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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Formkörpern aus kunstharzgebundenem faserigem oder körnigen Material, insbesondere
mit poröser Struktur.
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Die Massenfertigung keramischer Erzeugnisse, wie Geschirr oder Sanitärartikel,
sowie Produkte aus der Baukeramik, wie beispielsweise Dachziegel, Ofenkacheln etc.,
erfolgt zum überwiegenden Teil in Formen mit poröser Struktur. Diese sind befähigt,
das in den zum Einsatz gelangenden flüssigen oder plastischen Keramikmassen enthaltene
Wasser ganz oder teilweise aufzunehmen und/oder abzuleiten. Es werden auf diese
Weise standfeste, weitgehendst trockene Formlinge erhalten, die einem anschliessenden
Brennprozess zugeführt werden.
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Für den Bau der genannten porösen Formen werden vorzugsweise Gips
bzw. zu einem überwiegenden Teil aus Gips bestehende Stoffgemische verwendet. Da
solche Formen aus Gips oder Gips enthaltenden Stoffgemischen erheblichem Verschleiss
durch mechanische und/oder chemische Einwirkung der in ihnen verarbeiteten Keramikmassen
unterliegen, wird neuerdings vermehrt versucht, Gips bzw. Gips enthaltende Stoffgemische
durch kunstharzgebundene Materialien zu ersetzen. Als solche kunstharzgebundene
Materialien sind zum Beispiel schon Sand/Polyepoxidharz-Mischungen vorgeschlagen
worden, die bestimmte BF3-Komplexe enthalten (vgl. US-PS 3 705 872 und 3 865 777).
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Kunstharzgebundene Formen aus faserigen und/oder körnigen Grundmaterialien
zeichnen sich durch hohe Verschleiss- und Bruchfestigkeit, gute Beständigkeit gegen
chemische Einwirkungen sowie durch ein relativ niedriges Gewicht aus. Im
Gegensatz
zu den beschriebenen Formen aus Gips oder Gips enthaltenden Stoffgemischen weisen
die in bekannter Weise hergestellten kunstharzgebundenen Formen jedoch den Nachteil
auf, dass deren Herstellung erheblich aufwendigerer Formgebungs- und Härtungsverfahren
bedarf, was den wirtschaftlichen Einsatz derartiger Formen in Frage stellt.
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Die bekannten kunstharzgebundenen porösen Formen enthalten als Füllstoffe
üblicherweise faserige oder körnige Materialien, wie sie zum Beispiel durch Brechen
oder Mahlen von Glas, Keramikgut, Steinzeug, Quarz oder anderen Materialien erhalten
werden, sowie auch Glasperlen, Metallpulver etc., wobei Korndurchmesser bzw. Kornverteilungen,
die eine poröse Struktur gewährleisten, verwendet werden. Als Bindemittel werden
grundsätzlich solche Verbindungen verwendet, die unter Einfluss von Wärme, Katalysatoren
oder Härtungsmitteln in den duroplastischen Zustand übergeführt werden können. Die
gewünschte Vernetzungsreaktion kann durch eine Polyaddition, Polykondensation oder
Polymerisation erfolgen.
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In Frage kommen beispielsweise Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze,
Phenol- Formaldehyharze, Furanharze und ähnliche. Der Bindemittelgehalt liegt in
der Regel zwischen ca. 5 bis 20 Gew.-% (vgl. CH-PS 490 960).
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Die Herstellung der Formen erfolgt durch Vermischen der in den meisten
Fällen bei Raumtemperatur flüssigen Bindemittel mit den Füllstoffen mit Hilfe geeigneter
Apparaturen, wie Zwangsmischern, Knetern etc., Einfüllen des zu meist in seiner
Lagerstabilität beschränkten Bindemittel-Füllstoffgemische in eine sogenannte Mutterform
und anschliessendesAushärtung unter Druck und höheren Temperaturen in dieser Mutterform.
