JP2509725B2 - ベンジルエ―テル型レゾ―ル樹脂の製造方法 - Google Patents

ベンジルエ―テル型レゾ―ル樹脂の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の分野) この発明は、ベンジルエーテル型レゾール樹脂の製造
方法に関する。
(発明の背景) 鋳物鋳造用の中子と金型の為のバインダーまたはバイ
ンダー系は良く知られている。鋳物鋳造の技術では、金
属鋳造物を作る為の鋳物用中子と金型は普通は砂のよう
な骨材とそれに結合するのに必要量のバインダーまたは
バインダー系との混合物から作られる。典型的には、骨
材とバインダーを混合した後、得られた混合物を所望の
形またはパターンに圧力下に流し込むか、ブローする
か、又は別の方法で造型し、次に触媒および/または熱
を使用して固体の硬化状態にキュアリングする。鋳物用
金型と鋳物用中子の製造に用いられる樹脂バインダー
は、鋳物工場で求められる急速−硬化サイクルを達成す
る為に高温で硬化されることが多い。しかしながら、近
年、エネルギー所要量が高く、しばしば好ましくない煙
霧を作り出す原因となっている高温での硬化作業に対す
る必要性を避ける為に低温で硬化する樹脂バインダーが
開発された。樹脂バインダーの硬化を達成するのに加熱
を必要としないプロセスの一群は“コールド−ボック
ス”法と呼ばれている。そのような方法では、骨材、例
えば、砂の上にバインダー成分を塗被し、それを所望の
形をした箱の中にブローする。バインダーの硬化は造型
された樹脂−被覆物質の中に周囲温度でガス状の触媒、
即ち硬化剤を通気することによって行なわれる。
一つのそのような“コールド−ボックス”法はバイン
ダーとしてフェノール性のレゾール樹脂のアルカリ性水
溶液を使用する。このバインダーは造型された樹脂−被
覆された材料の中に揮発性のエステルを通気することに
よって硬化される。このプロセスは米国特許第4,468,35
9号(再発行32,720)の中に詳細に記述されている。こ
の特許全体を参考としてここに引用する。
エステル硬化法は環境衛生の立場からは以前の幾つか
の方法より優れている。しかしながら、この方法で作ら
れた鋳物用中子の引張り強さは他の“コールド−ボック
ス”で作られたものより若干劣る傾向がある。
今、我々は、これまでエステル−硬化のフェノール性
バインダー系と一緒に用いられたことの無い、ある種の
変成したベンジルエーテル型のレゾール樹脂がそのよう
な系の硬化速度を早め、より高い初期引張り強さを持っ
た鋳物用の金型と中子を与えることを発見した。これは
最初に中子箱から中子を取り除く時に中子の破損を減少
する。更に我々の発見した処によれば、もしもある種の
添加物をこれらの樹脂と一緒に用いるならば、遥かに大
きな引張り強さを持った中子と金型が得られることであ
る。
ベンジルエーテル樹脂が二価の金属イオンの存在でア
ルデヒドとフェノール類を反応させることによって調整
できることは、例えば、米国特許第3,485,797号で既に
知られている。鋳物用中子と金型用のポリウレタンバイ
ンダーを作るのに上記の樹脂を使用することも公知であ
る。更に最近では、米国特許第4,668,759号の中で、強
い塩基性条件下でアルデヒドとフェノール類を部分的に
反応させた後、7以下のpHでベンジルエーテル橋の形成
を促進するような触媒の存在で更に反応させることによ
って変成されたフェノール性レゾール樹脂が調製され
た。ここに開示する樹脂は前記二つの製品とも異なるも
のである。新しい樹脂は、アルデヒドとフェノール類を
ベンジルエーテル促進触媒の存在で部分的に反応させ、
次いでアルカリ性条件下に反応を完結させることによっ
て調製される。
