DE3103813C2

DE3103813C2 - Wasserhaltige, plastische Formmassen aus keramischen Rohstoffen mit lufttrocknenden und sinterfähigen Zusätzen

Info

Publication number: DE3103813C2
Application number: DE3103813A
Authority: DE
Inventors: Werner 6232 Bad Soden Sommer
Original assignee: T and F Kunststoffe fur Technik und Freizeit 6072 Dreieich De GmbH
Current assignee: T and F Kunststoffe fur Technik und Freizeit 6072 Dreieich De GmbH
Priority date: 1981-02-04
Filing date: 1981-02-04
Publication date: 1983-04-28
Also published as: US4521361A; DE3103813A1; DE3103813C3

Description

Die Erfindung betrifft wasserhaltige, plastische Formmassen auf der Basis keramischer Rohstoffe und wäßriger Dispersion organischen Harzes als Bindemittel sowie ein Verfahren zur Herstellung von Formgegenständer: unter Verwendung solcher Formmassen.

Zur gewerblichen Fabrikation keramischer Erzeugnisse werden allgemein bindemittelfreie Ton- oder Porzellanmassen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 20 bis 40 Gewichtsprozent verwendet, welche durch hervorragende Plastizität und beachtliches Standvermögen ausgezeichnet sind. Solche Massen lassen sich erfahrungsgemäß gut formen, mit einfachen Hilfsmitteln modellieren und künstlerisch vielseitig gestalten. Daraus hergestellte Formteile haben nach dem Trocknen geringe Festigkeit, zerbrechen leicht durch Stoß, 0|uellen in Wasser stark auf und müssen deshalb bei Temperaturen von 900 bis 1400⁰C gebrannt werden. Der obligatorische Brennprozeß macht Industriebetrieben und Töpfereien keine Schwierigkeiten, da ihnen die erforderlichen SpezialÖfen zur Verfügung stehen.

In den letzten Jahren zeigt sich eine steigende Tendenz zur außergewerblichen Beschäftigung mit keramischen Werkstoffen. Einem großen Interessentenkreis ist jedoch der Zugang wegen fehlender Brennmöglichkeiten noch versperrt. Diese Lücke soll nun durch die beanspruchten, bei Temperaturen unterhalb von 250°C sinterfähigen Keramikmassen geschlossen werden, welche insofern günstige Voraussetzungen bieten, als zum Tempern die üblichen Haushaltsbacköfen ausreichen. Vorschulische Erziehung, Werk- und Kunstunterricht oder Freizeitbeschäftigung dürften dadurch ω neue Impulse erhalten.

Nach heutigem Stand der Technik bekannte, in der DE-OS 25 15 757 und DE-AS 29 37 843 beschriebene Formmassen aus wärmehärtbaren Kunststoffzubereitungen sind dem Prinzip nach Dispersionen von fe5 verpastbarem Polyvinylchlorid in flüssigen Weichmachern, die beim Erhitzen gelieren. Höhere Härtegrade können durch Zusatz polymerisierbarer Vinylverbindungen, Acrylsäureester und ungesättigter Polyesterharze erzielt werden. Alle vorbeschriebenen Produkte enthalten maximal 10 Gewichtsprozent anorganischer Stoffe, vornehmlich natürliche Silikate, hochdisperse Kieselsäuren oder Aluminiumhydroxide mit großer spezifischer Oberfläche, welche den Mischungen die zur Bildung formbarer Plastigele notwendige Thixotropie verleihen und ihre Klebrigkeit beseitigen. Die beanspruchten, überwiegend aus mineralischen Rohstoffen aufgebauten, bindemittelhaltigen Keramikmassen unterscheiden sich von den Piastigelen wesentlich. Anstelle der praktisch nicht flüchtigen Weichmacher enthalten sie Wasser als äußere Phase, worin die Primärkomponente des dualen Bindemittelsystems gelöst oder dispergiert ist. Während der Trocknung bei Raumtemperatur wirken die eingesetzten hochmolekularen Filmbildner schon verfestigend. In der festen Phase unterstützen Quelltone und gereinigte Magnesium-Montmorillonite das Herbeiführen einer Suspension der aus feinteiligen Thermoplasten bestehenden Sekundärkomponente, die zunächst als Magerungsmittel fungiert und später beim Tempern sintert Vorteilhaft ist, daß gerade für den technisch interessanten Schmelzbereich zwischen 100⁰C bis 250⁰C zahlreiche weichmacherfreie, physiologisch unbedenkliche Polymere zur Verfügung stehen und die Abhängigkeit von verpastbarem Polyvinylchlorid nebst Weichmachern entfällt Als Knet- und Modelliermassen sind Plastigele sehr geschätzt, dagegen für Dreharbeiten auf der Töpferscheibe oder keramische Aufbautechnik ungeeignet Visuell machen Formteile aus Plastigelen keinen typisch keramischen Eindruck.

