Polycat® SA 1/10, SA 2 LE, SA 4 und SA-8, Dabco® KTM 60, Tosoh® z.B. Toyocat® DB 2, DB 30, DB 31, DB 40, DB 41, DB 42, DB 60, DB 70, Huntsman®, z.B. Accelerator DY 9577, und Nitroil®, zum Beispiel PC Cat Q8, PC Cat Q7-2, PC Cat NP93, PC Cat DBU TA. Beispiele für Metall-basierte, latente Katalysatoren bietet die Thorcat®-Reihe der Firma Thor Especialidades®. Es können aber auch alle weiteren, latenten Katalysatoren aus der Polyurethan-Chemie mit einer sogenannten Schalttemperatur von 50 °C bis 180 °C eingesetzt werden.Typical latent catalysts are for example blocked amine and amidine catalysts of the manufacturer Evonik ® as Polycat ® SA 1/10, SA 2 LE, SA 4 and SA-8, Dabco ® KTM 60, Tosoh ® example TOYOCAT ® DB 2, DB 30 , DB 31, DB 40, DB 41, DB 42, DB 60, DB 70, Huntsman ®, for example Accelerator DY 9577, and Nitroil ®, for example, PC Cat Q8, PC Cat Q7-2, PC Cat NP93, PC Cat DBU TA. Examples of metal-based, latent catalysts are offered by the Thorcat ® series from Thor Especialidades ® . However, all other, latent catalysts from polyurethane chemistry with a so-called switching temperature of 50 ° C to 180 ° C can also be used.
Durch intensive Vermischung der Einzelbestandteile für Harz- oder Härter-Komponente des Bindemittels bei Raumtemperatur und unter Feuchtigkeitsausschluss erhält man die jeweiligen Komponenten mit verarbeitungsfreundlichen Viskositäten von 200 bis 600 mPas bei 20 °C für die Harz-Komponente und 200 bis 500 mPas bei 20 °C für die Härter-Komponente. Die Harz-Komponente des Bindemittels weist 50 bis 100 %, bevorzugt 70 bis 90 % wasserstoffaktive Verbindungen und die Härter-Komponente des Bindemittels 50 bis 100 %, bevorzugt 80 bis 95 % Polyisocyanate auf.Intensive mixing of the individual components for the resin or hardener component of the binder at room temperature and with the exclusion of moisture gives the respective components with easy-to-use viscosities of 200 to 600 mPas at 20 ° C for the resin component and 200 to 500 mPas at 20 ° C for the hardener component. The resin component of the binder has 50 to 100%, preferably 70 to 90%, hydrogen-active compounds and the hardener component of the binder 50 to 100%, preferably 80 to 95%, polyisocyanates.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formstoffs eignen sich die beschriebenen Zweikomponenten-Bindemittel in Kombination mit feuerfesten und schüttfähigen Füllstoffen. Diese natürlichen und keramischen Gießereisande werden gemeinhin auch als Formgrundstoffe bezeichnet. Sie umfassen Quarzsande verschiedener Herkunft und Kornform, Chromitsand, Zirkonsand, Olivinsand, R-Sand, Magnesia, Alkali- und Erdalkali-Halogenide, Aluminiumsilikate, wie J-Sand und Kerphalite®, synthetische Sande wie Cerabeads®, Schamotte, M-Sand, Alodur®, Bauxitsand, Siliciumcarbid, Bläh- und Schaumgläser, Flugasche und andere Spezialsande. Dabei liegt die bevorzugte mittlere Korngröße zwischen 0,1 und 0,9 mm. Der Bindemittel- und Katalysatorgehalt im Formstoff muss dabei unter Beachtung des jeweiligen Kornspektrums sowie des spezifischen Sandgewichtes optimiert sein und wird vorzugsweise zwischen 0,3 und 4,0 %, bezogen auf den Formgrundstoff, und 0,1 bis 2,5 % thermisch-aktivierbaren Katalysators, bezogen auf die Harz-Komponente, eingestellt. Die Erfindung ist nicht auf diese Einstellungen und Mengen beschränkt.The two-component binders described in combination with refractory and pourable fillers are suitable for producing the molding material according to the invention. These natural and ceramic foundry sands are commonly referred to as basic mold materials. They include quartz sands of various origins and grain shapes, chromite sand, zircon sand, olivine sand, R-sand, magnesia, alkali and alkaline earth halides, aluminum silicates such as J-sand and Kerphalite ® , synthetic sands such as Cerabeads ® , chamotte, M-sand, Alodur ® , bauxite sand, silicon carbide, expanded and foam glass, fly ash and other special sands. The preferred mean grain size is between 0.1 and 0.9 mm. The binder and catalyst content in the molding material must be optimized, taking into account the respective grain spectrum and the specific sand weight, and is preferably between 0.3 and 4.0%, based on the mold base material, and 0.1 to 2.5% thermally activated Catalyst, based on the resin component, adjusted. The invention is not limited to these settings and amounts.
