WO2014053458A1 - Polyurethangiessmasse zur herstellung von verschleissschutzschichten in giessereianwendungen - Google Patents

Polyurethangiessmasse zur herstellung von verschleissschutzschichten in giessereianwendungen Download PDF

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Wolfgang DÜRNAY
Florian GNEITING
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Definitions

  • the invention relates to a multicomponent composition
  • a multicomponent composition comprising an isocyanate component and an amine component, wherein the isocyanate component comprises a prepolymer obtainable from tolylene diisocyanate and a polytetramethylene polyol and the amine component comprises a dialkylthioaryldiamine and optionally a polytetramethylene oxide polyamine.
  • Appropriate compositions can be suitably used as casting resins for foundry modeling, wherein the compositions of the invention are particularly suitable as protective layers for core boxes and models for Sandkern- or sand mold production.
  • the present invention relates to a method for the production of models for foundry applications, wherein in the context of this method, a multi-component composition as described above is applied to a molding or poured and cured.
  • Core boxes and mold plates for metal casting can be made by known methods from metal or by machining from prefabricated polymeric block materials. Compared to pure metal tools, polymeric materials have the advantage of faster production and a longer service life and easier repairability and replaceability.
  • polyurethane casting resins based on dicyclohexylmethane diisocyanate prepolymers and diphenylmethanediamine (DDM) as curing agents have been used successfully for the production of surface protective coatings in foundry applications.
  • DDM diphenylmethanediamine
  • Such a resin was available, for example under the trade name Biresin ® U1320 Sika. These materials were characterized in particular with regard to their wear resistance and processability by outstanding properties.
  • REACH registration was not undertaken by the manufacturers of this product. Thus, the formulated products can no longer be processed from August 2014.
  • Polyurethanes based on aromatic polyisocyanates and polyalkylene glycols such as polytetramethylene glycol, the curing of which is effected by the addition of dialkylthioaryldiamines, are described in the prior art for various applications.
  • US 2010/314067 A1 discloses belts for shoe presses in the field of papermaking, which have a fiber-reinforced base provided with a polyurethane layer.
  • the cured by means of Dialkylthioaryldiaminen polyurethanes have a less favorable fracture behavior compared to cured with 1,4-butadiene polyurethanes.
  • US 5,212,032 discloses corresponding polyurethanes as coatings for elements for transferring toner images from one carrier surface to another.
  • the polyurethanes have a relatively high Shore hardness of 90 and good resistance to high humidity.
  • EP 1 178 097 A1 discloses rubber adhesives based on polytetrahydrofuran-aminobenzoate esters, dialkylthioaryldiamines and trimers of hexamethylene diisocyanate, by means of which rubber substrates, for example in tires, can be bonded.
  • rubber adhesives based on polytetrahydrofuran-aminobenzoate esters, dialkylthioaryldiamines and trimers of hexamethylene diisocyanate, by means of which rubber substrates, for example in tires, can be bonded.
  • such systems are known for the use in core boxes for foundry applications insufficient Abriebeigenschaften on.
  • the present invention provides a solution to the problems described above by providing a composition having comparable properties as the surface protective layers conventionally prepared with diphenylmethane diamines.
  • a first aspect of the present invention relates to a multicomponent composition
  • a multicomponent composition comprising an isocyanate component and an amine component, wherein the isocyanate component comprises a prepolymer of tolylene diisocyanate and a polytetramethylene polyol, and the amine component comprises a dialkylthioaryldiamine, preferably a dialkylthiotolylenediamine, and optionally Polytetramethylene oxide polyamine comprises.
  • Another aspect of the present invention relates to the use of a multi-component composition as described above as a casting resin for foundry modeling.
  • the present invention relates to models or core boxes for foundry applications which are characterized by having a layer, in particular a wear protection layer, of a cured composition obtainable from a multi-component composition as described above.
  • the present invention relates to a method for the production of models or core boxes for foundry applications, which is characterized in that a multicomponent as described above Mixed composition and applied to a molding or poured and cured.
  • amine component is to be understood in the context of the present invention as meaning that the constituents of the amine component should be spatially separated from the constituents of the isocyanate component during storage of the composition.
  • the multicomponent composition may also contain other components. However, it is preferred if the multicomponent composition consists essentially of the isocyanate and the amine component.
  • the isocyanate component comprises, as described above, a prepolymer obtainable from tolylene diisocyanate (TDI) and a polytetramethylene polyol.
  • TDI tolylene diisocyanate
  • this prepolymer has an isocyanate content in the range of about 7 to 10%, preferably about 8 to 9.5%.
  • the isocyanate content is calculated as the quotient of the total weight of all isocyanates in the prepolymer to the total weight of the prepolymer.
  • the polytetramethylene polyol in the prepolymer of the isocyanate component preferably has a molecular weight (Mw) in the range from about 250 to 1500, and preferably from about 250 to 1000, and more preferably from about 650 to 1000 having. If the polytetramethylene polyol has a molecular weight (Mw) of less than 250, this leads to the fact that the material can only be processed with difficulty. When a polytetramethylene polyol having a molecular weight of more than 1500 is used, the resulting products do not have optimum rigidity and durability.