(発明の要約) この発明によれば、次の段階: (a)フェノール類を二価の金属イオン触媒の存在で7
以下のpHでモル過剰のアルデヒドと、アルデヒドの重量
の約20%から約90%がそのフェノール類と結合するまで
反応させ; (b)段階(a)の混合物に十分量の塩基性触媒を添加
してpHを少なくとも約8まで上げ; (c)段階(b)で得られた混合物を、該混合物中の遊
離のアルデヒドが混合物の重量の約5%以下になるまで
過熱すること: を含む変成されたベンジルエーテル型レゾール樹脂の製
造方法が与えられる。
更に、この発明によれば、上の方法で得られる変成さ
れたベンジルエーテル型のレゾール樹脂、この発明の変
成されたベンジルエーテル型のレゾール樹脂と粒状の耐
火性物質との混合物からなる鋳型造形用組成物、及びこ
の鋳型造形用組成物を用いた鋳物用中子と金型の製造方
法が提供される。
(発明の詳細な説明) この発明の実施では、変成されたフェノール性レゾー
ル樹脂は多段プロセスによって製造される。プロセスの
第一段階では、フェノール類はモル過剰のアルデヒドと
二価の金属イオン触媒の存在で反応する。フェノール樹
脂の生成に用いられるフェノール類は一般に、フェノー
ル樹脂の調製に使用される一価のフェノール類ならいか
なる物でも良い。代表的なフェノール類は、フェノール
とクレゾールである。
フェノール樹脂の形成に用いられるアルデヒドも同じ
く広範囲に変化し得る。適当なアルデヒドはフェノール
樹脂の調製にこれまで使用されたいかなる物でも良く、
例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピ
オンアルデヒド、フルフラールアルデヒド、ベンツアル
デヒド等がある。一般に、使用されるアルデヒドは、式
RCHOを有し、式中のRは水素、または炭素原子数が1〜
8の炭化水素のラジカルである。最も好ましく用いられ
るアルデヒドはホルムアルデヒドである。
二価の金属イオン触媒は、樹脂中のフェノール核の間
でオルト−オルトのベンジルエーテル橋の形成を生み出
すような物である。この目的に有用な触媒には、Mn、A
u、Cd、Mg、Co、Ni、Fe、Pb、Ca、Baの二価のイオンの
塩がある。好ましい触媒は酢酸亜鉛である。これらの触
媒は、樹脂中のフェノール核を結ぶ橋が主に一般式−CH
2(OCH2)n−のオルト−オルトのベンジルエーテル橋であ
るようなフェノール樹脂を与える。
上の式でnは小さな正の整数である。
この発明の実施に用いられる好ましいフェノール樹脂
は、ホルムアルデヒド対フェノールのモル比が約1.2:1
から約2.6:1の範囲にあるフェノールとホルムアルデヒ
ドから作られる。最も好ましいホルムアルデヒド対フェ
ノールのモル比は約1.5:1から約2.2:1の範囲である。
プロセスの第一段階はフェノール類とアルデヒド水溶
液の混合物を二価の金属イオン触媒を用いて反応を起こ
すのに十分な温度で、好ましくは約70℃または70℃以上
の温度で、混合物中の遊離のホルムアルデヒドが所望の
範囲内になるまで処理することによって行なわれる。適
当な樹脂はプロセスの第一段階がアルデヒドの約20%か
ら約90%がそのフェノール類と反応するまで行なわれた
時に得られる。反応温度は普通に良く用いられる手段、
例えば、加熱、冷却、または何回かに分けて触媒を少し
づつ添加する等の手段によって制御される。
反応が、反応混合物中に残っている遊離のアルデヒド
の量によって指示されるような所望の段階まで進んだ時
に、pHが少なくとも8まで上がるように塩基性の触媒を
反応混合物に加える。好ましくは、混合物のpHは少なく
とも約9である。
プロセスの次の段階では、塩基性触媒を含む反応混合
物を反応を起こすのに十分な温度、好ましくは約55℃又
