DE3103813C3

DE3103813C3 - Wasserhaltige, plastische Formmassen aus keramischen Rohstoffen mit lufttrocknenden und sinterfähigen Zusätzen

Info

Publication number: DE3103813C3
Application number: DE19813103813
Authority: DE
Original assignee: T + F Kunststoffe für Technik und Freizeit GmbH, 6072 Dreieich
Priority date: 1981-02-04
Filing date: 1981-02-04
Publication date: 1986-05-07
Also published as: DE3103813A1; US4521361A; DE3103813C2

Abstract

Es werden wasserhaltige, plastische Formmassen auf Basis keramischer Rohstoffe offenbart, die sich dadurch auszeichnen, daß die erfindungsgemäßen Formmassen ein duales Bindemittelsystem enthalten, das aus wasserlöslichen und/oder in Wasser dispergierten, lufttrocknenden hochmolekularen Filmbildnern sowie aus wasserunlöslichen, bei Temperaturen unter 250 ° C sinterfähigen, feinteiligen Thermoplasten besteht.

Description

Die Erfindung betrifft wasserhaltige, plastische Formmassen auf der Basis keramischer Rohstoffe und wäßriger Dispersion organischen Harzes als Bindemittel zur kunstgewerblichen Verwendung in öfen mit begrenztem Temperaturbereich bis 250⁰C sowie ein Verfahren zur Herstellung von Formgegenständen 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 modeliieren und künstlerisch vielseitig gestalten. Daraus hergestellte Formteile haben nach dem Trocknen geringe Festigkeit, zerbrechen leicht durch Stoß, quellen 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 Verfugung 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 Brenmnögiichkeiten noch versperrt. Diese Lücke soll nun durch die beanspruchten, bei Temperaturen unterhalb von 250⁰C sinterfähigen Keramikinassen geschlossen werden, welche insofern günstige Voraussetzungen bieten, als zum Tempern die üblichen Haushaltsbacköfen ausreichen. Vorschulische Erziehung, Werk- und Kunstunterricht oder Freizeitbeschäftigung dürften dadurch 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 wärmehärlbaren Kunsisioffzubercitungen sind dem Prinzip nach Dispersionen von verpastbarem Polyvinylchlorid in flüssigen Weichmachern, die beim Erhitzen gelieren. Höhere Härtegrade können durch Zusatz polymerisierbar^ 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 Thixotropic verleihen und ihre Klebrigkeit beseitigen. Die beanspruchten, überwiegend aus mineralischen Rohstoffen aufgebauten, bindemiltelhaltigen Keramikmassen unterscheiden sich von den Piastigelen wesentlich. Anstelle der praktisch nicht flüchtigen Weichmacher enthalten sie Wasser als äußere Phase, worin die Primärkomponente des dualcn 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-Montmoriilonite das Herbeiführen einer Suspension der aus feinieiligen Thermoplasten bestehenden Sekundärkomponente, die zunächst als Magerungsmittel fungiert und später beim Tempern sintert. Vorteilhaft ist, daß gerade für den technisch interessanten Schmelzbcrcich zwischen 100⁰C bis 250⁰C zahlreiche weichmacherfreie, physiologisch unbedenkliche Polymere zur Verfügung stehen und die Abhängigkeit von verpastbarem Polyvinylchlorid nebst Weichmachern «.zufällt. Als Knet- und Modelliermassen sind Plastigele sehr geschaut, dagegen für Dreharbeiten auf der Töpferscheibe oder keramische Aufbautechnik ungeeignet. Visuell machen Formteile aus Piastigelen keinen typisch keramischen Eindruck.

Die DE-OS 20 40 795 offenbart heramische Massen und daraus hergestellte Gegenstände. Diese bekannten Massen sind Aufschlämmungen, die eine wäßrige Dispersion eines innerlich weich gemachten, hitzchärtenden 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. H. 1650"C, gebrannt werden müssen. Solche Massen eignen sich daher nicht für die erfindungsgctnaß angestrebten Ziele.

