KR100236552B1 - 개선된 그린 강도를 갖는 모래 코어 및 주형의 제조 방법 및 그 조성물 - Google Patents

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Abstract

주조 코어 및 주형의 제조 방법, 제조된 코어 및 주형 및 모래 결합제가 기술됨. 결합제는 이소시아네이트 물질과 반응되고/되거나 이로 경화된 적절한 용매내 용해된 리그닌을 포함하는 수지이다. 사용된 리그닌은 2％ 이하의 나트륨 이온을 함유한다. 작용성이 3 이상, 바람직하게는 적어도 6인 폴리에테르 폴리올이 부가될 수 있다. +4의 원자가를 갖는 시스템에 사용하고 시스템에 가용성인 주석 촉매가 기재되어 있다. 코어 및 주형 세척시 주형 또는 코어에 내수성을 부여하기 위하여 소정의 물질이 시스템에 첨가된다. 적절한 물질은 비스페놀 A의 프로필렌 옥사이드 유도체이다.

Description

개선된 그린 강도를 갖는 모래 코어 및 주형의 제조 방법 및 그 조성물
현재, 주조 산업에 있어서의 모래 코어와 모래 주형의 그린 강성을 향상시키기 위한 주된 발명은 주조 수지에서 페놀 포름알데히드 수지를 완전히 대체한 리그닌을 사용하는 미합중국 특허 제 4,851,457 호에 공개되어 있다.
본 발명은 모래 코어와 주형의 그린 강도를 향상시킨다. 이러한 향상에 있어서, 하나의 중요한 면은 모래 코어가 자동 캐스팅과 같은 고생산 장비로 사용될 때, 모래 코어와 모래 주형, 특히 모래 코어 면에서의 인장강도의 증가이다. 일반적으로 이러한 모래 코어는 고생산 자동 장비에서 생산되며, 콘베이어 벨트상에 모래 코어를 낙하시킨다. 이러한 점에 있어서, 모래 코어가 가능한한 빨리 충분한 그린 강도를 가져서 모래 코어가 콘베이어 벨트 상으로 낙하될 때 파괴되거나 다른 코어에 손상을 입히지 않는 것이 중요하다. 만약 모래 코어가 손상을 입는다면, 결함이 있거나 쓸모없는 캐스팅을 생산할 것이다. 생산을 최대로 하기 위해 모래 주형이 가능한한 빨리 패턴으로부터 제거되는 고생산 주조소에서 이것은 사실이다. 패턴으로부터 제거되기 전에 충분한 그린 강성을 갖는 주형을 갖는 것이 바람직한 모래 주형에서 이러한 상황은 동일하다. 따라서, 모래 주형이 강할수록, 쓸모없는 캐스팅이 덜 생산된다.
본 발명의 제 1의 특징은 리그닌내의 나트륨 또는 다른 무기 이온들의 수준 또는 존재가 모래 코어 및 모래 주형의 품질에 상당한 영향을 미친다는 것을 발견하였다는 것이다. 만약 나트륨 이온이 너무 많다면, 결과의 주조 수지는 주조 산업에서 유용한 산물에 요구되는 충분하고 장기적인 그린 강성을 갖는 모래 코어 및 주형을 생산할 수 없는 “고 나트륨 리그닌”이 될 것임이 알려졌다. 고도의 나트륨 화합물 또는 다른 무기 이온은 다양한 용매내에서의 리그닌의 용해도에 문제를 야기시킨다. 또한, 이들은 여러 촉매의 활성에 영향을 미친다. 이러한 무기이온은 재순환이 매우 통상적이기 때문에 연속적으로 재순환된 주조 모래내에서 형성될 수 있다.
이 결과로서, 나트륨 및/또는 다른 이온의 수준을 특정 수준 이하로 유지함으로써, 전술한 문제점을 최소화하고, 품질이 좋은 캐스팅을 탱산할 수 있게할 충분한 그린 강도를 갖는 모래 코어 및 모래 주형을 생산할 수 있음이 밝혀졌다.
리그닌이 2％ 이하의 나트륨을 포함하는 것, 바람직하게는 리그닌이 1％ 미만의 나트륨 또는 다른 무기 이온을 포함하는 것이 바람직하다.
모래 코어 및 모래 주형의 그린 강도를 향상시키기 위한 다른 특징이 발견되었다. 미합중국 특허 제 4,851,457 호에 공개되어 있는 이러한 기술의 일부로서, 리그닌은 페놀-포름알데히드 수지 및 수지 시스템을 다소 변형시키기 위해 특허에서 언급된 물질 TP-440과 같은 폴리올을 완전히 교체한다. TP-440은 3-작용성 폴리에테르 폴리올이다. 앞서 언급된 모래 코어 또는 모래 주형의 그린 강도를 향상시키기 위해, 예를들면 3 이상의 작용성을 가진 폴리올과 같이 고작용성 폴리올로 폴리올을 교체하는 것이 상당한 향상을 부여함이 발견되었다. 고작용성을 가진 폴리올을 사용하는 모래 코어 또는 모래 주형은 짧은 시간내에 큰 그린 강도를 창출한다. 이것은 특히 Pluracol 975와 같은 폴리올이 사용되었을 때 사실이다.
