DE102013004663B4 - Binder system, molding material mixture containing the same, process for producing the molding material mixture, process for producing a mold part or casting core, mold part or casting core and use of the mold part or casting core thus obtainable for metal casting - Google Patents
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Abstract
Bindemittelsystem umfassend:(A) eine Polyolkomponente, umfassend ein freie OH-Gruppen enthaltendes Phenolharz,(B) eine Isocyanatkomponente, umfassend ein Polyisocyanat mit mindestens zwei NCO-Gruppen pro Molekül,(C) mindestens einen Fettsäureester ausgewählt aus Estern von Fettsäuren oder Dimerfettsäuren und einwertigen Alkoholen(D) mindestens einen epoxidierten Fettsäureester oder Glycidylether von mindestens zweiwertigen nicht-aromatischen Alkoholen und gegebenenfalls(E) ein oder mehr weitere Bestandteile ausgewählt aus organischen Lösungsmitteln, Silanen, Ölen, Komplexbildnern, Weichmachern, Additiven zur Verlängerung der Sandlebenszeit und internen Trennmitteln.Binder system comprising:(A) a polyol component comprising a phenolic resin containing free OH groups,(B) an isocyanate component comprising a polyisocyanate having at least two NCO groups per molecule,(C) at least one fatty acid ester selected from esters of fatty acids or dimer fatty acids and monohydric alcohols,(D) at least one epoxidized fatty acid ester or glycidyl ether of at least dihydric non-aromatic alcohols and optionally(E) one or more further components selected from organic solvents, silanes, oils, complexing agents, plasticizers, additives for extending the sand life and internal release agents.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Bindemittelsysteme auf Polyurethanbasis für die Gießereiindustrie, insbesondere Systeme, die Epoxyverbindungen und gleichzeitig Fettsäureester enthalten. Weiterhin betrifft die Erfindung Formstoffmischungen, umfassend das Bindemittelsystem, sowie Verfahren zur Herstellung von Gießformteilen und -kernen aus diesen Formstoffmischungen, ein Gießformteil oder einen Gießkern und die Verwendung dieser Gießformteile und Gießkerne für den Metallguss.The present invention relates to polyurethane-based binder systems for the foundry industry, in particular systems that contain epoxy compounds and fatty acid esters at the same time. The invention also relates to molding material mixtures comprising the binder system, as well as to methods for producing mold parts and cores from these molding material mixtures, a mold part or a core and the use of these mold parts and cores for metal casting.
Gießformteile (oder auch kurz Formen) bilden beim Gießen die äußere Wandung für das Gussstück, Gießkerne (oder auch kurz Kerne) werden zur Ausbildung von Hohlräumen innerhalb des Gussstücks eingesetzt. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass Formen und Kerne aus denselben Materialien bestehen. So erfolgt z.B. beim Kokillenguss die äußere Formgebung der Gussstücke mit Hilfe metallischer Dauerformen. Auch ist eine Kombination von Formen und Kernen, die aus unterschiedlich zusammengesetzten Formstoffmischungen bestehen und/oder nach unterschiedlichen Verfahren hergestellt wurden, möglich. Wenn nachstehend von Kernen die Sprache ist, gelten die Aussagen in gleichem Maße auch für Formen, die auf der gleichen Formstoffmischung basieren und nach demselben Verfahren hergestellt wurden.Casting mold parts (or molds for short) form the outer wall for the casting during casting, casting cores (or cores for short) are used to form cavities within the casting. It is not absolutely necessary for the molds and cores to be made of the same materials. For example, in permanent mold casting, the external shape of the castings is created using permanent metal molds. It is also possible to combine molds and cores that consist of molding material mixtures with different compositions and/or were manufactured using different processes. When cores are mentioned below, the statements apply equally to molds that are based on the same molding material mixture and were manufactured using the same process.
Die Verwendung von Zweikomponenten-Polyurethan-Systemen zur Kernherstellung hat in der Gießereiindustrie große Bedeutung erlangt. Eine Komponente enthält dabei ein Polyol mit mindestens zwei OH-Gruppen pro Molekül, die andere ein Polyisocyanat mit mindestens zwei NCO-Gruppen pro Molekül. Die beiden Komponenten werden dabei erst kurz vor oder bei der Herstellung von Formstoffmischungen in Kontakt gebracht. Die Aushärtung des Bindemittelsystems erfolgt in der Regel mit Hilfe von basischen Katalysatoren. Insbesondere flüssige Basen können dem Bindemittelsystem vor der Formgebung zugemischt werden, um die beiden Komponenten zur Reaktion zu bringen (
In
Bei diesen Phenolharz-Polyolen ist die Verwendung von Lösungsmitteln erforderlich, um bei Vermischung mit dem Formgrundstoff eine geeignete niedrige Viskosität und optimale Benetzung des Formgrundstoffs zu erhalten. Obwohl die Viskosität der Polyisocyanate deutlich niedriger ist als die der Phenolharze, enthält die Isocyanatkomponente üblicherweise ebenfalls Lösungsmittel. Im Allgemeinen sind für Phenolharze polare Lösungsmittel geeignet, während unpolare Lösungsmittel besser für Polyisocyanate geeignet sind. In der Praxis werden daher häufig Gemische von polaren und unpolaren Lösungsmitteln eingesetzt. Als unpolare Lösungsmittel kommen dabei meist hochsiedende aromatische Kohlenwasserstoffe (oder Gemische davon) mit einem Siedebereich über 150°C bei Normaldruck zum Einsatz, während als polare Lösungsmittel häufig hochsiedende Ester oder Ketone verwendet werden.With these phenolic resin polyols, the use of solvents is necessary in order to achieve a suitable low viscosity and optimal wetting of the molding base material when mixed with the molding base material. Although the viscosity of the polyisocyanates is significantly lower than that of the phenolic resins, the isocyanate component usually also contains solvents. In general, polar solvents are suitable for phenolic resins, while non-polar solvents are better suited for polyisocyanates. In practice, mixtures of polar and non-polar solvents are therefore often used. The non-polar solvents used are usually high-boiling aromatic hydrocarbons (or mixtures thereof) with a boiling range above 150°C at normal pressure, while the polar solvents often used are high-boiling esters or ketones.
Die hochsiedenden Aromaten bringen eine erhebliche Arbeitsplatzbelastung mit sich, so dass nach Wegen gesucht wurde, diese teilweise oder ganz durch weniger schädliche Stoffe zu ersetzen.The high-boiling aromatics cause a considerable workplace burden, so that ways have been sought to replace them partially or completely with less harmful substances.
In
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Auch wenn die Bindemittel auf PU-Basis eine beherrschende Stellung im Markt einnehmen und seit ihrer Einführung laufend verbessert wurden, besitzen sie auch heute noch Schwächen, die einer weiteren Verbesserung bedürfen. Eine dieser Schwächen ist die Neigung zur Bildung gewisser Gussfehler, z.B. sogenannter Blattrippen und Vererzungen.Even though PU-based binders dominate the market and have been continuously improved since their introduction, they still have weaknesses that require further improvement. One of these weaknesses is the tendency to form certain casting defects, e.g. so-called leaf veins and mineralization.
Beide Gussfehler kann man nach dem Stand der Technik dadurch bekämpfen, dass man den Formstoffmischungen Additive zusetzt, z.B auf der Basis organischer Materialien wie Hartholzgranulat, Kohlenhydrate etc. oder auf der Basis anorganischer Materialien wie Bauxit, Glasperlen, Glashohlkugeln oder speziellen Mineralien. Beispiele geeigneter Additive sind u.a. in
Die geschilderten Methoden der Fehlerbekämpfung sind zwar sehr effektiv, sie besitzen jedoch einen entscheidenden Nachteil: Alle diese Maßnahmen tragen stark zur Verteuerung des Verfahrens bei, zum einen durch die Kosten für die Einsatzstoffe und zum anderen durch den erhöhten technischen und/oder zeitlichen Aufwand bei ihrem Einsatz.Although the methods of error control described above are very effective, they have one major disadvantage: All of these measures contribute significantly to increasing the cost of the process, on the one hand due to the costs of the input materials and on the other hand due to the increased technical and/or time expenditure involved in their use.
