DE102019123372B4 - Thermosetting molding material for the production of cores and molds using the sand molding process - Google Patents

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Abstract

Warmhärtender Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren, mindestens umfassend
➢ein zweikomponentiges, phenol- und formaldehydfreies Bindemittel auf Polyurethan-Basis, enthaltend eine Harz-Komponente als Gemisch von zwei oder mehreren in Bezug auf Isocyanate wasserstoffaktiven Verbindungen mit Hydroxyl- und/oder Mercapto- und/oder Amino- und/oder Carbamidgruppen mit einer OH-, SH- und NH-Funktionalität von 1,5 bis 8 und Äquivalentgewichten von 9 bis 2000 g/val der Einzelbestandteile und einer durchschnittlichen H-Funktionalität von 1,8 bis 4,0 und einem durchschnittlichen Äquivalentgewicht von 90 bis 200 g/val der Harz-Komponente und eine Härter-Komponente mit einem oder mehreren Diisocyanaten oder Polyisocyanaten,
➢einen oder mehrere thermisch aktivierbare Katalysatoren, deren Aktivierungstemperaturen zwischen 50 und 180 °C liegen, aufweisend die Polyurethan-Reaktion fördernde Brönsted-Basen und/oder Lewis-Säuren sowie ihre zugehörigen Blockierungsmittel, und
➢einen oder mehrere feuerfeste schüttfähige Füllstoffe.
Thermosetting molding material for the production of cores and molds using the sand molding process, comprising at least
➢a two-component, phenol- and formaldehyde-free polyurethane-based binder containing a resin component as a mixture of two or more compounds which are hydrogen-active with respect to isocyanates and have hydroxyl and/or mercapto and/or amino and/or carbamide groups with an OH, SH and NH functionality of 1.5 to 8 and equivalent weights of 9 to 2000 g/eq of the individual components and an average H functionality of 1.8 to 4.0 and an average equivalent weight of 90 to 200 g/eq of the resin component, and a hardener component with one or more diisocyanates or polyisocyanates,
➢one or more thermally activated catalysts, the activation temperatures of which are between 50 and 180 °C, comprising Brönsted bases and/or Lewis acids that promote the polyurethane reaction, as well as their associated blocking agents, and
➢one or more refractory bulk fillers.

Description

Die Erfindung betrifft einen warmhärtenden Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren. Es handelt sich dabei um einen Formstoff aus zweikomponentigen Polyurethan-Bindemitteln, einem oder mehreren thermisch aktivierbaren Katalysatoren und natürlichen und/oder keramischen Sanden. Dieser Formstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er schellhärtend und emissionsarm sowie für warm- und heißhärtende Kern- und Formenherstellungsverfahren geeignet ist.The invention relates to a thermosetting molding material for the production of cores and molds using the sand molding process. It is a molding material made of two-component polyurethane binders, one or more thermally activated catalysts, and natural and/or ceramic sands. This molding material is characterized by its rapid curing and low emissions, as well as its suitability for warm- and hot-curing core and mold manufacturing processes.

Zur Herstellung von „verlorenen“ Formen und Kernen im Gießereiwesen werden im Allgemeinen Formstoffmischungen durch gründliche Vermischung von einem Bindemittel mit einem Formgrundstoff hergestellt, in ein Modell eingebracht und nach Aushärtung des Formstoffs ausgeschalt. Nach dem Zulegen von einem Kern(-paket) und Formteilhälften erfolgt der Abguss mit metallischer Schmelze. Dabei werden anorganische oder organische Bindemittel zur Verklebung des Formgrundstoffs, zum Beispiel Quarzsand, eingesetzt.To produce "lost" molds and cores in foundries, molding material mixtures are generally prepared by thoroughly mixing a binder with a mold base material, pouring the mixture into a pattern, and removing the molding material after the mold base has hardened. After adding a core (package) and mold halves, the casting is carried out using molten metal. Inorganic or organic binders, such as quartz sand, are used to bond the mold base material.

Als anorganische Bindemittel kommen dabei quellfähige Tonmineralien wie Bentonit oder wässrige Alkalisilikat-Lösungen, insbesondere modifizierte Wassergläser, zum Einsatz. Im Bereich organischer Bindemittel werden Phenol-, Furan- oder Harnstoffharze sowie Kondensate hiervon mit Formaldehyd oder deren Gemische eingesetzt, aber auch Phenolharz-basierte zweikomponentige Polyurethane.Swellable clay minerals such as bentonite or aqueous alkali silicate solutions, especially modified water glasses, are used as inorganic binders. Phenolic, furan, or urea resins, as well as condensates of these with formaldehyde or their mixtures, are used as organic binders, as are phenolic resin-based two-component polyurethanes.

Zur Verarbeitung von Formstoffen zu „verlorenen Formen“ und Kernen kommen unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz, die sich grundsätzlich in heiß- und kalthärtende Verfahren unterteilen lassen. Diese sollen im Folgenden sowohl in Bezug auf ihre Verfahrensparameter als auch auf die dazu genutzten Bindemittel beschrieben und miteinander verglichen werden. Gemeinsam ist den Verfahren, dass der fließfähige Formstoff zunächst händisch oder mittels Druckluft beim Kernschießen in eine Form eingebracht wird. Der Verarbeitungsschritt der Härtung unterscheidet sich hingegen bei allen beschriebenen Verfahren.A wide variety of processes are used to process molding materials into "lost molds" and cores. These can generally be divided into hot-curing and cold-curing processes. These will be described and compared below, both in terms of their process parameters and the binders used. What all processes have in common is that the flowable molding material is first introduced into a mold manually or using compressed air during core shooting. The curing step, however, differs in all of the processes described.

So wird bei kaltselbsthärtenden Formstoff-Systemen nach dem Einformen eine Zeitspanne von 10 bis 90 Minuten abgewartet, nach der der Formstoff ausgehärtet ist und aus dem Modell entnommen werden kann (Pep Set®- oder No-Bake-Verfahren). Beispielhaft lassen sich hierfür Furanharze, Phenolharze oder Polyurethane als geeignete Bindemittel-Klassen nennen. Um hohe Stückzahlen an Kernen herzustellen, müssen die Taktzeiten auf wenige Sekunden bis eine Minute reduziert werden, was kalthärtend beispielsweise durch Begasung mit einem Amin im Cold-Box-Verfahren erreicht wird.For example, with cold-curing molding material systems, a period of 10 to 90 minutes is waited after molding, after which the molding material has cured and can be removed from the model (Pep Set® or no-bake process). Examples of suitable binder classes include furan resins, phenolic resins, or polyurethanes. To produce high volumes of cores, cycle times must be reduced to a few seconds to one minute, which can be achieved with cold-curing, for example, by gassing with an amine in the cold-box process.

Warmhärtende Verfahren werden ebenfalls zur Verringerung der Taktzeiten eingesetzt und unterscheiden sich im Allgemeinen durch den Temperaturbereich oder die Art der Wärmezufuhr.Heat-curing processes are also used to reduce cycle times and generally differ in the temperature range or the type of heat supply.

Für die verschiedenen warm- und heißhärtenden Verfahren stehen organische und anorganische Bindemittel zur Verfügung. Für organische Bindemittel wird zunächst in Hot-Box- und Warm-Box-Verfahren unterschieden, weil sich abhängig vom eingesetzten Bindemittel unterschiedliche Härtungstemperaturen und damit Werkzeuganforderungen ergeben. Bei beiden Verfahren wird eine beheizbare Kernbüchse beziehungsweise ein beheizbares Modell verwendet, die relativ kostenintensiv aus Metall gefertigt sind.Organic and inorganic binders are available for the various warm- and hot-curing processes. Organic binders are initially divided into hot-box and warm-box processes because the binder used results in different curing temperatures and thus different tool requirements. Both processes use a heatable core box or a heatable mold, which are relatively expensive to manufacture from metal.

Beim Hot-Box-Verfahren finden Bindemittel auf Basis von Phenol- oder Furanharzen Anwendung, deren Aushärtung bei Temperaturen bis 300 °C erfolgt. Das Warm-Box-Verfahren wird hingegen bei nur etwa 150 °C mit besonders additivierten Furanharzen als Binder durchgeführt.The hot-box process uses binders based on phenolic or furan resins, which cure at temperatures up to 300 °C. The warm-box process, on the other hand, is carried out at only about 150 °C using specially added furan resins as binders.

Beispiele für Phenol-basierte Hot-Box-Binder sind Kondensate aus Phenol, Harnstoff, Formaldehyd und einem niedermolekularen Alkohol, denen als Härter wässrige Ammoniumchloridlösung zugegeben wird, wie zum Beispiel in der DE 15 69 023 C3 beschrieben. Ebenso sind Mischungen aus sauren latenten Härtern und Hexamethylentetramin möglich. Durch die Maskierung des Härters startet die Reaktion tatsächlich erst bei Erhitzung. Bei den Härtungsmitteln handelt es sich um Addukte starker Säuren mit schwach basischen oder polaren Substanzen, zum Beispiel Harnstoff oder Polyole, oder Schwermetallsalze von organischen Säuren, wie es beispielsweise aus der DE 37 38 902 A1 bekannt ist. Hexamethylentetramin übernimmt dabei die Aufgabe eines zusätzlichen Inhibitors, um die Verarbeitungszeit der Formstoffmischung weiter zu verlängern. Als Inhibitoren eignen sich auch Kondensationsprodukte von aromatischen Aminen mit Aldehyden, wie es auch in der DE 30 32 592 C2 beschrieben wird.Examples of phenol-based hot-box binders are condensates of phenol, urea, formaldehyde and a low-molecular alcohol, to which aqueous ammonium chloride solution is added as a hardener, as for example in the DE 15 69 023 C3 Mixtures of acidic latent hardeners and hexamethylenetetramine are also possible. Due to the masking of the hardener, the reaction actually only starts upon heating. The hardeners are adducts of strong acids with weakly basic or polar substances, for example, urea or polyols, or heavy metal salts of organic acids, as is the case, for example, with DE 37 38 902 A1 Hexamethylenetetramine acts as an additional inhibitor to further extend the processing time of the molding material mixture. Condensation products of aromatic amines with aldehydes, as is also the case in DE 30 32 592 C2 is described.

Hot-Box-Binder auf Basis von Phenol-Resol-Harzen führen allerdings dazu, dass die Kerne auch unter Einsatz von Trennmittel stark in der Form haften und kaum ohne Beschädigung gelöst werden können, wie es zum Beispiel aus der DE 15 70 203 A hervorgeht.However, hot-box binders based on phenol resol resins lead to the cores adhering strongly to the mold even when release agents are used and can hardly be removed without damage, as is the case, for example, with DE 15 70 203 A emerges.

Furanharz-basierte Hot-Box-Systeme enthalten dihydroxymethyliertes Furan beziehungsweise die entsprechenden Polymere, die, wie aus der US 7 125 914 B2 bekannt ist, ebenfalls mit latenten Säurekatalysatoren bei einer Temperatur von 205 °C in 20 bis 40 Sekunden aushärten.Furan resin-based hot-box systems contain dihydroxymethylated furan or the corresponding polymers, which, as shown in the US 7 125 914 B2 known, also cures with latent acid catalysts at a temperature of 205 °C in 20 to 40 seconds.