이것은 Pluracol 975가 6의 작용성을 갖기 때문이다. Pluracol 975는 프로필렌 옥사이드를 수크로즈와 반응시킴으로써 제조된다.
Pluracol 240 또한 사용될 수 있다. 이것은 분자당 단지 3개의 반응성 히드록실기를 갖는 TP-400과 비교하면, 미합중국 특허 제 4,852,457의 실시예에서 교시된 바와 같이, 기술된 주조 조성물내에서 TP-440을 Pluracol 975로 교체함으로써 단시간내에 높은 그린 강성이 획들될 수 있음을 당 분야의 숙련인은 알 수 있을 것이다. 이것은 경화 과정에서, 리그닌과 폴리올 혼합물을 폴리이소시아네이트와 반응시켜 가능한 한 빨리 고분자의 열경화 중합체를 생산하는 것이 목적이기 때문이다. 이것은 모든 모래 입자가 함께 결합하여 모래 코어 또는 모래 주형을 형성하는 중합체 시스템이다. 이러한 폴리올의 사용은 시스템이 2％ 이상의 나트륨을 포함하거나 포함하지 않건간에 유리하다.
분자가 갖는 높은 작용성은 고분자 중합체가 보다 빨리 제조되도록 한다. 이것이 주조 산업에서 의미하는 것은 단기간내의 높은 그린 강도이며, 모래 코어 및 모래 주형을 생산하기 위한 높은 생산성을 의미한다. 또한 높은 그린 강도는 모래 코어 및 모래 주형이 적은 결함을 가져서 고품질의 캐스팅이 생산될 것임을 의미한다.
캐스팅의 품질을 향상시키는 하나의 방법은, 모래 코어 또는 주형상에 코어와시를 사용하는 것이다. 코어 와시가 용융된 금속으로부터의 부가의 보호를 제공하기 때문에 캐스팅의 품질을 향상시키기 위해 와시 모래 코어를 중심에 두는 것은 일반적으로 통상적이다. 때때로 용융된 금속의 온도는 강철 또는 스테인레스 강과 같은 특정 금속에서 3000˚F를 초과한다.
일반적으로, 이러한 코어 와시는 여러 안료, 결합제 및 용매의 혼합물이다. 어떤 경우에 있어서, 용매는 이소프로필 알콜과 같은 알콜이다. 알콜이 매우 가염성 물질이라는 사실 때문에 용매로서 물만을 사용하는 코어 와시가 바람직해지고 있다. 그러나, 물-기본 코어 와시에 존재하는 물은 모래 코어를 약화시키는 경향이 있다. 모래 코어가 약해지면서 파괴되거나 잘게 쪼개져서 사용할 수 없게되거나 또는 손상된 모래 코어가 저품질 또는 쓸모없는 캐스팅을 생산하는 경향성을 가지기 때문에 이것은 매우 심각한 문제를 유발사킨다. 또한 약화된 모래코어는 용융된 금속의 특징인 고온 및 부식을 잘 견디지 못할 것이므로 저품질의 캐스팅과 심지어는 쓸모없는 캐스팅을 생산할 것이다.
모래 코어가 코어 와시에 존재하는 물에 대한 향상된 내성을 가질 수 있다면 상업적으로 상당히 유리하다. 모래 코어내 물에 대한 향상된 내성을 달성하기 위해, 모래 코어 또는 모래 주형을 제조하기 위해 사용되는 수지는 물 기본 코어 와시에 존재하는 물에 대한 향상된 내성을 부여해야 한다. 본 발명의 일부로서 본원에 공개된, 이소시아네이트를 포함하는 특정 물질을 1부 또는 2부로 수지에 가하는 것이 알려졌다. 이러한 첨가제는 필요하다면 촉매 시스템에도 가해질 수 있다. 이러한 첨가제는 물 기본 코어 와시에 존재하는 물에 대한 향상된 내성을 부여한다. 첨가제는 반응성 작용기를 포함할 수 있으므로 이러한 작용기는 경화제내에 존재하는 이소시아네이트기와 반응할 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 첨가제는 모래 입자를 함께 결합시키는데 사용되는 수지 시스템으로 반응되며 모래 코어 또는 모래 주형을 형성한다. 어러한 첨가제의 예로는 비스 페놀 A의 프로필렌 옥사이드 유도체인 Dow 수지 565로 알려진 물질이 있다.
