DE2747109A1

DE2747109A1 - Verfahren zum durchfuehren einer reaktion in giessform- oder kern-materialien und vorrichtung zum ausueben des verfahrens

Info

Publication number: DE2747109A1
Application number: DE19772747109
Authority: DE
Inventors: Kenneth William Cowlam; Michael Jamieson Folkes
Original assignee: Stone Wallwork Ltd
Current assignee: Stone Wallwork Ltd
Priority date: 1976-10-21
Filing date: 1977-10-20
Publication date: 1978-04-27
Also published as: ES463390A1; FR2368320A1; DK467277A; GB1592166A; BE860004A; NL7711406A; SE7711732L; IT1086911B

Description

PATENTANWÄLTE
DIPL. ING. H. STEHMANN DIPL.-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU

D-8500 NORNBERG ESSENWEtNSTRASSE 4-« TELEFON 0?IW203727 TElEX M/2S13S

Nürnberg, 19. 10. 1977 120/62

Stone Wallwork Ltd., London, tngland

Verfahren zum Durchführen einer Reaktion in Gießform- oder Kern-Materialien und Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Reaktion zwischen Harz-Komponenten in Gegenwart eines Amin-Katalysators bei der Gewinnung von Gießform- oder Kern- Materialien und eine Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren zum Abbinden von Materialien für Gießformen oder Gießform-Kerne werden die hitzebeständigen Körner, die nachstehend allgemein als Sand bezeichnet werden, mit einem Harz und einem Isocyanate in geeigneten, bekannten Anteilen beschichtet. Die Reaktion zwischen dem Harz und dem Isocyanate benötigt Zeit, gewöhnlich etwa 1,5 Stunden, um vollständig abzulaufen, wobei die Sandkörner mittels des festen Reaktionsproduktes miteinander verbunden werden.

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Bei Gegenwart eines Methyl/Äthyl-Amines, das als Katalysator dient, wird die Reaktion stark beschleunigt. Die Reaktion ist nahezu augenblicklich bei Umgebungstemperatur abgeschlossen, und im Endstadium der Reaktion werden die Körner durch das Endprodukt, nämlich durch Polyurethan, miteinander verbunden, während der Katalysator, nämlich das Amin, freigegeben wird. Wenn das frisch gemischte Material auf eine Form aufgebracht oder in einen Kernbehälter eingebracht ist und dann der Wirkung des Katalysators ausgesetzt wird, härtet es fast sofort aus und kann dann unzerstört abgenommen werden. Metallschmelze kann dann in eine Form oder um einen Kern eingebracht werden, wobei für die Form oder für den Kern Sand benutzt ist, der in der beschriebenen Weise abgebunden ist.

Bisher wurde der Katalysator in die Sand-Harz-Isocyanate-Mischung unter einem Druck oberhalb atmosphärischen Druckes eingeführt, wofür ein Gas, üblicherweise Luft, Stickstoff oder Kohlendioxyd oder eine Mischung daraus als Transportmittel benutzt wurde. Der Druck wurde stark genug gewählt, um sicherzustellen, daß das Amin in alle Zwischenräume in der Sand-Harz-Isocyanate-Mischung eindringt. Athyl/Methyl-Amine weisen einen hohen Dampfdruck auf. Wenn sie Drucken oberhalb atmosphärischen Druckes ausgesetzt werden, dann kondensiert ihr Dampf bei Umgebungstemperatur. Folglich neigt das kondensierende Amin bei Eintritt in die Mischung unter Umgebungstemperatur und unter Druck dazu, die Mischung am Eintrittspunkt zu sättigen, wonach ein höherer Druck erforderlich ist, um seine Ver-

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teilung innerhalb der Mischung zu bewirken, was eine weitere Kondensation hervorruft. Nachdem die Mischung ausgehärtet ist, muß zurückbleibendes Amin, das stark giftig ist, durch einen Reinigungsvorgang wieder entfernt werden, wofUr gewöhnlich Druck· luft herangezogen wird. Nach einer Reinigun<jszeit von bis zu 15 Sekunden verbleibt etwas flüssiges Amin in der ausgehärteten Form bzw. in dem ausgehärteten Kern. Es verdampft später bei atmosphärischem Druck. Solche Dämpfe müssen eingefangen und unschädlich gemacht werden. Bisher wurden die Amindampf-Leitungen oder das Transportmittel (Kohlendioxyd, Stickstoff oder Luft) vorgeheizt, um eine Kondensation von Amin zu verhindern.