  • Mw molecular weight
  • dialkylthioaryldiamine is a dialkylthiotolylenediamine, wherein the alkyl radical is preferably an alkyl radical having from 1 to 6 carbon atoms.
  • the dialkylthioaryldiamine is particularly preferably in the form of dimethylthiotolylenediamine.
  • Ethacure 300 from Albemarle Corp. USA available.
  • Ethacure 300 from Albemarle Corp. USA available.
  • dialkylthioaryldiamine can react with isocyanates to form urea bridges.
  • the content of dialkylthioaryldiamine in the amine component in the context of the present invention is preferably in the range from about 30 to 70% by weight, in particular in the range from about 40 to 65% by weight, and particularly preferably in the range from about 45 to 55 wt .-%, based on the total weight of the amine component.
  • a polytetramethylene oxide polyamine is associated with particular advantages.
  • the polytetramethylene oxide polyamine may suitably be added to the Dialkylthioaryldiamin be contained in the amine component, wherein it may be spatially separated from this component, or present in one or more containers in admixture with this component.
  • the polytetramethyloxide polyamine is preferably in the form of a diamine. It will be apparent to those skilled in the art that the amine must be present in the polytetramethyloxide polyamine as a primary or secondary amine since a tertiary amine can not react with polyisocyanates when cured.
  • the amine may be attached to the polytetramethyloxide directly or through a linker (other than a tetramethylene moiety).
  • the amine is particularly preferably connected via a linker molecule with the polytetramethylene oxide.
  • the linker is a 4-carboxyphenyl linker.
  • Corresponding products are available, for example, under the trade name Versalink from Air Products.
  • the calculated molecular weight (Mw) of the polytetramethylene oxide portion of this component is in the range of about 250 to 1500, more preferably in the range of about 250 to 1000, and most preferably in the range of 650 to 1000 ,
  • the amount of polytetramethylene oxide polyamine is preferably in the range of about 5 to 25 weight percent, and more preferably about 8 to 13 weight percent, based on the total weight of the amine component.
  • a non-saponifiable plasticizer is in the form of an alkyl sulfonic acid ester, more preferably a phenol alkyl sulfonic acid ester. Suitable products are marketed under the trade name mesamoll ® II from Lanxess, Germany.
  • the amine component is formulated with an additional non-saponifiable plasticizer, this is preferably in the amine component with a content in the Range of about 20 to 60 wt .-% and particularly preferably in the range of about 30 to 45 wt .-%, based on the total weight of the amine component.
  • the isocyanate and amine components are present in a weight ratio in the range of about 5: 1 to 1: 1, more preferably in the range of about 4: 1 to 2: 1, and most preferably in the range of about 3: 1 to 2.2: 1, or mixed.
  • the exact mixing ratio also depends on the amount of amine in the amine component and the amount of isocyanate (NCO) in the isocyanate component.
  • NCO isocyanate
  • the stoichiometric ratio NCO / NH 2 in the entire multicomponent composition is in the range from 1: 1 to 1.1: 1, in particular in the range from 1.02: 1 to 1.05: 1 lies.
  • a slight excess of isocyanate ensures that despite the reaction with atmospheric moisture, the amines present in the composition completely react to ureas.
  • the multicomponent composition comprises 200 to 300 parts by weight of an isocyanate component comprising a tolylene diisocyanate-based and polytetramethylene glycol prepolymer having a molecular weight (Mw) in the range of 650 to 1000 having an isocyanate content in the range of Contains 7 to 10%, and 100 parts by weight of an amine component containing Dimethylthiotoluylendiamin and polytetramethylene oxide di-p-aminobenzoate having a molecular weight (Mw) of about 650.
  • an isocyanate component comprising a tolylene diisocyanate-based and polytetramethylene glycol prepolymer having a molecular weight (Mw) in the range of 650 to 1000 having an isocyanate content in the range of Contains 7 to 10%, and 100 parts by weight of an amine component containing Dimethylthiotoluylendiamin and polytetramethylene oxide di-p-aminobenzo
  • the present invention relates to the use of a multi-component composition as described above as a casting resin for foundry modeling.
  • the present invention also relates to models for foundry applications, in particular for metal casting applications and more preferably for iron or aluminum casting applications, characterized in that it comprises a layer of a composition obtainable by curing a multi-component composition as described above.
  • the model is a model for making sand molds or core boxes for sand core production. It is further preferred that the model comprises a layer of the cured composition having a thickness in the range of about 0.1 to 25 mm, in particular about 6 to 15 mm, and particularly preferably 6 to 10 mm.
  • one aspect of the present invention relates to a method for the production of models or core boxes for foundry applications, which is characterized in that a multi-component composition as described above is mixed and applied to a molding and cured.
  • the molded part expediently has a shape which is at least partially identical to the shape of sand molds to be produced later.
  • the composition is poured into a cavity formed by the molding and a container or support enclosing the molding on the side having the shape to be imaged.
