DE102004039270A1

DE102004039270A1 - Formbare Masse sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102004039270A1
Application number: DE102004039270A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Schnorrer
Original assignee: JS Staedtler GmbH and Co KG
Current assignee: JS Staedtler GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US20060119010A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine formbare Masse, die durch Zuführung von Energie aus Energiequellen getrocknet und ausgehärtet wird, wobei die Energiequelle zur Härtung der Masse ein Mikrowellengerät ist. Die formbare Masse setzt sich aus den Komponenten Bindemittel, Füllstoff und Wasser sowie gegebenenfalls Farbmitteln und/oder sonstige Zusätze zusammen, wobei mindestens eine Komponente eine hohe Porosität aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine formbare Masse gemäß dem Hauptanspruch sowie deren Verwendung.
Erfindungsgemäß handelt es sich um eine lufttrocknende formbare Masse, die zur beschleunigenden Verfestigung bzw. Aushärtung in Wärmeöfen eingebracht werden kann oder mittels Strahlen als Energiequellen, gehärtet werden kann.

Lufttrocknende und ofenhärtende plastische Massen sind prinzipiell bekannt.

Nachteilig bei derartigen Massen ist es, dass selbst bei kleinen Modellen eine Trocknung und Aushärtung bei Raumtemperatur bis zur vollständigen Trocknung oder Verfestigung mindestens 24 Stunden Zeit benötigt. Bei größeren Teilen kann die Trocknung sogar mehrere Tage beanspruchen. Bei derartigen Massen hat sich gezeigt, dass selbst bei beschleunigender Trocknung im Backofen eine Aushärtedauer von mehrere Stunden erforderlich ist.

Versuche, derartige wasserbasierende formbare Massen in der Mikrowelle zu Trocknen bzw. Auszuhärten, haben zu dem Ergebnis geführt, dass die Masse zuerst an ihrer Oberfläche aushärtet, was zur Folge hat, dass kein Wasserdampf vom Inneren des Modells nach außen diffundieren kann. Durch den Wasserdampfdruck im Inneren des Modells, kommt es zu Rissen bzw. Blasen an der Oberfläche der Modelle, was die Modelle unansehnlich und instabil werden lässt. Im Exremfall kann der innere Druck das Modell zersprengen.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die mit derartigen Massen hergestellten Modelle bei Lufttrocknung oder Backofentrocknung linear mindestens 4 – 10% schrumpfen.

Weiter hat sich gezeigt, dass dünner ausgebildete Modelle, mit Schichtdicken bis zu 5 mm, während der Trocknung stark zum verziehen neigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine formbare Masse auf Wasserbasis zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht aufweist, wobei sich damit hergestellte Modelle in wenigen Minuten vollständig trocknen und aushärten lassen, ohne dass sich dabei Risse oder Blasen ausbilden.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, dass beim Härtevorgang keine Schrumpfung der mit der erfindungsgemäßen Masse hergestellten Modelle auftritt und damit eine sehr hohe Maßgenauigkeit oder Maßhaltigkeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 auf einfache Weise gelöst.

Bevorzugte Ausführungen, Weiterbildungen und Verwendung derartiger Massen sind in den Unter- und Nebenansprüchen umfasst.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, indem die mit einer formbaren Masse hergestellten Modelle oder Objekte in ein handelübliches Mikrowellengerät eingebracht werden und von der dort erzeugten Strahlung in minutenschnelle getrocknet und ausgehärtet werden.

Die Eigenschaft der Härtbarkeit mittels Mikrowellenstrahlung ist erfindungsgemäß darauf zurückzuführen, dass in der Masse mindestens eine Komponente enthalten ist, die eine hohe Porosität aufweist. Eine Komponente mit hoher Porosität könnte das eingesetzte Bindemittel sein, welches mindestens einen anorganischen Bestandteil aufweist. Beispiele für anorganische Bindemittel sind Kalkhydrat, auch unter Calciumhydroxid bekannt, Perlite und/oder Bentonite. Diese Bindemittel weisen eine hohe Porösität auf, was zu jedem Zeitpunkt des Härtevorgangs eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit gewährleistet, da über die Poren der beim Härtevorgang auftretende Dampfdruck nach außen entweichen kann. Durch den Einsatz derartiger Bindemittel, die zu jedem Zeitpunkt eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit gewährleisten, kommt es nicht zu einer Oberflächenversiegelung, wodurch eine Rissbildung oder gar das Bersten eines Modells sicher verhindert werden kann, da der Dampfdruck im Inneren der Modelle niedrig bleibt.

Der gleiche Wirkzusammenhang tritt auf, wenn anstatt der porösen anorganischen Bindemittel Füllstoffe eingesetzt werden, die eine hohe Porosität aufweisen.