그러나, 첨가제는 경화제내에 존재하는 이소시아네이트기와 반응하는 어떠한 반응성 작용기도 포함하지 않는 물질일 수 있다. 이러한 첨가제는 또한 리그닌수지 시스템, 이소시아네이트 경화제 시스템, 또는 촉매 시스템에 첨가될 수 있다. 또한 테르펜 수지, 테르펜 페놀류, 쿠마론-인덴 수지, 로진 변형된 페놀류, 물질 및 합성 왁스와 같은 물질 및 석유 수지 또한 모래 코어 또는 주형의 물 또는 습기로서의 수증기에 대한 내성을 향상시키기 위해 혼합물에 첨가될 수 있다. 반응성 히드록실을 갖지 않은 로진 에스테르 또한 첨가될 수 있다.
수지 시스템에의 이러한 물질의 첨가는 수증기, 물, 증기, 습기 및 물 기본코어 와시에 존재하는 물에 대한 모래 코어 또는 주형의 내성을 극도로 향상시킨다.
이소시아네이트 및 히드록실기간의 반응을 촉매하는데 사용된 촉매중 하나는 주석이다. 주석 촉매의 장점은 반응 속도를 증가시킬 뿐 아니라 다양한 아민과 상응효과를 갖는다는 것이다. 이러한 주석 촉매와 아민 촉매의 배합물은 각각의 촉매를 별개로 사용했을때 보다 우레탄 반응 속도를 훨씬 증가시킬 것이다. 반응 속도가 빠를수록 수지 시스템 경화가 빠르며, 이것은 다양한 모래 코어 또는 모래 주형이 가능한 한 빨리 그들의 그린 강도를 발생시킴을 의미하기 때문에 이것은 주조 산업에 있어 중요하다. 강력한 모래 코어 또는 모래 주형은 난파성과 높은 생산 속도를 의미한다. 그러나, 시판되는 주속 촉매는 주석 이온이 2의 원자가를 갖는 화합물을 기본으로 한다. 주석 이온이 2의 원자가를 갖는다는 사실은, 물 존재하에서 4의 원자가를 갖는 주석 이온으로 쉽게 산화된다는 것을 의미한다. 그 후 일어나는 것은 주석 화합물이 수지 시스템에 불용성이 되어 촉매 활성을 잃는 것이다. 이것이 일어날 때, 수지 시스템은 제대로 경화되지 않으며 모래 코어 및 모래 주형은 충분한 그린 강도를 나타내지 못한다. 모래 코어 및 모래 주형이 높은 수준으로 파괴된다. 대부분의 주조 모래가 특정 양의 존재하는 습기를 갖기 때문에, 이 습기 수준만으로도 2의 원자가를 갖는 주석 촉매가 그의 촉매적 활성을 상실하도록 하기에 충분하다.
4의 원자가를 갖는 주석 화합물인 주석 촉매는 이러한 수지 시스템에 사용성이며 예외적으로 매우 잘 작용함이 발견되었다. 이러한 주석 4 화합물은 습기에 노출되어도 그들의 촉매적 활성을 상실하지 않는다. 이러한 주석 4 화합물을 사용함으로써, 본 발명은 폴리올 첨가제의 존재 또는 부재하, 또는 시스템이 2％ 이상의 나트륨을 가짐과 관계 없이 이소시아네이트를 가교제 또는 경화제로 사용하는 주조 수지용으로 사용되는 안정한 촉매 시스템을 가능하게 한다. 이러한 화합물에는 DABCO T1402 촉매라 불리는 Air Products ＆ Chemicals의 제품인 디부틸주석비스(1-티오글리세롤)이 포함된다.
[실시예 1]
적어도 100 파운드의 모래를 혼합할 만한 용량을 가진 표준 실험 주조 멀러(muller)에 100 파운드의 주조 모래를 채우고 혼합한다. 프로필렌 카보네이트(Arco Chemical로 부터의 용매)와 2％ 미만의 나트륨 또는 수용성 무기 이온을 함유하는 리그닌을 혼합함으로써 50％ 리그닌 용액 1 파운드가 제조된다. 수지 용액을 모래에 첨가하고 2분간 혼합되도록 한다. 그후 0.4 파운드의 Papi 27(폴리메틸렌 폴리페닐 이소시아네이트)를 이 혼합물에 가하여 1분간 혼합되도록 한다. 이 주조 혼합물은 코어로 성형된 후, 3차 아민을 함유한 불활성 기체가 코어를 통해 통과하여 신속하게 코어를 경화시킴으로써 주형으로부터 제거될 수 있게 한다. 이 경화된 주형은 그 후 모래 코어 상자에 놓이며 용융된 주철이 주형내로 부어진다. 용융된 철이 코어를 둘러싸고 충분히 냉각되었을 때, 주철 부분이 주형으로부터 제거된다. 이 코어는 우수한 부분 뿐 아니라 수지를 파괴시키기에 충분한 용융된 금속으로부터의 열을 생산하기 때문에 금속 열경화후에 코어는 느슨해지고 모래는 캐스팅 내부로부터 쉽게 제거된다. 이것은 리그닌 분자가 폴리이소시아네이트로 적절히 경화되었을 때, 충분한 그린 강도를 가질뿐 아니라, 용융된 금속이 성형될 때까지 용융된 금속으로부터의 열을 견딜만큼 강한 코어를 생산함을 보여준다. 또한, 리그닌 분자는 쉽게 파괴되어 모래가 쉽게 제거되도록 한다.