はそれ以上の温度で再び加熱する。加熱は溶液中の遊離
のアルデヒドが混合物の重量の約5%、好ましくは約2
%以下になるまで続ける。
普通に良く用いられる塩基性触媒ならどのような物で
もフェノール性レゾール樹脂の調製に用いることができ
る。しかしながら、樹脂をエステル硬化法に用いる時
は、製品中にある好ましいアルカリはKOHである。この
理由から、KOHがこの樹脂の製造に用いられ、または樹
脂の調製の後に樹脂に添加される。樹脂のアルカリ度
は、樹脂中のKOHとフェノールのモル比によって表わさ
れる。しかしながら、他のアルカリを除外するものでは
なく、それらのアルカリ単独で、またはKOHと組み合わ
せて用いることができる。
エステル硬化法で用いられる最終樹脂溶液中のKOH対
フェノールのモル比は、約0.2:1から約1.2:1、好ましく
は約0.4:1から約0.9:1の範囲にある。
反応が所望の完成度に達した時は、樹脂の水分含量を
希望する値に調整することができる。樹脂の水分含有量
は減圧下の蒸発または水の添加によって調整される。
この発明の樹脂は金型造形用組成物を調製する時にバ
インダーとして有用である。上にも述べた如く、これら
の樹脂は特にエステル硬化法の中で有用なバインダーで
ある。樹脂をこのプロセスの中で用いる時は、アルカリ
性の樹脂水溶液の固形分含量は好ましくは重量で約40%
から約75%の範囲にある。
エステル硬化法に用いられる金型造形用組成物は、粒
状の耐火性物質と耐火性物質の重量の約0.5%から約8
%のアルカリ性バインダー水溶液からなる。金型造形用
組成物の中で用いられる粒状の耐火性物質は、鋳物用金
型と鋳物用中子の製造に鋳物鋳造工場で用いられる任意
の耐火性物質、例えば、珪砂、クロム鉄鉱砂、ジルコン
砂、オリビン砂、及びそれらの混合物のいずれでも良
い。そのような砂を用いる時は、バインダー溶液は砂の
重量の約1%から約3%の量存在するのが好ましい。
他に普通良く用いられる添加物、例えば、尿素、オル
ガノシランもこの発明のバインダー組成物の中で随意的
に用いられる。カップリング剤として知られるオルガノ
シランはバインダーの砂への接着を増進する。この型の
有用なカップリング剤の例には、アミノシラン、エポキ
シシラン、メルカプトシラン、ヒドロキシシラン、ウレ
イドシランがある。
この発明の実施に特に有用な他の添加物は次の一般式
を有するフェノキシエタノールである。
Ar−O−CHR1−CHR2−OH この式の中で、Arはフェニル基または一つもしくは一つ
以上のハロゲン、ヒドロキシ、アルコキシ、又はアリル
基で置換されたフェニル基である。式中のR1とR2は同一
でも異なっても良く、それぞれに水素、アルキル又はア
ルコキシである。代表的な添加物としては、1−フェノ
キシ−2−プロパノール、2−(4−ブロモフェノキ
シ)エタノール、及び2−(4−クロロフェノキシ)エ
タノールがある。フェノキシエタノールが、この発明の
実施で特に有用な添加物である。
フェノキシエタノール添加物はフェノール性レゾール
樹脂の重量の少なくとも約1%の量で使用される。好ま
しい濃度はフェノール性レゾール樹脂の約2重量%から
約6重量%であるが、ある場合には、それより大きな濃
度が有益なこともある。添加物は、用いられる量におい
てフェノール性レゾール樹脂のアルカリ性水溶液に可溶
な物でなければならない。これらの添加物は、この発明
のバインダー並びに慣用のレゾール樹脂バインダーを用
いて作った鋳物用中子と金型の引張り強さを増加する能
力を有する。
この発明のバインダーを鋳物用中子と金型の製造に使
用する時は、鋳物砂のような耐火性物質をアルカリ性の
バインダー水溶液と完全に混合する。混合は、実質的に