Die DE-OS 20 40 795 offenbart keramische Massen und daraus hergestellte Gegenstände. Diese bekannten Massen sind Auf schlämmungen, die eine wäßrige Dispersion eines innerlich weich gemachten, hitzehärtenden Harzes als Bindemittel enthalten. Sie dienen dazu, lagerfähige, flexible Keramikplatten und letztlich gebrannte Keramiksubstrate für das elektronische Gebiet herzustellen, wozu sie bei hohen Temperaturen, z. B. 165O⁰C, gebrannt werden müssen. Solche Massen eignen sich daher nicht für die erfindungsgemäß angestrebten Ziele.

Die DE-OS 20 21 085 offenbart einen kaltabbindenden Ton mit einem Styrol-Butadien-Latex als Bindemittel. Wie jedoch damit durchgeführte Versuche zeigen, weisen daraus hergestellte Gegenstände unzulängliche Wasserbeständigkeit auf, was vermutlich auf dem Emulgatorgehalt beruht.

Das in der DE-AS 11 92 090 beanspruch.c Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus keramischen Massen, die einen Zusatz von organischen Kunststoffen aufweisen, ist für die Herstellung von Isolierteilen in der Elektro- und Wärmetechnik bestimmt.

Wie die Beispiele zeigen, bedient man sich einer diesen Belangen angepaßten Technik. So werden gemäß Beispiel 1 Thermoplaste oder Duroplaste unter Hitzeeinwirkung aufgeschmolzen, die mineralischen Bestandteile eingerührt, die Schmelze dann abgekühlt und in einer Stahlmühle vermählen. Dabei geht jedoch das wesentliche Quellvermögen von Ton- oder Porzellanmassen verloren. SoHie Massen kommen daher für Töpferarbeiten nicht in Betracht.

Gegenstand der Erfindung sind demgegenüber wasserhaltige, plastische Formmassen der eingangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnen, daß sie ein duales Bindemittelsystem enthalten, das aus wasserlöslichen und/oder in Wasser dispergierten, lufttrocknenden

3ί 03 813

hochmolekularen Filmbildnern sowie aus wasserunlöslichen, bei Temperaturen unter 250⁰C sinterfähigen, feinteiligen Thermoplasten besteht Das rheologische Verhalten erfindungsgemäßer Zubereitungen zeigt die Charakteristik konventioneller, bindemittelfreier Keramikmassen. Primär umfaßt das Bindemittelsystem wasserlösliche, in Wasser dispergierte oder redispergierbare, bei Raumtemperatur filmbildende, hochmolekulare Substanzen; sekundär besteht es aus wasserunlöslichen, pulverförmigen, grießartigen oder feinfaserigen Thermoplasten mit einer im Bereich von 60⁰C bis 250⁰C liegenden Erweichungstemperatur.

Die bei Raumtemperatur filmbildenden Substanzen des beschriebenen Bindemittelsystems haben die Aufgabe, den aus der Formmasse hergestellten Gegenständen bereits während der Trocknung eine gewisse Festigkeit zu verleihen, sie stoßfest zu machen und die Gefahr der Rißbildung zu beseitigen. Die im Bindemittelsystem als Zweitkomponente verwendeten Thermoplaste sind darauf abgestimmt, daß die zum Sintern erforderliche Temperatur der Leistungsfähigkeit üblicher Haushaltsbacköfen entspricht Für die außergewerbliche Beschäftigung mit keramischen Formmassen ergeben sich daraus insofern neue Aspekte, als die Anschaffung kostspieliger Brenneinrichtungen entfällt Der Sinterprozeß führt zur Verschmelzung der in getrockneten Formteilen nebeneinanderliegenden mineralischen und organischen Partikel, wovon Festigkeit und Wasserbeständigkeit merklich profitieren.