리그닌이 크래프트 소다 리그닌으로 교체된 것을 제외하고는 동일한 실시예가 재반복된다.
Papi 27이 시판되는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트내의 이소시아네이트 종결된 예비중합체인 Modur PF 70％ 용액으로 교체된 것을 제외하고는 초기에 수행되었던 바와 동일한 실시예가 재반복된다.
0.4파운드의 Papi 27이 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트내의 0.24 파운드의 Papi 27(방향족 폴리이소시아테이트) 및 0.25 파운드의 Mon역 PF(이소시아네이트로 종결된 예비중합체)의 70％ 용액으로 교체된 것을 제외하고는 초기에 수행되었던 바와 동일한 실시예가 재반복된다.
DBE내의 50％ 리그닌 용액 1 파운드가 프로필렌 카보네이트내에 용해된 50％리그닌 용액 1 파운드로 교체된 것을 제외하고는 초기에 수행되었던 바와 동일한 실시예가 재반복된다.
1 파운드의 리그닌이 0.3 파운드의 리그닌, 0.1 파운드의 Pluracol 101(폴리에테르 폴리올) 및 0.5 파운드의 프로필렌 카보네이트(용매)로 이루어진 리그닌 혼합물 0.1 파운드로 교체된 것을 제외하고는 초기에 수행되었던 바와 동일한 실시예가 재반복 된다.
이러한 부가의 실시예에서, 생산된 코어는 초기의 실시예에서 생산된 것만큼 만족스러웠다.
[실시예 2]
본 실시예는 크래프트 리그닌이 Pluracol 975와 같은 폴리에테르 폴리올 또는 BASF로부터의 폴리에테르 폴리올 배합물과 혼합될 수 있어, 다양한 물리적 특성이 수득될 수 있음을 보여준다. 적어도 100 파운드의 주조 모래를 혼합할 만한 용량을 가진 표준 실험 주조 멀러(muller)에 100 파운드의 주조 모래를 채우고 1 파운드의 리그닌 폴리에테르 폴리올 혼합물이 모래에 가해지는 동안 혼합되도록 한다. 리그닌 폴리에테르 폴리올 혼합물이 1부의 크래프트 리그닌 및 1부의 Pluracol 975 폴리에테르 폴리올(프로필렌 옥사이드와 +6의 작용성, 390의히드록실 수를 가진 수크로즈와의 반응산물) 및 수부의 DBE 용매(디메틸 글루타레이트, 디메틸 아디페이트 디메틸 숙시네이트-Dupont-혼합된 지방족 디메틸 에스테르)로 구성된다. 이 혼합물을 2분간 혼합되게 한후 0.4 파운드의 Papi 27(폴리에틸렌 폴리페닐 이소시아네이트)를 혼합물에 가하여 1분간 혼합되도록 한다. 이 주조 혼합물은 코어로 성형된 다음 3차 아민을 함유한 불활성 기체가 코어를 통과하여 신속하게 코어를 경화시킴으로써 충분한 그린 강도를 가지며 주형으로부터 제거될 수 있게 한다. 이 경화된 코어는 그 후 모래 코어 상자에 놓이며 용융된 주철이 주형내로 부어진다. 용융된 주철이 코어를 둘러싸고 충분히 냉각되었을 때, 주철 부분이 주형으로부터 제거된다. 이 코어는 우수한 부분을 생산하며 모래는 모래 주형으로부터 쉽게 제거된다.
리그닌이 크래프트 소다 리그닌으로 교체된 것을 제외하고는 동일한 실시예가 재반복 된다.
0.5 파운드의 Papi 27이 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트내의 70％ Mon역 PF 용액(시판되는 이소시아네이트 종결된 예비중합체) 0.8 파운드로 교체된 것을 제외하고는 초기에 수행되었던 바와 동일한 실시예가 재반복된다.
이러한 부가의 실시예에서, 생산된 코어는 초기의 실시예에서 생산된 것만큼 만족스러웠다.