Ein solches Verfahren ist unwirtschaftlich, und die Ausübung solchen Verfahrens verlangt strenge Beherrschung aller Gegebenheiten. Aufgrund des hohen Dampfdruckes des Amines kann dessen Kondensation nicht vermieden werden, und die vollständige Entfernung von Aminkondensat aus dem Kernbehälter ist unpraktikabel. Wegen Giftigkeit des Amines müssen die Kernbehälter wirksam verschlossen oder ummantelt sein, um zu verhindern, daß giftige Dämpfe austreten. Der während des Reinigungsvorganges durchgespülte Dampf muß durch Veraschung, durch chemische Zersetzung in Säure-Waschanlagen oder mittels Ionenaustauschvorrichtungen unschädlich gemacht werden. Meßpumpen und daran angeschlossene Einrichtungen für das flüssige Amin können nicht ohne weiteres vollständig gereinigt werden, wenn sie nicht ohnehin für Justage- oder Reparaturarbeiten demontiert sind.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Erkenntnis der betriebstechnischen Nachteile, die den herkömmlichen Verfahren und den Vorricht uonen zum Ausüben des Verfahrens zu eigen sind, Verfahren und entsprechende Vorrichtungen anzugeben, die ein rasches Abbinden ohne solche nachteiligen Begleiterscheinungen ermöglichen.

Diese Aufgobe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß die Katalyse während der Reaktion bei einem Druck durchgeführt wird, der unterhalb des Dampfdruckes des Katalysators liegt.

Die eingangs erwähnten Komponenten sind nun vorzugsweise eine Phenol-Formaldehyd-Harzkomponente und eine Isocyanatekomponente, und als Katalysator wird zweckmäßigerweise ein tertiäres Amin wie etwa Triethylamin oder Dimethyläthylamin benutzt.

Zweckmcßigerweise virJ flüssiges Amin bei einem Druck, der unterhalb seines Dampfdruckes liegt, in die Mischung aus Sand, Harz und Isocyanate in der Dampfphase und bei einem Druck unterhalb Dampfdruckes eingeführt und aus dem ausgehärteten Kern mit einem Druck, der ebenfalls noch unterhalb des Dampfdruckes liegt, ebenfalls noch in der Dampfphase, v/ieder abgezogen. Da es sich hierbei um einen echten Katalysator handelt, ist er theoretisch zu 100 % rückgewinnbar. In der Dampfphase kann praktisch das gesamte Amin aus dem ausgehärteten Kern wieder abgezogen werden.

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Nach einem weiterbildenden Merkmal der Erfindung wird der Amin-Dampf nach dem Abziehen aus dem Kern bis auf einen Druck komprimiert, der oberhalb des Dampfdruckes liegt, woraufhin er kondensiert. Das kondensierte Amin wird in das System rUckgefUhrt, wobei praktisch das gesamte Amin rückgewonnen ist. Wenn auch diese Ruckgewinnung sich ökonomisch nicht unbedingt rechtfertigen läßt, so ist es doch von großer Bedeutung in Hinblick auf die Verbesserung der Arbeitsbedingungen, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch vollständig verhindert wird, daß Amin an die Atmosphäre freigesetzt wird.

Da alle Komponenten im Bereiche der Dampfphase* einem Druck unterhalb des atmosphärischen Druckes ausgesetzt sind, kann kein giftiger Dampf entweichen. Da die Katalyse mit Dampf durchgeführt wird, läuft sie rasch ab. Da schließlich der Kernbehälter, in dem die Reaktion stattfindet, einen Niederdruckbereich darstellt, erreicht der Amin-Dampf alle Hohlräume innerhalb der Mischung aus Sand, Harz und Isocyanate, wodurch die Gefahr vermieden ist, daß unausgehärtete Zonen zurückbleiben. Das Abziehen des Amin aus diesem System ist ohne weiteres möglich und kann auf einen Punkt konzentriert werden. Die Unschädlichmachung dieser geringen Menge stellt eine vergleichsweise einfache Angelegenheit dar. Nahezu alle mechanisch beanspruchten Teile des Systems bei einer Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens werden allein dem dampfförmigeη Amin, nicht dem flüssige η Amin