Als mineralische Rohstoffe können Tone, Kaolin, Quarz, Flußspat und Schamottemehle herangezogen werden. Obwohl die Zusammensetzung des Mineraliengemisches nicht Gegenstand dieser Erfindung ist, sei bemerkt, daß erhebliche Qualitätsschwankungen auf unterschiedlicher Provenienz beruhen. Selbstverständlich spielen auch Korngröße und Korngrößenverteilung eine Rolle, die sich beim Theologischen Verhalten bemerkbar macht. Bentonite unterstützen die Gelbildung und fungieren für grießförmige Thermoplaste als Suspendierhilfsmittel.

Bei Raumtemperatur filmbildende, hochmolekulare Substanzen stehen so zahlreich zur Verfügung, daß es zweckmäßig ist, sich hier auf relevante zu beschränken. Aus der Reihe wasserlöslicher Produkte kommen vornehmlich Celluloseether, Polyvinylalkohole und Polyvinylpyrrolidone in Betracht. Schwach alkalische Einstellung der wäßrigen Phase mit Ammoniak gestattet den Einsatz carboxylgruppenhaltiger Vinylacetatcopolymerisate oder Polyacrylate, die Filme mit geringer Wasserquellbarkeit ergeben. In Form einer wäßrigen Dispersion oder als redispergierbare Dispersionspulver verfügbare Filmbildner schneiden im Hinblick auf Wasserfestigkeit der daraus resultierenden Filme ebenfalls günstig ab. Polyvinylacetat, Ethylen-Vl· nylacetat-Copolymere, Polyvinylpropionat und Polyacrylate sind Basis dieser Produkte.

Thermoplaste mit Schmelztemperaturen im Bereich von 60⁰C bis 250⁰C sind zwar grundsätzlich als Zweitkomponente für das duale Bindemittelsystem geeignet; jedoch werden aus verständlichen Gründen wiederum nur bevorzugte Polymere genannt. Es handelt sich dabei um Polyethylen, Polypropylen, Polyacrylate, Polystyrol, Polyamide, Ethylen-Vinylacetat- und Ethylen-Acrylsäureester-Copolymere. Bei gleichartiger oder ähnlicher Konstitution von filmbildender Substanz und sinterfähigem Polymer ergibt sich ein synergistischer Effekt.

Auf Trockensubstanz bezogen, beläuft sich das Verhältnis zwischen mineralischen und organischen Bestandteilen bei den erfindungsgemäßen Formmassen an der Untergrenze auf 94/6 und an der Obergrenze auf 60/40. Wird der Mindestgehalt an Bindemittel unterschritten, so geht dies zu Lasten der Festigkeit; wird der Bindemittelgehalt dagegen über die Höchstgrenze gesteigert, so verlieren die fertigen Formteile das typisch keramische Aussehen. Der Wassergehalt der Formmassen liegt zwischen 20 bis 40 Gewichtsprozent

Zur Fabrikation erfindungsgemäßer, plastischer Formmassen sind kräftige Kneter oder Planetenrührwerke erforderlich. Sämtliche Feststoffe einer Produktions-Charge werden in den Mischer gefüllt und darin trocken vermengt Die für den Ansatz benötigte Wassermenge wird dann allmählich zugegeben. Nach einer Mischzeit von etwa 20 Minuten liegt eine homogene, plastische Formmasse vor. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wasserlösliche Filmbildner und wäßrige Kunststoff-Dispersionen in einem Rührwerk mit der gesamten Wassermenge eines Ansatzes vorzumischen.