[실시예 3]
본 실시예는 경화 속도를 증가시키기 위한, 주석 이온이 +4의 원자가를 갖는 주석 촉매 (DABCO T1402로 공지)의 사용을 설명한다. 주석 및 아민 촉매의 배합은 경화 속도에 상승 효과를 끼친다. 코어가 불활성 기체(즉, 질소) 스티림 내에서 아민에 노출되어야 하는 시간을 감소시킬 수 있어서, 생산성을 개선할 것이다. 적어도 100파운드의 주조 모래를 혼합하기 위한 용량을 갖는 표준 실험실 주조 멀러에 100파운드의 주조 모래를 넣고 혼합하면서, 0.4파운드의 Papi 27 (방향족 이소시아네이트)을 함유하는 DBE(디메틸 글루타레이트, 디메틸 아디페이트, 디메틸 숙시네이트--Dupont 혼합된 지방족 디메틸 에스테르)내 50％ 리그닌 용액 1파운드를 이 혼합물에 첨가하고 1분 동안 혼합한다. DABCO T1402를 0.2％의 양으로 첨가한다.
주조 혼합물을 코어로 성형한 다음, 3급 아민을 포함하는 불활성 기체를 코어를 통하여 통과시켜, 코어내의 수지를 신속하게 경화시켜 충분한 그린 강도를 갖도록 하여, 주형으로부터 제거될 수 있게 한다. 주석 촉매의 존재는 코어가 아민 기체에 노출되는 시간을 적어도 40％ 감소시킨다.
이어서, 경화된 코어를 적절한 외부 모래 주형에 놓고, 용융된 주철을 주형내로 넣는다. 이어서, 용융된 주철은 코어를 둘러싸며, 충분하게 냉각되었을 때 주철 부분을 모래 주형으로부터 제거한다.
이러한 코어는 우수한 부분을 생산하고, 모래는 부분의 내부에서 쉽게 제거된다.
리그린이 크래프트 소다 리그닌로 교체된 것을 제외하고는 동일한 실시예가 다시 반복된다.
0.5파운드의 Papi 27이 0.8파운드의 Mon역 PF (시판되는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트내 이소시아네이트 종결된 예비중합체) 70％ 용액으로 교체된 것을 제외하고는 동일한 실시예를 다시 반복한다.
이들 부가 실시예에서 생산된 코어는 처음 실시예에서 생산된 코어만큼 만족스럽다.
코어를 생산하기 위해 사용된 모래 및 수지의 양은 큰 부피의 물질을 나타낸다. 그러나, 이는 코어를 둘러싸는 모래 주형을 생산하기 위해 사용된 물질의 분편을 나타낸다. 이 외부 주형은 불활성 기체 스트림내 아민 기체를 사용하여 경화되지 않는다. 이는 모래 수지 이소시아네이트 혼합물에 촉매 또는 촉매의 배합물을 첨가함으로써 경화된다. 이러한 혼합물이 일단 완전히 혼합되면, 즉시 경화하기 시작하여, 보통 수초내에 충분한 그린 강도를 가져 모래 주형을 보통 모래를 원하는 형태로 제공하기 위해 디자인된 목재 주형인 코프(cope) 및 드랙(drag)으로부터 제거할 수 있는 정도로 경화한다.
[실시예 4]
적어도 100파운드의 주조 모래를 혼합하기 위한 용량을 갖는 표준 실험실 주조 멀러에, 100파운드의 주조 모래를 넣고 혼합하면서, DBE(디메틸 글루타레이트, 디메틸 아디페이트, 디메틸 숙시네이트--Dupont-혼합된 지방족 디메틸 에스테르)내 50％ 리그닌 용액 1파운드를 첨가한다. 이 용액은 5％의 Dow 수지 565를 함유한다. 이어서, 여기에 모래를 첨가하고, 1분 동안 혼합한다. 이어서, 0.01파운드의 아민촉매 (즉, 페놀 프로필피리딘)를 혼합물에 첨가하고, 20초 동안만 혼합한다. 이 주조 혼합물을 코어 및 또한 외부 모래 주형으로 성형하며, 수분내에 코어는 충분한 그린 강도를 갖게 되어 주형으로부터 제거될 수 있다. 이 경화된 코어 및 외부 모래 주형을 함께 조립한 다음, 용융된 주철을 주형내로 붓는다. 용융된 주철은 코어를 둘러싸며, 충분히 냉각되었을 때, 주철 부분을 모래 주형으로부터 제거한다. 제거된 부분은 코어 및 외부 모래 주형이 잘 작동하여 코어 및 외부 모래 주형 모두를 위한 바인더로서 리그닌이 작용함을 보여주는 우수한 부분이다.
리그닌이 크래프트 소다 리그닌으로 교체된 것을 제외하고는 동일한 실시예를 다시 반복한다.
0.5파운드의 Papi 27이 0.8파운드의 Mon역 PF (시판되는 이소시아네이트 종결된 예비중합체 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트) 70％ 용액으로 교체된 것을 제외하고는 동일한 실시예를 다시 반복한다.
리그닌을 적절한 조건하의 용매 대신 폴리올에 용해시키거나 현탁시킬 수 있음이 해당 분야의 기술자에게 분명할 것이다.