Nachteile der bisherigen Hot-Box- und Warm-Box-Bindersysteme sind frei werdende Formaldehyd- und Phenoldämpfe beziehungsweise Furfurylalkoholdämpfe bei der Kernherstellung und - im Fall Harnstoff-haltiger Phenolharze - die Freisetzung von Methylisocyanat beim Abguss. In der DE 15 69 023 C3 ist die Reduktion des Gehalts an freiem Formaldehyd als eine Möglichkeit zur Senkung der Arbeitsplatzbelastung beschrieben. Weiterhin kann dieses Problem durch ein anderes Bindersystem, bestehend aus einem ungesättigten Polyesterharz auf Basis nachwachsender Rohstoffe, Bisphenol-A-Epoxid-Harz und Imidazol-Katalysator, umgangen werden. Ein solches Bindersystem ist aus der DE 100 31 954 A1 bekannt, wobei offenbart ist, dass beim Einsatz von 2 % Bindemittel zur Formstoffhärtung 20 Sekunden bis zwei Minuten bei 200 °C Werkzeugtemperatur notwendig sind. Eine weitere Methode zur Umgehung von Phenol- und Formaldehyd-Emission besteht in der Härtung von Formstoffen mit Epoxid-Harzen und/oder Epoxid-Novolak-Harzen und Dicyandiamid oder Imidazolen als latente Katalysatoren. Dies ist beispielsweise in der EP 0 423 780 A2 beschrieben. Nach 20 Sekunden bis zwei Minuten bei 150 °C können die Probekörper entnommen werden.Disadvantages of the current hot-box and warm-box binder systems are the release of formaldehyde and phenol vapors or furfuryl alcohol vapors during core production and - in the case of urea-containing phenolic resins - the release of methyl isocyanate during casting. DE 15 69 023 C3 The reduction of free formaldehyde content is described as a possibility for reducing workplace exposure. Furthermore, this problem can be circumvented by a different binder system, consisting of an unsaturated polyester resin based on renewable raw materials, bisphenol A epoxy resin, and imidazole catalyst. Such a binder system is known from DE 100 31 954 A1 It is disclosed that when using 2% binder, 20 seconds to two minutes at 200 °C mold temperature are necessary for curing the molding material. Another method to circumvent phenol and formaldehyde emissions is the curing of molding materials with epoxy resins and/or epoxy novolac resins and dicyandiamide or imidazoles as latent catalysts. This is, for example, in the EP 0 423 780 A2 described. After 20 seconds to two minutes at 150 °C, the test specimens can be removed.

Ein weiterer Nachteil klassischer Hot-Box-Formstoffe besteht darin, dass Wasser, das bei der Kondensationsreaktion freigesetzt wird, aus dem Formstoff ausgetrieben werden muss, um keine Rückreaktion des Bindemittels oder Gefügefehler beim Guss zu verursachen. Gemäß der DE 102 56 953 A1 kann durch die Verwendung eines Polyurethan-Systems, bei dem die Additionsreaktion mit einem in der Hitze aufschmelzenden Phenolharz und einem Polyisocyanat abläuft, die Formstoffmischung bei 250 °C in 30 Sekunden ausgehärtet werden ohne überschüssiges Wasser freizusetzen. Bei dieser Methode ist der erforderliche Energieeintrag allerdings sehr hoch und das Einbringen des Phenolharzes anspruchsvoll.Another disadvantage of classic hot-box molding materials is that water released during the condensation reaction must be expelled from the molding material to prevent a reverse reaction of the binder or structural defects during casting. DE 102 56 953 A1 By using a polyurethane system, in which the addition reaction takes place with a heat-melting phenolic resin and a polyisocyanate, the molding material mixture can be cured at 250 °C in 30 seconds without releasing excess water. However, this method requires a very high energy input and the introduction of the phenolic resin is challenging.

Furanharzkondensate mit Harnstoff können Stickstoff freisetzen, der zu gasinduzierten Gussfehlern, den sogenannten Pinholes führt. Daher wurden Systeme aus Phenol-Resol-Harzen in alkalischer Lösung entwickelt, die ohne Zusatz eines Katalysators bei 230 bis 260 °C in 30 bis 90 Sekunden gehärtet werden. Derartige Systeme sind zum Beispiel in der WO 88/08763 A1 beschrieben. Ein weiterer Vorteil ist hier der geringe Gehalt an freiem Formaldehyd, allerdings wird ein sehr heißes Werkzeug benötigt und der Binderbedarf ist mit 2 % verhältnismäßig hoch.Furan resin condensates with urea can release nitrogen, which leads to gas-induced casting defects, so-called pinholes. Therefore, systems of phenol-resole resins in alkaline solution have been developed, which cure without the addition of a catalyst at 230 to 260 °C in 30 to 90 seconds. Such systems are used, for example, in WO 88/08763 A1 Another advantage is the low content of free formaldehyde, but a very hot tool is required and the binder requirement is relatively high at 2%.

Beim Croning-Verfahren, auch Formmaskenverfahren genannt, wird ebenfalls Warmhärtung, aber nach einem anderen Prinzip genutzt. Ein derartiges Verfahren ist Gegenstand der GB 876 493 A. Der Formgrundstoff ist dabei mit einem Phenol-Novolak-Harz umhüllt, dem zusätzlich Hexamethylentetramin zugesetzt wird. Dieser rieselfähige Formstoff wird auf eine 250 bis 350°C warme Metallplatte, die das Modell darstellt, geschüttet und bindet dort nur in einer Schicht ab. Der nicht gebundene Formstoff kann wiederverwendet werden. Durch die hervorragende Fließfähigkeit des „trockenen“ Sandes, können dünne Querschnitte und feine Konturen im Guss besonders gut abgebildet werden. Allerdings ist auch hier ein sehr hoher thermischer Eintrag von Nöten und der Sand muss aufwendig vorbehandelt werden.The Croning process, also known as the mold shell process, also uses heat curing, but according to a different principle. Such a process is the subject of GB 876 493 A. The mold base is coated with a phenol novolak resin to which hexamethylenetetramine is also added. This free-flowing mold material is poured onto a metal plate heated to 250 to 350°C, which serves as the model, and sets in a single layer. The unbound mold material can be reused. Due to the excellent flowability of the "dry" sand, thin cross-sections and fine contours can be reproduced particularly well in the casting. However, this also requires a very high thermal input, and the sand must be extensively pretreated.

Weiterhin finden Wasserglas-basierte, anorganische Bindemittel zunehmend Verwendung in Gießereien. Deren Formstoff-Festigkeiten sind im Allgemeinen geringer als jene der organischen Bindemittel, jedoch ist ihre Emissionslast beim Abguss deutlich geringer. Neben der Härtung durch Zusatz flüssiger Ester oder Begasung mit CO2 sind auch beheizte Werkzeuge oder Warmluft üblich. Dadurch wird Wasser aus der Formstoffmischung abtransportiert und die Härtung beschleunigt. In der Praxis werden Taktzeiten von zwei bis fünf Minuten bei einem Warmluftstrom von 120 bis 150 °C erreicht, wie es auch aus der DE 20 2007 019 185 U1 hervorgeht. Es wurden, wie zum Beispiel in der DE 69 533 438 T2 auch Hot-Box-Varianten beschrieben, die in 30 Sekunden bis 2 Minuten bei 230 bis 260 °C heißem Werkzeug eine Aushärtung ermöglichen.Furthermore, water glass-based, inorganic binders are increasingly being used in foundries. Their molding material strengths are generally lower than those of organic binders, but their emissions during casting are significantly lower. In addition to curing by adding liquid esters or gassing with CO2, heated tools or hot air are also common. This removes water from the molding material mixture and accelerates the curing process. In practice, cycle times of two to five minutes are achieved with a hot air flow of 120 to 150 °C, as is also the case with DE 20 2007 019 185 U1 There were, for example, in the DE 69 533 438 T2 Hot-box variants are also described, which enable curing in 30 seconds to 2 minutes at a tool temperature of 230 to 260 °C.

Warmluft hat den entscheidenden Vorteil, dass keine teuren, beheizbaren Kernkästen wie beim Hot-Box- oder Warm-Box-Verfahren notwendig sind, sondern einfache Modelle aus Kunststoff genutzt werden können. Durch Warmluft wird der Kern gleichmäßig erwärmt. Es wird nicht nur die am Kernkasten anliegende äußere Hülle erwärmt, weil die Warmluft den Kern gleichmäßig durchdringt. Bei einem sehr stark erhitzten Werkzeug, das heißt auf eine Temperatur >200 °C, besteht für Formstoffe mit organischen Bestandteilen zudem die Gefahr, dass der mit dem Werkzeug in Kontakt stehende organische Bestandteil bereits verbrennt, während das Innere des Kerns noch keinen zur Härtung ausreichenden Temperatureintrag erfahren hat. Ein geeignetes Gerät zur Erwärmung von Luft wird beispielsweise in DE 20 2006 018 044 U1 beschrieben.Hot air has the decisive advantage that expensive, heatable core boxes, as with the hot-box or warm-box process, are not required; instead, simple plastic models can be used. The core is heated evenly by hot air. Not only the outer shell adjacent to the core box is heated, because the warm air penetrates the core evenly. When a tool is heated to a very high temperature, i.e., to a temperature of >200 °C, there is a risk of molding materials with organic components. There is also the risk that the organic component in contact with the tool will already burn, while the interior of the core has not yet reached a temperature sufficient for hardening. A suitable device for heating air is used, for example, in DE 20 2006 018 044 U1 described.

Auch organische Bindemittelsysteme werden im Warmluft-Verfahren gehärtet. Geeignete Binder sind wässrige Ammonium-Polyacrylate in Kombination mit Metallsalzen, wie es auch in der US 4 678 020 A beschrieben ist. Durch die warme Luft wird der Binder partiell unter Freisetzung von Ammoniak zersetzt und bildet wasserunlösliche Metall-Polyacrylate, die den Formstoff binden. Zusätzlich zur Warmluft bei 100 bis 150 °C war die Kernform auf die gleiche Temperatur erhitzt.Organic binder systems are also cured using the hot air process. Suitable binders are aqueous ammonium polyacrylates in combination with metal salts, as is also the case in US 4 678 020 A The warm air partially decomposes the binder, releasing ammonia and forming water-insoluble metal polyacrylates that bind the molding material. In addition to the warm air at 100 to 150 °C, the core mold was heated to the same temperature.

Generative Fertigungsverfahren ergänzen zunehmend die klassische Kernfertigung in Gießereien. Anstatt Binder und Formgrundstoff zu vermischen und in eine Form einzubringen, wird Sand schichtweise in einer Box aufgetragen und an den gewünschten Stellen ein Binder aufgetragen. Die Binder sind selbst- oder warmhärtend. Der Wärmeeintrag erfolgt entweder nach dem beendeten Druck, indem die Box in einen Ofen überführt wird, oder direkt beim Druckvorgang mit Hilfe von Infrarotstrahlung. Eine Variante stellt eine Weiterentwicklung des Croning-Verfahrens dar, die in der WO 95/32824 A1 beschrieben ist und bei der Harz-umhüllter Sand schichtweise aufgetragen und das Harz punktuell mit einem infraroten Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Derartige Verfahren eignen sich aufgrund der begrenzten Fertigungsgeschwindigkeit hauptsächlich für Prototypen und stellen somit keine Konkurrenz für Verfahren der Serienfertigung wie zum Beispiel Hot-Box-Verfahren dar. Das Infrarotlicht härtet nur die Oberflächenschicht des Formstoffs. Das Verfahren ist also allein für Formkörper einsetzbar, die schichtweise aufgebaut werden.Additive manufacturing processes are increasingly complementing traditional core production in foundries. Instead of mixing binder and mold base material and pouring them into a mold, sand is applied layer by layer in a box, and a binder is applied to the desired areas. The binders are self-curing or heat-curing. Heat is applied either after printing is complete, by transferring the box to a furnace, or directly during the printing process using infrared radiation. One variant is a further development of the Croning process, which is used in the WO 95/32824 A1 In this process, resin-coated sand is applied layer by layer, and the resin is melted selectively with an infrared laser beam. Due to their limited production speed, such processes are primarily suitable for prototypes and therefore do not compete with series production methods such as hot-box processes. The infrared light only hardens the surface layer of the molding material. The process is therefore only suitable for molded bodies that are built up layer by layer.