Die DE-OS 20 21 085 offenbart einen kaltabbinden-

den 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 beanspruchte 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 I Thermoplaste oder Duroplaste unter Hitzeeinwirkung aufgeschmolzen, die mineralischen Bestandteile eingerührt, die Schmelze dann abgekühlt

^o und in einer Stahlnuihle vermählen. Dabei geht jedoch das wesentliche Quellvermögen von Ton- oder Porzellaninassci! verloren. SiAhe 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 Bitidemittelsysiem enthalten, das aus wasserlöslichen und/oder in Wasser dispergierten, lufttrocknenden hochmolekularen Filmbildnern sowie aus wasserunlösli- chen, bei Temperaturen unter 250^eC sinterfähigen, feinteiiigen Thermoplasten besteht. Das Theologische Verhalten erfindungsgemäßer Zubereitungen zeigt die Charakteristik konventioneller, bindemittelfreier Keramikmassen. Primär umfaßt das Bindemittclsystem wasserlösliche, in Wasser dispergicrte oder redispergierbare, bei Raumtemperatur filmbildende, hochmolekulare Substanzen; sekundär besteht es aus wasserunlöslichen, pulverförmigen, grießartigen oder feinfaseri-

gen Thermoplasten mit einer im Bereich von 60° C, bis 250° CHegenden 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 Schamottemehie 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 Prcr^:*ikte kommen vornehmlich Celluloseäther, Polyvinylalkohole und Polyvinylpyrrolidone in Betracht Schwach alkalische Einstellung der wäßrigen Phase mit Ammoniak gestattet den Einsatz carboxylgruppenhalliger Vinylacetaicopolymerisate oder Polyacrylate, die Filme mit geringer Wasserquellbarkeit ergeben, in Form einer wäßrigen Dispersion oder als retlispergierbuie Dispersionspulver verfügbare Filmbildner schneiden im 1 linbiick auf Wasserfestigkeit der daraus resultierenden Filme ebenfalls günstig ab. Polyvinylacetat, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, Polyvinylpropionat und Polyacrylate sind Basis dieser Produkte.

Thermoplaste mit Schmelztemperaturen im Bereich von 6O⁰C bis 250°C sind zwar grundsätzlich als Zweitkomponente für das dualc 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 Etliylen-Acrylsäurecsler-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 erfindungsgemäöen Formmassen an der Untergrenze auf 94/6 und an der Qbergrenze auf 60/40. Wird der Mindestgehalt an Bindemittel unterschritten, so geht dies zu Lasten der Festigkeit; wird der Bindemittclgehalt 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:

70 Gewichtsteile 30 Gewichtsteiie 7 Gewichtsteiie 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 Tonmehi, mager Polyethylen-Pulver Polyethylen-Fasern Ethylen-Vinylacetat-Copolymer

(redispergierbares Dispersions-

pulver)

Wasser

Carboxymethylcellulose Beispiel 2

Tonmehl, fett Quarzmehl Bentonit

Polyethylen-Pulver Vinylacetat-Copolymer, carboxylgruppenhaltig, 50°/o:ge Lösung in Wasser/Sprit mit Ammoniak alkalisch gestellt EVA-Dispersion, 50W>'ig Wasser

Beispiel 3 Tonmehl, fett

Kaolin

Quarzmehl

Tonmehl, mager Polyethylen-Pulver EVA-Dispersion, 5Ü°/oig

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

60 Gewichtsteile 30 Gewichtsteile 10 Gewichtsteile 20 Gewichtsteile 10 Gewichtsteile

30 Gewichtsteile

Beispiel 5 Tonmehl, fett

Quarzmehl

Tonmehl, mager Polystyrol, grießartig Acrylnitril-Butadien-Styrol,

50%ige wäßrige Dispersion

Wasser

Beispiel 6

50 Gewichtsteile Tonmehl, fett

30 Gewichtsteile Quarzmehl

20 Gewichtsteile Bentonit ⁵

35 Gewichtsteile Polyamid-Pulver

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

Beispiel 7 _l0

50 Gewichtsteile Tonmehl, fett

30 Gewichtsteiie Quarzmehl

20 Gewichtsteile Kaolin

40 Gewichtsteile Polypropylen-Pulver 10 Gewichtsteile Polyisobutylen-Dispersion,50%ig ^l5 30 Gewichtsteiie Wasser

Wie die Beispiele demonstrieren, zeichnet sich das duale Bindemittelsystem durch seine Variationsmöglichkeiten aus. ²⁰

30

35

40

45

50

60

Claims

Patentansprüche:

1. Wasserhaltige, plastische Formmassen auf Basis keramischer Rohstoffe und wäßriger Dispersion organischen Harzes als Bindemittel zur kunstgewerblichen Verwendung in Öfen mit begrenztem Temperaturbereich bis 250°C, 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, feinteiiigen Thermoplasten besteht