CN103702783B - 用气态催化剂硬化冷芯盒铸型的方法 - Google Patents

Abstract

用于通过在铸造用混合物中硬化粘结剂来形成铸型的“冷芯盒”方法，该方法通过以下来操作：相继引入第一气态硬化催化剂到包含所形成的铸造用混合物的模样中，然后引入至少第二气态硬化催化剂。通过布置各气态硬化催化剂的量和接触时间，以及通过首先使用较低活性的气态硬化催化剂来降低用于引起硬化的硬化催化剂的总量。载气可以与各气态硬化催化剂一起使用。通常来说，气态硬化催化剂是具有三至六个碳原子的叔胺。

Description

用气态催化剂硬化冷芯盒铸型的方法

相关申请的交叉引用

本申请是2011年7月19日提交的US61/509,427的非临时专利申请，并且要求该申请的优先权，其通过如在本文中全部引用而并入本文。

技术领域

本发明公开的实施方案涉及用于在铸造用混合物中硬化粘结剂以在所谓的“冷芯盒”方法中形成铸型来制造型芯和铸模的装置和方法的改进。在所述改进的方法中，以相继的方式使用至少两种气态催化剂。所述改进的装置允许相继使用催化剂。在实施本发明的一个优选的方式中，所用的第一催化剂在硬化粘结剂方面的活性比第二催化剂低。在许多的这些实施方案中，第一催化剂所使用的摩尔量超过第二催化剂所使用的摩尔量。

背景技术

气态催化剂（特别是叔胺）在硬化酚醛和聚异氰酸酯树脂的冷芯盒方法中作为硬化剂的用途是本领域已知的。

vanHemelryck的公开的美国申请2010/0126690教导，一些优选的叔胺是三甲胺（“TMA”，CASRN75-50-3）、二甲基乙基胺（“DMEA”，CAS75-64-9）、二甲基异丙基胺（“DMIPA”，CAS996-35-0）、二甲基丙基胺（“DMPA”，CASRN926-63-6）以及三乙胺（“TEA”，CASRN121-44-8）。‘690公开申请教导，尽管在过去已教导单独地使用这些叔胺，但是可以以共混物使用叔胺。所述共混物通常是二元的，但可包含多于两种叔胺。

‘690公开申请还教导，至少在单独使用胺时所述胺的优选沸点低于100℃，以允许蒸发并在注入的气体混合物中获得满意的胺浓度。此准则也有助于避免胺在铸模中冷凝。

除了上限之外，优选的沸点还有下限。例如，TMA在环境温度下是气体（沸点约3℃），使其比较高沸点的胺更难处理。一般来说，以DMEA（沸点为44℃至46℃）作为特定实例，较低分子量的胺往往具有浓烈的氨气味，使其用起来令人不愉快。在沸点谱的另一端，TEA（沸点为89℃）往往从气体混合物中冷凝出来（特别是在冬天），这表明沸点的实际上限远低于100℃。

与沸点相关的参数是分子量，其必须足够低以允许气态胺易于经过铸造用混合物而扩散。‘690公开申请教导TEA（Mw101）是在冷芯盒方法可接受范围的高限度（highend）。‘690公开申请教导，一系列可接受的硬化催化剂包括由DMIPA（沸点为64℃至67℃）、DMPA和N,N-二乙基甲基胺（“DEMA”，CASRN616-39-7）组成的具有5个碳原子的叔胺组。

尽管对这些叔胺及其作为硬化催化剂的功能的理解越来越多，然而仍不知道如何最好的利用所述胺，特别是并非严格混合物的组合。

发明内容

通过用于形成铸型的“冷芯盒”方法提供了这个以及其他未满足的优点。在该方法中，将铸造用混合物引入模样中以形成铸型。所用的铸造用混合物包含主要量的铸造用骨料和未硬化的粘结剂。