Der warmhärtende Formstoff lässt sich aus einem oder mehreren feuerfesten schüttfähigen Füllstoffen zu 95,9 bis 99,6 %, einem Bindemittel zu 0,3 bis 4,0 % sowie einem oder mehreren thermisch aktivierbaren Katalysatoren zu 0,002 bis 0,1 % in einem Chargen- oder Durchlaufmischer herstellen.The thermosetting molding material can be made up of one or more refractory pourable fillers from 95.9 to 99.6%, a binder from 0.3 to 4.0% and one or more thermally activated catalysts from 0.002 to 0.1% in one batch - or make a continuous mixer.
Die Harz- und Härter-Komponente des Bindemittels können in Abhängigkeit von der jeweiligen Rezeptur im Mischungsverhältnis 2,5:1 bis 1:2,5 eingebracht werden. Für die praktische Anwendung im Gießereibetrieb hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Bindemittelsysteme so zu formulieren, dass sie im Mischungsverhältnis 1:1, bezogen auf die Masse, eingesetzt werden können.The resin and hardener components of the binder can be added in a mixing ratio of 2.5: 1 to 1: 2.5, depending on the respective recipe. For practical use in foundries, however, it has proven to be useful to formulate the binder systems in such a way that they can be used in a mixing ratio of 1: 1, based on the mass.
Nachteile der bisherigen Hot-Box- und Warm-Box-Bindersysteme, wie frei werdende Formaldehyd- und Phenol- beziehungsweise Furfurylalkohol-Dämpfe bei der Kernherstellung oder durch eine Kondensationsreaktion freigesetztes, störendes Wasser, werden bei Verwendung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung vermieden.Disadvantages of the previous hot box and warm box binder systems, such as formaldehyde and phenol or furfuryl alcohol vapors released during core production or disruptive water released by a condensation reaction, are avoided when using the molding material mixture according to the invention.
Beim Cold-Box-Prozess ist insbesondere das eingesetzte toxische Am ingas ein erheblicher Verfahrensnachteil. Die entsprechenden Apparaturen müssen mit aufwendiger Lüftungstechnik versehen werden. Das Amingas reagiert als Reaktionspromotor nicht mit dem Formstoff ab und muss deshalb kontinuierlich durch einen Aminwäscher aus dem Prozess entfernt werden. Die vorliegende Erfindung weist diese Nachteile nicht auf. Sie ermöglicht eine schnelle Formstoffhärtung, zum Beispiel für die Kernherstellung, ohne dabei gasförmige Amine wie beim Cold-Box-Verfahren einsetzen zu müssen.In the cold box process, the toxic amine gas used in particular is a considerable process disadvantage. The corresponding equipment must be equipped with complex ventilation technology. As a reaction promoter, the amine gas does not react with the molding material and must therefore be continuously removed from the process by an amine scrubber. The present invention does not have these disadvantages. It enables the mold material to harden quickly, for example for core production, without having to use gaseous amines as in the cold box process.