Diese bekannte Arbeitsweise besitzt die folgenden Nachteile:
1.
zumeist beschränkte Lagerstabilität der fertig gemischten Bindemittel bzw. Bindemittel/Füllstoffgemische
bei Raumtemperatur 2. aufgrund der nur geringen Wärmeleitfähigkeit des porösen Formenmaterials
sehr lange Aufheiz- und Härtungszeiten, d.h.sehr lange Ofen- und Formenbelegzeiten
3. grosses Temperaturgefälle innerhalb des Formenmaterials von aussen nach innen
während der Aufheiz (Sinter)- und Härtungsphase, was bei bereits beginnender Vernetzung
in den äusseren Zonen des Materials eine ungenügende Druck verteilung und die Entstehung
von inneren Spannungen, Nestbildungen, sowie ungleichmässige und unkontrollierte
Porosität etc. zur Folge hat und 4. ungenügende Oberflächengüte, die zum Ankleben
der Keramikmassen und damit zu unsauberen Abformungen führen kann, weshalb schon
versucht wurde, die betreffenden Mutterformen mit einer Gummihaut zu überziehen,
(vgl. CH-PS 569 561).
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Die aufgeführten Nachteile haben dazu geführt, dass sich die Verwendung
von kunstharzgebundenen Arbeitsformen bis jetzt in der Praxis trotz der anerkannt
guten Eigenschaften dieser Formen, wie sehr gute Bruch- und Verschleissfestigkeit,
ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit etc., nicht oder nur sehr beschränkt hat
durchsetzen können.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird nun ein Verfahren verfügbar, das
einewirtschaftliche Massenherstellung der beschriebenen Arbeitsform mit poröser
Struktur ohne die angeführten Nachteile ermöglicht. Die herzustellenden Formen mit
poröser Struktur, nachfolgend Arbeitsformen genannt, weisen bekanntlich die negative
Kontur des in ihnen herzustellenden
keramischen Gebrauchsgegenstandes
auf. Ihre Herstellung erfolgt überlicherweise in drei Hauptphasen: a. Von einem
Prototyp des in Massen herzustellenden Gebrauchsgegenstandes wird ein negativer
Abdruck genommen.
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b. Von dem vorgenannten Negativ wird durch Ausgiessen mit plastischer
Masse, in neuerer Zeit vorzugsweise mit Kunstharz, früher vorzugsweise mit Gips,
eine positive "Mutterform hergestellt.
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c. Die positive Mutterform dient schliesslich der Herstellung grosser
Mengen von Arbeitsformen mit poröser Struktur.
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Das erfindungsgemässe Verfahren betrifft ausschlie#sslich die letzte
der erwähnten drei Hauptphasen und besteht darin, dass das auf eine Temperatur im
Bereiche des Erweichungspunktes des Bindemittels, jedoch unterhalb dessen Härtungstemperatur,
erwärmte Gemisch aus faserigem und/oder körnigem, vorzugsweise aber nur körnigem,
Füllstoff und Kunstharz als Bindemittel in einer auf die gleiche oder vorteilhafterweise
auf eine höhere Temperatur vorerwärmte Mutterform während einer ca. 2 bis 600 Sek.
andauernden Phase um ein vorgegebenes Mass verdichtet wird, wobei eine genügende
Festigkeit der Arbeitsform erzielt wird, die ein sofcrtiges Entformen erlaubt, und
dass die aus der Mutterform entnommene, noch nicht ausgehärtete Arbeitsform anschliessend
ohne weitere Abstützung unter Temperatureinwirkung voll ausgehärtet wird. Es ist
offensichtlich, dass zur Erreichung des gewünschten Zieles Temperatur, Druck und
Verweil zeit aufeinander abgestimmt sein müssen. Eine besondere Ausführungsform
des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die Temperatur der Mutterform
und die Verweilzeit darin so gewählt werden, dass nach Erreichen der vorgegebenen
Verdichtung, die für eine gleichmässige und reproduzierbare
Porosität
wichtig ist, die äussere Zone der Arbeitsform bereits angehärtet, d.h. in den B-Zustand
übergeführt ist, wodurch die Festigkeit der an sich noch nicht voll ausgehärteten
Arbeitsform für die nachfolgende Handhabung wesentlich verbessert wird.