Eine thermische Härtung von Formstoffen kann auch durch Mikrowellenstrahlung erfolgen. Aus der DE 10 2007 027 577 A1 ist bekannt, dass insbesondere bei wässrigen Alkalisilikat-Bindemitteln damit eine deutliche Erhöhung der Formstoff-Festigkeiten erreicht werden kann. Die Kerne können sowohl nach der Herstellung mit einer Kernschießmaschine in einem Mikrowellenofen als auch durch direkte Fertigung in einer speziellen Kernschießmaschine gehärtet werden, wie es in der DE 11 2016 006 377 T5 beschrieben ist. Im ersten Fall stellt der Transport in den Ofen einen zusätzlichen, fehleranfälligen Prozessschritt dar. Im zweiten Fall hingegen ist eine spezielle Kernschießmaschine notwendig, die für die Praxis eine hohe Investitionsbarriere darstellt.Thermal curing of molding materials can also be achieved by microwave radiation. DE 10 2007 027 577 A1 It is known that, particularly with aqueous alkali silicate binders, a significant increase in the strength of the molding material can be achieved. The cores can be hardened either after production with a core shooter in a microwave oven or by direct production in a special core shooter, as described in DE 11 2016 006 377 T5 In the first case, transport to the furnace represents an additional, error-prone process step. In the second case, however, a special core shooter is required, which represents a high investment barrier in practice.

Neben dem zuvor aufgezeigten Einsatz in warmhärtenden Verfahren werden insbesondere Phenol-Formaldehyd-Harze mit Isocyanat-haltigen Härtern im Cold-Box-Verfahren verfestigt, bei dem durch Aminbegasung eine nahezu schlagartige Durchhärtung des Formstoffs unter Ausbildung eines Polyurethan-Additionsprodukts erreicht wird und das sich besonders für einen automatisierten Kernherstellungsprozess eignet. Das Cold-Box-Verfahren ist in zahlreichen Druckschriften erläutert, wie zum Beispiel in der US 3 409 579 A , DE 2 162 137 A oder der DE 1 959 023 A.In addition to the previously described use in heat-curing processes, phenol-formaldehyde resins are particularly hardened with isocyanate-containing hardeners in the cold-box process, in which amine gassing achieves an almost instantaneous curing of the molding material with the formation of a polyurethane addition product, and which is particularly suitable for an automated core manufacturing process. The cold-box process is explained in numerous publications, such as US 3 409 579 A , DE 2 162 137 A or the DE 1 959 023 A.

Während Phenolharze im Cold-Box-Verfahren tertiäre gasförmige Amine als Katalysatoren nutzen, wird dieselbe Binderklasse beim Einsatz in kaltselbsthärtenden Verfahren mit flüssigen, Pyridin-basierten Katalysatoren gehärtet. Letztgenannte können auch in einem warmhärtenden Verfahren additiv eingesetzt werden. Recht wenig Aufmerksamkeit wurde vor diesem Hintergrund den blockierten, thermisch aktivierbaren Katalysatoren geschenkt, die einerseits durch ihre chemische Verkappung lange Formstoffverarbeitungszeiten ermöglichen und gleichzeitig eine sehr schnelle Formstoffhärtung bei thermischer Beaufschlagung erzielen.While phenolic resins utilize tertiary gaseous amines as catalysts in the cold-box process, the same class of binders is cured with liquid, pyridine-based catalysts when used in cold-self-curing processes. The latter can also be used additively in a heat-curing process. Against this background, relatively little attention has been paid to blocked, thermally activated catalysts, which, on the one hand, enable long molding material processing times through their chemical capping and, at the same time, achieve very rapid molding material curing upon thermal exposure.

Aus der Literatur sind verschiedene Möglichkeiten der Blockierung von Aminen bekannt. So erhält man aus der Kondensation primärer Amine mit Aldehyden oder Ketonen die entsprechenden Aldimine beziehungsweise Ketimine. Durch Hydrolyse werden die ursprünglich eingesetzten Amine wieder freigesetzt. Gemäß der WO 2014/040922 A1 können Aldimingruppen aufweisende blockierte Amine in zweikomponentigen Polyurethanzusammensetzungen für die Anwendung als Klebstoff, Dichtstoff, Beschichtung oder Vergussmasse verwendet werden.Various methods for blocking amines are known from the literature. For example, the condensation of primary amines with aldehydes or ketones yields the corresponding aldimines or ketimines. Hydrolysis releases the originally used amines. WO 2014/040922 A1 Blocked amines containing aldimine groups can be used in two-component polyurethane compositions for application as adhesives, sealants, coatings or potting compounds.

Werden latente Amine, insbesondere hydrolysierbare, blockierte Amine eingesetzt, können, wie in der WO 2009/080738 A1 erwähnt, problematische Emissionen aufgrund der sogenannten Abspaltungsprodukte auftreten. Diese aus Aldiminen oder Ketiminen entstehenden, flüchtigen Aldehyde und Ketone verursachen mitunter geruchsintensive und gesundheitsschädliche Dämpfe.If latent amines, especially hydrolyzable, blocked amines, are used, as described in WO 2009/080738 A1 As mentioned above, problematic emissions occur due to the so-called cleavage products. These volatile aldehydes and ketones, formed from aldimines or ketimines, sometimes cause odorous and harmful vapors.

In der US 3 010 963 A wurden quartäre Hydroxyalkylbasen von 1,4-Diazabicyclo-[2.2.2]-octan oder Imidazol oder deren Salzen zur Herstellung von Polyurethanschäumen beschrieben. In den Druckschriften DE 1 928 475 A und DE 2 404 739 C2 wurde offenbart, dass dadurch eine höhere Verarbeitungssicherheit von Klebstoffen von Polyesterfasermaterialien sowie von Beschichtungsmitteln auf Basis von Polyisocyanaten und Verbindungen mit gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen erreicht werden konnte.In the US 3 010 963 A Quaternary hydroxyalkyl bases of 1,4-diazabicyclo-[2.2.2]-octane or imidazole or their salts were described for the production of polyurethane foams. In the publications DE 1 928 475 A and DE 2 404 739 C2 It was revealed that this made it possible to achieve greater processing reliability for adhesives made from polyester fibre materials as well as for coating agents based on polyisocyanates and compounds containing hydrogen atoms reactive towards isocyanate groups.

Auch bei Epoxidharzen finden blockierte Amine Anwendung. So wird gemäß der WO 2019/081581 A1 eine längere Lagerstabilität einkomponentiger Epoxidharzzusammensetzungen erzielt.Blocked amines are also used in epoxy resins. WO 2019/081581 A1 a longer storage stability of one-component epoxy resin compositions is achieved.

Die EP 2 864 435 B1 beschreibt die Verwendung von Ketiminen, Enaminen, Oxazolidinen, Aldiminen und/oder Imidazolidinen als blockierte Aminkatalysatoren für feuchtigkeitshärtende Polymerzusammensetzungen auf Basis eines Trialkylsilan-terminierten schwefelhaltigen Polymers, welche als Dichtungsmittel zum Versiegeln einer Öffnung verwendet werden können.The EP 2 864 435 B1 describes the use of ketimines, enamines, oxazolidines, aldimines and/or imidazolidines as blocked amine catalysts for moisture-curing polymer compositions based on a trialkylsilane-terminated sulfur-containing polymer, which can be used as sealants for sealing an opening.

Ein sehr eleganter und zunehmend genutzter Ansatz besteht darin, tertiäre Amine durch Reaktion mit Carbonsäuren zu blockieren und auf diese Weise ein gut einstellbares wärmelatentes Katalysatorsystem zu erhalten. Als Amin-Katalysatoren mit verzögernder Wirkung werden solche Systeme zur Herstellung von Polyurethanschaumstoffen eingesetzt. Dies geht unter anderem aus den Druckschriften DE 699 21 284 T2 und DE699 26 577 T2 hervor.A very elegant and increasingly used approach is to block tertiary amines by reaction with carboxylic acids, thus obtaining a readily adjustable heat-latent catalyst system. Such systems are used as amine catalysts with a retarding effect in the production of polyurethane foams. This is demonstrated, among other things, by the publications DE 699 21 284 T2 and DE699 26 577 T2 out.

In der EP1 990 387 A1 werden tertiäre Amingruppen enthaltende Katalysatoren für die Anwendung in Polyurethan-Heißschmelzklebstoffen beschrieben, mit denen das Verkleben von Weichmacher enthaltenden Kunststoffen realisiert werden kann.In the EP1 990 387 A1 Catalysts containing tertiary amine groups are described for use in polyurethane hot-melt adhesives, with which the bonding of plasticizer-containing plastics can be achieved.

Die WO 2011/095440 A1 beschreibt die Verwendung blockierter tertiärer Amine, genauer gesagt 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU), 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO) und/oder 1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-en (DBN), als latente Katalysatoren, die bei Schalttemperaturen zwischen 30 und 60 °C beziehungsweise 80 bis 150 °C aktiviert werden, für die Herstellung von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten, Polyurethan-Gießelastomeren sowie zur Herstellung von Sieben, Molchen, Rollen, Rädern, Walzen, Abstreifern, Platten, Zyklonen, Förderbändern, Rakeln, Kupplungen, Dichtungen, Bojen und Pumpen. In der WO 2012/080226 A1 werden ähnlich Produkte unter Verwendung von mit Monocarbonsäure blockierten Amidinen als latente Katalysatoren für Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte hergestellt.The WO 2011/095440 A1 describes the use of blocked tertiary amines, more specifically 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU), 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) and/or 1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ene (DBN), as latent catalysts, which are activated at switching temperatures between 30 and 60 °C and 80 to 150 °C, respectively, for the production of polyisocyanate polyaddition products, polyurethane cast elastomers, as well as for the production of screens, pigs, rollers, wheels, rollers, scrapers, plates, cyclones, conveyor belts, doctor blades, couplings, seals, buoys and pumps. WO 2012/080226 A1 Similar products are produced using monocarboxylic acid blocked amidines as latent catalysts for polyisocyanate polyaddition products.

Thermolatente Katalysatoren auf Basis tertiärer Amine, die im Bereich von 50 bis 120 °C katalytisch wirksam werden, können in sogenannten Sheet Moulding Compounds zur Herstellung von Faserverbundbauteilen verwendet werden. Dies ist unter anderem auch aus der WO 2017/149031 A1 bekannt.Thermolatent catalysts based on tertiary amines, which become catalytically active in the range of 50 to 120 °C, can be used in so-called sheet molding compounds for the production of fiber composite components. This is also due to the WO 2017/149031 A1 known.

Die US 2 891 025 A beschreibt quartäre Imidazoliumsalze, die als polymerisierbare Ausgangsstoffe dienen, welche in Form von Homo- und Co-Polymerprodukten Einsatz als Kunststoffe, Beschichtungen, Klebstoffe, Laminierungen, Gießharz oder faserbildende Materialien finden.The US 2 891 025 A describes quaternary imidazolium salts that serve as polymerizable starting materials, which are used in the form of homo- and co-polymer products as plastics, coatings, adhesives, laminations, casting resins or fiber-forming materials.

In der US 2 800 487 A werden Polyoxyalkylen-substituierte heterocyclische Amine sowie deren Ammoniumsalze als oberflächenaktive Detergenzien beschrieben.In the US 2 800 487 A Polyoxyalkylene-substituted heterocyclic amines and their ammonium salts are described as surface-active detergents.

Die Herstellung und Anwendung latenter vierwertiger Zinn-Katalysatoren wird in der EP 2 274 092 B1 gezeigt. Sie stellen eine Alternative zu toxischen Quecksilberkatalysatoren dar und werden hauptsächlich zur Herstellung von Schäumen eingesetzt. Für Beschichtungen werden Zinn- oder Bismut-Katalysatoren, die mit einem Überschuss an Mercapto-Verbindungen komplexiert und somit blockiert werden, in WO95/29007 A1 beschrieben.The production and application of latent tetravalent tin catalysts is described in EP 2 274 092 B1 They represent an alternative to toxic mercury catalysts and are mainly used for the production of foams. For coatings, tin or bismuth catalysts, which are complexed with an excess of mercapto compounds and thus blocked, are used in WO95/29007 A1 described.