Die Erfindung greift dabei die innovative Technologie chemisch-verkappter und thermisch freisetzbarer Katalysatoren auf. Diese werden zur thermisch induzierten Härtung von Polyurethan- und/oder Polyharnstoff-Bindemitteln im Formstoff eingesetzt.The invention takes up the innovative technology of chemically disguised and thermally releasable catalysts. These are used for the thermally induced curing of polyurethane and / or polyurea binders in the molding material.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet weiterhin keine gesundheitsschädlichen aromatischen Lösemittel. Es werden stattdessen Fettsäureester auf Basis nachwachsender Rohstoffe, synthetische Carbonsäureester, aliphatische Carbonate und/oder organische Siliciumverbindungen verwendet, die vorzugsweise keine leichtflüchtigen Komponenten beinhalten.Furthermore, the present invention does not include any harmful aromatic solvents. Instead, fatty acid esters based on renewable raw materials, synthetic carboxylic acid esters, aliphatic carbonates and / or organic silicon compounds are used, which preferably do not contain any volatile components.
Die Bindemittel sowie die Formstoffe selbst weisen vorteilhafte Verarbeitungseigenschaften wie Geruchlosigkeit, niedrigen Dampfdruck, geringe Viskosität, gute Fließfähigkeit, einstellbare Aushärtungsgeschwindigkeit sowie hohe Biegefestigkeiten auf. Die mit den beschriebenen Formstoffen hergestellten Kerne und Formen weisen unter Gussbedingungen eine geringe Fehlerneigung und einen guten Zerfall auf. Beim Abguss sind zudem die Emissionen an flüchtigen organischen Verbindungen, wie aromatischen Kohlenwasserstoffen und Formaldehyd, im Vergleich zu Phenol-Formaldehyd-Harz- und Furanharz-basierten Bindemitteln deutlich reduziert.The binders and the molding materials themselves have advantageous processing properties such as odorlessness, low vapor pressure, low viscosity, good flowability, adjustable curing speed and high flexural strengths. The cores and molds produced with the molding materials described have a low tendency to flaws and good disintegration under casting conditions. During casting, the emissions of volatile organic compounds such as aromatic hydrocarbons and formaldehyde are significantly reduced compared to phenol-formaldehyde resin and furan resin-based binders.
Aufgrund dieser Vorteile und den durch Wärmeeintrag erzielten sehr kurzen Aushärtungszeiten stellen die erfindungsgemäßen Formstoffe mithin einen wichtigen Beitrag zu einer emissionsarmen und hochproduktiven Gießerei dar.Due to these advantages and the very short curing times achieved through the introduction of heat, the molding materials according to the invention therefore make an important contribution to a low-emission and highly productive foundry.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.Further details, features and advantages of embodiments of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments.
Die Versuchsbedingungen sind an das VDG-Merkblatt P71 angelehnt. Zur Herstellung von Formstoffmischungen der nachstehenden Bindemittel-Beispiele wurde Quarzsand H31 mit 1,6 % Bindemittel, wovon je 0,8 % Harz und Härter sind, und einer Tabelle 1 zu entnehmende Mengen an thermisch aktivierbaren Katalysatoren,bezogen auf die Harz-Menge, verwendet. Diese Formstoffmischungen wurden in einem Labormischer 60 bis 120 Sekunden lang gerührt, anschließend mit einer Prüfkörperschießmaschine PLS bei 4 bar Schießdruck in die beheizbare Kernbüchse PBH der Firma GF DISA AG geschossen und unter Wärmeeintrag durch die Kernbüchse beziehungsweise durch Einleiten erwärmter Luft gehärtet. Von den so erhaltenen Prüfkörpern mit den Maßen 22,4 x 22,4 x 175 mm wurden die zughörigen Formstoff-Festigkeiten mit dem Universalfestigkeitsprüfapparat LRu-2e der Firma Multiserw zeitabhängig bestimmt.The test conditions are based on the VDG leaflet P71. For the production of molding material mixtures of the following binder examples, quartz sand H31 with 1.6% binder, 0.8% each of which is resin and hardener, and amounts of thermally activatable amounts shown in Table 1 were used Catalysts, based on the amount of resin, used. These molding material mixtures were stirred in a laboratory mixer for 60 to 120 seconds, then shot with a PLS test body shooting machine at 4 bar shooting pressure into the heatable PBH core box from GF DISA AG and hardened with the introduction of heat through the core box or by introducing heated air. The associated molding material strengths of the test specimens obtained in this way with the dimensions 22.4 x 22.4 x 175 mm were determined as a function of time using the LRu-2e universal strength tester from Multiserw.