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Die Erwärmung des Füllstoff/Bindemittel-Gemisches, vorteilhafterweise
als Trockensubstanz, auf die für den Pressprozess erforderliche Temperatur kann
nach den in der Praxis üblichen diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Methoden
erfolgen. Es werden solche Methoden bevorzugt, die eine rasche und gleichmässige
Erwärmung auch in dicken Schichten ermöglichen,wie zum Beispiel die Erwärmung mittels
Hochfrequenzheizung etc.
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Die verwendeten Mutterformen, deren Herstellung nicht Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ist, können aus geeigneten Kunststoffen, Metallen oder anderen
Materialien, vorzugsweise jedoch aus Metallen bestehen und bereits Heizvorrichtungen
enthalten.
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Die Verdichtung des auf den Erweichungspunkt vorerwärmten Füllstoff/Bindemittel-Gemisches
in der Mutterform kann in bekannter Weise zum Beispiel durch Vibration, Pressen,
Zentrifugalkraft, inneren Druckaufbau, durch mit Schwerkraft verbundene Vibration,
durch mit Pressen verbundene Vibration, durch mit Zentrifugalkraft verbundene Vibration,
mittels der Drucksackmethode usw. erfolgen.
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Als Füllstoffe sind nach dem erfindungsgemässen Verfahren solche Stoffe
geeignet, die durch Brechen oder Mahlen von Glas, Prozellan, Keramikgut, Steinzeug,
Quarz oder anderen Materialien erhalten werden, sowie Glasperlen, Metallpulver,
Kies etc. mit Korndurchmessern bzw. Kornverteilungen von
3 #m bis
300 ßm, wobei diese Stoffe eine poröse Struktur ermöglichen. Bevorzugte Füllstoffe
sind Glasperlen sowie Mischungen von Glasperlen mit zum Beispiel gemahlenem Porzellan,
Speks u.a..
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Als Bindemittel zusätze kommen grundsätzlich alle Kunstharze in Frage,
die unter dem Einfluss von Wärme, Strahlung, Katalysatoren oder Härtungsmitteln
in den duroplastischen Zustand übergeführt werden können. Bevorzugte Bindemittel
sind bei Raumtemperatur feste Kunstharze, die als Einkomponenten-Systeme, auch im
Gemisch mit Füllstoffen, eine sehr lange Lagerstabilität besitzen, im Bereiche des
Erweichungspunktes ebenfalls nur eine sehr geringe Reaktivität aufweisen und bei
wenig höheren Temperaturen rasch, d.h. in wenigen Minuten, ohne Abspaltung flüchtiger
Stoffe durchhärten. Diese Anforderungen werden von speziell formulierten Epoxidharzen
optimal erfüllt. Derart formulierte Epoxidharze sind bei Raumtemperatur lagerstabile
pulverförmige Epoxidharz/Härtergemische, die bei erhöhten Temperaturen, zum Beispiel
oberhalb 1000C, rasch durchhärten.
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Ein wichtiges Kriterium für die Bruch- und Verschleissfestigkeit sowie
die Porosität der erhaltenen Produkte, insbesondere auch für deren Reproduzierbarkeit,
ist der Bindemittelgehalt. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden insbesondere
ca. 3 bis 20 Gew.-% und vorzugsweise 8 bis 14 Gew.-% Bindemittel eingesetzt.
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Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Formkörper
mit poröser Struktur können neben der Verwendung als Arbeitsform für die Herstellung
keramischer Gegenstände u.a.
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auch als Filtermaterial, Schleifscheiben, Tiefziehformen, etc.
