JP4452965B2 - シェルモールド用樹脂組成物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳物の鋳型を製造するときの粘結剤として使用される樹脂に関するものであり、特にアルミ鋳物を製造する時の、鋳型の崩壊性、鋳型強度の良好なシェルモールド用樹脂の組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シェルモールド用鋳型の材料は、新砂あるいは再生砂に１４０〜１８０℃で溶解されたフェノール樹脂と場合によっては、硬化剤であるへキサミンとを混練して被覆したレジンコーテッドサンド（以下ＲＣＳという）である。このＲＣＳを２２０〜３００℃の所定の金型に吹き込んで、フェノール樹脂を硬化させて鋳型を製造している。フェノール樹脂は、他の樹脂に比べて耐熱性に優れているため、鉄等の溶融金属（１２００〜１５００℃）の注湯時には鋳型は壊れず、溶融金属が固化した後に樹脂が酸化、炭化劣化して鋳型を壊すことができ、容易に鋳物製品を取り出せた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近自動車関連の部品等で、軽量化を目的にアルミ部品が使用されるようになってきており、アルミ合金のような低温溶湯（約７００℃）の鋳物製造が増えてきている。溶解温度が低温のアルミ合金で鋳物を製造する場合、従来のフェノール樹脂を用いた鋳型では、樹脂の分解、劣化が起こりにくくなり、金属固化後に鋳型自体が崩壊せず、鋳物中に残るといった問題があった。この対策として、注湯後の鋳物を再度高温炉で熱処理を行い、残存鋳型を除去する方法と物理的な衝撃を鋳物に与えて除去する方法があった。何れの方法もかなりのエネルギーを必要とし、また鋳物製品に２次的な負荷が加えられるといった問題があり、注湯後鋳物が固化したら自然に鋳型が崩壊するような易崩壊性の樹脂の要求があった。
【０００４】
易崩壊性樹脂を作製する手法として、樹脂骨格にＣ−Ｃ結合より結合エネルギーの小さいＣ−Ｎ結合を導入して樹脂劣化を促進させる、いわゆるメラミンや尿素で変性した樹脂を使用することが提案されている。また、樹脂劣化を促進させる添加剤の検討が進められており、酸化促進剤をフェノール樹脂に添加したものは、鋳型強度が低下する問題があった。
前述のように、アルミ鋳物を製造する際、溶融金属の温度が低温のため、鋳型の粘結剤であるフェノール樹脂は分解しにくく、注湯後鋳型が鋳物のなかに残ってしまうという課題がある。
【０００５】
本発明は、鋳型の粘結剤であるフェノール樹脂の崩壊性を向上させ、低温の溶融金属でも鋳型が残らない樹脂組成物を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のことを特徴とする。
（１）フェノール樹脂１００重量部に対して式１に示す構造のホスホン酸エステルを５〜５０重量部添加するシェルモールド用樹脂組成物であって、前記ホスホン酸エステルが、ジエチルベンジルホスホネートであることを特徴とするシェルモールド用樹脂組成物。
【化２】
（Ｒ、Ｒ１、Ｒ２：−Ｈ、アルキル基、アリール基、アラルキル基）
すなわち本発明は、シェルモールド法による鋳物の製造において、注湯時は目標の鋳型の強度を維持し、その上、低温（３５０〜４００℃）でも崩壊し易い鋳型用の粘結剤組成物を提供することを目的とする。特にフェノール樹脂１００重量部に対して、ホスホン酸エステル系の崩壊剤を５〜５０重量部添加および混合した樹脂は、低温（３５０〜４００℃）でも崩壊し易い樹脂であることを確認できた。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において使用されるフェノール樹脂を合成するときの材料のうち、フェノール類としては、フェノール、クレゾール、キシレノール等が用いられ、アルデヒド類はパラホルムアルデヒド、ホルマリン等が使用される。
フェノール樹脂としては、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂およびそれらの混合物、混融物が挙げられる。ノボラック型のフェノール樹脂としては、フェノールとホルムアルデヒドのモル比を１未満として酸触媒で合成した時に得られるノボラック型樹脂や、酢酸金属塩触媒を使用したハイオルソ型のノボラック型樹脂およびアルキル変性のフェノール樹脂等が挙げられる。
また、レゾール型のフェノール樹脂としては、フェノールとホルムアルデヒドのモル比を１以上としてアルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物を触媒にしたときのレゾール型フェノール樹脂、アンモニアや脂肪族、芳香族アミンを触媒として使用したレゾール型のフェノール樹脂、アルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物を触媒とアンモニアまたはアミン類を併用して得られるレゾール型フェノール樹脂が使用できる。
【０００８】
上記ノボラック型フェノール樹脂とレゾール型フェノール樹脂を併用して、ＲＣＳを製造することも可能である。また、フェノール樹脂としてノボラック型フェノール樹脂とレゾール型フェノール樹脂との混融物を使用することもできる。