Von Bedeutung bei der Verwendung poröser Komponenten ist es, dass die vorliegende Porosität durchströmbar oder offen ausgebildet sind.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die formbare Masse als Komponente mindestens ein organisches Bindemittel aufweist, da die damit hergestellten Modelle im erhärteten Zustand eine bessere oder höhere Bruchfestigkeit aufweisen. Im Verarbeitungszustand liegt zudem bei Anwesenheit organischer Bindemittel eine spürbar bessere Plastizität oder Knetfähigkeit vor.

Beispiele für organische Bindemittel sind Cellulosen, wie Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Methylcellulosen und weitere Cellulosederivate. Alternativ können auch Galactomanane oder Guarkernmehl eingesetzt werden. Es besteht auch die Möglichkeit synthetische organische Bindemittel einzusetzen, wie beispielsweise Polyurethane und/oder Polyacrylate einzusetzen, die wasserlöslich, wasserunlöslich oder wasserdispergierbar sind. Bevorzugt werden diese synthetischen Bindemittel als wässrige Dispersion eingesetzt.

Es hat sich weiter als vorteilhaft herausgestellt, dass die Modelliermasse nach dem Aushärten in der Mikrowelle, eine wesentlich geringere Dichte als im ungehärteten Zustand aufweist. Dies führt dazu, dass die Modelle nach dem Härten leichter werden und sogar schwimmfähig sind. Die Dichte der Masse im ungehärteten Zustand beträgt ungefähr 1,05 bis 1,5 g/ml und die Dichte der ausgehärteten Modelle beträgt ungefähr 0,70 bis 0,95 g/ml.

Anhand einiger Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben. Rahmenbeispiel für eine formbare Masse:

Wasser	15–40 Gew.%
anorganisches Bindemittel (AnBM)	10–50 Gew.%
Füllstoffe (FST)	8–30 Gew.%
organisches Bindemittel (OBM)	0–65 Gew.%
Farbmittel	0–7 Gew.%
Konservierungsmittel (KM)	0–6 Gew.%
Verdunstungsverzögerer (WZ)	0–5 Gew.%

Beispiel 1: gelbe Modelliermasse

Wasser	28,0 Gew.%
Kalkhydrat (AnBM)	20,5 Gew.%
Perlite (AnBM)	3,8 Gew.%
Carboxymethylcellulose (OBM)	19,0 Gew.%
wässrige PVAc-Kunststoffdisperion	15,5 Gew.%
Kreide (FST)	10,0 Gew.%
Mikroglashohlkugeln (FST)	2,8 Gew.%
CI. Pigment Yellow 1	0,2 Gew.%
2-Brom-2-nitropropan-1,3-diol (KM)	0,2 Gew.%

Beispiel 2: rote Modelliermasse

Wasser	28,0 Gew.%
Perlite (AnBM)	26,5 Gew.%
Carboxymethylcellulose (OBM)	16,4 Gew.%
wässrige Kunststoffdispersion eines Copolymerisates aus Acrylsäureestern (OBM)	19,5 Gew.%
Kaolin (FST)	3,3 Gew.%
Mikroglashohlkugeln (FST)	5,0 Gew.%
CI. Pigment Red 112	0,4 Gew.%
Konservierungsmittel (KM)	0,1 Gew.%

Beispiel 3: blaue Modelliermasse

Wasser	29,0 Gew.%
Bentonite (AnBM)	37,0 Gew.%
Carboxymethylcellulose (OBM)	2,0 Gew.%
wässrige Polyureth-Kunststoffdisperion	11,0 Gew.%
amorphe Kieselsäure (FST)	14,0 Gew.%
Mikroglashohlkugeln (FST)	5,4 Gew.%
CI. Pigment Blue 15	1,1 Gew.%
Konservierungsmittel (KM)	0,3 Gew.%
Polyglycol (VZ)	0,2 Gew.%

Beispiel 4: gelbe Modelliermasse

Wasser	35,0 Gew.%
Kalkhydrat (AnBM)	30,0 Gew.%
Perlite (AnBM)	8,0 Gew.%
Kreide (FST)	23,6 Gew.%
Mikroglashohlkugeln (FST)	3,0 Gew.%
CI. Pigment Yellow 1	0,2 Gew.%
2-Brom-2-nitropropan-1,3-diol (KM)	0,2 Gew.%