Es besteht bei den Gießern deshalb der Wunsch nach Bindemitteln, welche die o.g. aufwändigen und teuren Maßnahmen unnötig machen oder zumindest stark reduzieren.Foundries therefore want binders that make the above-mentioned complex and expensive measures unnecessary or at least significantly reduce them.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den Gießereien Bindemittelsysteme auf PU-Basis zur Verfügung zu stellen, die bei der Formteil/Kernherstellung nur zu geringen bis sehr geringen Gussfehlern führen ohne die Festigkeit der Formteile/Kerne negativ zu beeinflussen.The invention was therefore based on the object of providing foundries with PU-based binder systems which lead to only minor to very minor casting defects during molded part/core production without negatively affecting the strength of the molded parts/cores.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass dies mit Bindemittelsystemen möglich ist, welche
- (A) eine Polyolkomponente, umfassend ein freie OH-Gruppen enthaltendes Phenolharz,
- (B) eine Isocyanatkomponente, umfassend ein Polyisocyanat mit mindestens zwei NCO-Gruppen pro Molekül,
- (C) mindestens einen Fettsäureester ausgewählt aus Estern von Fettsäuren oder Dimerfettsäuren und einwertigen Alkoholen,
- (D) mindestens einen epoxidierten Fettsäureester oder Glycidylether von mindestens zweiwertigen nicht-aromatischen Alkoholen und gegebenenfalls (E) ein oder mehr weitere Bestandteile ausgewählt aus organischen Lösungsmitteln, Silanen, Ölen, Komplexbildnern, Weichmachern, Additiven zur Verbesserung der Sandlebenszeit (=Verarbeitungszeit) und internen Trennmitteln
- (A) a polyol component comprising a phenolic resin containing free OH groups,
- (B) an isocyanate component comprising a polyisocyanate having at least two NCO groups per molecule,
- (C) at least one fatty acid ester selected from esters of fatty acids or dimer fatty acids and monohydric alcohols,
- (D) at least one epoxidized fatty acid ester or glycidyl ether of at least dihydric non-aromatic alcohols and optionally (E) one or more further components selected from organic solvents, silanes, oils, complexing agents, plasticizers, additives to improve the sand life (= processing time) and internal release agents
Bei dem Fettsäureester (C) handelt es sich um Ester von Fettsäuren oder Dimerfettsäuren und einwertigen Alkoholen.The fatty acid esters (C) are esters of fatty acids or dimer fatty acids and monohydric alcohols.
Bei den Estern handelt es sich um Veresterungsprodukte von gesättigten oder ein- oder mehrfach ungesättigten, geradkettigen und/oder verzweigten Fettsäuren RfCOOH oder Fettsäuregemischen oder Dimersäuren davon mit monofunktionellen,
gesättigten oder ungesättigten, geradkettigen oder verzweigten oder aromatischen Alkoholen RpOH, wobei die Ester die folgende Formel
in der Rp der von einem einwertigen Alkohol abgeleitete Rest ist und Rf der von der Fettsäure abgeleitete Rest ist.The esters are esterification products of saturated or mono- or polyunsaturated, straight-chain and/or branched fatty acids R f COOH or fatty acid mixtures or dimer acids thereof with monofunctional,
saturated or unsaturated, straight-chain or branched or aromatic alcohols R p OH, wherein the esters have the following formula
in which R p is the residue derived from a monohydric alcohol and R f is the residue derived from the fatty acid.
Rf ist vorzugsweise geradkettiges oder verzweigtes C2-24 Alkyl oder geradkettiges oder verzweigtes C2-24 Alkenyl (wobei innerhalb der Definition von Rf ein Alkenylrest mindestens eine C-C Doppelbindung, vorzugsweise 1-6, noch bevorzugter 1-3 C-C Doppelbindungen aufweist), bevorzugter C6-24 Alkyl oder C6-24 Alkenyl (jeweils geradkettig oder verzweigt), weiter bevorzugt C10-24 Alkyl oder C10-24 Alkenyl (jeweils geradkettig oder verzweigt), am bevorzugtesten C12-24 Alkyl oder C12-24 Alkenyl (jeweils geradkettig oder verzweigt).R f is preferably straight-chain or branched C 2-24 alkyl or straight-chain or branched C 2-24 alkenyl (wherein within the definition of R f an alkenyl radical has at least one CC double bond, preferably 1-6, more preferably 1-3 CC double bonds), more preferably C 6-24 alkyl or C 6-24 alkenyl (in each case straight-chain or branched), further preferably C 10-24 alkyl or C 10-24 alkenyl (in each case straight-chain or branched), most preferably C 12-24 alkyl or C 12-24 alkenyl (in each case straight-chain or branched).
Als ungesättigte Fettsäuren kommen z.B. Palmitoleinsäure, Ölsäure, Erucasäure, Linolsäure, Linolensäure, Elaeostearinsäure, Arachidonsäure, Chupanodonsäure und Docosahexaensäure in Betracht.Examples of unsaturated fatty acids include palmitoleic acid, oleic acid, erucic acid, linoleic acid, linolenic acid, elaeostearic acid, arachidonic acid, chupanodonic acid and docosahexaenoic acid.
Als gesättigte Fettsäuren kommen z.B. Capryl-, Pelargon-, Caprin-, Undecan-, Laurin-, Tridecan-, Myristin-, Pentadecan-, Palmitin-, Margarin-, Stearin-, Nonadecan-, Arachin-, Behen- und Lignocerinsäure in Frage.Examples of saturated fatty acids include caprylic, pelargonic, capric, undecanoic, lauric, tridecanoic, myristic, pentadecanoic, palmitic, margaric, stearic, nonadecanoic, arachidic, behenic and lignoceric acid.
Es können für die Veresterung auch Dimerfettsäuren eingesetzt werden und Gemische von Fettsäuren.Dimer fatty acids and mixtures of fatty acids can also be used for esterification.
Rp ist vorzugsweise geradkettiges oder verzweigtes C1-12 Alkyl, geradkettiges oder verzweigtes C2-12 Alkenyl (wobei innerhalb der Definition von Rp ein Alkenylrest mindestens eine C-C-Doppelbindung, vorzugsweise 1-4, noch bevorzugter 1-3 C-C-Doppelbindungen, aufweist), C6-10 Aryl oder C7-15 Aralkyl;
- bevorzugter C1-10 Alkyl oder C2-10 Alkenyl (jeweils geradkettig oder verzweigt), noch bevorzugter C1-8 Alkyl oder C2-8 Alkenyl (jeweils geradkettig oder verzweigt).
- Beispiele für die einwertigen Alkohole sind Methanol, Ethanol, n-Butanol, Isopropanol, n-Amylalkohol und 2- Ethylhexanol.
- more preferably C 1-10 alkyl or C 2-10 alkenyl (each straight-chain or branched), even more preferably C 1-8 alkyl or C 2-8 alkenyl (each straight-chain or branched).
- Examples of monohydric alcohols are methanol, ethanol, n-butanol, isopropanol, n-amyl alcohol and 2-ethylhexanol.
Es ist nicht notwendig, dass es sich bei der Fettsäure und /oder dem Alkohol, die für die Veresterung verwendet werden um einheitliche Produkte handelt; es können auch Gemische verwendet werden und insbesondere dürfen gesättigte Fettsäuren im Gemisch mit ungesättigten Fettsäuren vorhanden sein. So liegen z.B. die Fettsäuren bei natürlich vorkommenden Triglyceriden (pflanzliche oder tierische Öle) als Gemische vor, welche als solche verwendet werden können oder ohne Auftrennung einer Umesterung mit einem monofunktionalen Alkohol unterworfen werden können.It is not necessary for the fatty acid and/or alcohol used for esterification to be uniform products; mixtures can also be used and, in particular, saturated fatty acids may be present in a mixture with unsaturated fatty acids. For example, the fatty acids in naturally occurring triglycerides (vegetable or animal oils) are present as mixtures, which can be used as such or can be subjected to transesterification with a monofunctional alcohol without separation.
