ES2215527T3 - Uso de aerogeles de plastico/carbono como material de nucleo. - Google Patents

Abstract

Uso de aerogeles de plástico y/o de carbono altamente porosos y de poros abiertos, disponibles mediante polimerización sol-gel de materiales plásticos orgánicos, como materiales de núcleo para la fundición en moldes.

Description

Uso de aerogeles de plástico/carbono como material de núcleo.

Objeto de la invención es la utilización de aerogeles de plástico/de carbono como material de núcleo en la fundición en moldes.

La fundición en cubetas y moldes cerámicos de arena combinada es una técnica de fundición estándar para la fabricación de piezas de precisión compuestas por las más diversas aleaciones, especialmente de aluminio, magnesio, titanio o aleaciones de fundición gris. Los moldes se fabrican por regla general mediante el procedimiento de fundición a la cera perdida; es decir, un cuerpo de cera de la pieza a fundir se humedece con un sol de sílice, es recubierto con arena en varios pasos, secado y a continuación se quema el molde, con lo cual la cera se funde en un autoclave o se calcina. Mediante procedimientos modernos de fundición es posible la fundición con contornos rectos y cercanos a la forma final (J. Sprunk, W. Blank, W. Grossmann, E. Hauschild, H. Rieksmeier, H. G. Rosselnbruch; Fundición fina para todos los sectores industriales, segunda edición, Zentrale für Gussverwendung, Düsseldorf 1987; K. A. Krekeler, Fundición fina, en: Handbuch der Fertigungstechnick, volumen 1, editor: G. Speer, editorial Hanser, Munich 1981).

Las cavidades dentro del molde tienen que ser previamente moldeadas de forma estable mediante un núcleo. Dichos núcleos se producen por regla general de polvos cerámicos combinados con plástico debido a la elevada carga térmica y mecánica que soportan. Una desventaja de los procedimientos usuales en la actualidad de producción del núcleo es que la separación del núcleo de la pieza fundida es posible sólo con un gasto extremadamente elevado (por ejemplo calcinación en autoclave), la distribución de las arenas en el núcleo no es homogénea, existen grietas, las cuales pueden conducir, entre otros, a roturas bajo carga térmica-mecánica.

Los materiales de núcleo de espuma plástica carbonizada, la cual se fabrica empleando espumantes, son conocidos, por ejemplo, del documento DE3004466A.

Los aerogeles son cuerpos sólidos altamente porosos, oxídicos de poros abiertos, los cuales se obtienen por regla general con procedimientos sol-gel a partir de alcóxidos metálicos mediante polimerización, policondensación a geles y subsiguiente secado supercrítico. Desde hace unos años se ha conseguido también gelificar plásticos mediante procedimientos sol-gel y transformarlos en cuerpos sólidos altamente porosos mediante secado supercrítico (véase, por ejemplo, los documentos DE 195 23 382 A1, DE 694 09 161 T2 y US-A-5.086.085). La pirólisis de dichos aerogeles plásticos en atmósfera de gas inerte o en vacío a temperaturas superiores a 1000ºC los transforma en aerogeles de carbono. Al igual que los aerogeles oxídicos, los aerogeles de plástico y carbono poseen una conductividad térmica efectiva extremadamente baja (del orden de magnitud de pocos mW/K/m) y son considerablemente más ligeros. Las propiedades físicas y mecánicas de los aerogeles plásticos y de carbono están documentadas en la bibliografía (R. W. Pekala, C. T. Alviso, F. M. Kong, S.S. Hulsey; J. Non-Cryst. Solids 145 (1992) 90; R. W. Pekala, C. T. Alviso, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 270 (1992) 3; R. Petricevic, G. Reichenauer, V. Bock, A. Emmerling, J. Fricke; J. Non-Cryst. Solids (1998)). Éstos pueden variarse en un amplio margen variando los materiales de partida, la mezcla de los mismos y el procedimiento de fabricación.

