DE3305745C2 - Verfahren zur Herstellung eines Glanzkohlebildners für Gießereizwecke - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Glanzkohlebildners für Gießereizwecke auf Basis Polystyrol beschrieben. Das Polystyrol wird bei Temperaturen von 200-280°C mit mindestens einem anderen Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Öle, Naturharze und Kunstharze homogen verschmolzen. Das so erhaltene Material kann nach dem Erkalten und nach einer Grobzerkleinerung in üblichen Mahlaggregaten auf eine Korngröße unterhalb von 0,7 mm gemahlen werden, was mit einem unbehandelten Polystyrol nicht möglich ist. Außerdem bleibt das Material auch bei höheren Temperaturen (z. B. bis 60°C) frei fließfähig, selbst wenn große Mengen eines anderen Glanzkohlebildners mit niedrigen Erweichungspunkten eingesetzt werden. Im Falle von anderen Glanzkohlebildnern aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Naturharze und Kunstharze beträgt deren Gesamtmenge 10-90 Gew.-%, vorzugsweise 20-40 Gew.-%, bezogen auf das fertige Produkt. Andere Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Öle kommen in einer Menge bis zu 40 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 25 Gew.-% zum Einsatz, und zwar zweckmäßig im Gemisch mit einem Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Naturharze und Kunstharze.

Description

Bei der Fertigung von Gießerei-Formteilen werden dem Formstoff (z.B. Quarzsand) häufig noch Glanzkohlebildner zugegeben. Dabei handelt es sich um Stoffe, die beim Erhitzen kohlenwasserstoffhaltige Gase abgeben, welche in der reduzierenden Atmosphäre des Formenhohlraumes unter Bildung von Glanzkohlenstoff vercracken. Dieser Glanzkohlenstoff verhindert eine Benetzung der Formstoffoberfläche durch das flüssige Gießmetall.

Wohl der bekannteste Glanzkohlebildner ist Steinkohlenstaub, der aber verschiedene Nachteile hat, beispielsweise einen verhältnismäßig hohen Schwefelgehalt besitzt und auch verhältnismäßig hohe Rückstände an Asche und Koks ergibt. Deshalb werden in neuerer Zeit zunehmend zur Glanzkohlebildung andere Stoffe eingesetzt, bei denen diese Nachteile nicht oder nicht so stark vorhanden sind, nämlich Peche und Bitumina einschließlich der Destillationsrückstände von Resorcin, Dimethylterephthalat und ähnlichen Substanzen, Melassen, Öle wie Mineralöl, Teeröl und Anthracenöl, Kunststoffe wie Polystyrol, Polyäthylen und Polypropylen, sowie auch Naturharze und Kunstharze wie Holzharze, Erdölharze (Petrolharze), Cumaronharze, Indenharze, Phenolharze und Polyesterharze.

Von diesen Glanzkohlebildnern kann Polystyrol als das am besten geeignete Material angesehen werden, denn es verbindet die Vorteile eines hohen C-Gehalts und eines vernachlässigbaren Schwefelgehalts mit dem (insbesondere für Umlaufsande wichtigen) Vorteil äußerst geringer Rückstände an Asche und Koks. Mehr als 99 % des Polystyrols gehen in flüchtige Bestandteile über, so daß das Vermögen zur Glanzkohlebildung ganz ausgezeichnet ist. Dennoch konnte sich Polystyrol bislang in der Praxis noch nicht als Glanzkohlebildner durchsetzen, weil es zumeist nicht in der erforderlichen Korngröße steht.

Glanzkohlebildner für den Gießereieinsatz sollen möglichst gleichmäßige Korngrößen unterhalb 0,7 mm und vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm aufweisen. Das im Markt angebotene Polystyrol liegt normalerweise in Form von Perlen vor, die aber eine sehr ungleichmäßige Körnung mit Korngrößen bis zu 3 mm und mehr besitzen. Diese Perlen sind ohne Zerkleinerung auf das erforderliche Korngrößenspektrum für den Gießereieinsatz nicht oder nur bedingt geeignet. Es ist aber nicht möglich, Polystyrol mit üblichen Mahlaggregaten wie Hammermühlen, Prallmühlen oder Stiftmühlen zu bearbeiten, weil sich ein zerrissenes faserartiges Mahlprodukt ergibt, das nicht mehr frei fließbar ist, die Mühlen verschmiert und sie in kürzester Zeit zusetzt. Eine Vermahlung des Polystyrols könnte allenfalls bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffs erfolgen, was aber für den Einsatz dieses Materials als Glanzkohlebildner viel zu teuer wäre.