Folglich erhält man bei Umesterungen von pflanzlichen Ölen dann Gemische von Fettsäureestern, deren Anteile an den jeweiligen Fettsäuren den jeweiligen Anteilen im Ausgangsöl entsprechen.Consequently, transesterification of vegetable oils produces mixtures of fatty acid esters whose proportions of the respective fatty acids correspond to the respective proportions in the starting oil.
Die erfindungsgemäß verwendeten Fettsäureester (bzw. Fettsäureestergemische) sind entweder im Handel erhältlich oder können nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Liegt die Fettsäure als freie Säure oder Fettsäurehalogenid vor, kann nach bekannten Verfahren verestert werden. Liegt die Fettsäure als Triglycerid vor, kann dies entweder direkt eingesetzt werden oder es wird eine Umesterung mit üblichen Verfahren durchgeführt.The fatty acid esters (or fatty acid ester mixtures) used in the invention are either commercially available or can be produced using known processes. If the fatty acid is present as a free acid or fatty acid halide, it can be esterified using known processes. If the fatty acid is present as a triglyceride, this can either be used directly or a transesterification is carried out using conventional processes.
Geeignete Fettsäureester sind beispielsweise auch pflanzliche Öle wie z.B. Rapsöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl, Leinöl, Ölbaumöl, Kokosnussöl, Ölpalmkernöl, Hanföl, Ölpalmöl und Tallöl sowie Ester von einzelnen Fettsäuren und einwertigen Alkoholen. Auch tierische Öle können eingesetzt werden.Suitable fatty acid esters include vegetable oils such as rapeseed oil, soybean oil, sunflower oil, linseed oil, olive oil, coconut oil, oil palm kernel oil, hemp oil, oil palm oil and tall oil, as well as esters of individual fatty acids and monohydric alcohols. Animal oils can also be used.
Als Bestandteil (D) wird mindestens ein epoxidierter Fettsäureester oder Glycidylether von mindestens zweiwertigen nicht-aromatischen Alkoholen verwendet; der mehrwertige Alkohol ist für beide Möglichkeiten vorzugsweise vollständig verestert.As component (D) at least one epoxidized fatty acid ester or glycidyl ether of at least dihydric non-aromatic alcohols is used; the polyhydric alcohol is preferably fully esterified for both options.
Der epoxidierte Fettsäureester (D) ist das Veresterungsprodukt von ein- oder mehrfach ungesättigten, geradkettigen und/oder verzweigten Fettsäuren R'COOH oder Fettsäuregemischen, deren Doppelbindung(en) nach der Veresterung ganz oder teilweise epoxidiert wurden, wobei die Veresterung mit einem mindestens zweiwertigen geradkettigen oder verzweigten nicht-aromatischen Alkohol RzOH erfolgte.The epoxidized fatty acid ester (D) is the esterification product of mono- or polyunsaturated, straight-chain and/or branched fatty acids R'COOH or fatty acid mixtures whose double bond(s) were completely or partially epoxidized after the esterification, wherein the esterification was carried out with an at least divalent straight-chain or branched non-aromatic alcohol R z OH.
R' der verwendete Fettsäure R'COOH ist dabei vorzugsweise geradkettiges oder verzweigtes C2-C24 Alkenyl, bevorzugter C8-C24 Alkenyl, weiter bevorzugt C12 - C24 Alkenyl und besonders bevorzugt C18 - C24 Alkenyl; innerhalb der Definition von R' enthält ein Alkenylrest mindestens eine C-C Doppelbindung (vorzugsweise 1-4, noch bevorzugter 1-3 C-C Doppelbindungen). Als Fettsäuren R'COOH kommen z.B. Palmitoleinsäure, Ölsäure, Erucasäure, Linolsäure, Linolensäure, Elaeostearinsäure, Arachidonsäure, Chupanodonsäure und Docosahexaensäure in Betracht.R' of the fatty acid R'COOH used is preferably straight-chain or branched C2-C24 alkenyl, more preferably C8-C24 alkenyl, more preferably C12 - C24 alkenyl and particularly preferably C18 - C24 alkenyl; within the definition of R', an alkenyl radical contains at least one C-C double bond (preferably 1-4, more preferably 1-3 C-C double bonds). Suitable fatty acids R'COOH include, for example, palmitoleic acid, oleic acid, erucic acid, linoleic acid, linolenic acid, elaeostearic acid, arachidonic acid, chupanodonic acid and docosahexaenoic acid.
Der verwendete Alkohol hat die Formel RzOH, wobei Rz vorzugsweise geradkettiges oder verzweigtes C1-12 Alkyl oder geradkettiges oder verzweigtes C2-12 Alkenyl ist (welches mindestens eine C-C Doppelbindung aufweist), welche jeweils mindestens mit einer zusätzlichen Hydroxylgruppe substituiert sind (vorzugsweise 1 oder 2); bevorzugter sind C1-10 Alkyl und C2-20 Alkenyl (jeweils geradkettig oder verzweigt und mit mindestens einer zusätzlichen OH-Gruppe substituiert), noch bevorzugter C1-8 Alkyl und C2-8 Alkenyl (jeweils geradkettig oder verzweigt und mit mindestens einer zusätzlichen OH-Gruppe substituiert). Geeignete Beispiele für Alkohol RzOH sind Ethylenglycol, Glycerin, Trimethylolpropan, Neopentylglykol, Pentaerythrit und Dipentaerythrit.The alcohol used has the formula R z OH, where R z is preferably straight-chain or branched C 1-12 alkyl or straight-chain or branched C 2-12 alkenyl (having at least one CC double bond), each substituted with at least one additional hydroxyl group (preferably 1 or 2); more preferred are C 1-10 alkyl and C 2-20 alkenyl (each straight-chain or branched and substituted with at least one additional OH group), even more preferred are C 1-8 alkyl and C 2-8 alkenyl (each straight-chain or branched and substituted with at least one additional OH group). Suitable examples of alcohol R z OH are ethylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, neopentyl glycol, pentaerythritol and dipentaerythritol.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden epoxidierten Fettsäureester (D) sind entweder kommerziell erhältlich oder nach bekannten Verfahren herstellbar. So können epoxidierte Fettsäureester und Öle z.B. nach dem Prileshajev-Verfahren mit Peroxyameisensäure oder durch chemo-enzymatische Epoxidierung hergestellt werden.The epoxidized fatty acid esters (D) to be used according to the invention are either commercially available or can be prepared by known processes. For example, epoxidized fatty acid esters and oils can be prepared by the Prileshajev process with peroxyformic acid or by chemo-enzymatic epoxidation.
Bevorzugte epoxidierte Fettsäureester (D) sind epoxidierte Fettsäuretriglyceride, insbesondere epoxidierte Öle, da es sich um nachwachsende Rohstoffe handelt; geeignete Beispiele sind epoxidiertes Rapsöl, epoxidiertes Sonnenblumenöl, epoxidiertes Sojaöl, epoxidiertes Leinöl, epoxidiertes Ölbaumöl, epoxidiertes Ölpalmöl, epoxidiertes Hanföl und epoxidiertes Tallöl.Preferred epoxidized fatty acid esters (D) are epoxidized fatty acid triglycerides, in particular epoxidized oils, since they are renewable raw materials; suitable examples are epoxidized rapeseed oil, epoxidized sunflower oil, epoxidized soybean oil, epoxidized linseed oil, epoxidized olive tree oil, epoxidized oil palm oil, epoxidized hemp oil and epoxidized tall oil.
Als Bestandteil (D) können auch Glycidylether von mindestens zweiwertigen nicht-aromatischen Alkoholen eingesetzt werden oder Gemische von epoxidierten Fettsäureestern von mindestens zweiwertigen nicht-aromatischen Alkoholen und Glycidylethern von mindestens zweiwertigen nicht-aromatischen Alkoholen.As component (D) it is also possible to use glycidyl ethers of at least dihydric non-aromatic alcohols or mixtures of epoxidized fatty acid esters of at least dihydric non-aromatic alcohols and glycidyl ethers of at least dihydric non-aromatic alcohols.