すべての砂粒子がバインダー溶液で完全且つ均一に被覆
されるまで行なう。バインダーで被覆された耐火性物質
は、次に慣用の“コールド−ボックス”法で用いられる
ような通風換気されたコア箱またはモールド箱の中に入
れられる。
砂と樹脂の混合物は、通風排気された箱の中の材料の
中に揮発性のエステルを通気することによって硬化され
る。混合物に通気するのに用いられる好ましいエステル
は、蟻酸の低級アルキルエステルである。最も好ましい
エステルは蟻酸のメチルエステルである。当該技術で周
知のように、そのようなエステルは、普通は純粋な気体
としてではなく、不活性のキャリヤーガスの中の蒸発ま
たはエアロゾルとして使用される。そのような不活性な
キャリヤーガスとは、エステルと反応しないか、または
製品の性質の硬化反応に悪影響を与えないようなガスの
ことである。適当なガスは、空気、窒素またはアルゴン
である。
以下に具体的に記述する実施例は本発明を例示するも
のである。これらの実施例はいかなる点においても発明
を限定するものではない。特に指定しない限り、すべて
の部とパーセンテージは重量を基準としたものである。
実施例1 1,000部のフェノール、1,276部の50%ホルムアルデヒ
ド水溶液および42部の25%酢酸亜鉛水溶液の混合物を90
℃で14時間加熱し、それから冷却した。反応混合物中の
遊離のホルムアルデヒドは8.9%であったが、このこと
は約68%のホルムアルデヒドがフェノールと結合したこ
とを示している。次に850部の45%水酸化カリウム水溶
液と100部の水を加えた。80℃で100分間反応を続け、そ
れから反応混合物を冷却して16グラムのγ−アミノプロ
ピルトリエトキシシランを加えた。樹脂の粘度は25℃で
測定して164cpsであった。
比較試験の樹脂 1,000部のフェノール、800部の45%KOH水溶液及び135
部の水を混合して比較試験用の樹脂を調製した。この混
合物に1,276部の50%ホルムアルデヒド水溶液を30分間
に亙って添加した。この間、温度を80℃に保持した。反
応を80℃で4時間続行し、その後冷却した。この混合物
に16gのγ−アミノプロピルトリエトキシシランを加え
て最終生成物を得た。この物の粘度は25℃で154cpsであ
った。
樹脂を被覆した砂に就いての試験 次の試験は実施例1の樹脂と比較試験の樹脂を用いて
行なった。各樹脂の試料をホバート ミキサーの中でヴ
ェドロン530の砂に被覆した。用いた樹脂の量は砂の重
量に対して1.75%であった。被覆した砂は次に標準AFS
(犬の骨の形をした)引張り試験用コアを作って試験し
た。試験用コアは混合物を80ポンド/平方吋(psi)の
空気圧でレッドフォード ラボラトリの三腔コールドボ
ックス マシンにブローして調製した。コアに蟻酸のメ
チルエステルと空気の70:30の混合ガスを通して硬化し
た。ガスの通気後、1分、30分、1時間、24時間後の引
張り強さを、デトロイト試験機器会社のモデルCST引張
り試験機を用いて測定した。表Iに示された試験結果
は、この発明の樹脂を用いて作ったコアの方が従来技術
の樹脂を用いて作ったコアよりも優れた強度を持ってい
ることを示している。
実施例2 試験の第二のシリーズは、4%のフェノキシエタノー
ルを添加した実施例1の樹脂と、同じく4%のフェノキ
シエタノールを添加した比較試験の樹脂を用いて行なっ
た。砂に樹脂を被覆し、被覆した砂を前述したのと同じ
ように試験した。表IIに与えられた試験結果は、この発
明の樹脂を用いて作ったコアが、樹脂にフェノキシエタ
ノール添加物を含有させた時に更に一層大きい強度を持
つことを示している。更に試験激化は、フェノキシエタ
ノールを含むこの発明の樹脂を用いて作ったコアの方
が、同じくフェノキシエタノールを含む従来のレゾール