Es por consiguiente misión de la presente invención poner a disposición núcleos, los cuales sean cuasi adiabáticos, cuyo peso específico pueda ser regulado, que posean una superficie extremadamente lisa (rugosidad en un intervalo de pocos micrometros), que no reaccionen con aleaciones de Al, Mg y Ti y, sobre todo, que puedan ser separados mediante una sencilla trompa de alto vacío o fluidos adecuados, los cuales humedecen y descomponen el aerogel.

El problema anteriormente mencionado se resuelve, en una primera forma de realización, con el empleo de aerogeles de plástico y/o de carbono altamente porosos y de poros abiertos, obtenibles por polimerización sol-gel de materiales plásticos orgánicos, como materiales de núcleo para la fundición en moldes.

Se pueden fabricar núcleos de moldes arbitrarios, puesto que la disolución de partida se incorpora en el correspondiente molde negativo y se gelifica (material especialmente adecuado para estos moldes es el PTFE). Además, mediante regulación competente de la composición y las condiciones de gelificación, la transición de sol a gel sólido puede ser así retardada, con lo cual se origina una masa altamente viscosa y capaz de fluir, que puede ser incorporada en cualquier molde. Además, es posible agregar al sol polvos cerámicos y fibras cuando sea necesario debido a una predecible carga mecánica.

Los aerogeles producidos de acuerdo con la invención son adecuados especialmente como núcleos para la formación de cavidades para la fundición de aleaciones de aluminio (en donde el molde no tiene prácticamente que calentarse, puesto que la transmisión del calor se consigue a través del mismo). Esto aumenta la rentabilidad, puesto que el coste energético puede ser disminuido. Las aleaciones de magnesio y titanio tampoco reaccionan con el carboono, por lo que los aerogeles de carbono pueden ser utilizados como núcleo para estas aleaciones.

Una ventaja particular de los aerogeles consiste en que la formación del sol-gel puede realizarse a temperatura ambiente. No es preciso un secado supercrítico como en el caso de los geles puramente inorgánicos. Aun así, es posible ajustar el tamaño de poro en un intervalo de micrometros. Mediante secado en el intervalo supercrítico de temperaturas son posibles tamaños de poro en un intervalo de nanometros.

Los aerogeles pueden contener también cargas inorgánicas u orgánicas, especialmente materiales de fibras. Se entiende con ello, esencialmente, materiales inertes y estables en condiciones de solidificación. Materiales de carga inorgánicos de cualquier tamaño de grano se seleccionan, por ejemplo, de óxido de aluminio, dióxido de titanio, óxido de circonio y cuarzo y sus mezclas, los cuales pueden emplearse en cada caso en una cantidad de 5 a 30% en volumen, especialmente de hasta 60% en volumen.

De igual manera, también es sin embargo posible el empleo de materiales de carga orgánicos, por ejemplo partículas de plástico termoplásticas o duroplásticas, por ejemplo poliestireno. Sin embargo, en este caso hay que tener en cuenta que estos materiales se funden o incineran durante la pirólisis de los geles plásticos. Con la ayuda de dichos materiales es posible, sin embargo, un control de la contracción durante la pirólisis.

Especialmente preferidos en el sentido de la presente invención son los aerogeles plásticos a base de resorcina/formaldehído, los cuales pueden ser transformados en un aerogel plástico microestructurado con una composición adecuada y contenido adecuado de catalizador básico, a temperaturas entre 20 y 50ºC, sin secado supercrítico. Se puede regular la reacción de gelificación mediante la elección de la composición, lo que, por ejemplo, origina un líquido altamente viscoso, el cual puede solidificar con el tiempo/la temperatura.

Por consiguiente, otra forma de realización de la presente invención consiste en el empleo de aerogeles, altamente posoros y de poros abiertos, de plástico y/o de carbono, en donde

a) se llena un molde negativo de un núcleo con un sol plástico de composición adecuada y un adecuado catalizador,

b) el sol se transforma en un gel,

c) se coloca el gel solidificado de forma en sí conocida en los modelos de cera habituales de la fundición fina y en moldes y

d) se separa el gel

Los núcleos empleados de acuerdo con la invención son adecuados especialmente para su empleo en procedimientos de fundición a la cera perdida.