Die Glycidylether der mehrwertigen nicht-aromatischen Alkohole können durch folgende Formel wiedergegeben werden:
und
Z ein geradkettiger oder verzweigter, gesättigter Kohlenwasserstoffrest mit einer Valenz von q ist, wobei der Kohlenwasserstoffrest gegebenenfalls ein oder mehrere Ethersauerstoffe -O- enthält (jedoch nicht als Bindungsstelle für
and
Z is a straight-chain or branched, saturated hydrocarbon radical with a valence of q, wherein the hydrocarbon radical optionally contains one or more ether oxygens -O- (but not as a binding site for
Die Glycidylether sind entweder kommerziell erhältlich oder nach bekannten Verfahren herstellbar.The glycidyl ethers are either commercially available or can be produced using known processes.
Die Gesamtmenge an Fettsäureester (C) und Epoxyverbindung (D) im Bindemittelsystem (in Bezug auf das gesamte Bindemittelsystem aus (A)+(B)+(C)+(D) und etwaiger weiterer Zusatzstoffe) beträgt vorzugsweise 2 bis 30 Gew.%, bevorzugter 3 bis 25 Gew.% und besonders bevorzugt 5 bis 20 Gew.%.The total amount of fatty acid ester (C) and epoxy compound (D) in the binder system (with respect to the entire binder system of (A)+(B)+(C)+(D) and any further additives) is preferably 2 to 30 wt.%, more preferably 3 to 25 wt.% and particularly preferably 5 to 20 wt.%.
Die Gewichtsanteile von Epoxyverbindung (D) zu Fettsäureester (C) liegen im Bereich von 95 : 5 bis 5 : 95, vorzugsweise von 85 : 15 bis 15 bis 85, besonders bevorzugt von 80 : 20 bis 20: 80.The weight proportions of epoxy compound (D) to fatty acid ester (C) are in the range from 95:5 to 5:95, preferably from 85:15 to 15:85, particularly preferably from 80:20 to 20:80.
Die Polyolkomponente umfasst Phenol-Aldehyd-Harze, hier vorliegend verkürzt auch Phenolharze genannt. Zur Herstellung der Phenolharze sind alle herkömmlich verwendeten Phenol-Verbindungen geeignet. Neben unsubstituierten Phenolen können substituierte Phenole oder Gemische hiervon eingesetzt werden. Die Phenol-Verbindungen sind vorzugsweise entweder in beiden ortho-Positionen oder in einer ortho- und in der para-Position nicht substituiert. Die verbleibenden Ring-Kohlenstoffatome können substituiert sein. Die Wahl des Substituenten ist nicht besonders beschränkt, sofern der Substituent die Reaktion des Phenols mit dem Aldehyd nicht nachteilig beeinflusst. Beispiele substituierter Phenole sind alkylsubstituierte, alkoxysubstituierte, arylsubstituierte und aryloxysubstituierte Phenole.The polyol component comprises phenol-aldehyde resins, also referred to here as phenol resins for short. All conventionally used phenol compounds are suitable for producing the phenol resins. In addition to unsubstituted phenols, substituted phenols or mixtures thereof can be used. The phenol compounds are preferably unsubstituted either in both ortho positions or in one ortho and in the para position. The remaining ring carbon atoms can be substituted. The choice of substituent is not particularly limited, provided that the substituent does not adversely affect the reaction of the phenol with the aldehyde. Examples of substituted phenols are alkyl-substituted, alkoxy-substituted, aryl-substituted and aryloxy-substituted phenols.
Die vorstehend genannten optionalen Substituenten des Phenols weisen vorzugsweise 1 bis 26, bevorzugter 1 bis 15 Kohlenstoffatome und gegebenenfalls ein oder mehr Ethersauerstoffatome auf. Beispiele geeigneter substituierter Phenole sind o-Kresol, m-Kresol, p-Kresol, 3,5-Xylenol, 3,4-Xylenol, 3,4,5-Trimethylphenol, 3-Ethylphenol, 3,5-Diethylphenol, p-Butylphenol, 3,5-Dibutylphenol, p-Amylphenol, Cyclohexylphenol, p-Octylphenol, p-Nonylphenol, Cardanol, 3,5-Dicyclohexylphenol, p-Crotylphenol, p-Phenylphenol, 3,5-Dimethoxyphenol und p-Phenoxyphenol; von diesen sind o-Kresol und Cardanol bevorzugt.The above-mentioned optional substituents of the phenol preferably have 1 to 26, more preferably 1 to 15 carbon atoms and optionally one or more ether oxygen atoms. Examples of suitable substituted phenols are o-cresol, m-cresol, p-cresol, 3,5-xylenol, 3,4-xylenol, 3,4,5-trimethylphenol, 3-ethylphenol, 3,5-diethylphenol, p-butylphenol, 3,5-dibutylphenol, p-amylphenol, cyclohexylphenol, p-octylphenol, p-nonylphenol, cardanol, 3,5-dicyclohexylphenol, p-crotylphenol, p-phenylphenol, 3,5-dimethoxyphenol and p-phenoxyphenol; of these, o-cresol and cardanol are preferred.
Besonders bevorzugt ist Phenol selbst, sowie kondensierte, unsubstituierte Phenole, wie Bisphenol A, und Phenole, die mehr als eine phenolische Hydroxylgruppe aufweisen.Particularly preferred is phenol itself, as well as condensed, unsubstituted phenols, such as bisphenol A, and phenols which have more than one phenolic hydroxyl group.
In einer Ausführungsform werden Phenole der allgemeinen Formel:
Als Aldehyd zur Herstellung der Phenolharze eignen sich z.B. Aldehyde der Formel:
Um die Phenolharze zu erhalten, wird vorzugsweise eine mindestens äquivalente Molzahl an Aldehyd, bezogen auf die Molzahl der Phenolkomponente, eingesetzt. In order to obtain the phenolic resins, it is preferable to use at least an equivalent number of moles of aldehyde, based on the number of moles of the phenol component.
Bevorzugt beträgt das Molverhältnis Aldehyd zu Phenol 1,0 : 1 bis 2,5: 1, besonders bevorzugt 1,1 : 1 bis 2,2 : 1, insbesondere bevorzugt 1,2 : 1 bis 2,0 : 1.The molar ratio of aldehyde to phenol is preferably 1.0:1 to 2.5:1, particularly preferably 1.1:1 to 2.2:1, especially preferably 1.2:1 to 2.0:1.
Die Herstellung des Phenolharzes erfolgt nach dem Fachmann bekannten Verfahren. Dabei werden das Phenol und der Aldehyd unter im Wesentlichen wasserfreien Bedingungen, insbesondere in Gegenwart eines zweiwertigen Metallions, bei Temperaturen von vorzugsweise weniger als 130°C umgesetzt. Das entstehende Wasser wird abdestilliert. Dazu kann der Reaktionsmischung ein geeignetes Schleppmittel zugesetzt werden, beispielsweise Toluol oder Xylol, oder die Destillation wird bei reduziertem Druck durchgeführt.The phenolic resin is produced using processes known to those skilled in the art. The phenol and the aldehyde are reacted under essentially anhydrous conditions, in particular in the presence of a divalent metal ion, at temperatures of preferably less than 130°C. The water formed is distilled off. For this purpose, a suitable entraining agent can be added to the reaction mixture, for example toluene or xylene, or the distillation is carried out under reduced pressure.
Das Phenolharz wird so gewählt, dass eine Vernetzung mit dem Polyisocyanat möglich ist. Es versteht sich von selbst, dass für den Aufbau eines Netzwerkes Phenolharze, die Moleküle mit mindestens zwei Hydroxylgruppen im Molekül umfassen, notwendig sind.The phenolic resin is chosen so that cross-linking with the polyisocyanate is possible. It goes without saying that phenolic resins that contain molecules with at least two hydroxyl groups in the molecule are necessary to create a network.