이들 부가 실시예에서 생산된 코어는 처음 실시예에서 생산된 코어만큼 만족스럽다.
본 발명의 다른 공개는 리그닌 유형 폴리올을 사용하는 것이 주조 및 다른 물질을 위한 주된 상업적인 이점을 갖는 것을 발견한 것이다. 리그닌 분자가 일단 프로필렌 옥사이드, 에틸렌 옥사이드 또는 다른 옥시란 물질과 반응하면, 리그닌 분자의 물리적 특성에 극적인 변화가 생긴다. 하나의 주된 이점은 리그닌 분자의 용해성에서의 극적인 변화이다. 순수 리그닌 분자는 높은 ％의 산소를 포함하는 용매를 필요로하며, 이 용매는 일반적으로 주조 수지 시스템에서 사용된 탄화수수소 용매보다 고가이다. 따라서, 리그닌 분자를 프로필렌 옥사이드 또는 다른 옥시란 물질과 반응시킴으로써, 더 저렴한 탄화수소 용매를 사용할 수 있다. 또한, 리그닌 분자에서 다른 주된 변화는 이의 점도 특성이다. 리그닌 분자를 프로필렌 옥사이드 또는 물질을 함유하는 다른 옥시란과 반응시킴으로써, 주조 수지의 최종 점도는 동일한 고체 레벨에서 훨씬 낮다. 수지 및 모래의 배합 혼합물을 모래 코어 또는 모래 주형을 생산하기 위한 패턴에 넣기 전에 주조 수지 및 이소시아네이트를 모래와 혼합하기 위한 시간이 한정된 양으로만 존재하기 때문에 주조 수지의 점도는 매우 중요한 지표이다. 높은 점도의 주조 수지가 모래와 함께 매우 잘 혼합되지 않아 균일한 혼합물을 생산하지 않는 것이 결정된다. 결과적으로, 이 혼합물로부터 생산된 모래 코어 또는 모래 주형은 적절한 그린 강도를 갖지 않거나, 고농도의 비반응된 수지를 함유하는 일부 지역을 가져서 용융된 금속이 모래 코어 또는 모래주형과 접촉할 때 주형 결함을 초래할 수 있다. 가능한 많은 리그닌을 함유하는 리그닌 기본 폴리올을 생산하는 것이 또한 주된 이점이다. 이는 리그닌 폴리올을 제조하는 방법에서 일부 조성물이 프로필렌 옥사이드와 반응하여 많은 ％의 폴리에테르 폴리올을 생산할 많은 ％의 물을 함유할 수 있기 때문이다. 이러한 경우 바람직한 반응은 가능한 많은 리그닌과 반응하는 프로필렌 옥사이드 또는 다른 옥시란 물질을 가지는 것이다. 리그닌 폴리올의 제조 방법에서, 바람직한 반응은 리그닌 및 존재하는 최소한의 물을 함유하는 프로필렌 옥사이드 간에 일어나는 반응을 갖는 것이다. 물을 최소화하기 위해, 프로필렌 옥사이드 또는 물질을 함유하는, 다른 옥시란의 부반응을 최소화하여야 한다. 이러한 방식에서, 리그닌 분자 및 프로필렌 옥사이드 또는 물질을 함유하는 다른 옥시란 간의 반응에 중점을 두어야 한다.
프로필렌 옥사이드 또는 에틸렌 옥사이드 또는 물질을 함유하는 다른 옥시란과 반응될 리그닌 물질을 사용하는 주조 수지 제조 방법을 공개한다. 그러한 물질은 2％ 미만의 나트륨, 칼륨 또는 다른 이온을 포함하는 것이 바람직하다. 생성된 리그닌 폴리올은 적어도 21％의 리그닌을 함유하여야 한다.
주조 수지의 점도를 감소시키기 위해 탄화수소 용매가 사용되는 방법;
리그닌 기본 폴리올에 기본 주조의 점도를 감소시키기 위해 산소첨가된 용매가 사용되는 방법;
리그닌 기본 폴리올에 기본 주조 수지의 점도를 감소시키기 위해 탄화수소 용매 및 산소첨가된 용매의 배합이 사용되는 방법;
리그닌 기본 폴리올이 이를 더 반응성이 되도록 하는 1차 히드록실을 함유하도록 리그닌 기본 분자가 에틸렌 옥사이드로 캡핑되는 방법;
리그닌 기본 분자 또는 폴리올을 분자와 반응시켜 종결 1차 히드록실을 갖는 폴리올을 생산하는 방법이 공개된다.