Los moldes deseados se rellenan con los núcleos y la masa fundida según técnicas habituales y la masa fundida solidifica. Empleando técnicas de fundición habituales la transmisión de calor se efectúa a través del molde o de la arena del molde.

Los núcleos obtenidos de esta manera se colocan en los habituales modelos de cera empleando técnicas habituales. En contraposición a los materiales de núcleo habituales según el estado actual de la técnica, no tiene lugar una absorción de calor por parte de los núcleos de aerogel, ya que su conductividad térmica típica es de solamente unos pocos mW/Km. Cargas térmicas y, con ello, tensiones térmicas no aparecen en el cuerpo del núcleo. Los núcleos de los aerogeles se pueden separar fácilmente de la pieza de fundición mediante pirólisis o trompa de alto vacío, y también mediante la utilización de fluidos humectantes como aceite de silicona, los cuales fluidifican el aerogel.

Dependiendo de la composición de la disolución de partida, la temperatura de gelificación y la densidad del cuerpo poroso formado se pueden fabricar núcleos para moldes, tanto como aerogeles plásticos como aerogeles de carbono, los cuales se modelan con una superficie lisa a escala micrométrica y con contornos bien definidos. De acuerdo con la invención la fabricación de moldes necesita hasta formar el aerogel de plástico como máximo 24 horas. La pirólisis en ausencia de aire se consigue en tiempos cortos (los cuales se determinan por el grosor del molde; para un núcleo de 1 cm, el tiempo asciende, por ejemplo, a 24 horas). La contracción tiene lugar en ambas etapas del proceso siempre de forma isótropa y supone sólo un pequeño porcentaje (la contracción está influenciada por la adecuada elección de la composición del sol, así como de las condiciones de secado) y es de esta manera controlable.

Ejemplo de ejecución

1. Preparación de la disolución de aerogel:

22 g de resorcinol + 20 ml de disolución de formaldehído (al 37%) + 0,013 g de Na_{2}CO_{3} + 82 ml de H_{2}O, y agitar a temperatura ambiente

2. Mezcla de la disolución de aerogel con la arena del molde:

Ejemplo: 10 cm^{3} arena Alodur® con un tamaño de grano de 0,0633 \mum hasta 0,125 \mum, absorben 45 ml disolución. La arena se añade con agitación a la disolución de aerogel.

3. Llenado del molde del núcleo:

Llenado del molde del núcleo con compactación por sacudida y vibración.

4. Secado:

Secado del molde cerrado en estufa de secado durante 24 horas a 40ºC.

5. Moldeo final

6. Secado final a temperatura ambiente

7. Incorporación del núcleo de arena unido al aerogel en un molde estándar.

Claims (8)

1. Uso de aerogeles de plástico y/o de carbono altamente porosos y de poros abiertos, disponibles mediante polimerización sol-gel de materiales plásticos orgánicos, como materiales de núcleo para la fundición en moldes.

2. Uso según la reivindicación 1, que contiene materiales de carga inorgánicos u orgánicos, especialmente en forma de polvo o fibra.

3. Uso según la reivindicación 2, caracterizado porque los materiales de carga inorgánicos se escogen de óxido de aluminio, dióxido de titanio, óxido de circonio y cuarzo y sus mezclas, especialmente en una cantidad de 5 a 60% en volumen.

4. Uso según la reivindicación 2, caracterizado porque los materiales de carga se escogen de partículas sintéticas termoplásticas o duroplásticas, especialmente poliestirol.

5. Uso según una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende un sol-gel de resorcina/formaldehído y un catalizador de polimerización de carácter básico, especialmente hidróxido de amonio y/o carbonato sódico.

6. Uso según una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde

a) un molde negativo de un núcleo se llena con un sol plástico de composición adecuada y un catalizador adecuado,

b) el sol se transforma en un gel,

c) el gel solidificado se coloca de forma en sí conocida en modelos de cera habituales de la fundición fina y en moldes y

d) se separa el gel.

7. Uso según una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el gel se separa mediante una trompa de alto vacío.

8. Uso según una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el gel se separa mediante pirólisis a una temperatura de al menos 1000ºC en el transcurso de 24 horas.