樹脂から作ったコアよりも優れた強度を有することを示
している。
以上のように、この発明によれば前記の対象物、目的
および有利点を完全に満足する変成されたベンジルエー
テル型のレゾール樹脂と該樹脂を含む鋳物用バインダー
組成物が提供された。発明はその具体的な実施例と一緒
に記述されてきたが、これまでの記述に照らすならば当
該技術に熟練した者にとって多くの代替法、修正法およ
び変法が明らかであるのは明白である。従って、前記の
そのような総ての代替法、修正法および変法は付随する
特許請求の範囲の精神と権利範囲内に含まれるものと考
えるべきである。
本発明の実施の態様は次の通りである。
1.次の段階: (a)フェノール類を二価の金属イオン触媒の存在下に
7以下のpHでモル過剰のアルデヒドと、アルデヒドの重
量の約20%から約90%がそのフェノール類と結合するま
で反応せしめ; (b)段階(a)の混合物に十分量の塩基性触媒を添加
して、pHを少なくとも約8まで上昇せしめ;そして (c)段階(b)で得られた混合物を、該混合物中の遊
離のアルデヒドが混合物の重量の約2%以下になるまで
加熱すること: を含む変成されたベンジルエーテル型レゾール樹脂の調
製方法。
2.そのフェノール類が未置換のフェノールで、アルデヒ
ドがホルムアルデヒドの水溶液である上記1記載の方
法。
3.段階(a)の反応が約70℃又はそれより高い温度で行
なわれる上記2記載の方法。
4.段階(c)の反応が約55℃又はそれより高い温度で行
なわれる上記2記載の方法。
5.段階(c)の反応が、混合物中の遊離のアルデヒドの
量が混合物の重量の約2%以下になるまで行なわれる上
記2記載の方法。
6.段階(a)で用いられる触媒が酢酸亜鉛である上記2
記載の方法。
7.段階(b)で添加される塩基性触媒が、水酸化カリウ
ム、水酸化ナトリウム及びそれらの混合物からなる群よ
り選ばれる上記2記載の方法。
8.次の段階: (a)フェノール類を、二価の金属イオン触媒の存在下
に7以下のpHでモル過剰のアルデヒドと、該アルデヒド
の重量の約20%から約90%がそのフェノール類と結合す
るまで反応せしめ; (b)段階(a)の混合物に十分量の塩基性触媒を添加
して、pHを少なくとも約8まで上昇せしめ;そして (c)段階(b)で得られた混合物を、混合物中の遊離
のアルデヒドが混合物の重量の約5%以下になるまで加
熱すること: を含む方法によって得られる変成されたベンジルエーテ
ル型のレゾール樹脂。
9.そのフェノール類が未置換のフェノールで、アルデヒ
ドがホルムアルデヒドの水溶液である上記8記載の方
法。
10.段階(a)の反応が約70℃又はそれより高い温度で
行なわれる上記9記載の樹脂。
11.段階(c)の反応が約55℃又はそれより高い温度で
行なわれる上記9記載の樹脂。
12.段階(c)の反応が、混合物中の遊離のアルデヒド
の量が混合物の重量の約2%以下になるまで行なわれる
上記9記載の樹脂。
13.段階(a)で用いられる触媒が酢酸亜鉛である上記
9記載の方法。
14.段階(b)で添加される塩基性触媒が、水酸化カリ
ウム、水酸化ナトリウム及びそれらの混合物からなる群
より選ばれる上記9記載の樹脂。
15.フェノール性レゾール樹脂のアルカリ性水溶液から
なるバインダーであって、該水溶液は重量で約40%から
約75%の固形分含量を有し、該フェノール性レゾールは
約1.2:1から約2.6:1のアルデヒド:フェノールのモル比
を有し、そしてアルカリ:フェノールのモル比が約0.2:
1から約1.2:1であり、フェノール性レゾール樹脂が上記
8のベンジルエーテル型のレゾール樹脂である前記バイ
ンダー組成物。
16.アルデヒド:フェノールのモル比が約1.5:1から約2.