Im Folgenden sind die Zusammensetzungen der verwendeten Bindemittel dargestellt. Alle prozentualen Angaben [%] in dieser Schrift sind stets als Gewichtsprozent zu verstehen, es sei denn, es wird eine hiervon abweichende Definition im erläuternden Text vorgenommen.The compositions of the binders used are shown below. All percentages [%] in this document are always to be understood as percentages by weight, unless a different definition is made in the explanatory text.
Beispiel 1:
Beispiel 2:
Beispiel 3:
Beispiel 4:
Beispiel 5:
Beispiel 6:
Beispiel 7:
Vergleichsbeispiel 1 (nicht erfindungsgemäß):Comparative example 1 (not according to the invention):
Vergleichsbeispiel 2 (nicht erfindungsgemäß):Comparative example 2 (not according to the invention):
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Versuchsergebnisse mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen und nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen V1 und V2 dargelegt.Table 1 below shows the test results with the exemplary embodiments described and comparative examples V1 and V2 not according to the invention.
Aus den Daten ist zu entnehmen, dass ein thermisch aktivierbarer Katalysator unbedingt notwendig ist, um geringe Aushärtezeiten zu erhalten. Bereits nach vollständiger Abkühlung der Prüfkörper (1-Stunde-Wert) ist die Endfestigkeit (24-Stunden-Wert) in den meisten Fällen nahezu erreicht.From the data it can be seen that a thermally activated catalyst is absolutely necessary in order to obtain short curing times. After the test specimens have cooled down completely (1-hour value), the final strength (24-hour value) is almost reached in most cases.
Die Vergleichsbeispiele V1 und V2 zeigen, dass die erfindungsgemäße Methode nicht für Phenol-Formaldehyd-Harz-basierte Bindemittel geeignet ist. Der Pep-Set-Binder V1 benötigt deutlich längere Aushärtungszeiten als die erfindungsgemäßen Varianten. Bei Vergleichsbinder 2 handelt es sich um ein klassisches Cold-Box-Bindemittel. Die Formstoffe mit dem Vergleichsbinder 2 sind nicht warmhärtbar. Vermutlich inhibieren Additive im Bindemittel eine Reaktion des thermolatenten Katalysators.Comparative examples C1 and C2 show that the method according to the invention is not suitable for phenol-formaldehyde-resin-based binders. The Pep-Set-Binder V1 requires significantly longer curing times than the variants according to the invention. Comparative binder 2 is a classic cold box binder. The molding materials with the comparative binder 2 are not heat-curable. Presumably, additives in the binder inhibit a reaction of the thermolatent catalyst.
Tabelle 1
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- DBU DABCODBU DABCO
- Diazabicyclo[2.2.2]octan 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-enDiazabicyclo [2.2.2] octane 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-en
- H31H31
- Halterner Quarzsandsorte (Korngrößenbereich)Halterner type of quartz sand (grain size range)
- HDIHDI
- HexamethylendiisocyanatHexamethylene diisocyanate
- MDIMDI
- DiphenylmethandiisocyanatDiphenylmethane diisocyanate
- MGMG
- Molekulargewicht in [g/mol]Molecular weight in [g / mol]
- WBWB
- Warm-Box Warm box
- WLWL
- WarmluftWarm air
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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