ノボラック型フェノール樹脂とレゾール型フェノール樹脂とを併用または混融して用いる場合、両者の割合は特に制限はないが、レゾール型フェノール樹脂１００重量部に対し、ノボラック型フェノール樹脂が１００重量部以下、好ましくは４０〜７０重量部である。ノボラック型フェノール樹脂が多いと硬化速度が遅くなる傾向にある。
【０００９】
本発明に使用される崩壊剤としては、式１に示すホスホン酸エステル系のものが有効であった。
配合量は、フェノール樹脂１００重量部に対して５〜５０重量部であり、好ましくは１０〜３０重量部である。崩壊剤の配合量が５％未満であると崩壊性の効果がなく、また５０％を超えると樹脂の軟化点が著しく低下したり、ＲＣＳを製造したときは融着点が下がってブロッキングの要因となるうえ、硬化速度も遅くなる傾向にある。本発明で使用するホスホン酸エステルとしては、フェニル−ホスホン酸ジメチル、２−エチルヘキシル（２−エチルへキシル）ホスホネート、ジエチルホスホノ酢酸エチル、ジエチルホスホノ酢酸メチル、ジメチルホスホノ酢酸メチル、ジエチルベンジルホスホネート、２−カルボキシエチルホスホン酸等が挙げられる。またこの崩壊剤は、ＲＣＳを製造するときの砂の選択で新砂１００％でも再生砂１００％、または新砂と再生砂の混合系でも良好な崩壊性を示す。
【００１０】
本発明に使用されるフェノール樹脂中には、本発明の本質的な効果を阻害しない範囲で、必要に応じシランカップリング剤などを配合してもよい。シランカップリング剤は通常、砂と樹脂との接着力を大きくするために配合する。シェルモールド用粘結剤として使用する樹脂中に配合するシランカップリング剤としては、特に限定するものではないが、アミノシランカップリング剤が好ましく、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリエトキシシラン等が用いられている。その配合量は、特に限定されていないが、フェノール樹脂１００重量部に対して０．０５〜５重量部であり、好ましくは０．３〜１．０重量部である。０．０５重量部末満では、砂と樹脂との接着力が小さく鋳型強度が弱くなることが考えられる。また、５重量部より多い場合は、ＲＣＳのブロッキングと硬化速度が遅くなる問題が考えられる。
以下、本発明を実施例に基づき更に説明する。
【００１１】
【実施例】
参考例１
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いで２−エチルへキシル（２−エチルへキシル）ホスホネートを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１２】
参考例２
参考例１の２−エチルへキシル（２−エチルへキシル）ホスホネートの配合量を２１８ｇとして、ノボラック型フェノール樹脂ｌ４５０ｇを得た。
【００１３】
実施例１
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いでジエチルベンジルホスホネートを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１４】
実施例２
実施例１のジエチルベンジルホスホネートの配合量を２１８ｇとして、ノボラック型フェノール樹脂１４５０ｇを得た。
【００１５】
比較例ｌ
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、ノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１６】
比較例２
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いでトリフェニルホスフェ一トを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１７】
比較例３
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノ一ル１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いでトリフェニルホスファイトを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１８】
（樹脂被覆砂（ＲＣＳ）の製造）
１５０℃に加熱した新砂１０ｋｇに、上記参考例、実施例および比較例で得られた各樹脂２００ｇをスピ一ドミキサーで４０秒間混練した後、次いで１５％のヘキサメチレンテトラミン水溶液１５０ｇを添加し、砂が崩れるまで混練し、更にステアリン酸カルシウム１０ｇを添加し２０秒間混合後、ミキサーから排出してＲＣＳを得た。得られたＲＣＳを用いて、常温での抗折強度、融着点、４００℃、１０分加熱処理後の抗折強度を測定した。崩壊率は常温での抗折強度と４００℃、１０分加熱処理後の抗折強度の差から算出した。ＲＣＳの特性結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【発明の効果】
表１に示す結果から明らかな如く、本発明によれば、ホスホン酸エステル化合物を崩壊剤として使用することにより、常温での抗折強度が高くなり、また崩壊性が向上することがわかり、アルミ鋳物用のシェルモールド粘結剤用の樹脂を提供することが可能となった。