Besonders geeignete Phenolharze sind unter der Bezeichnung „ortho-ortho'” oder „high-ortho“-Novolake bzw. Benzyletherharze bekannt. Diese sind durch Kondensation von Phenolen mit Aldehyden in schwach saurem Medium unter Verwendung geeigneter Katalysatoren erhältlich. Zur Herstellung von Benzyletherharzen geeignete Katalysatoren sind Salze zweiwertiger Ionen von Metallen, wie Mn, Zn, Cd, Mg, Co, Ni, Fe, Pb, Ca und Ba. Bevorzugt wird Zinkacetat verwendet. Die eingesetzte Menge ist nicht kritisch. Typische Mengen an Metallkatalysator betragen 0,02 bis 0,3 Gew.%, bevorzugt 0,02 bis 0,15 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge an Phenol und Aldehyd.Particularly suitable phenolic resins are known as "ortho-ortho" or "high-ortho" novolaks or benzyl ether resins. These are obtainable by condensation of phenols with aldehydes in a weakly acidic medium using suitable catalysts. Catalysts suitable for the production of benzyl ether resins are salts of divalent ions of metals such as Mn, Zn, Cd, Mg, Co, Ni, Fe, Pb, Ca and Ba. Zinc acetate is preferably used. The amount used is not critical. Typical amounts of metal catalyst are 0.02 to 0.3% by weight, preferably 0.02 to 0.15% by weight, based on the total amount of phenol and aldehyde.
Solche Harze sind z.B. in
Die Methylolgruppen des Phenolharzes können teilweise mit einem C1-8 Alkanol (vorzugsweise Methanol, Ethanol oder n-Butanol) verethert sein. Solche veretherten Phenolharze sind im Handel erhältlich oder können nach bekannten Verfahren hergestellt werden (siehe z.B.
Das Molekulargewicht der verwendeten Phenolharze ist nicht besonders beschränkt; es können alle auf dem Fachgebiet üblicherweise verwendeten Phenolharze eingesetzt werden. Vorzugsweise beträgt das Molekulargewicht bis 2000 g/mol (Gewichtsmittel bestimmt mit GPC unter Verwendung von Polystyrolstandards).The molecular weight of the phenolic resins used is not particularly limited; all phenolic resins commonly used in the art can be used. The molecular weight is preferably up to 2000 g/mol (weight average determined by GPC using polystyrene standards).
Neben den vorstehend genannten Phenolharzen kann die Polyolkomponente des Bindemittelsystems für das No-Bake-Verfahren auch noch andere Polyolverbindungen enthalten wie nieder- bis mittelviskose, lineare oder verzweigte Polyetherpolyole und/oder Polyesterpolyole mit primären und/-oder sekundären Hydroxylgruppen. Polyetherpolyole werden nach bekannten Verfahren durch Reaktion von mehrwertigen Stabmolekülen, wie Ethylen-, Propylenglykol, Glycerin, 1,4-Butandiol, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbit, Hexantriol usw. oder deren Gemische mit Ethylenoxid und/oder Propylenoxid erhalten. Polyesterpolyole entstehen nach bekannten Verfahren bei der Reaktion von Polyalkoholen oder deren Gemische mit organischen gesättigten und/oder ungesättigten Polycarbonsäuren oder deren Gemische vom Typ Adipinsäure, Sebazinsäure, Phthalsäure, Tetrahydrophthalsäure, Hexahydrophthalsäure, Maleinsäure und Fumarsäure.In addition to the phenolic resins mentioned above, the polyol component of the binder system for the no-bake process can also contain other polyol compounds such as low to medium viscosity, linear or branched polyether polyols and/or polyester polyols with primary and/or secondary hydroxyl groups. Polyether polyols are obtained by known processes through the reaction of polyvalent rod molecules such as ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, 1,4-butanediol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, hexanetriol, etc. or mixtures thereof with ethylene oxide and/or propylene oxide. Polyester polyols are produced by known processes in the reaction of polyalcohols or mixtures thereof with organic saturated and/or unsaturated polycarboxylic acids or mixtures thereof of the type adipic acid, sebacic acid, phthalic acid, tetrahydrophthalic acid, hexahydrophthalic acid, maleic acid and fumaric acid.
Die Isocyanat-Komponente des Bindemittelsystems umfasst ein aliphatisches, cycloaliphatisches oder aromatisches Polyisocyanat, bevorzugt mit 2 bis 5 Isocyanatgruppen pro Molekül. Je nach den gewünschten Eigenschaften können auch Gemische von Isocyanaten eingesetzt werden.The isocyanate component of the binder system comprises an aliphatic, cycloaliphatic or aromatic polyisocyanate, preferably with 2 to 5 isocyanate groups per molecule. Depending on the desired properties, mixtures of isocyanates can also be used.
Geeignete Polyisocyanate umfassen aliphatische Polyisocyanate, wie z.B. Hexamethylendiisocyanat, alicyclische Polyisocyanate wie z.B. 4,4'-Dicyclohexylmethandiisocyanat und dimethyl-substituierte Derivate hiervon. Beispiele geeigneter aromatischer Polyisocyanate sind Toluol-2,4-diisocyanat, Toluol-2,6-diisocyanat, 1,5-Naphthalendiisocyanat, Triphenylmethantriisocyanat, Xylylendiisocyanat und methyl-substituierte Derivate der vorstehenden, sowie Polymethylenpolyphenylisocyanate. Insbesondere bevorzugte Polyisocyanate sind aromatische Polyisocyanate, besonders bevorzugt sind Polymethylenpolyphenylpolyisocyanate wie z.B. technisches 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, d.h. 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat mit einem Anteil an Isomeren und höheren Homologen.Suitable polyisocyanates include aliphatic polyisocyanates such as hexamethylene diisocyanate, alicyclic polyisocyanates such as 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and dimethyl-substituted derivatives thereof. Examples of suitable aromatic polyisocyanates are toluene-2,4-diisocyanate, toluene-2,6-diisocyanate, 1,5-naphthalene diisocyanate, triphenylmethane triisocyanate, xylylene diisocyanate and methyl-substituted derivatives of the above, and polymethylene polyphenyl isocyanates. Particularly preferred polyisocyanates are aromatic polyisocyanates, particularly preferred are polymethylene polyphenyl polyisocyanates such as technical 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, i.e. 4,4'-diphenylmethane diisocyanate with a proportion of isomers and higher homologues.
Im allgemeinen wird 10-500 Gew.% Polyisocyanat bezogen auf das Gewicht des Phenolharzes eingesetzt; vorzugsweise werden 20-300 Gew. % Polyisocyanat bezogen auf das Gewicht des Phenolharzes eingesetzt.Generally, 10-500 wt.% polyisocyanate is used based on the weight of the phenolic resin; preferably 20-300 wt.% polyisocyanate is used based on the weight of the phenolic resin.
Bevorzugt wird das Polyisocyanat in einer Menge eingesetzt, dass die Anzahl der Isocyanatgruppen von 80 bis 120 %, bezogen auf die Anzahl der freien Hydroxylgruppen des Harzes, beträgt.
Die Polyolkomponente und/oder die Isocyanatkomponente des Bindemittelsystems wird bevorzugt als Lösung in einem organischen Lösungsmittel oder einer Kombination von organischen Lösungsmitteln eingesetzt. Lösungsmittel können z.B. deshalb erforderlich sein, um die Komponenten des Bindemittelsystems in einem ausreichend niedrigviskosen Zustand zu halten, um eine gleichmäßige Benetzung des feuerfesten Formgrundstoffes zu erreichen und dessen Rieselfähigkeit zu erhalten und bei der Aushärtung eine gute Vernetzung der Bindermoleküle zu erreichen.The polyisocyanate is preferably used in an amount such that the number of isocyanate groups is from 80 to 120%, based on the number of free hydroxyl groups of the resin.
The polyol component and/or the isocyanate component of the binder system is preferably used as a solution in an organic solvent or a combination of organic solvents. Solvents may be required, for example, to keep the components of the binder system in a sufficiently low-viscosity state in order to achieve uniform wetting of the refractory mold base material and to maintain its flowability and to achieve good cross-linking of the binder molecules during curing.
Als Lösungsmittel für das Phenolharz können neben den z.B. unter der Bezeichnung Solvent Naphtha bekannten aromatischen Lösungsmitteln weiterhin sauerstoffreiche polare, organische Lösemittel verwendet werden. Geeignet sind z.B. Dicarbonsäureester, Glykoletherester, Glykoldiester, Glykoldiether, cyclische Ketone, cyclische Ester (Lactone), cyclische Carbonate oder Kieselsäureester oder deren Mischungen.In addition to the aromatic solvents known as solvent naphtha, oxygen-rich polar organic solvents can also be used as solvents for the phenolic resin. Suitable solvents include dicarboxylic acid esters, glycol ether esters, glycol diesters, glycol diethers, cyclic ketones, cyclic esters (lactones), cyclic carbonates or silicic acid esters or mixtures thereof.