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verwendet werden. Ferner ist das erfindungsgemässe Verfahren zum Beispiel
zur Herstellung von Sintermaterialien sowie auch
von anderen, nicht
porösen Formkörpern geeignet.
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Für die grosstechnische Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens
ist es wichtig, dass die wirtschaftlichen Vorteile nicht nur in der erhöhten Verschleissfestigkeit
und der ebenfalls erhöhten chemischen Beständigkeit der so hergestellten kunstharzgebundenen
porösen Formkörper liegen, sondern dass das Verfahren an sich besondere Vorteile
bietet, die nachfolgend näher erläutert werden: Der zeitraubende bekannte Aushärtungsvorgang
findet nicht im Inneren geschlossener Mutterformen statt, sondern nach einem nur
wenige Sekunden bis Minuten in Anspruch nehmenden Einfüll- und Verdichtungsvorgang
ausserhalb der Mutterform, und zwar frei und ohne Abstützen des Körpers, beispielsweise
durch eine Mutterform. Dadurch wird nur noch eine Mutterform benötigt, während bisher
eine grössere Anzahl erforderlich war. Da der entstehende Formkörper für das Aushärten
aufgeheizt werden muss, bietet das erfindungsgemässe Verfahren auch hier den Vorteil
der Zeitersparnis bzw. der Ersparnis von Ofenraum, da der Aufheizvorgang durch das
Fehlen einer isolierenden Mutterform wesentlich beschleunigt wird. Diese Verfahrensweise
wurde möglich, nachdem sich überraschenderweise gezeigt hatte, dass die nach dem
erfindungsgemässen Verfahren vorverdichteten und zum Teil an der Oberfläche bereits
vorgehärteten Formkörper während des Aufheizens auf die Härtungstemperatur und des
Härtungsvorganges selbst ihre Form beibehalten und sich nicht verziehen.
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Beispiel 1 Ein Gemisch, bestehend aus 92 Gew.-% Glaskugeln (Durchmesser
3 bis 45 Xm) und 8 Gew.-% "Grilonit PK 60703 @ "("Grilonit PK 60703 R " der Emser-Werke
AG, CH-7013 Domat/Ems, ist ein bei Raumtemperatur mindestens 18 Monate lagerstabiles
pulverförmiges
Einkomponenten-Epoxidharz/Härtergemisch (Epoxidäquivalent:
660 bis 770, Korndurchmesser: 100 % 4100 #m) mit einem Erweichungspunkt nach Kofler
von ca. 700C. Die Gelierzeit beträgt bei 1200C ca. 10 Minuten und zur vollständigen
Aushärtung sind bei 1500C ca. 15 Minuten erforderlich) wird auf 70 bis 800C erwärmt
und in eine ca. 80 bis 1000C warme Mutterform aus Stahl für die Herstellung einer
Arbeitsform für Keramiktassen rasch eingefüllt. Die Form wird geschlossen und der
Formeninhalt bei einem Druck bis zu 30 kp/cm2 verdichtet. Nach Erreichen des Enddruckes,
d.h.
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nach ca. 3 Minuten, wird die Mutterform geöffnet und die verdichtete,
jedoch noch nicht gehärtete Arbeitsform ausserhalb der Mutterform ohne jegliche
Abstützung während 30 Minuten bei ca. 140 bis 1600C gehärtet. Die so hergestellten
Arbeitsformen besitzen ausgezeichnete Oberflächen, sind porös und weisen hervorragende
Festigkeits- und Abriebeigenschaften auf.
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Beispiel 2 Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben,
werden Arbeitsformen aus 86 Gew.-% Glaskugeln (Durchmesser 180 bis 300 rm) und 14
Gew.-% Grilonit PK 60703 " hergestellt. Die so erhaltenen Arbeitsformen weisen ähnliche
Eigenschaften auf wie die gemäss Beispiel 1 erhaltenen Produkte.