프로필렌 옥사이드와 리그닌 분자의 반응은 작용기로서 2차 히드록실로 종결되는 리그닌 기본 폴리올을 생산할 것이다. 그러나, 우레탄 화학에서, 2차 히드록실이 1차 히드록실 만큼 이소시아네이트와 반응하지 않음이 공지되어 있다. 이 사실은 주조에서 중요한 상업적 이점을 갖는다. 이는 1차 히드록실이 더 빠른 반응으로 인해 2차 히드록실을 포함하는 수지보다 더 빨리 가교결합하거나 경화할 것임을 의미한다. 이는 더 짧은 시간내에 모래 코어 또는 모래 주형이 적절한 그린 강도를 갖게 될 것임을 의미한다. 이는 주조를 위한 높은 생산성 및 더 적은 결함 및 쓸모없는 캐스팅을 의미한다.
[실시예 5]
코어를 생산하기 위해 사용된 모래 및 수지의 양은 큰 부피의 물질을 나타낸다. 그러나, 이는 코어를 둘러싸는 모래 주형을 생산하기 위해 사용된 물질의 분편을 나타낸다. 이 외부 주형은 불활성 기체 스트림내 아민 기체를 사용하여 경화되지 않는다. 이는 모래 수지 이소시아네이트 혼합물에 촉매 또는 촉매의 배합물을 첨가함으로써 경화된다. 혼합물이 일단 완전히 혼합되면, 즉시 경화되기 시작하여, 보통 수분내에 충분한 그린 강도를 가져서 모래 주형이 보통 원하는 형태로 모래를 제공하기 위해 디자인된 목재 주형인 코프 및 드랙으로부터 제거될 수 있는 정도로 경화한다.
적어도 100파운드의 주조 모래를 혼합하기 위한 용량을 갖는 표준 실험실 주조 멀러에, 100파운드의 주조 모래를 넣고 혼합하면서, 0.8파운드의 리그닌 폴리올(리그닌 및 프로필렌 옥사이드의 반응 생성물) 및 0.2파운드의 PM 아세테이트 (프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트)를 포함하는 혼합물 1파운드를 모래에 첨가하고 1분 동안 혼합한다. 이어서, 0.8파운드의 Papi 27 (방향족 이소시아네이트)를 이 혼합물에 첨가하고 1분 동안 혼합한다. 이어서, 0.01파운드의 아민 촉매(즉, 페놀 프로필피리딘)를 혼합물에 첨가하고 20초 동안만 혼합한다. 이 주조 혼합물을 코어 및 또한 외부 모래 주형으로 성형하며, 수분내에 코어는 충분한 그린강도를 갖게 되어 주형으로부터 제거될 수 있다. 이 경화된 코어 및 외부 모래 주형을 함께 조립한 다음, 용융된 주철을 주형내에 붓는다. 용융된 주철은 코어를 둘러싸며, 충분히 냉각되었을 때, 주철 부분을 모래 주형으로부터 제거한다. 제거된 부분은 코어 및 외부 모래 주형이 잘 작동하여 코어 및 외부 모래 주형 모두에 바인더로서 리그닌이 작용함을 보이는 우수한 부분이다.
[실시예 6]
코어를 생산하기 위해 사용된 모래 및 수지의 양은 큰 부피의 물질을 나타낸다. 그러나, 이는 코어를 둘러싸는 모래 주형을 생산하기 위해 사용된 물질의 분편을 나타낸다. 이 외부 주형은 불활성 기체 스트림내 아민 기체를 사용하여 경화되지 않는다. 이는 모래 수지 이소시아네이트 혼합물에 촉매 또는 촉매의 배합물을 첨가함으로써 경화된다. 혼합물이 일단 완전히 혼합되면, 즉시 경화되기 시작하여, 보통 수분내에 충분한 그린 강도를 갖게 되어 모래 주형이 보통 원하는 형태로 모래를 제공하기 위해 디자인된 목재 주형인 코프 및 드랙으로부터 제거될 수 있는 정도로 경화한다.
적어도 100파운드의 주조 모래를 혼합하기 위한 용량을 갖는 표준 실험실 주조 멀러에, 100파운드의 주조 모래를 넣고 혼합하면서, 0.6파운드의 리그닌 폴리올(리그닌 및 프로필렌 옥사이드의 반응 생성물), 0.2파운드의 리그닌 및 0.2파운드의 프로필렌 카보네이트를 포함하는 혼합물 1파운드를 모래에 첨가하고 1분 동안 혼합한다. 이어서, 0.8파운드이 Papi 27 (방향족 이소시아네이트)를 이 혼합물에 첨가하고 1분 동안 혼합한다. 이어서, 0.01파운드의 아민 촉매 (즉, 페놀 프로필 피리딘)를 혼합물에 첨가하고 20초 동안만 혼합한다. 이 주조 혼합물을 코어 및 또한 외부 모래 주형으로 성형하며, 수분내에 코어는 충분한 그린 강도를 갖게 되어 주형으로부터 제거될 수 있다. 이 경화된 코어 및 외부 모래 주형을 함께 조립한 다음, 용융된 주철을 주형내에 붓는다. 용융된 주철은 코어를 둘러싸며, 충분히 냉각되었을 때, 주철 부분을 모래 주형으로부터 제거한다. 제거된 부분은 코어 및 외부 모래 주형이 잘 작동하여 코어 및 외부 모래 주형 모두에 바인더로서 리그닌이 작용함을 나타내는 우수한 부분이다. 일반적인 기준으로서, 사용될 리그닌, 이소시아네이트, 옹매 및 촉매의 상대량을 결정하는데 U.S.특허 제 4,851,457호의 내용을 이용할 수 있다.