In der DE 10 2014 110 189 A1 wird ein Cold-Box-Bindemittel, bestehend aus Phenolharz, Polyisocyanat und einem blockierten tertiären Amin oder Amidin als Co-Katalysator beschrieben. Dieser Co-Katalysator wird nicht thermisch aktiviert, sondern entfaltet seine Wirkung im Zusammenspiel mit dem tertiären, leichtflüchtigen Amin, zum Beispiel Triethylamin, das als Katalysator nach dem Cold-Box-Verfahren genutzt wird. Dadurch lässt sich der Verbrauch des leichtflüchtigen Amins reduzieren.In the DE 10 2014 110 189 A1 A cold-box binder consisting of phenolic resin, polyisocyanate, and a blocked tertiary amine or amidine as a co-catalyst is described. This co-catalyst is not thermally activated, but rather unfolds its effect in interaction with the tertiary, highly volatile amine, such as triethylamine, which is used as a catalyst in the cold-box process. This reduces the consumption of the highly volatile amine.

Die zuvor beschriebenen organischen Bindemittel bestehen weitestgehend aus Phenolharzen oder Furfurylalkohlen. Deren Monomere sind meistens giftig und/oder kanzerogen und werden bei der Verarbeitung, spätestens jedoch bei der thermischen Zersetzung während des Gusses freigesetzt und stellen mithin eine Belastung für die Mitarbeiter und die Umwelt dar.The organic binders described above consist largely of phenolic resins or furfuryl alcohols. Their monomers are usually toxic and/or carcinogenic and are released during processing, or at the very latest during thermal decomposition during casting, thus posing a threat to employees and the environment.

In der DE 10 2015 118 428 A1 sind Phenol-Formaldehydharz-freie Bindemittel für Gießerei-Formsande und Formstoffgemische aus natürlichen und/oder keramischen Sanden mit diesen Bindemitteln offenbart. Das Bindemittel liegt dabei entweder als Einkomponenten-Bindemittel auf Polyurethan- und/oder Polyharnstoff-Basis, das für ein mehrphasig anwendbares Härtungsverfahren mittels Wasser-Alkoholgemischen geeignet ist, oder als Zweikomponenten-Bindemittel vor. Dieses Zweikomponenten-Bindemittel, umfasst eine Komponente A mit einer durchschnittlichen Wasserstoff-Funktionalität von 2,0 bis 3,9, mit einem durchschnittlichen Äquivalentgewicht von 450 bis 900 g/val der Edukte, wobei die Edukte der Komponente A Polyetheralkoholgemische aus Hydroxyl- und/oder Mercaptogruppen und/oder internen Stickstoff enthaltenden Einzelkomponenten darstellen, sowie eine Isocyanat-haltige Komponente B. Die Bindemittel sind aufgrund des Fehlens von Phenol-Formaldehyd-Harz und aromatischen Lösemitteln umwelt- und gesundheitsneutral. Sie sind für Kern- und Formenherstellung in kaltselbsthärtenden und amingashärtenden (Cold-Box) Verfahren geeignet.In the DE 10 2015 118 428 A1 Phenol-formaldehyde resin-free binders for foundry molding sands and molding material mixtures made from natural and/or ceramic sands containing these binders are disclosed. The binder is available either as a one-component binder based on polyurethane and/or polyurea, which is suitable for a multi-phase curing process using water-alcohol mixtures, or as a two-component binder. This two-component binder comprises component A with an average hydrogen functionality of 2.0 to 3.9, with an average equivalent weight of 450 to 900 g/eq of the reactants, where the reactants of component A are polyether alcohol mixtures of individual components containing hydroxyl and/or mercapto groups and/or internal nitrogen, and an isocyanate-containing component B. The binders are environmentally and health-neutral due to the absence of phenol-formaldehyde resin and aromatic solvents. They are suitable for core and mold production in cold self-curing and amine gas curing (cold box) processes.

Aus der US 4 370 463 A ist ein Verfahren für das Gießen von Leichtmetallen bekannt, welches folgende Schritte umfasst:

  1. a) Bilden einer Gießereimischung, wobei die Mischung ein Aggregat, ein Polyisocyanat und ein Aminopolyol umfasst, wobei das Aggregat mindestens 90 Gew.-% der Mischung umfasst,
  2. b) Formen der Mischung, um eine Gießereiform zu bilden;
  3. c) nach Ausbilden der Form, Aushärtenlassen der Mischung;
  4. d) Bilden eines geformten Leichtmetallgusses unter Verwendung der ausgehärteten Formmischung und durch Gießen von geschmolzenem Leichtmetall in Kontakt mit der ausgehärteten Formmischung; und
  5. e) Entfernen der ausgehärteten geformten Mischung von dem Leichtmetallguss.
From the US 4 370 463 A A process for casting light metals is known, which includes the following steps:
  1. a) forming a foundry mixture, the mixture comprising an aggregate, a polyisocyanate and an aminopolyol, the aggregate comprising at least 90% by weight of the mixture,
  2. b) shaping the mixture to form a foundry mould;
  3. c) after forming the mould, allowing the mixture to harden;
  4. d) forming a shaped light metal casting using the cured molding mixture and by pouring molten light metal into contact with the cured molding mixture; and
  5. e) Removing the cured shaped mixture from the light metal casting.

In der US 6 348 121 B1 ist ein Polyol/Polyisocyanat-Bindemittelsystem mit einer Isocyanatkomponente und einer katalysierenden Komponente beschrieben, wobei diese Komponenten beim Mischen und Erhitzen über eine Schwellentemperatur eine warmhärtende Zusammensetzung bilden.In the US 6 348 121 B1 describes a polyol/polyisocyanate binder system comprising an isocyanate component and a catalyzing component, which components form a thermosetting composition when mixed and heated above a threshold temperature.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein im Formstoff verwendetes System aus Bindemittel und einem geeigneten, die Formstoff-Aushärtung unter Wärmezufuhr begünstigenden Katalysator zu entwickeln, das es erlaubt, den Formstoff durch moderaten thermischen Eintrag nach dem Warm-Box- oder Warmluft-Verfahren zu härten und dabei schnelle Takt- und Ausschalzeiten zu erreichen, die denen des Amingas-härtenden Cold-Box-Verfahrens nahe kommen.The object underlying the invention is to develop a system used in the molding material consisting of a binder and a suitable catalyst which promotes the curing of the molding material under the application of heat, which system allows the molding material to be cured by moderate thermal input according to the warm box or warm air process and thereby achieves fast cycle and demolding times which are close to those of the amine gas-curing cold box process.

Ein weiteres Anliegen der Erfindung besteht in der Überwindung umwelt- und arbeitsschutzrelevanter Nachteile, die sich aus der Verwendung von klassische organische Bindemittel enthaltenden Formstoffen ergeben, die im Warm/Hot-Box- und/oder Warm-/Heißluft-Verfahren gehärtet werden. Insbesondere betrifft dies die Vermeidung der Freisetzung von emissionsrelevanten Substanzen wie leichtflüchtige Verbindungen (VOC), Phenole, Formaldehyd oder hydrolytischen Spaltprodukten wie Aldehyde oder Ketone.A further aim of the invention is to overcome environmental and occupational safety-related disadvantages that arise from the use of conventional molding materials containing organic binders that are cured using the warm/hot box and/or warm/hot air process. In particular, this concerns the avoidance of the release of emission-relevant substances such as volatile organic compounds (VOCs), phenols, formaldehyde, or hydrolytic decomposition products such as aldehydes or ketones.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen warmhärtenden Formstoff mit den Merkmalen von Anspruch 1, wobei dieser Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren geeignet ist. Weiterbildungen sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a thermosetting molding material having the features of claim 1, which molding material is suitable for producing cores and molds using the sand molding process. Further developments are specified in the claims dependent on claim 1.

Der erfindungsgemäße warmhärtende Formstoff umfasst mindestens

  • • ein zweikomponentiges, phenol- und formaldehydfreies Bindemittel auf Polyurethan-Basis, enthaltend eine Harz-Komponente als Gemisch von zwei oder mehreren in Bezug auf Isocyanate wasserstoffaktiven Verbindungen mit Hydroxyl- und/oder Mercapto- und/oder Amino- und/oder Carbamidgruppen mit einer OH-, SH- und NH-Funktionalität von 1,5 bis 8 und Äquivalentgewichten von 9 bis 2000 g/val der Einzelbestandteile und eine Härter-Komponente mit einem oder mehreren Diisocyanaten oder Polyisocyanaten.
  • • einen oder mehrere thermisch aktivierbare Katalysatoren, deren Aktivierungstemperaturen zwischen 50 und 180 °C liegen, aufweisend die Polyurethan-Reaktion fördernde Brönsted-Basen und/oder Lewis-Säuren sowie ihre zugehörigen Blockierungsmittel, und
  • • einen oder mehrere feuerfeste schüttfähige Füllstoffe.
The thermosetting molding material according to the invention comprises at least
  • • a two-component, phenol- and formaldehyde-free binder based on polyurethane, containing a resin component as a mixture of two or more compounds which are hydrogen-active with respect to isocyanates and have hydroxyl and/or mercapto and/or amino and/or carbamide groups with an OH, SH and NH functionality of 1.5 to 8 and equivalent weights of 9 to 2000 g/eq of the individual components and a hardener component with one or more diisocyanates or polyisocyanates.
  • • one or more thermally activatable catalysts, the activation temperatures of which are between 50 and 180 °C, comprising Brönsted bases and/or Lewis acids which promote the polyurethane reaction, as well as their associated blocking agents, and
  • • one or more fire-resistant, pourable fillers.

Das zweikomponentige Bindemittel im erfindungsgemäßen Formstoff besteht einerseits aus der Harz-Komponente mit in Bezug auf Isocyanat wasserstoffaktiven Einzelverbindungen der durchschnittlichen Funktionalität von 1,8 bis 4,0, als Zusatz/Zusätze vorzugsweise einem oder mehreren Verdünnern, gegebenenfalls einem oder mehreren die Polyurethanreaktion beeinflussenden Additiven wie Katalysatoren oder Verzögerern sowie gegebenenfalls Homogenisierungszusätzen und andererseits aus der Isocyanat-enthaltenden Härter-Komponente.The two-component binder in the molding material according to the invention consists, on the one hand, of the resin component with individual compounds which are hydrogen-active with respect to isocyanate and have an average functionality of 1.8 to 4.0, as additive(s), preferably one or more diluents, optionally one or more additives influencing the polyurethane reaction, such as catalysts or retarders, and optionally homogenizing additives, and, on the other hand, of the isocyanate-containing hardener component.

Vorzugsweise werden für die erfindungsgemäßen Zweikomponenten-Systeme in der Harz-Komponente ausgewogene Kombinationen verschiedener aliphatischer und/oder cycloaliphatischer, in Bezug auf Isocyanat wasserstoffaktiver Verbindungen eingesetzt, wobei es sich bei diesen Verbindungen um Polyetheralkohole, reaktive und nicht reaktive Polymerpolyole, Polycaprolactone, Polyetherpolyesteralkohole, Polythiole, Aminopolyetheralkohole, zwei- und höherfunktionelle Alkohole, Amine, Carbamid-Verbindungen handelt. Es werden zwei oder mehr Einzelkomponenten einer oder mehrerer dieser Substanzklassen in die Harzkomponente eingebracht.For the two-component systems according to the invention, balanced combinations of various aliphatic and/or cycloaliphatic compounds that are hydrogen-active with respect to isocyanate are preferably used in the resin component. These compounds are polyether alcohols, reactive and non-reactive polymer polyols, polycaprolactones, polyetherpolyester alcohols, polythiols, aminopolyether alcohols, difunctional and higher-functional alcohols, amines, and carbamide compounds. Two or more individual components of one or more of these substance classes are incorporated into the resin component.