Aus diesem Grunde werden in der Gießereipraxis überwiegend die anderen Typen der eingangs genannten Glanzkohlebildner verwendet, die sich auch (mit Ausnahme von Polyäthylen und Polypropylen, die ähnliche Schwierigkeiten wie Polystyrol verursachen) verhältnismäßig gut auf die erforderliche Korngröße bringen lassen, sofern sie nicht flüssig sind. Allerdings besitzen viele dieser anderen Typen von Glanzkohlebildnern verhältnismäßig niedrige Erweichungspunkte, was zur Folge hat, daß das feinteilige Material in den Gießereisilos, in denen Temperaturen bis zu 60°C herrschen können, sehr leicht zusammenbackt. Schon sehr kleine Klumpen beeinträchtigen die Eignung des Materials für den praktischen Einsatz, und eine ausgedehntere Klumpenbildung, die im Extremfall sogar zur vollständigen Verfestigung des Materials führen kann, setzt das Silo außer Betrieb.

Es besteht somit ein erheblicher Bedarf an einem preiswerten Glanzkohlebildner für Gießereizwecke, der möglichst wenig Rückstände bildet, ein hohen Vermögen zur Glanzkohlebildung besitzt, ohne Schwierigkeiten zu frei fließfähigen Produkten mit dem erforderlichen Korngrößenspektrum vermahlen werden kann und auch bei höheren Temperaturen silierfähig bleibt. Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Glanzkohlebildners auf der Basis von Polystyrol zur Verfügung gestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß das Polystyrol bei Temperaturen von 200 - 280°C mit mindestens einem anderen Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Öle, Naturharze und Kunstharze homogen verschmolzen wird und das erhaltene Material nach dem Erkalten und nach einer Grobzerkleinerung in üblichen Mahlaggregaten auf eine Korngröße unterhalb von 0,7 mm gemahlen wird.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß ein mit diesen anderen Glanzkohlebildnern als Additiv molekular vermischtes Polystyrol auch schon bei verhältnismäßig geringen Mengen des Additivs so stark versprödet, daß es sich in üblichen Mahlaggregaten ohne Schwierigkeiten verarbeiten läßt. Ein solches Ergebnis war in keiner Weise vorhersehbar, weil die als Additiv zugesetzten anderen Glanzkohlebildner einen gegenüber Polystyrol deutlich tieferen Erweichungspunkt haben und auch keine eigene Sprödigkeit zu besitzen brauchen. Somit wäre eher zu erwarten gewesen, daß diese Additive die Mahleigenschaften des Polystyrols noch verschlechtern statt verbessern würden.

Ein weiterer überraschender Aspekt der Erfindung besteht darin, daß selbst verhältnismäßig hohe Zusatzmengen eines für sich nicht silierfähigen Additivs zu einem einwandfrei silierfähigen Produkt führen. Damit ist auch die Möglichkeit der Verarbeitung größerer Mengen von solchen Stoffen gegeben, die wegen ihrer mangelhaften Silierfähigkeit bislang nicht oder nur mit Schwierigkeiten als Glanzkohlebildner eingesetzt werden konnten.

Besonders vorteilhaft wirkt sich bei der Erfindung die Tatsache aus, daß nicht mehr auf vorgefertigte, üblicherweise aus frischem Material hergestellte Polystyrolperlen zurückgegriffen zu werden braucht, sondern nunmehr auch beliebiges Abfall-Material eingesetzt werden kann. Gerade bei Polystyrol gibt es häufig größere Mengen an (z.B. gefärbten) Abfällen, die für einen Recycling-Prozeß nicht mehr geeignet und daher preisgünstig sind. Das gleiche gilt auch für die Additive, die aus preisgünstigen Abfallquellen entnommen werden können.

Die dem Polystyrol zugesetzten Mengen an Additiv liegen in einem sehr weiten Bereich. Sie hängen etwas von der Art des Additivs ab und werden in der Praxis auch dadurch mitbestimmt, welche speziellen Anforderungen an den Glanzkohlebildner gestellt werden und welche Stoffe jeweils am preisgünstigsten zur Verfügung stehen. Wenn beispielsweise billiges Abfall-Polystyrol vorhanden ist und die Additive hinzubeschafft werden müssen, wird die Menge an Additiven zweckmäßig so gering gehalten, daß sich gerade noch die erforderliche Mahlbarkeit einstellt. Das ergibt für die Menge an Additiv eine untere Grenze von 10 Gew.% (bezogen auf das fertige Produkt) und einen bevorzugten Bereich von 20 - 40 Gew.%. Wenn umgekehrt ein billiges Additiv (z.B. Phenolharz-Abfall) vorhanden ist, das verbraucht werden soll, aber wegen mangelnder Silierfähigkeit oder wegen zu hoher Rückstände nicht allein verwendet werden kann, läßt sich die zugesetzte Menge an Additiv auch ohne weiteres steigern, wobei durchaus eine obere Grenze bis zu 90 Gew.% Additiv in Betracht kommen kann. Bei Ölen als Additiv ist die obere Grenze allerdings niedriger und liegt bei maximal 40 Gew.%. Vorzugsweise werden Öle im Gemisch mit einem anderen Additiv und in einer Menge bis zu 25 Gew.% eingesetzt.