在所述方法中，使所形成的铸型以相继的方式与第一气态硬化催化剂然后至少与第二气态硬化催化剂接触。在所述方法的一些实施方案中，接触步骤的第二部分采用第一气态硬化催化剂和第二气态硬化催化剂的混合物。在所述方法中，各气态硬化催化剂能够硬化所形成的铸型。进行所述接触步骤直到所形成的铸型充分地硬化以被处理，之后从模样中移出所述所形成的铸型。在大多数实施方案中，载气（优选催化惰性的载气）移动硬化催化剂经过包含铸型的芯盒。

在进行这些方法的优选方式中，选择所述第一气态硬化催化剂和第二气态硬化催化剂使得，对于所用的特定粘结剂，第一气态硬化催化剂的活性低于第二气态硬化催化剂的活性。

优选的第一和第二气态硬化催化剂是叔胺，特别是具有三至六个碳原子的叔胺。其中，三乙胺是优选的第一气态催化剂，并且优选的第二硬化催化剂包括二甲基异丙基胺、二甲基乙基胺和二甲基丙基胺。

在这些方法中，所述铸造用混合物包含主要量的铸造用骨料。

本发明的另一些方面是通过设备或对铸型实施“冷芯盒”工艺来实现的。所述设备具有用于供应气态的第一硬化催化剂和第二硬化催化剂的设备和用于容纳所形成的铸型的芯盒，所述芯盒具有入口和出口，入口连接到催化剂供应设备且相对于出口布置以有助于所述气态硬化催化剂与粘结剂之间的接触。

用于实施所述方法的许多设备还将包括用于回收气态硬化催化剂的设备，其连接到所述芯盒的出口。

在这些方法中，催化剂供应设备包含催化惰性载气源以推动气态硬化催化剂通过所述芯盒。在一些情况下，气态催化剂供应设备具有用于气化第一催化剂的第一室和用于气化第二催化剂的第二室，并且第一和第二室分别直接连接到载气源和芯盒的入口。在其他情况下，第二室通过第一室连接到芯盒入口。

当使用了催化剂回收设备时，其优选地具有将各第一硬化催化剂和第二硬化催化剂从彼此分离的能力，通常通过利用沸点或溶解性的差异来分离。

附图说明

通过阅读以下详细描述和附图（其中相同的附图标记指代相同的部分）将获得对所述公开的实施方案的更好理解，并且在附图中：

图1是用于使用气态胺催化剂来实施冷芯盒方法的设备的示意框图；和

图2至图4是示出所述催化剂制备和装料设备的进一步细节的示意框图。

优选实施方式

图1示出用于实施本发明概念的实施方案的设备10的示意图。设备10包含催化剂制备和装料设备20、芯盒30以及催化剂回收设备40。用于制造铸型（例如型芯或铸模）的冷芯盒方法一般需要铸造用混合物在芯盒30内侧形成为期望的成型件，其后将气态催化剂从催化剂制备装置20经过管道50通入芯盒。催化剂在芯盒30中与铸造用混合物相互作用，硬化其聚合粘结剂部分，形成具有型芯或铸模性质的硬化铸型。所述催化剂（通常伴随有载气，例如氮气或空气）经过管道60从芯盒30排出，并且载气很大程度上决定催化剂与粘结剂的接触时间。因为与气态催化剂相关的监管要求、催化剂的成本或这两个因素二者，所以通常使经过管道60排出的气流通入催化剂回收装置40，在所述回收装置40中可使用多种不同的方法从载气中分离和回收催化剂。例如并且与本文公开的许多实施方案有关，催化剂回收可包括使用酸性洗涤器来中和已被用作催化剂的气态胺，然后通过合适的步骤来回收胺以待再次使用。

在常规的设备10中，催化剂设备20只需要在气态条件下提供单一硬化催化剂，因此气化室22和载气源G足矣，如图2所示。然而，在本文所述的方法中，芯盒中的铸造用混合物要以相继的方式与第一气态硬化催化剂然后至少与第二气态硬化催化剂接触，因此描述了催化剂设备的其它布置。

例如，在图3中，催化设备120具有分开的气化室22和24。气化室22、24分别连接到载气源G，并且各出口是相通的以使气体流入管道50。当气态催化剂中的一种在室22中气化并且另一种在室24中气化时，适当的阀（未明确示出）可引起所述催化剂经过管道50选择性顺序流入芯盒中（未在图3中示出）。应当理解，两个载气源G可以是适当地连通到各室22、24的单一源并且还可适当地用阀来控制载气的流动。