Um hohe Formstoff-Festigkeiten zu erzielen, haben sich Gemische von wasserstoffaktiven Verbindungen als vorteilhaft erwiesen. Die Auswahl und Kombination dieser in Bezug auf Isocyanat wasserstoffaktiven Verbindungen erfolgt deshalb in der Weise, dass deren Funktionalitäten und deren Äquivalentgewichte einen Gradienten abbilden. Dadurch wird eine optimale Vernetzung innerhalb des Polyadditionsproduktes erreicht, was für die Verarbeitungseigenschaften des damit vermischten Formstoffs und für die Klebwirkung zwischen den Sandpartikeln vorteilhaft ist. Als geeignet haben sich dafür Harz-Komponenten mit einem durchschnittlichen Äquivalentgewicht von 90 bis 200 g/val, bezogen auf die wasserstoffaktiven Bestandteile, herausgestellt, die gemäß der Erfindung als Harz-Komponenten ausgewählt sind. Dieses durchschnittliche Äquivalentgewicht berechnet sich aus dem prozentualen Gehalt an OH- und/oder SH- und/oder NH-Gruppen der Einzelkomponenten unter Berücksichtigung ihrer Massenanteile im Gemisch. Mixtures of hydrogen-active compounds have proven advantageous for achieving high molding material strengths. These compounds, which are hydrogen-active with respect to isocyanate, are selected and combined in such a way that their functionalities and equivalent weights form a gradient. This achieves optimal crosslinking within the polyaddition product, which is beneficial for the processing properties of the molding material mixed with it and for the adhesive effect between the sand particles. Resin components with an average equivalent weight of 90 to 200 g/eq, based on the hydrogen-active constituents, have proven suitable for this purpose. This average equivalent weight is calculated from the percentage content of OH and/or SH and/or NH groups of the individual components, taking into account their mass fractions in the mixture.

Erfindungsgemäß werden die Einzelbestandteile der Harz-Komponente so gewählt, dass eine durchschnittliche H-Funktionalität von 1,8 bis 4,0, vorzugsweise 2,2 bis 3,5, vorliegt. Für eine optimale Vernetzung hat sich die Kombination von zweifunktionellen mit höherfunktionellen Verbindungen als vorteilhaft erwiesen, wobei eine optimale Durchschnittsfunktionalität angestrebt wird.According to the invention, the individual constituents of the resin component are selected such that an average H functionality of 1.8 to 4.0, preferably 2.2 to 3.5, is present. For optimal crosslinking, the combination of difunctional with higher-functional compounds has proven advantageous, with the aim of achieving an optimal average functionality.

Als vernetzende Polyole für die Herstellung der erfindungsgemäßen Harz-Komponente eignen sich insbesondere di-, tri- und tetra-funktionelle Polyetheralkohole. Solche Polyole sind zum Beispiel Voranole® von Dow Chemical®, Desmophene® von Covestro®, Lupranole® von BASF®, Isoter® von Coim®, Puranole® von Jiahua®, Lipoxole® von Sasol®, Polyglykole von Clariant®, Polyole von Perstorp®. Besonders geeignet sind beispielsweise die Voranole® CP 260, CP 6055 und P400, die Desmophene® 1262 BD, 1300 BT, 1380 BT, 4051B, 5031 BT, 21 AP25, die Lupranole® 1000/1, 1100, 1200, 2070, 2090, 3300, 3423, 3424, 3902, die Isotere® 804SA, 803SA, 809SA, 840G, 860T, die Puranole R3776, F3020, G303, G305, TMP850 und die Polyole 3165, 3380, 4640, 4290. Als H-funktionelle schwefelhaltige Zusätze haben sich die Thioplast®-Typen der Firma Akzo Nobel® und die Thiocure®-Palette der Firma Bruno Bock bewährt. Geeignete Polycaprolactone sind beispielsweise Placcel® 205, 305 und 410 der Firma Daicel®, Durez® Ter S 1063-72 und S 2006-120 von Sumitoma Bakelite® oder Capa® 3031, 3022 und 2043 von Ingevity®. Als NH-funktionelle Verbindungen können Polyetherdiamine wie Jeffamine® D-400 und D-230 von Huntsman® oder auch einfache Strukturen wie Diglykolamin verwendet werden. Als mehrwertige kurzkettige Alkohole vorzugsweise mit einem maximalen Molgewicht von 200 g/mol kommen Diole wie Ethylenglykol, 1,3-Propandiol, 2-Butyl-2-ethylpropandiol, 2-Methyl-1,3-propandiol, Neopentylglykol, 1,4-Butandiol, Diethylenglykol, 1,5-Pentandiol, 2,2,4-Trimethylpentan-1,3-diol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, 2-Methyl-2,4-pentandiol, 1,6-Hexandiol und 2-Ethylhexan-1,3-diol, Triole wie Glycerin, Trimethylolpropan, Triethanolamin, Tetrole wie Pentaerythrit oder Di(trimethylolpropan) sowie Einfach- und Mehrfachzucker wie Glucose, Saccharose und Sorbit zum Einsatz. Je nach Zusammensetzung der Harz- und Härter-Komponenten und je nach gewünschter Verarbeitungszeit im Kern- und Formherstellungsprozess werden die Bindemittel mit oder ohne zusätzliche katalytische Unterstützung verarbeitet. Als Katalysatoren eignen sich Organozinn-, Organobismuth-, Organozink-, Organokalium- und Organoaluminiumverbindungen sowie tertiären beziehungsweise quartären Stickstoff enthaltende Substanzen wie Dimethylcyclohexylamin, N-substituierte Pyrrolidone, N-substituierte Imidazole, Diazabicyclooctan und Triazin-Derivate.Di-, tri-, and tetrafunctional polyether alcohols are particularly suitable as crosslinking polyols for producing the resin component according to the invention. Examples of such polyols include Voranole® from Dow Chemical® , Desmophene® from Covestro® , Lupranole® from BASF® , Isoter® from Coim® , Puranole® from Jiahua® , Lipoxole® from Sasol® , polyglycols from Clariant® , and polyols from Perstorp® . Particularly suitable are, for example, the Voranoles ® CP 260, CP 6055 and P400, the Desmophene ® 1262 BD, 1300 BT, 1380 BT, 4051B, 5031 BT, 21 AP25, the Lupranole ® 1000/1, 1100, 1200, 2070, 2090, 3300, 3423, 3424, 3902, the Isotere ® 804SA, 803SA, 809SA, 840G, 860T, the Puranoles R3776, F3020, G303, G305, TMP850 and the Polyols 3165, 3380, 4640, 4290. The Thioplast ® grades from Akzo Nobel ® and the Thiocure ® range from Bruno Bock have proven effective as H-functional sulfur-containing additives. Suitable polycaprolactones include Placcel ® 205, 305, and 410 from Daicel ® , Durez ® Ter S 1063-72 and S 2006-120 from Sumitoma Bakelite ® , or Capa ® 3031, 3022, and 2043 from Ingevity ® . NH-functional compounds that can be used include polyetherdiamines such as Jeffamine ® D-400 and D-230 from Huntsman ® or simple structures such as diglycolamine. Diols such as ethylene glycol, 1,3-propanediol, 2-butyl-2-ethylpropanediol, 2-methyl-1,3-propanediol, neopentyl glycol, 1,4-butanediol, diethylene glycol, 1,5-pentanediol, 2,2,4-trimethylpentane-1,3-diol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 2-methyl-2,4-pentanediol, 1,6-hexanediol and 2-ethylhexane-1,3-diol, triols such as glycerol, trimethylolpropane, triethanolamine, tetrols such as pentaerythritol or di(trimethylolpropane) as well as simple and multiple sugars such as glucose, sucrose and sorbitol are used as polyhydric short-chain alcohols, preferably with a maximum molecular weight of 200 g/mol. Depending on the composition of the resin and hardener components and the desired processing time in the core and mold manufacturing process, the binders are processed with or without additional catalytic support. Suitable catalysts include organotin, organobismuth, organozinc, organopotassium, and organoaluminum compounds, as well as tertiary or quaternary nitrogen-containing substances such as dimethylcyclohexylamine, N-substituted pyrrolidones, N-substituted imidazoles, diazabicyclooctane, and triazine derivatives.

Geeignete Metall-basierte Katalysatoren sind zum Beispiel die Kosmos®- und DABCO®-Typen von Evonik®, Katalysatoren von TIB®, K-Kat®-Produkte von King Industries®, die Borchi® Kat-Reihe von Borchers® und Tytane® von Borica. Eine umfassende Auswahl an Katalysatoren mit tertiärem Stickstoff bieten die BASF mit der Lupragen®-Reihe, Lanxess® mit Addocat®-Typen sowie Huntsmann® mit der Jeffcat®-Reihe an.Suitable metal-based catalysts include the Kosmos ® and DABCO ® types from Evonik ® , catalysts from TIB ® , K-Kat ® products from King Industries ® , the Borchi ® Kat series from Borchers ® and Tytane ® from Borica. A comprehensive selection of catalysts with tertiary nitrogen is available. BASF with the Lupragen ® series, Lanxess ® with Addocat ® types and Huntsmann ® with the Jeffcat ® series.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die Härter-Komponente aus Gemischen eines oder mehrerer Isocyanate mit Verdünnern sowie die Verarbeitbarkeit gewährleistenden Zusätzen, wobei der Isocyanat-Anteil vorzugsweise im ausgeglichenen stöchiometrischen Verhältnis zu den wasserstoffaktiven Verbindungen der Harz-Komponente steht.According to an advantageous embodiment of the invention, the hardener component consists of mixtures of one or more isocyanates with thinners and additives ensuring processability, wherein the isocyanate content is preferably in a balanced stoichiometric ratio to the hydrogen-active compounds of the resin component.

Als Isocyanate der Härter-Komponente des erfindungsgemäßen Formstoffs eignen sich oligomere oder polymere Derivate vom Grundtyp des 2,4'- und 4,4'-Diphenylmethan-Diisocyanates und/oder oligomere oder polymere Varianten vom Typ des 2,4'- und 4,4'-Dicyclohexylmethan-Diisocyanates und/oder oligomere oder polymere Derivate des Hexamethylen-Diisocyanates mit gegebenenfalls ganz oder partiell blockierten Isocyanatgruppen und/oder Isophorondiisocyanat und/oder dessen Derivate, außerdem die in einem Prepolymer-Verfahren dargestellten aromatischen, aliphatischen und cycloaliphatischen Isocyanate sowie deren Oligomere und Polymere. Oligomere und polymere Derivate von Isocyanaten sind unter anderem Carbodiimide, Isocyanurate, Biurete, Uretdione und Uretonimine. Gängige Blockierungsmittel für Isocyanate, die in unter Wärmeeinwirkung wieder abgespalten werden können, sind Phenol, Kresol, Acetessigester, Malonsäurediethylester, ε-Caprolactam und Butanonoxim. Vorzugsweise haben die Isocyanate mindestens die Funktionalität 2 und liegen bei Raumtemperatur flüssig vor.Suitable isocyanates for the hardener component of the molding material according to the invention are oligomeric or polymeric derivatives of the basic type of 2,4'- and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and/or oligomeric or polymeric variants of the type of 2,4'- and 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and/or oligomeric or polymeric derivatives of hexamethylene diisocyanate with optionally fully or partially blocked isocyanate groups and/or isophorone diisocyanate and/or its derivatives, as well as aromatic, aliphatic, and cycloaliphatic isocyanates prepared in a prepolymer process, as well as their oligomers and polymers. Oligomeric and polymeric derivatives of isocyanates include carbodiimides, isocyanurates, biurets, uretdiones, and uretonimines. Common blocking agents for isocyanates that can be cleaved under heat are phenol, cresol, acetoacetic ester, diethyl malonate, ε-caprolactam, and butanone oxime. The isocyanates preferably have at least a functionality of 2 and are liquid at room temperature.