  • the container and the molding thereby form a cavity into which the multicomponent composition is introduced after mixing of the components.
  • the composition forms after curing an impression of the molding.
  • the cavity preferably has an average thickness of in the range of about 5 to 25 mm, in particular about 6 to 15 mm, and particularly preferably 6 to 10 mm.
  • This composition was examined for its processing properties.
  • the properties were determined according to the following regulations.
  • the viscosity of the hardener component was determined at 25 C by the same method but with a shear rate of 100.
  • the gel time is determined at 20 ° C using a Geltimer Tecam GT4.
  • the tempered components are weighed according to the specified mixing ratio.
  • the material is then mixed for about 1 minute to homogeneity.
  • the mixture is then transferred to a container on the 100 ml label, inserted into the isolated box of the Geltimers and positioned the stir bar in the middle of the container. After 1 minute, the measurement is started. The measurement is complete when indicated by the device.
  • the gelling time corresponds to the time from the start of the mixing until the end of the measurement.
  • the pot life was measured on a test batch of 500 g at room temperature (20 to 23 ° C) in the uninsulated polyethylene cup.
  • the linear shrinkage corresponds to the change in length compared to the initial length of a cast shrinkage rod in percent.
  • the test shrink bars have dimensions of 500 mm length, 40 mm width and 10 mm height.
  • the investigated materials were removed from the mold after 16 hours (demolded) and the change in length of the rods was determined after storage for 14 days at 23 ° C. and 50% relative atmospheric humidity.
  • Shore hardness was determined according to ISO 868.
  • the abrasion was determined according to ISO 4649.
  • compositions according to the invention have a significantly improved abrasion resistance compared to compositions based on HDI with corresponding amine components. Nevertheless, comparable values with regard to hardness, tear strength, elongation at break and modulus of elasticity could be achieved with the compositions according to the invention.
  • the shrinkage is comparable to that of corresponding HDI-based materials.
  • sink marks have often been observed which can be observed as dents on the surface of the cast resin. This occurred in 40 to 50% of the cast products and renders them useless for direct use.
  • HDI-based resins often show brittle phases resulting from incomplete curing of the resins.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft mehrkomponentige Zusammensetzungen, umfassend eine Isocyanat-Komponente und eine Amin-Komponente, wobei die Isocyanat-Komponente ein Präpolymer, erhältlich aus Toluylenisocyanat und einem Polytetramethylenpolyol, umfasst und die Amin-Komponente ein Dialkylthioaryldiamin und gegebenenfalls ein Polytetramethylenoxidpolyamin umfasst. Entsprechenden Zusammensetzungen können vorteilhaft als fließfähige oder streichbare Harzsysteme für die Herstellung von Oberflächenschutzschichten in Gießereianwendungen eingesetzt werden und zeichnen sich durch eine im Vergleich zu konventionellen auf Hexamethylendiisocyanat und Dimethylthiotolylendiamin basierenden Gießharzsystemen durch eine signifikant verbesserte Abriebbeständigkeit aus.

Description

Polyurethangießmasse zur Herstellung von Verschleißschutzschichten in Gießereianwendungen
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine mehrkomponentige Zusammensetzung, umfassend eine Isocyanat-Komponente und eine Amin-Komponente, wobei die Isocyanat-Komponente ein Präpolymer, erhältlich aus Toluylendiisocyanat und einem Polytetramethylenpolyol, umfasst und die Amin-Komponente ein Dialkylthioaryldiamin sowie gegebenenfalls ein Polytetramethylenoxidpolyamin umfasst. Entsprechende Zusammensetzungen können zweckmäßig als Gießharze für den Gießereimodellbau eingesetzt werden, wobei sich die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen insbesondere als Schutzschichten für Kernkästen und Modelle zur Sandkern- bzw. Sandformherstellung eignen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Modellen für Gießereianwendungen, wobei im Rahmen dieses Verfahrens eine wie vorstehend beschriebene mehrkomponentige Zusammensetzung auf ein Formteil aufgetragen oder aufgegossen und ausgehärtet wird.
Stand der Technik
Kernkästen und Formplatten für den Metallguss können nach bekannten Verfahren aus Metall oder durch Bearbeitung aus vorgefertigten polymeren Blockmaterialien hergestellt werden. Gegenüber reinen Metallwerkzeugen haben polymere Werkstoffe den Vorteil der schnelleren Fertigung sowie einer höheren Lebensdauer und der einfacheren Reparierbarkeit und Ersetzbarkeit.
Der Einsatz von flüssigen Gießharzsystemen, die direkt beim Formenbau in variablen Größen vergossen werden können, bietet gegenüber den vorstehenden Verfahren eine höhere Flexibilität, und sind zudem mit dem Vorteil verbunden, dass sie keine umfangreiche maschinelle Ausrüstung erfordern. Die Herstellung von Oberflächenschutzschichten für Formplatten und Kernkästen für die Sandformgebung in Gießereianwendungen erfolgt daher in den meisten Fällen über einen manuellen Verguss bzw. Auftrag entsprechender Harzsysteme und kann direkt in den Modellbaufirmen oder -abteilungen durchgeführt werden. Für solche Anwendungen geeignete Harze müssen unter Raumtemperaturbedingungen verarbeitet werden können, und sich demzufolge hinsichtlich ihrer Reaktivität und Viskosität in bestimmten Grenzen bewegen. Darüber hinaus müssen sie eine hohe Handhabungssicherheit bieten, d.h. keine Tendenz zu Blasenbildung unter Feuchtigkeit haben.