본 발명은 바람직한 구체예를 특히 강조하여 상세하게 설명되지만, 본 발명에 관련된 해당 분야의 기술자가 발명의 취지 및 범위내에서 변경 및 변형을 할 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (32)

  1. 리그닌을 용매에 용해시키고, 상기 리그닌-용매 용액과 이소시아네이트를 모래와 혼합하고, 상기 혼합물을 코어 또는 주형으로 성형하여 상기 혼합물이 경화하도록 방치하는 단계들을 포함하여 구성되며, 상기 리그닌과 이소시아네이트는 모래의 1/4 중량％ 의 양으로 존재하고, 상기 리그닌은 2％ 미만의 나트륨 이온을 함유하는 것을 특징으로 하는, 모래 코어 또는 주형의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 3 이상의 작용성을 갖는 폴리올을 상기 혼합물에 첨가하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, +4의 원자가를 갖는 주석 화합물인 주석 촉매를 상기 혼합물에 첨가하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, +4의 원자가를 갖는 주석 화합물인 주석 촉매를 상기 혼합물에 첨가하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 코어 또는 주형의 내수성을 증가시키기 위하여, 상기 혼합물에 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 첨가하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 코어 또는 주형의 내수성을 증가시키기 위하여, 상기 혼합물에 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 첨가하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 코어 또는 주형의 내수성을 증가시키기 위하여, 상기 혼합물에 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 첨가하는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 코어 또는 주형의 내수성을 증가시키기 위하여, 상기 혼합물에 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 첨가하는 방법.
  9. 용매에 용해되어 모래 및 이소시아네이트와 혼합된 리그닌을 함유하는, 경화 상태로 경화 가능한 주조 코어 또는 주형 조성물로서, 상기 리그닌과 이소시아네트는 모래의 1/4 중량％의 양으로 존재하고, 상기 리그닌은 2％ 미만의 나트륨 이온을 함유하는 조성물.
  10. 제9항에 있어서, +4의 원자가를 갖는 주석 촉매를 함유하는 조성물.
  11. 제9항에 있어서, 3 이상의 작용성을 갖는 폴리올을 함유하는 조성물.
  12. 제9항에 있어서, 코어 또는 주형의 내수성을 증가시키기 위하여, 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 함유하는 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 코어 또는 주형의 내수성을 증가시키기 위하여, 상기 혼합물에 테르핀 수지, 테르핀 페놀 수지, 쿠마론-인덴 수지, 로진, 로진 에스테르, 개질된 페놀 수지, 천연 및 합성 왁스, 그리고 석유 레진으로 구성되는 물질의 군으로부터 선택된 한 물질을 첨가하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 코어 또는 주형의 내수성을 증가시키기 위하여, 혼합물 내에 테르핀 수지, 테르핀 페놀 수지, 쿠마론-인덴 수지, 로진, 로진 에스테르, 개질된 페놀 수지, 천연 및 합성 왁스, 그리고 석유 레진으로 구성되는 물질의 군으로부터 선택된 한 물질이 첨가된 조성물.
  15. 제5항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  16. 제6항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  17. 제8항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  18. 제7항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  19. 제11항에 있어서, +4 의 원자가를 갖는 주석 촉매를 함유하는 조성물.
  20. 제11항에 있어서, 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 함유하는 조성물.
  21. 제19항에 있어서, 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 함유하는 조성물.
  22. 제10항에 있어서, 옥시란 및 비스 페놀 A의 반응 생성물을 함유하는 조성물.
  23. 제12항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  24. 제20항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  25. 제21항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  26. 제22항에 있어서, 상기 옥시란은 에틸렌 옥시드 및 프로필렌 옥시드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 조성물.
  27. 제1항에 있어서, 경화를 돕기 위하여 아민 촉매를 사용하는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
  28. 제3항에 있어서, 성형된 코어 또는 주형을 아민 촉매에 적용시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
  29. 제4항에 있어서, 성형된 코어 또는 주형을 아민 촉매에 적용시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
  30. 제9항에 있어서, 아민 촉매에 의하여 경화되는 조성물.
  31. 제10항에 있어서, 아민 촉매에 의하여 경화되는 조성물.
  32. 제19항에 있어서, 아민 촉매에 의하여 경화되는 조성물.
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