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Beispiel 3 Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben,
wird ein Füllstoff/Bindemittel-Gemisch aus 80 Gew.-% Speks und 20 Gew.-% Grilonit
PK 60703 verarbeitet. Die erhaltenen Arbeitsformen sind porös und zeichnen sich
durch ausgezeichnete Gebrauchseigenschaften aus.
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Beispiel 4 Ein Füllstoff/Bindemittel-Gemisch aus 65 Gew.-% Speks,
17 Gew.-% Glaskugeln (Durchmesser 3 bis 45 #m) und 18 Gew.-% Grilonit PK 60703~11
" wird nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben für die Herstellung
von Tellerformen verarbeitet. Die erhaltenen Arbeitsformen sind porös und besitzen
eine sehr gute Festigkeit.
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Beispiel 5 Für die Herstellung eines Filtermaterials werden 90 Gew.-%
eines gewaschenen und ofengetrockneten Quarz sandes (Korndurchmesser 1,0 bis 1,5
mm) mit 10 Gew.-% Grilonit PK 60703 gut vermischt und nach Erwärmen auf 70 bis 800C
in eine auf ca.
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900C erwärmte Negativform aus Stahl eingefüllt. Der Verdichtungsprozess
wird bei einem Druck von ca. 25 kp/cm2 nach etwa 3 Minuten abgebrochen und der Formling
im "Grünzustand" der Form entnommen. Die vollständige Aushärtung erfolgt ohne jegliche
Abstützung bei 140 bis 1600C innerhalb 30 Minuten.
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Das erhaltene Filtermaterial zeichnet sich durch hervorragende Festigkeitseigenschaften
und Chemikalienbeständigkeit aus.
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Da das Füllstoff/Bindemittel-Gemisch im vorerwärmten Zustand in die
warme Negativform eingefüllt wird, ist die erforderliche Presszeit und dadurch auch
die Formenbelegzeit unabhängig von der Schichtdicke der Formlinge.
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Beispiel 6 Für die Herstellung von Schleifscheiben werden 90 Gew.-%
Schleifmittel/Keramikpulver-Gemisch (im Verhältnis 50 : 50 Gew.-%) und 10 Gew.-%
Grilonit PK 60703 " gut vermischt und nach Erwärmen auf 70 bis 800C in eine auf
900C erwärmte
Pressform eingefüllt. Die Verdichtung erfolgt innerhalb
150 Sekunden bis zu einem Druck von ca. 30 kp/cm2, wonach die Presslinge der Form
entnommen und in einem Ofen ohne Abstützung bei 140 bis 1600C innerhalb 30 Minuten
vollständig ausgehärtet werden.
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Beispiel 7 Es wird analog Beispiel 1 verfahren, jedoch wird Grilonit
PK 60703~1 durch 'tGrilonit PK 60710 @ " ("Grilonit PK 60710~11 der Emser-Werke
AG, CH-7013 Domat/Ems, ist ein bei Raumtemperatur mindestens 12 Monate lagerstabiles
Epoxidharz/Härtergemisch mit einem Erweichungspunkt nach Kofler von ca. 700C. Die
Gelierzeit beträgt bei 1000C ca. 8 Minuten und die Aushärtung erfolgt bei 1150C
innerhalb ca.
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15 Minuten) vertauscht. Es werden Arbeitsformen mit analogen Eigenschaften
erhalten.
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Zusammenfassung Verfahren zur Herstellung von Formkörpern, die aus
faserigem und/oder körnigem Füllstoff-Material bestehen, das mittels gehärteter
Kunstharze gebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstoff/Kunstharz-Gemisch
in einer Mutterform während 2 bis 600 Sek. bei erhöhter Temperatur im Bereich der
Erweichungstemperatur des Kunstharzes verdichtet wird, und dass der so erhaltene,
noch nicht voll ausgehärtete Formkörper anschliessend der Mutterform entnommen und
unter weiterer Temperatureinwirkung voll ausgehärtet wird.