Im Prinzip können bei der Erfindung alle Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Öle, Naturharze und Kunstharze verwendet werden, sofern sie sich mit Polystyrol zu einer homogenen Schmelze verschmelzen lassen. Dabei sind im Interesse einer geringen Rückstandsfreiheit des fertigen Produkts solche Stoffe zweckmäßig, die ihrerseits nur geringe Rückstände an Koks und Asche ergeben. Außerdem hat sich gezeigt, daß Additive mit mehr oder weniger starker aromatischer Struktur häufig eine bessere Wirkung zeigen als rein aliphatisch strukturierte Additive. Typische Beispiele für geeignete Additive sind bei den Pechen und Bitumina Teerpech, Tallpech, Sulfatpech und die Destillationsrückstände organischer Substanzen wie Dimethylterephthalat, bei den Ölen Mineralöl (Altöl), Anthracenöl und Tallöl, sowie bei den Harzen Kohlenwasserstoffharze aus Teerölen (wie Cumaron- und Indenharze) oder aus Erdölen (Petrolharze) und Phenolharze, insbesondere Phenolharz-Abfälle.

Der erfindungsgemäß hergestellte Glanzkohlebildner kann für sich allein oder im Gemisch mit bekannten und üblichen Zuschlagstoffen wie Holzmehl, Perlit, Vermiculit, Stärke, Kieselgur, Flugasche, Steinkohlenstaub und/oder Bentonit in den Handel gebracht werden und stellt ein frei fließfähiges Produkt dar, das auch bei höheren Temperaturen silierfähig ist und das sich in der Gießereitechnik überall dort einsetzen läßt, wo ein Glanzkohlebildner benötigt oder gewünscht wird. Ein typisches Einsatzgebiet ist beispielsweise die Verwendung bei bentonitgebundenen Formsanden, insbesondere Grünsanden.

Je nach dem zugesetzten Additiv liegt die Ausbeute an Glanzkohlenstoff bei etwa 40 - 55 Gew.%, bezogen auf das eingesetzte Produkt. Die Einsatzmenge kann 0,5 - 5 Gew.% betragen, bezogen auf den Formstoff.

Zahlreiche Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Tabellen 1 und 2 zusammengefaßt. Allen Beispielen liegt dabei ein Polystyrol mit einem Erweichungspunkt von 170°C zugrunde. In den Tabellen sind Art und Menge des Additivs angegeben. In allen Fällen wurde das Polystyrol mit dem Additiv bzw. mit den Additiven bei 250°C homogen verschmolzen, und das erhaltene Material wurde nach dem Erkalten und nach einer Grobzerkleinerung in einer üblichen Mühle ohne besondere Vorkehrungen auf eine gleichmäßige Korngröße unterhalb 0,7 mm gemahlen. Dabei ergab sich in allen Fällen ein ausgezeichnet mahlbares und auch bei Temperaturen von 60°C problemlos silierfähiges Produkt.

Soweit in einigen Fällen auch noch die Erweichungspunkte des fertigen Produktes gemessen wurden, ist zu erkennen, daß selbst große Zusatzmengen eines Additivs mit niedrigem Erweichungspunkt (z.B. Beispiel E 2) den Erweichungspunkt des fertigen Produkts nur um rund 25°C erniedrigen. Lediglich bei Ölen ist die Erniedrigung des Erweichungspunktes des fertigen Produkts etwas stärker, was mit ein Grund für die niedrigere Obergrenze der Zusatzmenge bei Ölen ist.

Tabelle 1: Beispiele der Erfindung mit einem Additiv

Tabelle 2: Beispiele der Erfindung mit mehreren Additiven

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Glanzkohlebildners für Gießereizwecke auf Basis von Polystyrol, dadurch gekennzeichnet, daß das Polystyrol bei Temperaturen von 200 - 280°C mit mindestens einem anderen Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Öle, Naturharze und Kunstharze homogen verschmolzen wird und das erhaltene Material nach dem Erkalten und nach einer Grobzerkleinerung in üblichen Mahlaggregaten auf eine Korngröße unterhalb von 0,7 mm gemahlen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine andere Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Naturharze und Kunstharze ausgewählt und in solcher Menge eingesetzt wird, daß die Gesamtmenge an Additiven 10 - 90 Gew.% bezogen auf das fertige Produkt beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine andere, aus der Gruppe der Peche, Bitumina, Naturharze und Kunstharze ausgewählte Glanzkohlebildner in solcher Menge eingesetzt wird, daß die Gesamtmenge an Additiven 20 - 40 Gew.%, bezogen auf das fertige Produkt, beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine andere Glanzkohlebildner aus der Gruppe der Öle ausgewählt und in einer Menge bis zu 40 Gew.%, bezogen auf das fertige Produkt, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine andere, aus der Gruppe der Öle ausgewählte Glanzkohlebildner in einer Menge bis zu 25 Gew.%, bezogen auf das fertige Produkt, eingesetzt wird.