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ausgesetzt. Eine nahezu vollständige Reinigung aller dieser Teile kann an Ort und Stelle ohne weiteres durchgeführt werden, nämlich in Form einer Reinigung mittels gesteuerter Zufuhr von atmosphärischer Luft. Etwaige Leckstellen oder verschlissene Teile fuhren nicht zu einem Entweichen giftigen Amines in die Umgebung. Verflüssigtes Amin kann in vorgegebenen Zeitabständen in ein einziges Sammelgefäß Überfuhrt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung wiedergegebenen bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen von Vorrichtungen zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigt:

Fig. 1 nach Art eines Prinzipschaltbildes ein vollständiges Katalyse-System für die Gewinnung eines Polyurethan-Bindemittels und

Fig. 2 und Fig. 3 Abwandlungen hinsichtlich des Abschlusses eines Kernbehälters nach Fig. 1.

Wie in Fig. 1 in symbolischer Vereinfachung und unter Beschränkung auf die wesentlichen Elemente dargestellt, ist ein offener Behälter 1, der einen tertiären Amin-Katalysator, vorzugsweise Trimethylamin oder Dimethyläthylamin, enthält, in einer Verdampfungskammer 2 angeordnet, die mittels eines Deckels 3 verschlossen ist. Ein Rohr mit einem Ventil 4 verbindet die Verdampfungskammer 2 mit einem Kernbehälter 5. Der Innenraum des Kernbehälters 5 ist auf beliebige bekannte Weise

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durch eine obere Öffnung 7 mit einer Mischung 6 aus Sand, Harz und Isocyanate gefüllt und dann mittels einer Deckplatte 8 verschlossen. Eine Rohrleitung mit einem Ventil 9 verbindet den Kernbehälter 5 mit einer Kammer 10. Eine Pumpe 11 , die Über einen druckabhängigen Schalter 12 im Zuge der Spannungsversorgung zum Pumpenmotor 13 nach Maßgabe des Druckes in der Kammer 10 angesteuert wird, sorgt dafür, daß ein vorgegebener Druck, der geringer als der Dampfdruck des Amines ist, auf der Saugseite der Pumpe 11 aufrechterhalten bleibt. Wenn das Ventil 9 geöffnet ist, dann wird Luft aus den Hohlräumen innerhalb der Mischung abgesaugt. Der Druck in der Mischung 6 sinkt auf einen Wert unterhalb des Dampfdruckes des Amines. Das Ventil 4 wird geöffnet, und der Druck in der Verdampfungskammer 2 fällt ab. Aroin wird verdampft und durch die Mischung 6 hindurch in die Kammer 10 gesaugt, wodurch die Mischung 6 aushärtet. Das Ventil 4 wird dann wieder geschlossen, und ein druckempfindliches Druckreduzier- Ventil 14 wird geöffnet, wodurch Luft unter einem Druck, der unter dem Dampfdruck des Amines liegt, in die ausgehärtete Masse der Mischung einströmen kann. Die einströmende Luft verdrängt das Amin in Dampfform aus dem Kernbehälter 5 in die Kammer Das Ventil 9 wird geschlossen. Die Luft und das dampfförmige Amin werden aus der Kammer 10 mittels der Pumpe 11 abgezogen und unter einem Druck, der oberhalb.de» Dampfdruckes liegt, in eine Kühlschlange 15 innerhalb der Uampfungskammer 2 eingespeist. Das Amin kondensiert in der Kuhlschlange 15, wobei Wärmetauschung sowohl das Verdampfen als auch das Kondensieren fördert. Kondensiertes

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Amin wird aus der Kuhlschlange 15 in einen Kondensatbehälter 16 überfuhrt, und zwar zusammen mit der Luft, die Über das Ventil 14 eingeführt wurde. Das Kondensat wird in die Verdampfungskammer 2 Über ein druckempfindliches Rückschlag-Ventil 17 zurückgeleitet. Die angesammelte Luft wird aus Jam Behälter 16 durch ein Abblasventil 18 ausgelassen. Die g!t jblasene Luft kann noch Spuren von Amin enthalten, die durch als solche bekannte Mittel (vgl. oben) vernichtet we*"'en sollten. Der Katalysator-Vorrat kann durch ein Schauglas 19 beobachtet werden. Ein Filter 20 dient dazu, zu vermeiden, daß Partikel aus Sand und/oder Binde: !.omponenten in das beschriebene System stromab des Kernbehälters 5 eintreten.