Seit mehr als 30 Jahren werden Polyurethangießharze auf Basis von Dicyclohexylmethan-diisocyanatpräpolymeren und Diphenylmethandiamin (DDM) als Härter mit Erfolg zur Herstellung von Oberflächenschutzschichten in Gießereianwendungen eingesetzt. Ein solches Harz war beispielsweise unter dem Handelsnamen Biresin® U1320 von Sika erhältlich. Diese Materialien zeichneten sich in insbesondere hinsichtlich ihrer Versschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit durch herausragende Eigenschaften aus. Aufgrund des physiologischen Gefahrenpotentials von Diphenylmethandiamin wurde eine REACH-Registrierung jedoch von den Herstellern dieses Produkts nicht vorgenommen. Damit können die formulierten Produkte ab August 2014 nicht mehr verarbeitet werden. Als Alternative für Gießharzsysteme auf Basis von DDM wurden in jüngerer Vergangenheit Systeme auf Basis von HDI/Dimethylthiotolylendiamin getestet und vermarktet. Es hat sich jedoch gezeigt, dass im Praxiseinsatz dieser Gießharze Probleme auftreten, wie beispielsweise ein ungünstiges Schwindungsverhalten der Materialien, ein problematisches Anhaften von Sand bei Formplatten sowie eine geringe Verschleißfestigkeit. Damit sind die bisher auf dem Markt verfügbaren Alternativen ohne DDM für eine Verwendung als Gießharze nicht geeignet.
Um die Vorteile von Gießharzsystemen weiterhin für Metallgussanwendungen nutzen zu können, ist es demzufolge erforderlich, eine Alternative für auf Diphenylmethandiamin basierende Gießharzsysteme zu finden. Es besteht daher ein Bedarf an Gießharzsystemen bzw. -massen, die geeignete Verarbeitungseigenschaften, insbesondere eine gute Fließfähigkeit, aufweisen. Gleichzeitig sollten diese Gießmassen gegenüber den bisher verfügbaren DDM-freien Gießharzsystemen ein verbessertes Schwindungsverhalten zeigen, möglichst nicht zur Sandanhaftung neigen und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Die Systeme sollten zweckmäßig ähnliche Eigenschaften haben, wie die aus dem Stand der Technik bekannten auf DDM basierenden Materialien, jedoch keinen Gehalt an giftigen Substanzen, wie Diphenylmethandiamin, aufweisen.
Polyurethane auf Basis von aromatischen Polyisocyanaten und Polyalkylenglycolen wie Polytetramethyleglycol, deren Härtung durch den Zusatz von Dialkylthioaryldiaminen erfolgt, werden im Stand der Technik für verschiedene Anwendungen beschreiben. So offenbart die US 2010/314067 AI Riemen für Schuhpressen im Bereich der Papierherstellung, die eine mit einer Polyurethanschicht versehene, Faser-verstärkte Basis aufweisen. Die mit Hilfe von Dialkylthioaryldiaminen gehärteten Polyurethane weisen jedoch im Vergleich zu mit 1,4-Butadien gehärteten Polyurethanen ein ungünstigeres Bruchverhalten auf.
Die US 5,212,032 offenbart entsprechende Polyurethane als Beschichtungen für Elemente zur Übertragung von Tonerbildern von einer auf eine andere Trägeroberfläche. Die Polyurethane weisen eine relativ hohe Shore Härte von 90 und eine gute Widerstandfähigkeit gegenüber hoher Luftfeuchtigkeit auf.
Schließlich offenbart die US 2003/236381 AI die Verwendung entsprechender Polyurethane als Beschichtungen für Golf-Bälle. Für derartige Beschichtungen werden gute Flugeigenschaften der Bälle nachgewiesen. Allen diesen Offenbarungen ist jedoch gemeinsam, dass der Gehalt der auf Isocyanate zurückgehenden Bestandteile, und damit auch der Gehalt an auf den Härter zurückgehenden Bestandteilen, relativ gering ist. Dies hat aufgrund des Verhältnisses der Gehalte an aromatischen zu den aliphatischen Bestandteilen erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften der gehärteten Polyurethane.
Darüber hinaus sind aus der EP 1 178 097 AI Kautschuk-Klebstoffe auf Basis von Polytetrahydrofuran-Aminobenzoatestern, Dialkylthioaryldiaminen und Trimeren von Hexamethylendiisocyanat bekannt, mit deren Hilfe Kautschuk-Substrate, wie beispielsweise in Reifen, verklebt werden können. Solche Systeme weisen jedoch für die Verwendung in Kernkästen für Gießereianwendungen ungenügende Abriebeigenschaften auf.