2:1である上記15記載のバインダー組成物。
17.アルカリ性水溶液を調製するのに用いられるアルカ
リが、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム及びそれらの
混合物からなる群れから選ばれる上記15記載のバインダ
ー組成物。
18.アルカリ対フェノールのモル比が約0.4:1から約0.9:
1である上記17記載のバインダー組成物。
19.バインダー組成物が更に、フェノール性レゾール樹
脂の重量の少なくとも約1%の添加物を含み、該添加物
はアルカリ性水溶液に可溶であって、次の一般式: Ar−O−CHR1−CHR2−OH を有し、上の式でArはフェニル又は一つまたは一つ以上
のハロゲン、ヒドロキシ、アルコキシ又はアルキル基で
置換されたフェニルであり、R1とR2は同一でも異なって
も良く、それぞれに水素、アルキルまたはアルコキシで
ある上記15記載のバインダー組成物。
20.添加物がフェノール性レゾール樹脂の重量の約2%
から約6%の量存在する上記19記載のバインダー組成
物。
21.添加物がフェノキシエタノールである上記19記載の
バインダー組成物。
22.粒状の耐火性物質と耐火性物質の重量の約0.5から約
8%の上記15のバインダー組成物を含む鋳型造形用組成
物。
23.粒状の耐火性物質が珪砂、クロム鉄鉱砂、ジルコン
砂、オリビン砂、及びそれらの混合物から選ばれる上記
22記載の鋳型造形用組成物。
24.フェノール性レゾール樹脂のアルカリ性水溶液が砂
に対して、その重量の約1%から約3%の量存在する上
記22記載の鋳型造形用組成物。
25.アルカリ性水溶液を調製するの用いられるアルカリ
が水酸化カリウム、水酸化ナトリウム及びそれらの混合
物からなる群れから選ばれる上記22記載の鋳型造形用組
成物。
26.アルカリ対フェノールのモル比が約0.4:1から約0.9:
1である上記25記載の鋳型造形用組成物。
27.更にシランを含む上記22記載の鋳型造形用組成物。
28.粒状の耐火性物質と、耐火性物質の重量の約0.5%か
ら約8%の上記19のバインダー組成物からなる鋳型造形
用組成物。
29.添加物がフェノール性レゾール樹脂に対して、その
重量が約2%から約6%の量存在する上記28記載の鋳型
造形用組成物。
30.添加物がフェノキシエタノールである上記28記載の
鋳型造形用組成物。
31.次の工程: (a)粒状の耐火性物質を耐火性物質の重量の約0.5%
から約8%の上記15のバインダー組成物と混合し; (b)耐火性物質とバインダーの混合物を通気換気した
鋳物用コアまたは金型箱の中に入れ;そして (c)コアまたは金型箱の中の混合物に揮発性のエステ
ルを通気すること; を含む鋳物用中子と金型の製造方法。
32.粒状の耐火性物質が珪砂、クロム鉄鉱砂、ジルコン
酸、オリビン砂、及びそれらの混合物からなる上記31記
載の方法。
33.バインダーが砂の重量の約1%から約3%の量存在
する上記31記載の方法。
34.バインダーのアルカリ性水溶液を調製するのに用い
られるアルカリが、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム
及びそれらの混合物からなる群から選ばれる上記31記載
の方法。
35.アルカリ対フェノールの比が約0.4:1から約0.9:1で
ある上記34記載の方法。
36.耐火性物質とバインダーの混合物が更にシランを含
む上記31記載の方法。
37.揮発性のエステルが蟻酸のメチルエステルである上
記31記載の方法。
38.次の工程: (a)粒状の耐火性物質を耐火性物質の重量の約0.5%
から約8%の上記19のバインダーと混合し; (b)耐火性物質とバインダーの混合物を通気換気した
鋳物用コアまたは金型箱の中に入れ;そして (c)鋳物用のコアまたは金型箱の中の混合物に揮発性
のエステルを通気すること; を含む鋳物用中子と金型の製造方法。
39.添加物がフェノール性レゾール樹脂の重量約2%か
ら約6%の量存在する上記38記載の方法。
40.添加物がフェノキシエタノールである上記38記載の
方法。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C08L 61/06 LMR C08L 61/06 LMR LMS LMS C09J 161/06 JER C09J 161/06 JER (56)参考文献 特開 昭63−57624(JP,A) 特開 昭61−16913(JP,A) 特開 昭60−99118(JP,A) 特開 昭62−32111(JP,A) 特開 昭61−97314(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】次の段階: (a)フェノール類を二価の金属イオン触媒の存在下に
    7以下のpHでモル過剰のアルデヒドと、アルデヒドの重
    量の約20%から約90%がそのフェノール類と結合するま
    で反応せしめ; (b)段階(a)の混合物に十分量の塩基性触媒を添加
    して、pHを少なくとも約8まで上昇せしめ;そして (c)段階(b)で得られた混合物を、該混合物中の遊
    離のアルデヒドが混合物の重量の約2%以下になるまで
    加熱すること; を含む変成されたベンジルエーテル型レゾール樹脂の製
    造方法。
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