Die vorgenannten Prepolymere werden durch eine Vorvernetzung von einem stöchiometrischen Unterschuss an di- oder mehrfunktionellen Polyolen mit geeigneten aliphatischen und/oder aromatischen und/oder cycloaliphatischen Isocyanaten hergestellt, wobei vorzugsweise ein Restgehalt an freien Isocyanatgruppen zwischen 5 und 35 %, besonders bevorzugt zwischen 6 und 30 %, resultiert. Weiterhin müssen solche Prepolymere eine verarbeitungsfreundliche Viskosität haben, die eine gute Durchmischung mit dem Formgrundstoff gewährleistet und daher maximal 900 mPas, vorzugsweise aber 300 bis 600 mPas, bei 20 °C beträgt. Alle im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angegebenen Viskositäten wurden mit einem Rotationsviskosimeter gemäß DIN 53019 ermittelt.The aforementioned prepolymers are prepared by pre-crosslinking a stoichiometric deficit of di- or polyfunctional polyols with suitable aliphatic and/or aromatic and/or cycloaliphatic isocyanates, preferably resulting in a residual content of free isocyanate groups between 5 and 35%, particularly preferably between 6 and 30%. Furthermore, such prepolymers must have a processing-friendly viscosity that ensures good mixing with the molding base material and is therefore a maximum of 900 mPas, but preferably 300 to 600 mPas, at 20°C. All viscosities stated in connection with the present invention were determined using a rotational viscometer in accordance with DIN 53019.

Geeignete Isocyanate für Bindemittel des erfindungsgemäßen Formstoffs sind unter anderem Lupranate® aus der Produktpalette der Firma BASF®, Desmodur®-Typen von der Firma Covestro®, Voranate® und Isonate® der Firma Dow Chemical®, Vestanate® der Firma Evonik®, die Suprasec®-Reihe von Huntsman®, Tolonate® der Firma Vencorex®, Polurene® und Hydrorene® von Sapici® oder auch Ongronate® der Firma Wanhua®. Zu den oben genannten geeigneten Isocyanaten zählen insbesondere Lupranat® M 70 R, Lupranat MM® 103, Lupranat M® 105, Lupranat® MIP, Lupranat® M 10 R, Lupranat® M 20 S, Desmodur® 44 V 70 L, Desmodur® 44 V 20 L, Desmodur® CD-S, Desmodur® DN, Desmodur® I, Desmodur® W/1, Vestanat® IPDI, Vestanat® H12MDI, Vestanat® TMDI, Vestanat® HT 2500/LV, Suprasec® 2030, Suprasec® 2085, Tolonate® HDB LV, Tolonate® HDT LV, Ongronat® 3800, Ongronat® CR-30-20, Ongronat® CR-30-40, Ongronat® CR-30-60.Suitable isocyanates for binders of the molding material according to the invention include Lupranate® from the product range of BASF® , Desmodur® types from Covestro® , Voranate® and Isonate® from Dow Chemical® , Vestanate® from Evonik® , the Suprasec® series from Huntsman® , Tolonate® from Vencorex® , Polurene® and Hydrorene® from Sapici® or Ongronate® from Wanhua® . The suitable isocyanates mentioned above include, in particular, Lupranat® M 70 R, Lupranat MM® 103, Lupranat 105 , Lupranat® MIP, Lupranat® M 10 R, Lupranat® M 20 S, Desmodur® 44 V 70 L, Desmodur® 44 V 20 L, Desmodur® CD-S, Desmodur ® DN, Desmodur ® I, Desmodur ® W/1, Vestanat ® IPDI, Vestanat ® H12MDI, Vestanat ® TMDI, Vestanat ® HT 2500/LV, Suprasec ® 2030, Suprasec ® 2085, Tolonate ® HDB LV, Tolonate ® HDT LV, Ongronat ® 3800, Ongronat ® CR-30-20, Ongronat ® CR-30-40, Ongronat ® CR-30-60.

Die Bindemittelkomponenten der erfindungsgemäßen Formstoffe, also Harz und Härter, sind mit dem Ziel einer guten Verarbeitbarkeit vorzugsweise durch Verdünner ergänzt. Solche Verdünner sind zum Beispiel Fettsäureester auf Basis nachwachsender Rohstoffe, wie Umesterungsprodukte von Pflanzenölen, vor allem deren Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl- und Isobutylester. Weiterhin geeignet sind synthetische Mono-, Di- und Tricarbonsäureester, Organosilikate, Sulfonsäureester und/oder weitgehend aromatenfreie Fraktionen aus der Erdölaufbereitung, Phosphorsäureester, cyclische und nicht-cyclische Carbonate und/oder nicht hydroxy-funktionell endständige Polyether.The binder components of the molding materials according to the invention, i.e., resin and hardener, are preferably supplemented with thinners to ensure good processability. Such thinners include, for example, fatty acid esters based on renewable raw materials, such as transesterification products of vegetable oils, especially their methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, and isobutyl esters. Also suitable are synthetic mono-, di-, and tricarboxylic acid esters, organosilicates, sulfonic acid esters, and/or largely aromatic-free fractions from petroleum processing, phosphoric acid esters, cyclic and non-cyclic carbonates, and/or non-hydroxy-functionally terminated polyethers.

Beispiele für Fettsäureester aus natürlichen Ölen sind der Rapsmethylester von Glencore oder anderen etablierten Biodieselherstellern, die Palm- und Sojamethylester der Firma Cremer, die Priolube®-Typen der Firma Croda®, die DUB®-Produkte von Stearinerie Dubois®, sowie die RADIA®-Ester der Firma Oleon®. Für die Anwendungsmöglichkeiten synthetischer Carbonsäureester stehen die Produktpaletten der Oxsoft®- und Oxblue®-Ester der Firma Oxea®, Softenol®-Ester der Firma Sasol®, die Jayflex®-Produkte von Exxon®, die mit Freeflex® bezeichneten Dibenzoatester von Caffaro® oder Weichmacher der BASF®, wie Hexamoll® DINCH oder Plastomoll® zur Verfügung. Geeignete Organosilikate, insbesondere Alkylsilikate und Alkylsilikatoligomere, sind zum Beispiel Tetraethylsilikat, Tetra-n-propylsilikat, sowie Mono-, Di- und Trialkylsilikate der Firmen Wacker®, Evonik® und Dow Corning®.Examples of fatty acid esters from natural oils are rapeseed methyl ester from Glencore or other established biodiesel producers, palm and soy methyl esters from Cremer, Priolube ® grades from Croda ® , DUB ® products from Stearinerie Dubois ® , and RADIA ® esters from Oleon ® . For applications involving synthetic carboxylic acid esters, the product ranges of Oxsoft ® and Oxblue ® esters from Oxea ® , Softenol ® esters from Sasol ® , Jayflex ® products from Exxon ® , the dibenzoate esters known as Freeflex ® from Caffaro ® , and plasticizers from BASF ® such as Hexamoll ® DINCH or Plastomoll ® are available. Suitable organosilicates, in particular alkyl silicates and alkyl silicate oligomers, are, for example, tetraethyl silicate, tetra-n-propyl silicate, as well as mono-, di- and trialkyl silicates from Wacker ® , Evonik ® and Dow Corning ® .

Zur Beschleunigung der Polyurethan-Reaktion von Harz und Härter werden erfindungsgemäß thermisch aktivierbare Amin-Katalysatoren und/oder Metall-basierte Katalysatoren zur Härtung des Formstoffs in einer beheizten Kernbüchse nach dem Warm-Box-Verfahren oder in der unbeheizten Kernbüchse durch Warmlufteintrag eingesetzt. Diese werden als Teil der Harz-Komponente in dieser vorgelegt und/oder als Einzelkomponente zum Formstoff hinzugefügt. Der thermisch aktivierbare Katalysator setzt die katalytisch aktive Spezies bei Temperaturen von 50 bis 180 °C frei. Die dadurch initiierte Polyurethan-Reaktion des zweikomponentigen Bindemittels sorgt für eine sofortige Härtung des Formstoffs und ermöglicht die unmittelbare Entnahme des gehärteten Formstoffs aus der Kernbüchse. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist dabei um ein vielfaches höher als mit anderen gängigen Polyurethan-Katalysatoren oder ganz ohne Katalysator. Im Gegensatz zu den gängigen Katalysatoren bleibt bei Verwendung thermolabiler Katalysatoren die verarbeitungsoffene Zeit bei Raumtemperatur weitgehend unbeeinflusst.To accelerate the polyurethane reaction of resin and hardener, thermally activated amine catalysts and/or metal-based catalysts are used to cure the molding material in a heated core box using the warm box process or in an unheated core box using warm air. These are introduced as part of the resin component and/or added to the molding material as individual components. The thermally activated catalyst releases the catalytically active species at temperatures between 50 and 180 °C. The resulting polyurethane reaction of the two-component binder ensures immediate curing of the molding material and enables the cured molding material to be removed directly from the core box. The reaction rate is many times higher than with other common polyurethane catalysts or without a catalyst at all. In contrast to common catalysts, the processing open time at room temperature remains largely unaffected when thermolabile catalysts are used.

Die thermisch aktivierbaren Katalysatoren weisen als katalytisch wirksame, thermisch freisetzbare tertiäre Amine beispielsweise 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU), 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO), Bis(2-dimethylaminoethyl)ether, Imidazol-, Piperazin-, Guanidin- oder Morpholin-Derivate auf. Mögliche Säuren zur Blockierung sind dabei Monocarbonsäuren wie Ameisensäure, Dichloressigsäure, Trifluoressigsäure oder 2-Ethylhexansäure, Dicarbonsäuren wie Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure, Korksäure und Hydroxycarbonsäuren wie Zitronensäure oder Salicylsäure. Komplexe thermisch freisetzbare Katalysatoren sind meist Addukte aus tertiären Aminen mit kurzkettigen Diolen wie Ethylenglykol und Carbonsäureanhydriden wie Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid oder Bernsteinsäureanhydrid.The thermally activated catalysts contain catalytically active, thermally releasable tertiary amines such as 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU), 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO), bis(2-dimethylaminoethyl) ether, imidazole, piperazine, guanidine, or morpholine derivatives. Possible blocking acids include monocarboxylic acids such as formic acid, dichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, or 2-ethylhexanoic acid; dicarboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, sebacic acid, suberic acid; and hydroxycarboxylic acids such as citric acid or salicylic acid. Complex thermally releasable catalysts are usually adducts of tertiary amines with short-chain diols such as ethylene glycol and carboxylic anhydrides such as phthalic anhydride, maleic anhydride or succinic anhydride.

Als quartäre Ammoniumsalze, die durch Wärmeeinwirkung tertiäre Amine freisetzen, eignen sich zum Beispiel Cholin und seine Derivate. Im Weiteren können auch Reaktionsprodukte aus cyclischen Carbonsäureanhydriden und Diaminen wie N,N-Dimethylethylendiamin genutzt werden.Suitable quaternary ammonium salts that release tertiary amines upon exposure to heat include choline and its derivatives. Reaction products of cyclic carboxylic acid anhydrides and diamines, such as N,N-dimethylethylenediamine, can also be used.

Typische latente Katalysatoren sind beispielsweise blockierte Amin- und Amidin-Katalysatoren der Hersteller Evonik® wie Polycat® SA 1/10, SA 2 LE, SA 4 und SA-8, Dabco® KTM 60, Tosoh® z.B. Toyocat® DB 2, DB 30, DB 31, DB 40, DB 41, DB 42, DB 60, DB 70, Huntsman®, z.B. Accelerator DY 9577, und Nitroil®, zum Beispiel PC Cat Q8, PC Cat Q7-2, PC Cat NP93, PC Cat DBU TA. Beispiele für Metall-basierte, latente Katalysatoren bietet die Thorcat®-Reihe der Firma Thor Especialidades®. Es können aber auch alle weiteren, latenten Katalysatoren aus der Polyurethan-Chemie mit einer sogenannten Schalttemperatur von 50 °C bis 180 °C eingesetzt werden.Typical latent catalysts include blocked amine and amidine catalysts from Evonik® such as Polycat® SA 1/10, SA 2 LE, SA 4 and SA-8, Dabco® KTM 60, Tosoh® e.g. Toyocat® DB 2, DB 30, DB 31, DB 40, DB 41, DB 42, DB 60, DB 70, Huntsman® e.g. Accelerator DY 9577, and Nitroil® e.g. PC Cat Q8, PC Cat Q7-2, PC Cat NP93, PC Cat DBU TA. Examples of metal-based latent catalysts are the Thorcat® series from Thor Especialidades® . However, all other latent catalysts from polyurethane chemistry with a so-called switching temperature of 50 °C to 180 °C can also be used.