Schließlich ist beispielsweise aus der DE 1 280 493 bekannt, dass Polyurethane als Bindemittel für Sand in Gießereiformen eingesetzt werden können. Diese Systeme weisen jedoch in der Regel ebenfalls nur ungünstige Abriebeigenschaften auf, und sind somit nicht für die Herstellung von Oberflächenschutzschichten geeignet.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Lösung für die im vorstehenden beschriebenen Probleme, in dem sie eine Zusammensetzung zur Verfügung stellt, die vergleichbare Eigenschaften aufweist, wie die konventionell mit Diphenylmethandiaminen hergestellten Oberflächenschutzschichten.
Beschreibung der Erfindung
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine mehrkomponentige Zusammensetzung, umfassend eine Isocyanat-Komponente und eine Amin- Komponente, wobei die Isocyanat-Komponente ein Präpolymer aus Toluylendiisocyanat und einem Polytetramethylenpolyol umfasst und die Amin- Komponente ein Dialkylthioaryldiamin, bevorzugt ein Dialkylthiotolylendiamin, und gegebenenfalls ein Polytetramethylen-oxidpolyamin umfasst.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer mehrkomponentigen Zusammensetzung, wie vorstehend beschrieben, als Gießharz für den Gießereimodellbau.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung Modelle bzw. Kernkästen für Gießereianwendungen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie eine Schicht, insbesondere eine Verschleißschutzschicht, aus einer gehärteten Zusammensetzung, die aus einer wie vorstehend beschrieben mehrkomponentigen Zusammensetzung erhältlich ist, aufweisen. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Modellen bzw. Kernkästen für Gießereianwendungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine wie vorstehend beschriebene mehrkomponentige Zusammensetzung gemischt und auf ein Formteil aufgetragen bzw. aufgegossen und ausgehärtet wird.
Der Begriff„Amin-Komponente" ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass die Bestandteile der Amin-Komponente während der Lagerung der Zusammensetzung räumlich von den Bestandteilen der Isocyanat-Komponente getrennt sein sollen.
Zusätzlich zu der genannten Isocyanat- und Amin-Komponente kann die mehrkomponentige Zusammensetzung auch weitere Komponenten enthalten. Es ist jedoch bevorzugt, wenn die mehrkomponentige Zusammensetzung im Wesentlichen aus der Isocyanat- und der Amin-Komponente besteht.
Die Isocyanat-Komponente umfasst, wie vorstehend beschrieben, ein Präpolymer, erhältlich aus Toluylendiisocyanat (TDI) und einem Polytetramethylenpolyol. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn dieses Präpolymer einen Isocyanatgehalt im Bereich von etwa 7 bis 10%, vorzugsweise etwa 8 bis 9,5% aufweist. Der Isocyanatgehalt berechnet sich als Quotient des Gesamtgewichts aller Isocyanate im Präpolymer zu dem Gesamtgewicht des Präpolymers.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich weiterhin gezeigt, dass das Polytetramethylenpolyol im Präpolymer der Isocyanat-Komponente vorzugsweise ein Molekulargewicht (Mw) im Bereich von etwa 250 bis 1500, sowie vorzugsweise von etwa 250 bis 1000, und besonders bevorzugt von etwa 650 bis 1000 aufweist. Weist das Polytetramethylenpolyol ein Molekulargewicht (Mw) von unter 250 auf, so führt dies dazu, dass das Material nur noch schwer verarbeitet werden kann. Wird ein Polytetramethylenpolyol mit einem Molekulargewicht von mehr als 1500 eingesetzt, weisen die resultierenden Produkte keine optimale Steifigkeit und Beständigkeit auf.
Die Viskosität der ersten Komponente bei 25 ° C liegt vorzugsweise im Bereich von 6000 bis 20000 mPa.s, besonders bevorzugt im Bereich von 7000 bis 14000 mPa.s. Diese Viskositäten sind im Rahmen der Erfindung mit einem Rotationsviskosimeter mit einem Rotationsdrehkörper Z3 DIN und einem Schergefälle von D = 10 bei 25 ° C zu bestimmen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Viskositäten von weniger als 6000 mPa.s nach der Vermischung der Isocyanat- und Aminkomponente zu geringen Anfangsviskositäten der Gemische führen. Dies ist insbesondere bei Gießharz- Anwendungen ungünstig, da sich in diesen Zusammen-setzungen leichter Blasen und Lufteinschlüsse bilden können. Dies führt zu einem erhöhten Reparaturbedarf der Produkte. Weiterhin können Gießharze mit sehr niedriger Viskosität auch noch in sehr schmale Spalte eindringen, die sich bei Gießereinanwendungen oft nicht vermeiden lassen. Nach dem Aushärten der Gießmasse ist daher ein erhöhter Aufwand nötig, um unerwünschte Überstände zu beseitigen.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn es sich bei dem Dialkylthioaryldiamin um ein Dialkylthiotolylendiamin handelt, wobei der Alkylrest vorzugsweise ein Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist. Besonders bevorzugt liegt das Dialkylthioaryldiamin in Form von Dimethylthiotolylendiamin vor. Ein solches Produkt ist beispielsweise unter dem Handelsnamen Ethacure 300 von Albemarle Corp. USA erhältlich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass die Thioalkylgruppen zu einer notwendigen Verlangsamung der Polyadditon mit dem Isocyanatpräpolymer führen, so dass das Produkt eine für die Verarbeitung notwendige Fließfähigkeit für einen ausreichenden Zeitraum aufweist. In den Vergleichsversuchen konnte gezeigt werden, dass beispielsweise analoge Dialkyltolylendiamine zu schnell aushärten und somit für entsprechende Anwendungen nicht geeignet sind. Das Dialkylthioaryldiamin kann mit Isocyanaten unter Bildung von Harnstoffbrücken reagieren.