Typische Dicarbonsäureester, die als Lösungsmittel geeignet sind, weisen die Formel R1OOC-R2-COOR1 auf, wobei R1 jeweils unabhängig voneinander eine Alkylgruppe mit 1 bis 12, bevorzugt 1 bis 6, Kohlenstoffatomen darstellt und R2 eine Alkylengruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist. Beispiele sind Dimethylester von Carbonsäuren mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen, die z.B. unter der Bezeichnung Dibasic Ester von DuPont erhältlich sind.Typical dicarboxylic acid esters which are suitable as solvents have the formula R 1 OOC-R 2 -COOR 1 , where R 1 is each independently an alkyl group having 1 to 12, preferably 1 to 6, carbon atoms and R 2 is an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms. Examples are dimethyl esters of carboxylic acids having 4 to 6 carbon atoms, which are available from DuPont, for example, under the name Dibasic Ester.
Typische Glykoletherester-Lösungsmittel sind Verbindungen der Formel R3-O-R4-OOCR5, wobei R3 eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen darstellt, R4 eine Alkylengruppe mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen ist und R5 eine Alkylgruppe mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen ist, z.B. Butylglykolacetat; besonders bevorzugt sind Glykoletheracetate.Typical glycol ether ester solvents are compounds of the formula R 3 -OR 4 -OOCR 5 , where R 3 represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 4 is an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms and R 5 is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, e.g. butyl glycol acetate; particularly preferred are glycol ether acetates.
Typische Glykoldiester-Lösungsmittel weisen die allgemeine Formel R3COO-R4-OOCR5 auf, wobei R3 bis R5 wie oben definiert sind und die Reste jeweils unabhängig voneinander ausgewählt werden (z.B. Propylenglykoldiacetat). Bevorzugt sind Glykoldiacetate. Glykoldiether lassen sich durch die Formel R3-O-R4-O-R5 charakterisieren, in der R3 bis R5 wie oben definiert sind und die Reste jeweils unabhängig voneinander ausgewählt werden (z.B. Dipropylenglykoldimethylether).Typical glycol diester solvents have the general formula R 3 COO-R 4 -OOCR 5 , where R 3 to R 5 are as defined above and the radicals are each selected independently of one another (eg propylene glycol diacetate). Glycol diacetates are preferred. Glycol diethers can be characterized by the formula R 3 -OR 4 -OR 5 , where R 3 to R 5 are as defined above and the radicals are each selected independently of one another (eg dipropylene glycol dimethyl ether).
Typische cyclische Ketone, cyclische Ester und cyclische Carbonate mit 4 bis 5 Kohlenstoffatomen sind ebenfalls geeignet (z.B. Propylencarbonat). Die Alkyl- und Alkylengruppen können jeweils verzweigt oder unverzweigt sein.Typical cyclic ketones, cyclic esters and cyclic carbonates with 4 to 5 carbon atoms are also suitable (e.g. propylene carbonate). The alkyl and alkylene groups can each be branched or unbranched.
Die Polyolkomponente (A) enthält vorzugsweise 5-60 Gew.% ein oder mehrere der vorstehenden Lösungsmittel, bevorzugter 10-55 Gew.% und insbesondere bevorzugt 10-50 Gew.%, wobei vorzugsweise aromatische Lösungsmittel wie z.B. Solvent Naphtha verwendet werden.The polyol component (A) preferably contains 5-60 wt.% of one or more of the above solvents, more preferably 10-55 wt.% and particularly preferably 10-50 wt.%, preferably using aromatic solvents such as solvent naphtha.
Flüssige Polyisocyanate können auch in unverdünnter Form eingesetzt werden, während feste oder viskose Polyisocyanate in organischen Lösungsmitteln gelöst werden. Bis zu 80 Gew.% der Isocyanat-Komponente können aus organischem Lösungsmittel bestehen. Als Lösungsmittel für das Polyisocyanat werden z.B. aromatische Lösungsmittel verwendet. Geeignete aromatische Lösungsmittel sind z.B. Naphthalin, alkyl-substituierte Naphthaline, alkyl-substituierte Benzole und Gemische hiervon. Besonders bevorzugt sind Gemische aus aromatischen Lösungsmitteln, die einen Siedepunktbereich zwischen 140°C und 320°C besitzen (z.B. Solvent Naphtha, das eine Fraktion aromatischer Kohlenwasserstoffe mit Siedebereich von etwa 150 bis 230°C ist):Liquid polyisocyanates can also be used in undiluted form, while solid or viscous polyisocyanates are dissolved in organic solvents. Up to 80% by weight of the isocyanate component can consist of organic solvents. Aromatic solvents, for example, are used as solvents for the polyisocyanate. Suitable aromatic solvents include naphthalene, alkyl-substituted naphthalenes, alkyl-substituted benzenes and mixtures thereof. Particularly preferred are mixtures of aromatic solvents that have a boiling point range between 140°C and 320°C (e.g. solvent naphtha, which is a fraction of aromatic hydrocarbons with a boiling range of about 150 to 230°C):
Neben den bereits erwähnten Bestandteilen können die Bindemittelsysteme weitere Zusätze enthalten, z. B. Silane (z.B. gemäß
Beispielsweise können dem Bindemittelsystem Silane der allgemeinen Formel (R'O)3SiR zugesetzt werden. Dabei ist R' ein Kohlenwasserstoffradikal, bevorzugt ein Alkylradikal mit 1-6 Kohlenstoffatomen, und R ein Alkylradikal, ein alkoxysubstituiertes Alkylradikal oder ein Alkylamin-substituiertes Aminradikal mit Alkylgruppen, die 1-6 Kohlenstoffatome besitzen.
Geeignete Silane sind beispielsweise Aminosilane, Epoxysilane, Mercaptosilane, Hydroxysilane und Ureidosilane, wie γ-Hydroxypropyltrimethoxysilan, γ-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Ureidopropyltriethoxysilan, γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, β-(3,4-Epoxycyclohexyl)trimethoxysilan und N-β-(Aminoethyl)-y-aminopropyltrimethoxysilan.For example, silanes of the general formula (R'O) 3 SiR can be added to the binder system. R' is a hydrocarbon radical, preferably an alkyl radical with 1-6 carbon atoms, and R is an alkyl radical, an alkoxy-substituted alkyl radical or an alkylamine-substituted amine radical with alkyl groups having 1-6 carbon atoms.
Suitable silanes include aminosilanes, epoxysilanes, mercaptosilanes, hydroxysilanes and ureido silanes such as γ-hydroxypropyltrimethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane, γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, β-(3,4-epoxycyclohexyl)trimethoxysilane and N-β-(aminoethyl)-y-aminopropyltrimethoxysilane.
Beispiele von kommerziell erhältlichen Silanen sind Silquest Z6040 und Silquest A-187 (γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan), Silquest A-1100 (γ-Aminopropyltriethoxysilan) und Silquest A-1120 (N-β-(Aminopethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilan) (Hersteller Momentive Performance Materials Inc.) und Dynasilan 2201 EQ (Ureidosilan) der Fa Evonik GmbH.Examples of commercially available silanes are Silquest Z6040 and Silquest A-187 (γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane), Silquest A-1100 (γ-aminopropyltriethoxysilane) and Silquest A-1120 (N-β-(aminoethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilane) (manufacturer Momentive Performance Materials Inc.) and Dynasilan 2201 EQ (ureidosilane) from Evonik GmbH.
Die Menge des Silans beträgt vorzugsweise 0 bis 2 Gew.% bezogen auf das Bindemittelsystem.The amount of silane is preferably 0 to 2 wt.% based on the binder system.