在图4中，说明了不同的催化剂制备和递送布置220。就布置120而言，提供了分开的气化室22、24并且每个室连通到载气供给源G以使气化的催化剂可被载气驱入管道50。然而，在该布置220中，第一气态催化剂在室22中气化并且第二气态催化剂在室24中气化，其中排布所述室使得初始流只来自室22和载气源G，其中室22与24之间的管道26闭合。然后，通过打开管道26中的阀，使来自室24的流通过室22直至管道50。以这种方式，第一气态硬化催化剂可与第二气态催化剂在硬化过程的第二部分期间混合。

尚未完全理解涉及在本文所公开实施方案中的使用气态催化剂来提供对铸型的硬化的改进的机制，并且本发明人并没有为此提出理论，特别是对于芯盒30中发生的机制。然而，充分已知在芯盒的管道50、60处之过程的详情（specifics）以限定涉及改进现有技术的步骤。

由陈的美国专利5,688,857提供了在冷芯盒方法中使用的粘结剂类型的实例。还已知胺（特别是叔胺）气体作为硬化催化剂的用途并且在Robins的美国专利3,409,579中有描述。

实验结果

实施例1

在催化剂制备装置20的一个实施方案中，所述装置是接收作为液体的叔胺、将其升温并且使用载气将胺蒸气经过管道50移入芯盒30中的气化器。该实施方案是在实验室中模拟的，其使用小芯盒来产生测试型芯。使用两种胺的混合物而不使用单一的胺。在Showman等的“TheNeedforSpeedorMeasurementandOptimizationofCureSpeedinPUCBBinders”AFSTransactions,paper04-02(2004),AmericanFoundrySociety,DesPlaines,IL.中描述了用于进行实验室测试的方案和装置。在这种情况下，选择第一胺主要是出于成本，而选择第二胺主要是出于较高的活性。就该实验而言，第一胺是TEA，第二胺是DMIPA。产生具有3体积的TEA比1体积的DMIPA的胺蒸气并且通过载气移出催化剂制备装置并进入芯盒中。芯盒中的测试型芯是由包含砂和适量的ISOCUREFOCUS（TM）106/206（从ASKChemicals购买的铸造用粘结剂）的铸造用混合物形成的。持续吹气12秒，在此期间将1200μL的胺混合物通过芯盒。在吹气12秒之后，测试型芯完全硬化。在降低的胺水平下重复该测试以确定需要约1200μL来实现完全硬化。

实施例2

使用相同的芯盒30并且改良催化剂制备设备120或220以允许相继地吹气，使用单独的第一胺然后使用第二胺，将与实施例1相同的铸造用混合物放置在芯盒中。在最初的6秒，用490μL的TEA对芯盒吹气，然后用160μL的DMIPA吹气6秒，达到总计650μL的总胺。在此12秒吹气之后，使用550μL较少的总胺将测试型芯完全硬化。

实施例3

重复实施例1的实验，唯一的改变是所用的铸造用混合物是由砂和适量的ISOCUREFOCUS（TM）112/212（也是从ASKChemicals购买的铸造用粘结剂）混合的。再次吹气持续12秒并且使用3:1（按重量计）的TEA和DMIPA混合物，导致测试型芯的完全硬化。在这种情况下，流经芯盒的总胺蒸气为900μL。

实施例4

在此实验中，重复实施例3的实验，但使用实施例2的相继吹气布置。如实施例3，使用利用ISOCURE112/212铸造用粘结剂的铸造用混合物。用450μL的TEA吹气6秒然后用150μL的DMIPA吹气6秒，达到总计600μL的总胺。在此12秒吹气之后，使用300μL较少的总胺将测试型芯完全硬化。

实施例5

重复实施例1的实验，唯一的改变是铸造用混合物是由砂和适量的ISOCURE（TM）397CL/697C（也是从ASKChemicals购买的铸造用粘结剂）混合的。通过使用3:1（按重量计）的TEA和DMIPA混合物对测试型芯吹气，在使用了2200μL的胺混合物之后导致完全硬化。