In Fig. 2 und in Fig. 3 sind gegenüber der Darstellung nach Fig. abgewandelte Anordnungen fUr die Einfuhrung des Katalysators in den Kernbehälter 5 dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Anordung, die insbesondere fUr einen Kernbehälter 5 geeignet ist, der eine vertikale Teilungsebene zum Trennen in die beiden Form-Hälften aufweist. Der Amin-Katalysator wird durch die Deckplatte 8 hindurch eingeführt und Über Seitenkammern am Kernbehälter 5 abgezogen. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung, die insbesondere fUr Kernbehälter 5 mit horizontaler Teilungsebene geeignet is t. Der Katalysator wird abermals durch die Deckplatte 8 hindurch eingeführt, jetzt jedoch Über eine Bodenkammer abgezogen.

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Abgesehen von jenen Spurenanteilen des Amin, die, wie erwähnt, vernichtet werden, wird das Amin in einem praktisch geschlossenen Kreislauf rückgeführt, wofür sich die Dampfphase vom Punkte α zum Punkte b in Fig. 1 im Uhrzeigersinne erstreckt, während die FlUssigkeitsphase sich vom Punkte b bis zum Punkte α hin erstreckt.

Wenn es sich beim benutzten Amin um Triethylamin handelt, werden zweckmäßigerweise Maßnahmen getroffen, um die Verdampfung zu fördern, insbesondere durch Erwärmung der Verdampfungskammer 2 auf eine Temperatur, die zweckmäßigerweise den Wert von 60 C nicht überschreitet. Eine solche Erwärmung ist jedoch bei Verwendung von Dimethyläthylamin nicht erforderlich.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele beschränkt, sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und Unterkombinortionen der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.

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eerseite

Claims

PATENTANWÄLTE 2 7 A 7 1 O DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU D-8500 NORNBERG ESSENWEINSTRASSE 4-4 TELEFON 0911/20 37 27 TELEX M/23135 Nürnberg, 19. 10. 1977 120/62 Stone Wollwork Ltd., London, England Ansprüche

1. Verfahren zum Durchführen einer Reaktion zwischen Harz-Komponenten in Gegenwart eines Amin-Katalysators bei der Gewinnung von Gießform- oder Kern-Iiaterialien, dadurch gekennzeichnet, daft die Katalyse während der Reaktion bei einem Druck durchgeführt wird, der unterhalb des Dampfdruckes des Katalysators liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponenten eine Harz-Komponente und eine Isocyanate-Komponente und als Katalysator ein tertiäres Amin verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2.dadurch gekennzeichnet, daß das Amin in flüssigem Aggregatzustand einem Druck ausgesetzt wird, der unterhalb seines Dampfdruckes liegt, und bei Druck unterhalb Dampfdruckes in eine aushärtbare Mischung aus Sand, Harz und Isocyanate in der Dampfphase eingeführt und dann aus der ausge-

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hürteten Mischung ebenfalls noch in der Dampfphase mit einem Druck wieder abgezogen wird, der unterhalb seines Dcmpfdruckes liegt.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansar liehe, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator rückgewonnen und vorzugsweise nach Ablauf der Keaktion wieder neu eingespeist wird.

5. Verfahren ncch einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reinigung des Systems, in dem das Amin geführt wird, durch Zufuhr von Luft nach Durchführung der Reaktion erfolgt.

6. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckeinrichtung (Pumpe 11) für Gewährleistung eines Druckes im Katalysesystem vorgesehen ist, der während der gesamten Reaktion unterhalb des Dampfdruckes des Katalysators liegt.

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