Die Zusammensetzung der Massen wird in den folgenden Ausführungsbeispielen — zwecks besserer Übersicht — nicht prozentual angegeben, sondern einheitlich auf 100 Gewichtsteile diverser Mineralstoffe bezogen:

^J0 70 Gewicht.-teile

30 Gewichtsteile

7 Gewichtsteile

3 Gewichtsteile

5 Gewichtsteile

50 Gewichtsteile 2 Gewichtsteile

50 Gewichtsteile
30 Gewichtsteile
20 Gewichtsteile
15 Gewichtsteile
5 Gewichtsteile

5 Gewichtsteile
35 Gewichtsteile

50 Gewichtsteile
20 Gewichtsteile

20 Gewichtsteile
10 Gewichtsteile
30 Gewichtsteile
10 Gewichtsteile
45 Gewichtsteile

2 Gewichtsteile

Beispiel 1

Tonmehl, fett Tonmehl, mager Polyethylen-Pulver Polyethylen-Fasern Ethylen-Vinylacetat-Co polymer (redispergierbares Dispersionspulver) Wasser Carboxymethylcellulose

Beispiel 2

Tonmehl, fett Quarzmehl Bentonit

Polyethylen-Pulver Vinylacetat-Copolymer, carboxyl gruppenhaltig, 50%ige Lösung in Wasser/Sprit mit Ammoniak alkalisch gestellt EVA-Dispersion, 5O°/oig Wasser

Beispiel 3

Tonmehl, fett

Kaolin

Quarzmehl

Tonmehl, mager

Polyethylen-Pulver

EVA-Dispersion, 50%ig

Wasser

Carboxymethylcellulose

Beispiel 4

60 Gewichtsteile Tonmehl, fett

30 Gewichtsteile Quarzmehl

10 Gewichtsteile Tonmehl, mager

20 Gewichtsteile Polyacrylat, grießartig

10 Gewichtsteile Polyacrylat·Dispersion, 50%ig

30 Gewichtsteile Wasser

B e i s ρ i e 1 5

60 Gewichtsteile Tonmehl, fett 30 Gewichtsteile Quarzmehl 10 Gewichtsteile Tonmehl, mager 20 Gewichtsteile Polystyrol, grießartig 10 Gewichtsteile Acrylnitril-Butadien-Styrol, 50%ige wäßrige Dispersion 30 Gewichtsteile Wasser

Beispiel 6

50 Gewichtsteile Tonmehl, fett 30 Gewichtsteile Quarzmehl 20 Gewichtsteile Bentonit 35 Gewichtsteile Polyamid-Pulver

10 Gewichtsteile Polyisobutylen-Dispersion, 50%ig 25 Gewichtsteile Wasser

Beispiel 7

50 Gewichtsteile Tonmehl, fett 30 Gewichtsteile Quarzmehl 20 Gewichtsteile Kaolin 40 Gewichtsteile Polypropylen-Pulver 10 Gewichtsteile Polyisobutylen-Dispersion, 50%ig 30 Gewichtsteile Wasser

Wie die Beispiele demonstrieren, zeichnet sich das duale Bindemittelsystem durch seine Variationsmöglichkeiten aus.

Claims

Patentansprüche:

1. Wasserhaltige, plastische Formmassen auf Basis keramischer Rohstoffe und wäßriger Dispersion organischen Harzes als Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmassen ein duales Bindemittelsystem enthalten, das aus wasserlöslichen und/oder in Wasser dispergierten, lufttrocknenden hochmolekularen Filmbildnern sowie aus wasserunlöslichen, bei Temperaturen unter 250⁰C sinterfähigen, feinteiligen Thermoplasten besteht

2. Wasserhaltige, plastische Formmassen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Zubereitungen 6 bis 60 Gewichtsteile organische Festsubstanzen, jeweils auf 100 Gewichtsteile Mineralstoffe bezogen, enthalten.

3. Verfahren zur Herstellung von Formgegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß wasserhaltige, plastische Formmassen nach Anspruch 1 oder 2 verformt zunächst bei normaler oder leicht erhöhter Raumtemperatur getrocknet und anschließend im Ofen bei Temperaturen bis maximal 250⁰C gesintert werden.