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳物の鋳型を製造するときの粘結剤として使用される樹脂に関するものであり、特にアルミ鋳物を製造する時の、鋳型の崩壊性、鋳型強度の良好なシェルモールド用樹脂の組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シェルモールド用鋳型の材料は、新砂あるいは再生砂に１４０〜１８０℃で溶解されたフェノール樹脂と場合によっては、硬化剤であるへキサミンとを混練して被覆したレジンコーテッドサンド（以下ＲＣＳという）である。このＲＣＳを２２０〜３００℃の所定の金型に吹き込んで、フェノール樹脂を硬化させて鋳型を製造している。フェノール樹脂は、他の樹脂に比べて耐熱性に優れているため、鉄等の溶融金属（１２００〜１５００℃）の注湯時には鋳型は壊れず、溶融金属が固化した後に樹脂が酸化、炭化劣化して鋳型を壊すことができ、容易に鋳物製品を取り出せた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近自動車関連の部品等で、軽量化を目的にアルミ部品が使用されるようになってきており、アルミ合金のような低温溶湯（約７００℃）の鋳物製造が増えてきている。溶解温度が低温のアルミ合金で鋳物を製造する場合、従来のフェノール樹脂を用いた鋳型では、樹脂の分解、劣化が起こりにくくなり、金属固化後に鋳型自体が崩壊せず、鋳物中に残るといった問題があった。この対策として、注湯後の鋳物を再度高温炉で熱処理を行い、残存鋳型を除去する方法と物理的な衝撃を鋳物に与えて除去する方法があった。何れの方法もかなりのエネルギーを必要とし、また鋳物製品に２次的な負荷が加えられるといった問題があり、注湯後鋳物が固化したら自然に鋳型が崩壊するような易崩壊性の樹脂の要求があった。
【０００４】
易崩壊性樹脂を作製する手法として、樹脂骨格にＣ−Ｃ結合より結合エネルギーの小さいＣ−Ｎ結合を導入して樹脂劣化を促進させる、いわゆるメラミンや尿素で変性した樹脂を使用することが提案されている。また、樹脂劣化を促進させる添加剤の検討が進められており、酸化促進剤をフェノール樹脂に添加したものは、鋳型強度が低下する問題があった。
前述のように、アルミ鋳物を製造する際、溶融金属の温度が低温のため、鋳型の粘結剤であるフェノール樹脂は分解しにくく、注湯後鋳型が鋳物のなかに残ってしまうという課題がある。
【０００５】
本発明は、鋳型の粘結剤であるフェノール樹脂の崩壊性を向上させ、低温の溶融金属でも鋳型が残らない樹脂組成物を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のことを特徴とする。
（１）フェノール樹脂１００重量部に対して式１に示す構造のホスホン酸エステルを５〜５０重量部添加するシェルモールド用樹脂組成物であって、前記ホスホン酸エステルが、ジエチルベンジルホスホネートであることを特徴とするシェルモールド用樹脂組成物。
【化２】
すなわち本発明は、シェルモールド法による鋳物の製造において、注湯時は目標の鋳型の強度を維持し、その上、低温（３５０〜４００℃）でも崩壊し易い鋳型用の粘結剤組成物を提供することを目的とする。特にフェノール樹脂１００重量部に対して、ホスホン酸エステル系の崩壊剤を５〜５０重量部添加および混合した樹脂は、低温（３５０〜４００℃）でも崩壊し易い樹脂であることを確認できた。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において使用されるフェノール樹脂を合成するときの材料のうち、フェノール類としては、フェノール、クレゾール、キシレノール等が用いられ、アルデヒド類はパラホルムアルデヒド、ホルマリン等が使用される。
フェノール樹脂としては、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂およびそれらの混合物、混融物が挙げられる。ノボラック型のフェノール樹脂としては、フェノールとホルムアルデヒドのモル比を１未満として酸触媒で合成した時に得られるノボラック型樹脂や、酢酸金属塩触媒を使用したハイオルソ型のノボラック型樹脂およびアルキル変性のフェノール樹脂等が挙げられる。
また、レゾール型のフェノール樹脂としては、フェノールとホルムアルデヒドのモル比を１以上としてアルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物を触媒にしたときのレゾール型フェノール樹脂、アンモニアや脂肪族、芳香族アミンを触媒として使用したレゾール型のフェノール樹脂、アルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物を触媒とアンモニアまたはアミン類を併用して得られるレゾール型フェノール樹脂が使用できる。
【０００８】
上記ノボラック型フェノール樹脂とレゾール型フェノール樹脂を併用して、ＲＣＳを製造することも可能である。また、フェノール樹脂としてノボラック型フェノール樹脂とレゾール型フェノール樹脂との混融物を使用することもできる。
ノボラック型フェノール樹脂とレゾール型フェノール樹脂とを併用または混融して用いる場合、両者の割合は特に制限はないが、レゾール型フェノール樹脂１００重量部に対し、ノボラック型フェノール樹脂が１００重量部以下、好ましくは４０〜７０重量部である。ノボラック型フェノール樹脂が多いと硬化速度が遅くなる傾向にある。
【０００９】
本発明に使用される崩壊剤としては、式１に示すホスホン酸エステル系のものが有効であった。