实施例6

重复实施例5的实验，但使用实施例2的相继吹气布置。使用实施例5的铸造用混合物。用1200μL的TEA然后用400μL的DMIPA来进行相继的吹气，达到总计1600μL的总胺，导致完全硬化。

基于与实施例5的比较，此结果的一种解释是使用少于混合吹气的600μL的总胺来进行相继的吹气。所述600μL中的450μL是TEA，150μL是DMIPA。

实施例7

重复实施例5的实验，使用实施例1的吹气布置和ISOCURE（TM）397CL/697C铸造用粘结剂。然而，只使用了TEA，而不使用胺混合物或使用不同胺的相继吹气。在用3400μL的TEA对测试型芯进行吹气之后，导致完全硬化。

将此结果与实施例5相比，可以看出与DMIPA混合的TEA在硬化中比单独的TEA更有效，因为与TEA的混合物中的550μLDMIPA有效地代替单独使用TEA时的1750μLTEA。

将此结果与实施例6相比，可以看出TEA和DMIPA相继地使用在硬化中比单独的TEA更有效，因为在TEA之后相继地施用400μL的DMIPA，有效地代替TEA单独使用时的2200μLTEA。

实施例8

重复实施例5的实验，使用实施例1的吹气布置和ISOCURE（TM）397CL/697C铸造用粘结剂。在这种情况下，只使用了DMIPA，而不使用胺混合物或使用不同胺的相继吹气。在用1400μL的DMIPA对测试型芯进行吹气之后，导致了完全硬化。

将此结果与实施例5相比，可以看出混合的TEA/DMIPA硬化需要800μL的更多总胺，但是对于补充的胺，1650μL的TEA代替了850μL的DMIPA。

将此结果与实施例6相比，可以看出TEA接着DMIPA的相继施用需要200μL的更多总胺。然而，观察到的真实效果是1200μL的TEA能够代替1000μL的DMIPA。这是意料之外的，如将实施例7的结果与实施例8相比表明，当单独使用时，DMIPA的活性或有效性几乎是TEA的2.5倍（按体积比体积计）。

实施例9

重复实施例5的实验，使用实施例1的吹气布置和ISOCURE（TM）397CL/697C铸造用粘结剂。使用不同的胺—四碳原子的二甲基乙基胺（“DMEA”，CASRN75-64-9）本身来代替DMIPA以及代替任意的混合物或相继的吹气。在用950μL的DMEA对测试型芯进行吹气之后，导致了完全硬化。

该结果表明，当使用此铸造用粘结剂时，以与实施例5的3:1之比类似比例的TEA和DMEA的混合物会导致使用少于在实施例5中所用的2200μL的总胺的总硬化。还表明在实施例9中所需的950μLDMEA的约一半会由约1500μL的TEA代替。

该结果还表明，当使用此铸造用粘结剂时，以实施例6的相继吹气技术（使用TEA然后使用DMEA）可导致可使用少于实施例6中所用的1600μL的总胺的总硬化。还表明在实施例9中所需的950μL的DMEA的一半多可由约1100μL的TEA代替。

尽管这些实施例没有使用所有胺或者已知在冷芯盒方法中有效作为硬化催化剂的其他相关化合物，结果表明施用气态的第一化合物，然后施用也为气态的第二化合物，所述第二化合物选择为与第一化合物相比作为硬化催化剂更有活性，将允许由第一化合物以出乎意料地高的体积比体积比例有效替代第二化合物。

其他有用的化合物

上述实施例已引用了具有四个碳原子（DMEA）、五个碳原子（DMIPA）和六个碳原子（DEA）的叔胺作为示例性化合物。包含三至六个碳原子的其他胺看起来可作为候选用于本申请所教导的示例性方法中。

所述具有三个碳原子的胺包括之前提及的TMA和1-甲基氮丙啶（CAS1072-44-2）。

所述具有四个碳原子的胺包括N-甲基氮杂环丁烷（CASRN4923-79-9）和1-乙基氮丙啶（CASRN1072-45-3）。

所述具有五个碳原子的胺包括之前提及的DMPA、二乙基甲基胺（DEMA）（CASRN616-39-7）、N-丙基氮丙啶、N-异丙基氮丙啶、N-乙基吖丁啶、N-甲基吡咯烷（CASRN120-94-5）和N,N,N',N'-四甲基二氨基甲烷。