Durch intensive Vermischung der Einzelbestandteile für Harz- oder Härter-Komponente des Bindemittels bei Raumtemperatur und unter Feuchtigkeitsausschluss erhält man die jeweiligen Komponenten mit verarbeitungsfreundlichen Viskositäten von 200 bis 600 mPas bei 20 °C für die Harz-Komponente und 200 bis 500 mPas bei 20 °C für die Härter-Komponente. Die Harz-Komponente des Bindemittels weist 50 bis 100 %, bevorzugt 70 bis 90 % wasserstoffaktive Verbindungen und die Härter-Komponente des Bindemittels 50 bis 100 %, bevorzugt 80 bis 95 % Polyisocyanate auf.By intensively mixing the individual components of the resin or hardener component of the binder at room temperature and under exclusion of moisture, the respective components are obtained with processing-friendly viscosities of 200 to 600 mPas at 20 °C for the resin component and 200 to 500 mPas at 20 °C for the hardener component. The resin component of the binder contains 50 to 100%, preferably 70 to 90%, hydrogen-active compounds, and the hardener component of the binder contains 50 to 100%, preferably 80 to 95%, polyisocyanates.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formstoffs eignen sich die beschriebenen Zweikomponenten-Bindemittel in Kombination mit feuerfesten und schüttfähigen Füllstoffen. Diese natürlichen und keramischen Gießereisande werden gemeinhin auch als Formgrundstoffe bezeichnet. Sie umfassen Quarzsande verschiedener Herkunft und Kornform, Chromitsand, Zirkonsand, Olivinsand, R-Sand, Magnesia, Alkali- und Erdalkali-Halogenide, Aluminiumsilikate, wie J-Sand und Kerphalite®, synthetische Sande wie Cerabeads®, Schamotte, M-Sand, Alodur®, Bauxitsand, Siliciumcarbid, Bläh- und Schaumgläser, Flugasche und andere Spezialsande. Dabei liegt die bevorzugte mittlere Korngröße zwischen 0,1 und 0,9 mm. Der Bindemittel- und Katalysatorgehalt im Formstoff muss dabei unter Beachtung des jeweiligen Kornspektrums sowie des spezifischen Sandgewichtes optimiert sein und wird vorzugsweise zwischen 0,3 und 4,0 %, bezogen auf den Formgrundstoff, und 0,1 bis 2,5 % thermisch-aktivierbaren Katalysators, bezogen auf die Harz-Komponente, eingestellt. Die Erfindung ist nicht auf diese Einstellungen und Mengen beschränkt.The described two-component binders in combination with refractory and pourable fillers are suitable for producing the molding material according to the invention. These natural and ceramic foundry sands are also commonly referred to as mold base materials. They include quartz sands of various origins and grain shapes, chromite sand, zircon sand, olivine sand, R-sand, magnesia, alkali and alkaline earth halides, aluminum silicates such as J-sand and Kerphalite® , synthetic sands such as Cerabeads® , chamotte, M-sand, Alodur® , bauxite sand, silicon carbide, expanded and foam glass, fly ash, and other specialty sands. The preferred average grain size is between 0.1 and 0.9 mm. The binder and catalyst content in the molding material must be optimized taking into account the respective grain size spectrum and the specific sand weight and is preferably set between 0.3 and 4.0%, based on the molding base material, and 0.1 to 2.5% of thermally activated catalyst, based on the resin component. The invention is not limited to these settings and amounts.

Der warmhärtende Formstoff lässt sich aus einem oder mehreren feuerfesten schüttfähigen Füllstoffen zu 95,9 bis 99,6 %, einem Bindemittel zu 0,3 bis 4,0 % sowie einem oder mehreren thermisch aktivierbaren Katalysatoren zu 0,002 bis 0,1 % in einem Chargen- oder Durchlaufmischer herstellen.The thermosetting molding material can be produced from one or more refractory pourable fillers at 95.9 to 99.6%, a binder at 0.3 to 4.0% and one or more thermally activated catalysts at 0.002 to 0.1% in a batch or continuous mixer.

Die Harz- und Härter-Komponente des Bindemittels können in Abhängigkeit von der jeweiligen Rezeptur im Mischungsverhältnis 2,5:1 bis 1:2,5 eingebracht werden. Für die praktische Anwendung im Gießereibetrieb hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Bindemittelsysteme so zu formulieren, dass sie im Mischungsverhältnis 1:1, bezogen auf die Masse, eingesetzt werden können.Depending on the specific formulation, the resin and hardener components of the binder can be mixed in a ratio of 2.5:1 to 1:2.5. However, for practical application in foundries, it has proven advantageous to formulate the binder systems so that they can be used in a ratio of 1:1, based on the mass.

Nachteile der bisherigen Hot-Box- und Warm-Box-Bindersysteme, wie frei werdende Formaldehyd- und Phenol- beziehungsweise Furfurylalkohol-Dämpfe bei der Kernherstellung oder durch eine Kondensationsreaktion freigesetztes, störendes Wasser, werden bei Verwendung der erfindungsgemäßen Formstoffmischung vermieden.Disadvantages of previous hot-box and warm-box binder systems, such as formaldehyde and phenol or furfuryl alcohol vapors released during core production or disruptive water released by a condensation reaction, are avoided when using the molding material mixture according to the invention.

Beim Cold-Box-Prozess ist insbesondere das eingesetzte toxische Amingas ein erheblicher Verfahrensnachteil. Die entsprechenden Apparaturen müssen mit aufwendiger Lüftungstechnik versehen werden. Das Amingas reagiert als Reaktionspromotor nicht mit dem Formstoff ab und muss deshalb kontinuierlich durch einen Aminwäscher aus dem Prozess entfernt werden. Die vorliegende Erfindung weist diese Nachteile nicht auf. Sie ermöglicht eine schnelle Formstoffhärtung, zum Beispiel für die Kernherstellung, ohne dabei gasförmige Amine wie beim Cold-Box-Verfahren einsetzen zu müssen.In the cold-box process, the toxic amine gas used is a significant disadvantage. The corresponding equipment requires complex ventilation technology. As a reaction promoter, the amine gas does not react with the molding material and must therefore be continuously removed from the process by an amine scrubber. The present invention eliminates these disadvantages. It enables rapid curing of the molding material, for example, for core production, without the need for gaseous amines as in the cold-box process.

Die Erfindung greift dabei die innovative Technologie chemisch-verkappter und thermisch freisetzbarer Katalysatoren auf. Diese werden zur thermisch induzierten Härtung von Polyurethan- und/oder Polyharnstoff-Bindemitteln im Formstoff eingesetzt.The invention utilizes the innovative technology of chemically capped and thermally releasable catalysts. These are used for the thermally induced curing of polyurethane and/or polyurea binders in the molding material.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet weiterhin keine gesundheitsschädlichen aromatischen Lösemittel. Es werden stattdessen Fettsäureester auf Basis nachwachsender Rohstoffe, synthetische Carbonsäureester, aliphatische Carbonate und/oder organische Siliciumverbindungen verwendet, die vorzugsweise keine leichtflüchtigen Komponenten beinhalten.Furthermore, the present invention does not contain any harmful aromatic solvents. Instead, fatty acid esters based on renewable raw materials, synthetic carboxylic acid esters, aliphatic carbonates, and/or organic silicon compounds are used, which preferably do not contain any volatile components.

Die Bindemittel sowie die Formstoffe selbst weisen vorteilhafte Verarbeitungseigenschaften wie Geruchlosigkeit, niedrigen Dampfdruck, geringe Viskosität, gute Fließfähigkeit, einstellbare Aushärtungsgeschwindigkeit sowie hohe Biegefestigkeiten auf. Die mit den beschriebenen Formstoffen hergestellten Kerne und Formen weisen unter Gussbedingungen eine geringe Fehlerneigung und einen guten Zerfall auf. Beim Abguss sind zudem die Emissionen an flüchtigen organischen Verbindungen, wie aromatischen Kohlenwasserstoffen und Formaldehyd, im Vergleich zu Phenol-Formaldehyd-Harz- und Furanharz-basierten Bindemitteln deutlich reduziert.The binders and the molding materials themselves exhibit advantageous processing properties such as odorlessness, low vapor pressure, low viscosity, good flowability, adjustable curing rate, and high flexural strength. The cores and molds produced with the described molding materials exhibit low defect susceptibility and good disintegration under casting conditions. Furthermore, emissions of volatile organic compounds, such as aromatic hydrocarbons and formaldehyde, are significantly reduced during casting compared to phenol-formaldehyde resin- and furan resin-based binders.

Aufgrund dieser Vorteile und den durch Wärmeeintrag erzielten sehr kurzen Aushärtungszeiten stellen die erfindungsgemäßen Formstoffe mithin einen wichtigen Beitrag zu einer emissionsarmen und hochproduktiven Gießerei dar.Due to these advantages and the very short curing times achieved by heat input, the molding materials according to the invention represent an important contribution to a low-emission and highly productive foundry.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.Further details, features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description of embodiments.

Die Versuchsbedingungen sind an das VDG-Merkblatt P71 angelehnt. Zur Herstellung von Formstoffmischungen der nachstehenden Bindemittel-Beispiele wurde Quarzsand H31 mit 1,6 % Bindemittel, wovon je 0,8 % Harz und Härter sind, und einer Tabelle 1 zu entnehmende Mengen an thermisch aktivierbaren Katalysatoren, bezogen auf die Harz-Menge, verwendet. Diese Formstoffmischungen wurden in einem Labormischer 60 bis 120 Sekunden lang gerührt, anschließend mit einer Prüfkörperschießmaschine PLS bei 4 bar Schießdruck in die beheizbare Kernbüchse PBH der Firma GF DISA AG geschossen und unter Wärmeeintrag durch die Kernbüchse beziehungsweise durch Einleiten erwärmter Luft gehärtet. Von den so erhaltenen Prüfkörpern mit den Maßen 22,4 x 22,4 x 175 mm wurden die zughörigen Formstoff-Festigkeiten mit dem Universalfestigkeitsprüfapparat LRu-2e der Firma Multiserw zeitabhängig bestimmt.The test conditions are based on VDG Data Sheet P71. To produce the molding material mixtures for the following binder examples, quartz sand H31 with 1.6% binder, of which 0.8% each is resin and hardener, and the amounts of thermally activated catalysts based on the resin quantity shown in Table 1 were used. These molding material mixtures were stirred in a laboratory mixer for 60 to 120 seconds. They were then shot into the heatable PBH core box from GF DISA AG using a PLS test specimen shooting machine at 4 bar shooting pressure. The test specimens were cured by applying heat through the core box or by introducing heated air. The corresponding molding material strengths of the resulting test specimens, measuring 22.4 x 22.4 x 175 mm, were determined over time using the LRu-2e universal strength testing apparatus from Multiserw.