Das Bindemittelsystem der vorliegenden Erfindung enthält keine Paraffinöle wie sie in der
Die Bindemittelsysteme werden bevorzugt als Zwei-Komponenten-Systeme angeboten, wobei das Polyol (gegebenenfalls mit Lösungsmittel und/oder optionalen Zusätzen) eine Komponente darstellt und das Polyisocyanat, (gegebenenfalls mit Lösungsmittel und/oder optionalen Zusätzen) die andere Komponente ist. Jeder der Bestandteile C und D kann unabhängig in der ersten oder zweiten Komponente oder in beiden vorhanden sein, sie sind aber vorzugsweise beide Bestandteil der Isocyanat-Komponente.The binder systems are preferably offered as two-component systems, with the polyol (optionally with solvent and/or optional additives) being one component and the polyisocyanate (optionally with solvent and/or optional additives) being the other component. Each of the components C and D can be present independently in the first or second component or in both, but they are preferably both part of the isocyanate component.
Weiterhin betrifft die Erfindung Formstoffmischungen, die feuerfeste Formgrundstoffe und erfindungsgemäßes Bindemittelsystem, vorzugsweise 0,2 bis 5 Gew.%, bevorzugter 0,3 bis 4 Gew.%, besonders bevorzugt 0,4 bis 3 Gew.%, Bindemittelsystem bezogen auf das Gewicht der feuerfesten Formgrundstoffe, umfassen.Furthermore, the invention relates to molding material mixtures which comprise refractory molding base materials and binder system according to the invention, preferably 0.2 to 5 wt.%, more preferably 0.3 to 4 wt.%, particularly preferably 0.4 to 3 wt.%, binder system based on the weight of the refractory molding base materials.
Als feuerfeste Formgrundstoffe (manchmal auch als Aggregate bezeichnet) können dabei beispielsweise Quarz-, Zirkon- oder Chromerzsand, Olivin, Schamotte (Al2O3-Anteil 10-45 Gew.%) und Bauxit verwendet werden. Weiterhin können auch synthetisch hergestellte Formgrundstoffe eingesetzt werden, wie z.B. Aluminiumsilikathohlkugeln (sog. Microspheres), Glasperlen, Glasgranulat oder kugelförmige keramische Formgrundstoffe, die z.B. unter der Bezeichnung „Cerabeads“ bzw. „Carboaccucast“ bekannt sind. Mischungen der vorstehend genannten feuerfesten Formgrundstoffe können ebenfalls eingesetzt werden. Es ist bevorzugt, dass feuerfeste Formgrundstoffe Quarzsand enthalten, und besonders bevorzugt mindestens 20 Gew.% (noch bevorzugter mindestens 50 Gew.%), bezogen auf die Gesamtmenge der Formgrundstoffe. Die Korngröße/Durchmesser der Formgrundstoffe, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, ist nicht besonders beschränkt; es können alle auf dem Fachgebiet üblichen Formgrundstoffe verwendet werden.
Die mittlere Korngröße der Formgrundstoffe liegt üblicherweise im Bereich von ca. 0,1 mm - 0,55 mm, bevorzugt 0,2 mm - 0,45 mm und besonders bevorzugt 0,25 - 0,4 mm.Refractory mold base materials (sometimes also referred to as aggregates) that can be used include, for example, quartz, zircon or chrome ore sand, olivine, chamotte (Al 2 O 3 content 10-45 wt.%) and bauxite. Synthetically produced mold base materials can also be used, such as aluminum silicate hollow spheres (so-called microspheres), glass beads, glass granulate or spherical ceramic mold base materials, which are known, for example, under the name "Cerabeads" or "Carboaccucast". Mixtures of the above-mentioned refractory mold base materials can also be used. It is preferred that refractory mold base materials contain quartz sand, and particularly preferably at least 20 wt.% (even more preferably at least 50 wt.%), based on the total amount of mold base materials. The grain size/diameter of the mold base materials that can be used in the present invention is not particularly limited; all mold base materials customary in the art can be used.
The average grain size of the molding materials is usually in the range of approx. 0.1 mm - 0.55 mm, preferably 0.2 mm - 0.45 mm and particularly preferably 0.25 - 0.4 mm.
Für die Herstellung einer Formstoffmischung werden die Bestandteile des Bindemittelsystems mit dem feuerfesten Formgrundstoff, wie z.B. Quarzsand, vermischt.To produce a molding material mixture, the components of the binder system are mixed with the refractory molding material, such as quartz sand.
Es ist möglich, die beiden Komponenten eines wie vorstehend definierten 2-Komponentensystems zunächst jeweils mit Teilen des Aggregates zu mischen und anschließend diese beiden Mischungen zu vereinigen. Es ist auch möglich, die Komponenten des Bindemittels gleichzeitig oder nacheinander (in beliebiger Reihenfolge) zu dem feuerfesten Formgrundstoff zu geben. Verfahren um eine gleichmäßige Mischung der Bindemittelkomponenten und des Aggregates zu erzielen sind dem Fachmann bekannt. Die Mischung kann zusätzlich gegebenenfalls andere konventionelle Bestandteile, wie Eisenoxid, gemahlene Flachsfasern, Holzteile, Pech und refraktäre Metalle, enthalten.It is possible to first mix the two components of a 2-component system as defined above with parts of the aggregate and then combine these two mixtures. It is also possible to add the components of the binder to the refractory mold base material simultaneously or one after the other (in any order). Methods for achieving a uniform mixture of the binder components and the aggregate are known to those skilled in the art. The mixture may additionally contain other conventional components, such as iron oxide, ground flax fibers, wood parts, pitch and refractory metals.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Gießformteils oder eines Gießkerns, umfassend
- (a) Vermischen von feuerfesten Formgrundstoffen mit dem erfindungsgemäßen Bindemittelsystem (vorzugsweise 0,2 bis 5 Gew.%, bevorzugter 0,3 bis 4 Gew.%, besonders bevorzugt 0,4 bis 3 Gew.%, Bindemittelsystem bezogen auf die Menge der eingesetzten Formgrundstoffe), zum Erhalt einer Formstoffmischung (auch als Formstoffgemisch bezeichnet);
- (b) Einbringen des in Schritt (a) erhaltenen Formstoffgemisches in ein Formwerkzeug;
- (c) Härten des Formstoffgemischs im Formwerkzeug;
- (d) anschließendes Trennen des gehärteten Formstoffgemischs vom Werkzeug.
- (a) mixing refractory molding materials with the binder system according to the invention (preferably 0.2 to 5 wt.%, more preferably 0.3 to 4 wt.%, particularly preferably 0.4 to 3 wt.%, binder system based on the amount of molding materials used), to obtain a molding material mixture (also referred to as molding material mixture);
- (b) introducing the molding material mixture obtained in step (a) into a mold;
- (c) curing the moulding material mixture in the mould;
- (d) subsequent separation of the hardened moulding material mixture from the tool.
Zur Herstellung des Formkörpers wird zunächst wie oben beschrieben das Bindemittel mit dem feuerfesten Formgrundstoff zu einer Formstoffmischung vermischt. Soll die Herstellung des Formkörpers nach dem PU-No-Bake-Verfahren erfolgen, wird der Formstoffmischung ein geeigneter Katalysator zugegeben. Bevorzugt werden dazu flüssige Amine verwendet. Diese Amine weisen bevorzugt einen pKb-Wert von 4 bis 11 auf. Beispiele geeigneter Katalysatoren sind 4-Alkylpyridine, wobei die Alkylgruppe 1 bis 4 Kohlenstoffatome umfasst, Isochinolin, Arylpyridine, wie Phenylpyridin, 2-Methoxypyridin, Pyridazin, Chinolin, n-Methylimidazol, 4,4'-Dipyridin, Phenylpropylpyridin, 1-Methylbenzimidazol, 1,4-Thiazin, N,N-Dimethylbenzylamin, Tribenzylamin, N,N-Dimethyl-1,3-Propandiamin, N,N-Dimethylethanolamin sowie Triethanolamin. Der Katalysator kann gegebenenfalls mit einem inerten Lösemittel verdünnt werden, beispielsweise 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-diisobutyrat, oder einem Fettsäureester. Die Menge des zugegebenen Katalysators wird, bezogen auf das Gewicht der Polyolkomponente (Phenolharz plus Lösungsmittel und sonstige Bestandteile - falls vorhanden) vorzugsweise von 0,1 bis 15 Gew.% gewählt.To produce the molded body, the binder is first mixed with the refractory mold base material to form a molding material mixture as described above. If the molded body is to be produced using the PU no-bake process, a suitable catalyst is added to the molding material mixture. Liquid amines are preferably used for this purpose. These amines preferably have a pK b value of 4 to 11. Examples of suitable catalysts are 4-alkylpyridines, where the alkyl group comprises 1 to 4 carbon atoms, isoquinoline, arylpyridines, such as phenylpyridine, 2-methoxypyridine, pyridazine, quinoline, n-methylimidazole, 4,4'-dipyridine, phenylpropylpyridine, 1-methylbenzimidazole, 1,4-thiazine, N,N-dimethylbenzylamine, tribenzylamine, N,N-dimethyl-1,3-propanediamine, N,N-dimethylethanolamine and triethanolamine. The catalyst can optionally be diluted with an inert solvent, for example 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol diisobutyrate, or a fatty acid ester. The amount of catalyst added is preferably selected from 0.1 to 15% by weight based on the weight of the polyol component (phenolic resin plus solvent and other constituents - if present).