所述具有六个碳原子的胺包括之前提及的TEA、N-乙基-N-甲基-1-丙胺（CASRN4458-32-6）、N-乙基-N-甲基-2-丙胺（CASRN39198-07-7）、N,N-二甲基-1-丁胺（CASRN927-62-8）、N,N-二甲基-2-丁胺（CASRN921-04-0）、N,N,2-三甲基-1-丙胺（CASRN7239-24-9）、N,N,2-三甲基-2-丙胺（CASRN918-02-5）、N-乙基吡咯烷（CASRN733-06-0）、N-甲基哌啶、六亚甲基四胺、二甲基哌嗪以及N,N,N',N'-四甲基二氨基乙烷。

Claims (11)

1.用于形成铸型的“冷芯盒”方法，其包括以下步骤：

将铸造用混合物引入模样中以形成所述铸型，所述铸造用混合物包含铸造用骨料和未硬化粘结剂；

以相继的方式使所形成的铸型与第一气态硬化催化剂和至少第二气态硬化催化剂接触，各硬化催化剂能够硬化所形成的铸型，直到所形成的铸型充分地硬化至可操作；和

从所述模样中移出所形成的且硬化的铸型，

其中，所述第一气态硬化催化剂和所述第二气态硬化催化剂分别为叔胺。

2.权利要求1所述的方法，其中：

所述相继的接触步骤包括以下子步骤：

使所述铸型与包含所述第一气态硬化催化剂、含有或不含催化惰性载气并且基本上不含所述第二气态硬化催化剂的气体接触，形成部分硬化的铸型；和

使所述部分硬化的铸型与包含所述第二气态硬化催化剂、含有或不含催化惰性载气的气体接触。

3.权利要求1或2所述的方法，其中：

选择所述第一气态硬化催化剂和所述第二气态硬化催化剂使得，对于粘结剂，所述第一气态硬化催化剂的活性比所述第二气态硬化催化剂的活性低。

4.权利要求1所述的方法，其中：

所述第一气态硬化催化剂和所述第二气态硬化催化剂分别具有三至六个碳原子。

5.权利要求4所述的方法，其中：

所述第一气态硬化催化剂是三乙胺。

6.权利要求4或5所述的方法，其中：

所述第二气态硬化催化剂是二甲基异丙基胺。

7.权利要求4或5所述的方法，其中：

所述第二气态硬化催化剂是二甲基乙基胺。

8.权利要求4或5所述的方法，其中：

所述第二气态硬化催化剂是二甲基丙基胺。

9.一种设备，其用于通过“冷芯盒”方法由包含铸造用骨料和粘结剂的铸造用混合物来形成硬化的铸型，所述设备包括：

用于容纳所形成的所述铸型的芯盒，所述芯盒具有入口和出口，所述入口和出口相对于彼此布置以有助于所述粘结剂与气态硬化催化剂之间的接触；

用于供应气态的第一硬化催化剂和第二硬化催化剂的设备，所述设备包括：

用于气化所述第一硬化催化剂的第一室，所述第一室连接至所述芯盒入口；

用于气化所述第二硬化催化剂的第二室，通过所述第一室连接至所述芯盒；和

催化惰性载气源，直接连接至所述第一室和所述第二室的每一个，以推动所述各自的气态硬化催化剂经过所述芯盒，

其中，所述第一室包括所述第一硬化催化剂，所述第二室包括所述第二硬化催化剂，所述第一硬化催化剂和所述第二硬化催化剂分别为叔胺。

10.权利要求9所述的设备，其还包括：

用于回收所述气态硬化催化剂的设备，其连接到所述芯盒的所述出口。

11.权利要求10所述的设备，其中：

所述用于回收所述气态硬化催化剂的设备包括用于分别分离所述第一硬化催化剂与所述第二硬化催化剂的设备。