Der Gehalt an Dialkylthioaryldiamin in der Amin-Komponente liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise im Bereich von etwa 30 bis 70 Gew.-%, insbesondere im Bereich von etwa 40 bis 65 Gew.-%, und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 45 bis 55 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Amin- Komponente. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass der Zusatz eines Polytetramethylenoxidpolyamins mit besonderen Vorteilen verbunden ist. So lassen sich mit Hilfe dieses zusätzlichen Amins optimale Eigenschaften von für Gießereinanwendungen geeigneten Gießharzen einstellen. Das Polytetramethylenoxidpolyamins kann zweckmäßig zusätzlich zu dem Dialkylthioaryldiamin in der Amin-Komponente enthalten sein, wobei es räumlich von dieser Komponente getrennt sein kann, oder in einem oder mehreren Behältnissen in Mischung mit diesem Bestandteil vorliegt. Das Polytetramethyloxidpolyamin liegt bevorzugt in Form eines Diamins vor. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass das Amin im Polytetramethyloxidpolyamin als primäres oder sekundäres Amin vorliegen muss, da ein tertiäres Amin nicht unter Aushärtung mit Polyisocyanaten reagieren kann. Das Amin kann Amin direkt oder über einen Linker (der nicht aus einer Tetramethyleneinheit besteht) an das Polytetramethyloxid gebunden sein. Das Amin ist besonders bevorzugt über ein Linkermolekül mit dem Polytetramethylenoxid verbunden. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Linker um einen 4-Carboxyphenyl-Linker. Entsprechende Produkte sind beispielsweise unter dem Handelsnamen Versalink von der Firma Air Products erhältlich.
Für das Polytetramethylenoxidpolyamin ist es ebenfalls bevorzugt, wenn das berechnete Molekulargewicht (Mw) des Polytetramethylen-oxidanteils dieser Komponente im Bereich von etwa 250 bis 1500, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 250 bis 1000, und am meisten bevorzugt im Bereich von 650 bis 1000 liegt.
Die Menge des Polytetramethylenoxidpolyamins liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 5 bis 25 Gew.-%, und insbesondere von etwa 8 bis 13 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Amin-Komponente. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Amin-Komponente zusätzlich zu den bezeichneten Bestandteilen einen nicht verseifbaren Weichmacher enthält. Vorzugsweise liegt dieser Weichmacher in Form eines Alkylsulfonsäureesters, besonders bevorzugt eines Phenolalkylsulfonsäureesters, vor. Geeignete Produkte werden beispielsweise unter dem Handelsnamen Mesamoll® II von der Firma Lanxess, Deutschland, vertrieben.
Wird die Amin-Komponente mit einem zusätzlichen nicht verseifbaren Weichmacher formuliert, so ist dieser in der Amin-Komponente vorzugsweise mit einem Gehalt im Bereich von etwa 20 bis 60 Gew.-% sowie besonders bevorzugt im Bereich von etwa 30 bis 45 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Amin-Komponente, enthalten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Isocyanat- und Amin-Komponente in einem Gewichtsverhältnis im Bereich von etwa 5:1 bis 1:1, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 4: 1 bis 2: 1 und am meisten bevorzugt im Bereich von etwa 3: 1 bis 2,2:1 vorliegen bzw. gemischt werden. Das genaue Mischungsverhältnis richtet sich weiterhin auch nach der Menge an Amin in der Amin-Komponente sowie der Menge an Isocyanat (NCO) in der Isocyanat- Komponente. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn das stöchiometrische Verhältnis NCO/NH2 in der gesamten mehrkomponentigen Zusammensetzung im Bereich von 1 : 1 bis 1,1 : 1, insbesondere im Bereich von 1,02 : 1 bis 1,05 : 1 liegt. Ein geringer Überschuss an Isocyanat gewährleistet, dass trotz der Reaktion mit Luftfeuchtigkeit die in der Zusammensetzung vorhandenen Amine vollständig zu Harnstoffen abreagieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegende Erfindung umfasst die mehrkomponentige Zusammensetzung 200 bis 300 Gewichtsteile einer Isocyanat- Komponente, die ein Präpolymer auf Basis von Toluylendiisocyanat und Polytetramethylenglycol mit einem Molekulargewicht (Mw) im Bereich von 650 bis 1000 mit einem Isocyanat-Gehalt im Bereich von 7 bis 10 % enthält, und 100 Gewichtsteile einer Aminkomponente, die Dimethylthiotoluylendiamin und Polytetramethylenoxid-di-p-aminobenzoat mit einem Molekulargewicht (Mw) von etwa 650 enthält.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer mehrkomponentigen Zusammensetzung, wie sie vorstehend beschrieben ist, als Gießharz für den Gießereimodellbau. Der vorliegenden Erfindung betrifft zudem Modelle für Gießereianwendungen, insbesondere für Metallgussanwendungen und besonders bevorzugt für Eisen- bzw. Alugussanwendungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Schicht aus einer Zusammensetzung, die durch aushärten einer wie vorstehend beschriebenen mehrkomponentigen Zusammensetzung erhältlich ist, aufweist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Modell um ein Modell zur Herstellung von Sandformen oder um Kernkästen für die Sandkernherstellung. Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Modell eine Schicht aus der gehärteten Zusammensetzung mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis 25 mm, insbesondere etwa 6 bis 15 mm, und besonders bevorzugt 6 bis 10 mm aufweist.