Aufgrund des Einsatzes einer Mikrowelle und poröser Komponenten in der Masse, wie beispielsweise poröser Bindemittelanteile und/oder Füllstoffanteile konnten extrem kurze Aushärtezeiten erreicht werden.
Nun hat es sich gezeigt, dass über die Zugabe von verdunstungshemmende Mitteln, wie beispielsweise Glycerine, zuckerhaltige Stoffe und/oder Glycole, die Abbindegeschwindigkeit der erfindungsgemäßen Masse reguliert bzw. eingestellt werden kann.
Der besonderen Vorteil einer Härtung mittels Mikrowellenstrahlung ist beispielhaft in nachfolgender Tabelle aufgezeigt.
Als Konservierungsmittel können, nur um einige Beispiele zu nennen, eine 0,5%ige Lösung von 2-Brom-2-nitropropan-1,3-diol oder ein 0,3 %-iges Gemisch aus 5-Chlor-2-methyl-2H-isothiazol-3-on und 2-Methyl-2H-isotrhiazol-3-on Verwendung finden. Das der Masse ggf. zugegebene Farbmittel kann in Form von pulverförmigen Pigmenten oder wässrigen Pigmentpräparationen vorliegen. Stellvertretend für eine Vielzahl einsetzbarer Pigmente wurden in den Beispielen einige angeführt. Häufig wird auch Titandioxid als farbgebendes Mittel eingesetzt. Bei der Verwendung der Farbpigmente sind kaum Grenzen aufgezeigt.
Die Herstellung erfindungsgemäßer Modelliermassen kann mit üblichen Vorrichtungen, insbesondere mit herkömmlichen Mischern erfolgen. Die Komponenten werden in Mischern vermengt, geknetet und anschließend extrudiert. Danach wird die Masse luftdicht verpackt.
Verwendung findet eine derartige Modelliermasse im Modell- oder Prototypenbau, da Muster und Modelle oder ganze Modelllandschaften maßstabsgetreu erstellt werden können, da beim Härten keine Schrumpfung auftritt.
Weiter wird eine derartige Modelliermasse im Hobby- und Künstlerbereich eingesetzt, zur Herstellung von beispielsweise Schmückgegenständen, Puppen, Puppenköpfe, Masken und vielen weiteren Gegenständen. Der Verwendung zur Gestaltung von Modellen im Hobby- und Künstlerbedarf sind keinerlei Grenzen gesetzt.
Empfehlenswert ist die Verwendung der Modelliermasse auch in Modellierkursen für Erwachsen, Schule und Kindergärten gleichermaßen, da die im Kurs, Schule oder Kindergarten erstellten Modelle in minutenschnelle gehärtet werden können und vom Schöpfer sofort mit nach Hause mitgenommen werden können.
Eine weitere mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen Masse als Dicht- und Isolier- und Abformmasse.
Die formbare Masse wird durch Zuführung von Energie aus Energiequellen getrocknet und ausgehärtet, wobei die Energiequelle zur Härtung ein Mikrowellengerät ist. Die Masse besteht aus den Komponenten Bindemittel, Füllstoff und Wasser, sowie gegebenenfalls Farbmitteln und/oder sonstigen Zusätzen. Mindestens eine Komponente weist eine hohe Porosität auf, die in einem ε-Bereich von 50% < ε < 100% liegt.
Das Bindemittel weist mindestens einen anorganischen Bestandteil auf, mit einer hohen Porosität. Beispiele für anorganische Bestandteil Kalkhydrat, Perlit und/oder Bentonit ist.

Claims

Formbare Masse wobei die Masse durch Zuführung von Energie aus Energiequellen getrocknet und ausgehärtet wird dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle zur Härtung der Masse ein Mikrowellengerät ist.
Masse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Masse aus den Komponenten Bindemittel, Füllstoff und Wasser, sowie gegebenenfalls Farbmitteln und/oder sonstige Zusätze zusammensetzt ist.
Masse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente eine hohe Porosität aufweist und dass die Porosität in einem ε-Bereich von 50% < ε < 100% liegt.
Masse, nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel mindestens einen anorganischen Bestandteil aufweist und dass der anorganische Bestandteil eine hohe Porosität aufweist.
Masse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Bestandteil Kalkhydrat, Perlit und/oder Bentonit ist.
Masse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse aus 15–40 Gew.% Wasser, 10–50 Gew.% anorganisches Bindemittel (AnBM), 8–30 Gew.% Füllstoffe (FST), 0–65 Gew.% organisches Bindemittel (OBM), 0–7 Gew.% Farbmittel, 0–6 Gew.% Konservierungsmittel (KM) und 0–5 Gew.% Verdunstungsverzögerer (WZ)

zusammengesetzt ist.
Verwendung einer formbaren Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Modell- und/oder Prototypenbau.
Verwendung einer formbaren Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Modelliermasse im Hobby- und/oder Künstlerbereich.
Verwendung einer formbaren Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Dicht-, Isolier- und/oder Abformmasse.
Verfahren zur Härtung einer formbaren Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse mittels Mikrowellenenergie ausgehärtet wird.