配合量は、フェノール樹脂１００重量部に対して５〜５０重量部であり、好ましくは１０〜３０重量部である。崩壊剤の配合量が５％未満であると崩壊性の効果がなく、また５０％を超えると樹脂の軟化点が著しく低下したり、ＲＣＳを製造したときは融着点が下がってブロッキングの要因となるうえ、硬化速度も遅くなる傾向にある。本発明で使用するホスホン酸エステルとしては、フェニル−ホスホン酸ジメチル、２−エチルヘキシル（２−エチルへキシル）ホスホネート、ジエチルホスホノ酢酸エチル、ジエチルホスホノ酢酸メチル、ジメチルホスホノ酢酸メチル、ジエチルベンジルホスホネート、２−カルボキシエチルホスホン酸等が挙げられる。またこの崩壊剤は、ＲＣＳを製造するときの砂の選択で新砂１００％でも再生砂１００％、または新砂と再生砂の混合系でも良好な崩壊性を示す。
【００１０】
本発明に使用されるフェノール樹脂中には、本発明の本質的な効果を阻害しない範囲で、必要に応じシランカップリング剤などを配合してもよい。シランカップリング剤は通常、砂と樹脂との接着力を大きくするために配合する。シェルモールド用粘結剤として使用する樹脂中に配合するシランカップリング剤としては、特に限定するものではないが、アミノシランカップリング剤が好ましく、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリエトキシシラン等が用いられている。その配合量は、特に限定されていないが、フェノール樹脂１００重量部に対して０．０５〜５重量部であり、好ましくは０．３〜１．０重量部である。０．０５重量部末満では、砂と樹脂との接着力が小さく鋳型強度が弱くなることが考えられる。また、５重量部より多い場合は、ＲＣＳのブロッキングと硬化速度が遅くなる問題が考えられる。
以下、本発明を実施例に基づき更に説明する。
【００１１】
【実施例】
参考例１
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いで２−エチルへキシル（２−エチルへキシル）ホスホネートを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１２】
参考例２
参考例１の２−エチルへキシル（２−エチルへキシル）ホスホネートの配合量を２１８ｇとして、ノボラック型フェノール樹脂ｌ４５０ｇを得た。
【００１３】
実施例１
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いでジエチルベンジルホスホネートを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１４】
実施例２
実施例１のジエチルベンジルホスホネートの配合量を２１８ｇとして、ノボラック型フェノール樹脂１４５０ｇを得た。
【００１５】
比較例ｌ
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、ノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１６】
比較例２
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノール１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いでトリフェニルホスフェ一トを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１７】
比較例３
攪拌器、還流冷却器、温度計を備えた四つ口フラスコにフェノ一ル１０００ｇ、３７％ホルマリン６８７ｇ及びしゅう酸７ｇを配合し、攪拌しながら湯浴上で加熱、還流温度で反応液が乳化するまで反応を行った。その後、減圧下で濃縮を行い、軟化点が８５℃になったら終点とし、次いでトリフェニルホスファイトを１３７ｇ加えてノボラック型フェノール樹脂１３７０ｇを得た。
【００１８】
（樹脂被覆砂（ＲＣＳ）の製造）
１５０℃に加熱した新砂１０ｋｇに、上記参考例、実施例および比較例で得られた各樹脂２００ｇをスピ一ドミキサーで４０秒間混練した後、次いで１５％のヘキサメチレンテトラミン水溶液１５０ｇを添加し、砂が崩れるまで混練し、更にステアリン酸カルシウム１０ｇを添加し２０秒間混合後、ミキサーから排出してＲＣＳを得た。得られたＲＣＳを用いて、常温での抗折強度、融着点、４００℃、１０分加熱処理後の抗折強度を測定した。崩壊率は常温での抗折強度と４００℃、１０分加熱処理後の抗折強度の差から算出した。ＲＣＳの特性結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
【発明の効果】
表１に示す結果から明らかな如く、本発明によれば、ホスホン酸エステル化合物を崩壊剤として使用することにより、常温での抗折強度が高くなり、また崩壊性が向上することがわかり、アルミ鋳物用のシェルモールド粘結剤用の樹脂を提供することが可能となった。
Claims (1)
- フェノール樹脂１００重量部に対して式１に示す構造のホスホン酸エステルを５〜５０重量部添加するシェルモールド用樹脂組成物であって、前記ホスホン酸エステルが、ジエチルベンジルホスホネートであることを特徴とするシェルモールド用樹脂組成物。
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