Schließlich betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Modellen bzw. Kernkästen für Gießereianwendungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine wie vorstehend beschriebene mehrkomponentige Zusammensetzung gemischt und auf ein Formteil aufgetragen bzw. aufgegossen und ausgehärtet wird. Das Formteil weist zweckmäßig eine Form auf, die mit der Form von später herzustellenden Sandformen mindestens teilweise identisch ist. Innerhalb des Verfahrens ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Zusammensetzung in einen Hohlraum gegossen wird, der durch das Formteil sowie einen Behälter oder Träger, der das Formteil auf der Seite umschließt, die die abzubildende Form aufweist, gebildet wird. Der Behälter und das Formteil bilden dadurch einen Hohlraum, in den die mehrkomponentige Zusammensetzung nach Vermischung der Komponenten eingebracht wird. Dadurch bildet die Zusammensetzung nach Aushärtung einen Abdruck des Formteils. Der Hohlraum weist vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von im Bereich von etwa 5 bis 25 mm, insbesondere etwa 6 bis 15 mm, und besonders bevorzugt 6 bis 10 mm auf.
Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung durch einige Beispiele illustriert, die jedoch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht in irgendeiner Weise beeinträchtigen sollen.
Beispiele Im Folgenden wurden verschiedene Gießharze gemäß den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen formuliert. Alle Zahlenangaben sind in Gewichtsteilen. Tabelle 1
Figure imgf000011_0001
1 Imuthane™ PET-75D; 2 Imuthane™ PET-60D; 3 Versalink® P-650 .
Diese Zusammensetzung wurde auf ihre Verarbeitungseigenschaften untersucht. Die Eigenschaften wurden anhand der folgenden Vorschriften bestimmt.
Die Viskosität der Isocyanatkomponente und des Gemischs aus Isocyanat- und Aminkomponente wurde bei 25 ° C mit einem Rotationsviskosimeter Physica MC10 mit einem Rotationsdrehkörper Z3 DIN und einem Schergefälle von D = 10 bestimmt. Die Viskosität der Härterkomponente wurde bei 25 C mit demselben Verfahren, aber einem Schergefälle von 100 bestimmt.
Die Gelierzeit wird bei 20 ° C mit Hilfe eines Geltimers Tecam GT4 bestimmt. Dazu wird die temperierten Komponenten gemäß dem angegebenen Mischungsverhältnis eingewogen. Das Material wird dann ca. 1 Minute lang bis zur Homogenität gemischt. Anschließend wird die Mischung in einen Behälter auf die 100 ml-Markierung umgeleert, in die isolierte Box des Geltimers eingesetzt und der Rührstab in der Mitte des Behälters positioniert. Nach 1 Minute wird die Messung gestartet. Die Messung ist beendet, wenn dies durch das Gerät angezeigt wird. Die Gelierzeit entspricht der Zeit vom Begin des Vermischens bis zum Ende der Messung.
Die Topfzeit wurde anhand eines Prüfansatzes von 500 g bei Raumtemperatur (20 bis 23 ° C) im nicht isolierten Polyethylen-Becher gemessen.
Die lineare Schwindung entspricht der Längenänderung im Vergleich zur Ausgangslänge eines gegossenen Schwundstabes in Prozent. Die Prüfschwundstäbe weisen Dimensionen von 500 mm Länge, 40 mm Breite und 10 mm Höhe auf. Die untersuchten Materialien wurde nach 16 Stunden aus der Form genommen (entformt) und die Längenänderung der Stäbe nach 14 Tagen Lagerung bei 23 ° C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit bestimmt.
Die Shore-Härte wurde gemäß der ISO 868 bestimmt.
Die Reißfestigkeit und Reißdehnung wurde, gemäß der ISO 527 bestimmt.
Das E-Modu/wuröe gemäß der ISO 178 bestimmt.
Der Abrieb wurde gemäß der ISO 4649 bestimmt.