Die Formstoffmischung wird dann mit üblichen Mitteln in eine Form eingebracht und dort verdichtet. Die Formstoffmischung wird anschließend zu einem Formkörper ausgehärtet.The molding material mixture is then introduced into a mold using conventional means and compacted there. The molding material mixture is then cured to form a molded body.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Aushärtung nach dem PU-Cold-Box-Verfahren. Dazu wird ein gasförmiger Katalysator durch die bereits geformte Formstoffmischung geleitet. Als Katalysator können die üblichen Katalysatoren auf dem Gebiet des Cold-Box-Verfahrens verwendet werden, beispielsweise tertiäre Amine, insbesondere bevorzugt Dimethylethylamin, Dimethyl-n-propylamin, Dimethylisopropylamin, Dimethyl-n-butylamin, Triethylamin und Trimethylamin in ihrer gasförmigen Form oder als Aerosol.According to a further preferred embodiment, the curing takes place according to the PU cold box process. For this purpose, a gaseous catalyst is passed through the already formed molding material mixture. The usual catalysts in the field of the cold box process can be used as the catalyst, for example tertiary amines, particularly preferably dimethylethylamine, dimethyl-n-propylamine, dimethylisopropylamine, dimethyl-n-butylamine, triethylamine and trimethylamine in their gaseous form or as an aerosol.
Weiter betrifft die Erfindung einen Formkörper (Gießformteil oder Gießkern), wie er mit dem oben beschriebenen Verfahren erhalten werden kann.The invention further relates to a molded body (casting mold part or casting core) as can be obtained by the method described above.
Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung dieses Formkörpers für den Metallguss, insbesondere Eisen- sowie Aluminiumguss.The invention further relates to the use of this molded body for metal casting, in particular iron and aluminum casting.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Versuchsbeispielen näher erläutert ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.The invention is explained in more detail below using experimental examples without, however, being limited thereto.
BeispieleExamples
Zur Durchführung aller Versuche wurden sogenannte Stufenkegel nach dem PU-Cold Box Verfahren hergestellt. Der Stufenkegel ist ein bekannter Testkörper, mit dessen Hilfe die thermische Belastung beim Gießen auf einen Kern untersucht werden kann (siehe z.B.
Zu 100 Gewichtsteilen Quarzsand H 32 (Quarzwerke Frechen GmbH) wurden nacheinander jeweils 0,8 Gewichtsteile Askocure 300 EP 3901 (Phenol-Formaldehyd-Harz in aromatischem Lösungsmittel; Harzgehalt 50 Gew.%, frei von Fettsäureestern und epoxidierten Verbindungen) als Polyolkomponente (ASK Chemicals GmbH) und 0,8 Gewichtsteile der in der Tabelle 1 aufgeführten Isocyanatkomponenten gegeben und in einem Labormischer (Vogel & Schemmann AG) zwei Minuten lang intensiv vermischt. Anschließend wurden die Formstoffmischungen in den Vorratsbehälter einer Kernschießmaschine (Röperwerke Gießereimaschinen GmbH) überführt und mittels Druckluft (4 bar) in das Formwerkzeug eingebracht. Die Formkörper wurden durch Begasen mit einem Triethylamin-LuftGemisch (3 ml Amin, 2bar, Begasungszeit 30 Sekunden) ausgehärtet. Die ausgehärteten Stufenkegel wurden dem Formwerkzeug entnommen und bis zur Weiterverwendung 24h bei Raumtemperatur zwischengelagert.0.8 parts by weight of Askocure 300 EP 3901 (phenol-formaldehyde resin in aromatic solvent; resin content 50% by weight, free of fatty acid esters and epoxidized compounds) as a polyol component (ASK Chemicals GmbH) and 0.8 parts by weight of the isocyanate components listed in Table 1 were added successively to 100 parts by weight of quartz sand H 32 (Quarzwerke Frechen GmbH) and mixed intensively in a laboratory mixer (Vogel & Schemmann AG) for two minutes. The molding material mixtures were then transferred to the storage container of a core shooter (Röperwerke Gießereimaschinen GmbH) and introduced into the mold using compressed air (4 bar). The molded bodies were cured by gassing with a triethylamine-air mixture (3 ml amine, 2 bar, gassing time 30 seconds). The cured step cones were removed from the mold and stored at room temperature for 24 hours until further use.
Nach der Fertigstellung aller Prüfkörper wurde jeweils eine Hälfte der Stufenkegel mit der Wasserschlichte Miratec W3C (Handelsprodukt der Fa. ASK-Chemicals GmbH) überzogen und diese im Ofen 30 Minuten lang bei 150°C getrocknet.After completion of all test specimens, one half of each step cone was coated with the water-based coating Miratec W3C (commercial product of ASK-Chemicals GmbH) and dried in the oven for 30 minutes at 150°C.
Zum Abguss wurden die Stufenkegel jeweils in eine entsprechende Außenform gelegt und der zwischen dem Stufenkegel und der Außenform gebildete Hohlraum innerhalb von 8 Sekunden mit 25 kg flüssigem Eisen (1420-1430°C) gefüllt. Nach dem Abkühlen wurde das Gussstück von anhaftendem Sand gesäubert und die Anzahl der Blattrippen gezählt, die sich auf den einzelnen Stufen gebildet haben. Außerdem wurde ausgewertet, wie stark die Gussoberfächen Vererzungen aufwiesen. Zur Bewertung wurden dabei Schulnoten von 1-6 vergeben. Die geschlichteten und die ungeschlichteten Seiten wurden jeweils getrennt betrachtet.For casting, the stepped cones were placed in a corresponding outer mold and the cavity formed between the stepped cone and the outer mold was filled with 25 kg of liquid iron (1420-1430°C) within 8 seconds. After cooling, the casting was freed from adhering sand cleaned and the number of leaf veins that had formed on the individual steps was counted. The extent to which the cast surfaces had mineralization was also evaluated. Grades from 1-6 were awarded for the evaluation. The smoothed and un-smoothed sides were each examined separately.
Die Ergebnisse können Tabelle 2 entnommen werden. Tab. 1 Zusammensetzung der Isocyanatkomponenten
Aus Tabelle 2 erkennt man, dass man mit Stufenkegeln, die mit erfindungsgemäßen Bindemittelsystemen gebunden sind, bessere Gussoberflächen erhält, als bei der Verwendung von Stufenkegeln, die mit Bindemittelsystemen hergestellt wurden, die nicht die erfindungsgemäße Kombination aus Epoxyverbindungen und Fettsäureestern enthalten. Diese Aussage gilt unabhängig davon, ob die Prüfkörper geschlichtet wurden oder nicht.Table 2 shows that step cones bonded with the binder systems according to the invention produce better cast surfaces than step cones produced with binder systems that do not contain the combination of epoxy compounds and fatty acid esters according to the invention. This statement applies regardless of whether the test specimens were coated or not.
Die Festigkeit der in den erfindungsgemäßen Beispielen hergestellten Kerne ist mit der Festigkeit der Kerne der Vergleichsbeispiele vergleichbar.The strength of the cores produced in the examples according to the invention is comparable to the strength of the cores of the comparative examples.
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