Die Ergebnisse der Eigenschaftsmessungen sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
Figure imgf000013_0001
i.O. = innerhalb der Anforderungen
Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen im Vergleich zu Zusammensetzungen auf Basis von HDI mit entsprechenden Aminkomponenten eine signifikant verbesserte Abriebbeständigkeit aufweisen. Mit den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen konnten dennoch vergleichbare Werte hinsichtlich der Härte, Reißfestigkeit, Reißdehnung und des E-Moduls erzielt werden. Die Schwindung ist mit der von entsprechenden HDI-basierten Materialien vergleichbar. Für die Zusammensetzungen auf Basis von HDI konnten häufig Einfallstellen beobachtet werden, die als Dellen auf der Oberfläche des gegossenen Harzes beobachtet werden können. Dies trat bei 40 bis 50 % der gegossenen Produkte auf und macht diese für eine direkte Verwendung unbrauchbar. Weiterhin konnte bei HDI-basierten Harzen häufig Sprödphasen beobachtet werden, die aus einer nicht vollständigen Aushärtung der Harze resultieren. Da die Harze häufig auf Kunststoffträger aufgebracht werden ist ein späteres Tempern, mit dem die vollständige Aushärtung erreicht werden könnte, nicht möglich, da dies zu einer Verformung der Kunststoffträgers führen könnte. Alle erfindungsgemäßen Harze wiesen nach der Aushärtung keine Einfallstellen und Sprödphasen auf. Weiterhin zeigt es sich, dass bei Verwendungen von Dimethylthiotoluyiendiamin ohne Polytetramethylenpolyamin nicht in allen Fällen optimale Fließfähigkeiten erzielt werden können. Bei Beispiel 6 zeigte sich eine geringere Abriebbeständigkeit als bei den Zusammensetzungen die sowohl Dimethylthiotoluyiendiamin als auch Polytetramethylenpolyamin enthielten.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrkomponentige Zusammensetzung, umfassend eine Isocyanat-Komponente und eine Amin-Komponente,
wobei die Isocyanat-Komponente ein Präpolymer, erhältlich aus Tolylendiisocyanat und einem Polytetramethylenpolyol, umfasst und
die Amin-Komponente ein Dialkylthioaryldiamin, bevorzugt ein Dialkylthiotolylendiamin, und gegebenenfalls ein Polytetramethylenoxidpolyamin umfasst.
2. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung im Wesentlichen aus der Isocyanat- und Amin- Komponente besteht.
3. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Präpolymer einen Isocyanatgehalt im Bereich von 7 bis 10%, vorzugsweise 8 bis 9,5% aufweist.
4. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polytetramethylenpolyol ein berechnetes Molekulargewicht (Mw) im Bereich von 500 bis 1500, vorzugsweise 650 bis 1000 aufweist.
5. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dialkylthioaryldiamin in Form von Dimethylthiotolylendiamin vorliegt.
6. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aminkomponente zusätzlich ein Polytetramethylenoxidpolyamin in Form eines Diamins enthält, in dem das Amin vorzugsweise über ein Linker-Molekül, besonders bevorzugt über einen 4- Carboxyphenyl-Linker, mit dem Polytetramethylenoxid verbunden ist.
7. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polytetramethylenoxidanteil des Polytetramethylenoxidpolyamins ein berechnetes Molekulargewicht (Mw) im Bereich von 500 bis 1500, vorzugsweise 650 bis 1000 aufweist.
8. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amin-Komponente zusätzlich einen nicht verseifbaren Weichmacher, vorzugsweise in Form eines Alkylsulfonsäureesters, besonders bevorzugt eines Phenolalkylsulfonsäureesters, umfasst.
9. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amin-Komponente einen Gehalt an Dialkylthioaryldiamin im Bereich von etwa 30 bis 70 Gew.-%, einen Gehalt an Polytetramethylenoxidpolyamin im Bereich von etwa 5 bis 25 Gew.-%, und einen Gehalt an nicht verseifbarem Weichmacher im Bereich von 20 bis 60 Gew.-% aufweist.
10. Mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isocyanat- und Amin-Komponente in einem Gewichtsverhältnis im Bereich von etwa 4 : 1 bis 2 : 1, vorzugsweise im Bereich von 3 : 1 bis 2,2 : 1 vorliegen
11. Verwendung einer mehrkomponentigen Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 als Gießharz oder Oberflächenharz für den Gießereimodellbau.
12. Modell bzw. Kernkasten für Gießereianwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Schicht aus einer gehärteten Zusammensetzung, die aus einer mehrkomponentigen Zusammen-setzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 erhältlich ist, aufweist.
13. Modell gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell ein Modell zur Herstellung von Sandformen oder ein Kernkasten für die Sandkern-Herstellung ist. Modell gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus der gehärteten mehrkomponentigen Zusammensetzung eine Dicke im Bereich von etwa 6 bis 15 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Modellen bzw. Kernkästen für Gießereinanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrkomponentige Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 gemischt und auf ein Formteil aufgetragen oder aufgegossen und ausgehärtet wird.
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