Im Folgenden sind die Zusammensetzungen der verwendeten Bindemittel dargestellt. Alle prozentualen Angaben [%] in dieser Schrift sind stets als Gewichtsprozent zu verstehen, es sei denn, es wird eine hiervon abweichende Definition im erläuternden Text vorgenommen. Beispiel 1: Zusammensetzung Binder 1 Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Polyetherpolyol MG 430 15,5 % MDI-Oligomer 88,5 % Polyetherpolyol MG 520 17,5 % Fettsäureester 11,5 % Polyetherpolyol MG 860 24,0 % Polyetherpolyol MG 2920 10,0 % Zweiwertiger Alkohol 5,5 % Wasser 1,0 % Fettsäureester 26,5 % PC CAT DBU TA 0-1,0% Dabco T-120 0,0075 % Viskosität bei 20 °C 180 mPas Viskosität bei 20 °C 310 mPas Beispiel 2: Zusammensetzung Binder 2 Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Polyetherpolyol MG 430 15,5 % MDI-Oligomer 88,5 % Polyetherpolyol MG 520 17,5 % Fettsäureester 11,5 % Polyetherpolyol MG 860 24,0 % Polyetherpolyol MG 2920 10,0 % Zweiwertiger Alkohol 5,5 % Wasser 1,0 % Fettsäureester 26,5 % PC CAT Q8 0,75 % Dabco T-120 0,0075 % Viskosität bei 20 °C 180 mPas Viskosität bei 20 °C 310 mPas Beispiel 3: Zusammensetzung Binder 3 Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Polyetherpolyol MG 430 15,5 % MDI-Oligomer 88,5 % Polyetherpolyol MG 520 17,5 % Fettsäureester 11,5 % Polyetherpolyol MG 860 24,0 % Polyetherpolyol MG 2920 10,0 % Zweiwertiger Alkohol 5,5 % Wasser 1,0 % Fettsäureester 26,5 % PC CAT Q7-2 0,75 % Dabco T-120 0,0075 % Viskosität bei 20 °C 180 mPas Viskosität bei 20 °C 310 mPas Beispiel 4: Zusammensetzung Binder 4 Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Polycaprolacton MG 400 65,0 % MDI-Oligomer 85,0 % Polyetherpolyol MG 420 15,0 % Fettsäureester 15,0 % Polyetherpolyol MG 440 5,0 % Polyetherpolyol MG 6000 5,0 % Wasser 1,0 % Fettsäureester 6,0 % PC CAT DBU TA 0,5 % Viskosität bei 20 °C 450 mPas Viskosität bei 20 °C 260 mPas Beispiel 5: Zusammensetzung Binder 5 Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Polyetherpolyol MG 420 15,0 % MDI-Oligomer 71,0 % Polyetherpolyol MG 430 15,0 % HDI-Biuret 20,0 % Polyetherpolyol MG 500 21,0 % Fettsäureester 9,0 % Polyetherpolyol MG 6000 20,0 % Zweiwertiger Alkohol 7,0 % Wasser 1,0 % Fettsäureester 21,0 % PC CAT DBU TA 0,5 - 0,75 % Dabco T-120 0,0075 % Viskosität bei 20 °C 550 mPas Viskosität bei 20 °C 650 mPas Beispiel 6: Zusammensetzung Binder 6 Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Polyetherpolyol MG 200 18,0 % MDI-Oligomer 82,0 % Polyetherpolyol MG 3500 10,0 % Polyetherpolyol MG 6000 10,0 % Polycaprolacton MG 250 5,0 % Ethylsilikat 8,0 % Polycaprolacton MG 530 33,0 % Zweiwertiger Alkohol 7,0 % Zweiwertiger Alkohol 2,5 % Wasser 0,5 % Fettsäureester 20,0 % Propylencarbonat 4,0 % PC CAT DBU TA 0,75 % Viskosität bei 20 °C 320 mPas Viskosität bei 20 °C 340 mPas Beispiel 7: Zusammensetzung Binder 7 Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Polyetherpolyol MG 200 16,0 % MDI-Oligomer 82,0 % Polyetherpolyol MG 3500 5,0 % Polyetherpolyol MG 6000 10,0 % Polycaprolacton MG 550 35,0 % Ethylsilikat 8,0 % Polycaprolacton MG 1560 10,0 % Zweiwertiger Alkohol 7,0 % Zweiwertiger Alkohol 2,5 % Wasser 0,5 % Fettsäureester 20,0 % Propylencarbonat 4,0 % PC CAT DBU TA 0,75 % Viskosität bei 20 °C 800 mPas Viskosität bei 20 °C 340 mPas Vergleichsbeispiel 1 (nicht erfindungsgemäß): Zusammensetzung Phenolharz-Bindemittel, Pep Set® Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Modifiziertes Phenolharz ~75 % MDI-Oligomer ~85 % Phenol ~8 % Solvent Naphtha 180-210 ~15 % Formaldehyd <0,4 % Solvent Naphtha 180-210 ~15 % PC CAT DBU TA 0 - 0,5% Viskosität bei 20 °C 300 mPas Viskosität bei 20 °C 60 mPas Vergleichsbeispiel 2 (nicht erfindungsgemäß): Zusammensetzung Phenolharz-Bindemittel, Cold-Box Harz Polyol-Komponente Härter Isocyanat-Komponente Phenolharz -65 % MDI-Oligomer ~80 % Phenol ~7,5 % Propylencarbonat ~20 % Methanol <0,3 % Glyoxylsäure ~0,2 % Fluorwasserstoff ~0,1 % Aromatische KW ~25 % Dibasische Ester -5 % PC CAT DBU TA 0 - 0,5 % Viskosität bei 20 °C 150 mPas Viskosität bei 20 °C 40 mPas The compositions of the binders used are shown below. All percentages [%] in this document are to be understood as weight percent, unless otherwise defined in the explanatory text. Example 1: Composition Binder 1 Resin polyol component Hardener isocyanate component Polyether polyol MG 430 15.5% MDI oligomer 88.5% Polyether polyol MG 520 17.5% Fatty acid esters 11.5% Polyether polyol MG 860 24.0% Polyether polyol MG 2920 10.0% Dihydric alcohol 5.5% Water 1.0% Fatty acid esters 26.5% PC CAT DBU TA 0-1.0% Dabco T-120 0.0075% Viscosity at 20 °C 180 mPas Viscosity at 20 °C 310 mPas Example 2: Composition Binder 2 Resin polyol component Hardener isocyanate component Polyether polyol MG 430 15.5% MDI oligomer 88.5% Polyether polyol MG 520 17.5% Fatty acid esters 11.5% Polyether polyol MG 860 24.0% Polyether polyol MG 2920 10.0% Dihydric alcohol 5.5% Water 1.0% Fatty acid esters 26.5% PC CAT Q8 0.75% Dabco T-120 0.0075% Viscosity at 20 °C 180 mPas Viscosity at 20 °C 310 mPas Example 3: Composition Binder 3 Resin polyol component Hardener isocyanate component Polyether polyol MG 430 15.5% MDI oligomer 88.5% Polyether polyol MG 520 17.5% Fatty acid esters 11.5% Polyether polyol MG 860 24.0% Polyether polyol MG 2920 10.0% Dihydric alcohol 5.5% Water 1.0% Fatty acid esters 26.5% PC CAT Q7-2 0.75% Dabco T-120 0.0075% Viscosity at 20 °C 180 mPas Viscosity at 20 °C 310 mPas Example 4: Composition Binder 4 Resin polyol component Hardener isocyanate component Polycaprolactone MG 400 65.0% MDI oligomer 85.0% Polyether polyol MG 420 15.0% Fatty acid esters 15.0% Polyether polyol MG 440 5.0% Polyether polyol MG 6000 5.0% Water 1.0% Fatty acid esters 6.0% PC CAT DBU TA 0.5% Viscosity at 20 °C 450 mPas Viscosity at 20 °C 260 mPas Example 5: Composition Binder 5 Resin polyol component Hardener isocyanate component Polyether polyol MG 420 15.0% MDI oligomer 71.0% Polyether polyol MG 430 15.0% HDI biuret 20.0% Polyether polyol MG 500 21.0% Fatty acid esters 9.0% Polyether polyol MG 6000 20.0% Dihydric alcohol 7.0% Water 1.0% Fatty acid esters 21.0% PC CAT DBU TA 0.5 - 0.75% Dabco T-120 0.0075% Viscosity at 20 °C 550 mPas Viscosity at 20 °C 650 mPas Example 6: Composition Binder 6 Resin polyol component Hardener isocyanate component Polyether polyol MG 200 18.0% MDI oligomer 82.0% Polyether polyol MG 3500 10.0% Polyether polyol MG 6000 10.0% Polycaprolactone MG 250 5.0% Ethyl silicate 8.0% Polycaprolactone MG 530 33.0% Dihydric alcohol 7.0% Dihydric alcohol 2.5% Water 0.5% Fatty acid esters 20.0% Propylene carbonate 4.0% PC CAT DBU TA 0.75% Viscosity at 20 °C 320 mPas Viscosity at 20 °C 340 mPas Example 7: Composition Binder 7 Resin polyol component Hardener isocyanate component Polyether polyol MG 200 16.0% MDI oligomer 82.0% Polyether polyol MG 3500 5.0% Polyether polyol MG 6000 10.0% Polycaprolactone MG 550 35.0% Ethyl silicate 8.0% Polycaprolactone MG 1560 10.0% Dihydric alcohol 7.0% Dihydric alcohol 2.5% Water 0.5% Fatty acid esters 20.0% Propylene carbonate 4.0% PC CAT DBU TA 0.75% Viscosity at 20 °C 800 mPas Viscosity at 20 °C 340 mPas Comparative Example 1 (not according to the invention): Composition Phenolic resin binder, Pep Set ® Resin polyol component Hardener isocyanate component Modified phenolic resin ~75% MDI oligomer ~85% phenol ~8% Solvent Naphtha 180-210 ~15% formaldehyde <0.4% Solvent Naphtha 180-210 ~15% PC CAT DBU TA 0 - 0.5% Viscosity at 20 °C 300 mPas Viscosity at 20 °C 60 mPas Comparative Example 2 (not according to the invention): Composition phenolic resin binder, cold box Resin polyol component Hardener isocyanate component Phenolic resin -65% MDI oligomer ~80% phenol ~7.5% Propylene carbonate ~20% Methanol <0.3% Glyoxylic acid ~0.2% Hydrogen fluoride ~0.1% Aromatic KW ~25% Dibasic esters -5% PC CAT DBU TA 0 - 0.5% Viscosity at 20 °C 150 mPas Viscosity at 20 °C 40 mPas

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Versuchsergebnisse mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen und nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen V1 und V2 dargelegt.The following Table 1 shows the test results with the described embodiments and non-inventive comparative examples V1 and V2.

Aus den Daten ist zu entnehmen, dass ein thermisch aktivierbarer Katalysator unbedingt notwendig ist, um geringe Aushärtezeiten zu erhalten. Bereits nach vollständiger Abkühlung der Prüfkörper (1-Stunde-Wert) ist die Endfestigkeit (24-Stunden-Wert) in den meisten Fällen nahezu erreicht.The data demonstrate that a thermally activated catalyst is essential to achieve short curing times. After complete cooling of the test specimens (1-hour value), the final strength (24-hour value) is almost reached in most cases.

Die Vergleichsbeispiele V1 und V2 zeigen, dass die erfindungsgemäße Methode nicht für Phenol-Formaldehyd-Harz-basierte Bindemittel geeignet ist. Der Pep Set®-Binder V1 benötigt deutlich längere Aushärtungszeiten als die erfindungsgemäßen Varianten. Bei Vergleichsbinder 2 handelt es sich um ein klassisches Cold-Box-Bindemittel. Die Formstoffe mit dem Vergleichsbinder 2 sind nicht warmhärtbar. Vermutlich inhibieren Additive im Bindemittel eine Reaktion des thermolatenten Katalysators. Tabelle 1 Nr. Verfahren Kat.-Menge [%] T [°C] Zeit [s] Heißfestigkeit [N/cm2] Kaltfestigkeit 1 Std. [N/cm2] Kaltfestigkeit 24 Std. [N/cm2] 1 WB 0,5 90 180 35 425 575 1 WB 0 110 240 50 420 475 1 WB 0,25 110 120 50 355 425 1 WB 0,5 110 90 45 300 545 1 WB 0,75 110 60 80 450 475 1 WB 1,0 110 45 60 430 515 1 WB 0,5 130 75 45 440 495 1 WB 0,5 150 60 60 425 475 1 WB 0,5 170 45 55 440 495 1* WL 0 110 300 - - - 1 WL 0,5 110 150 95 405 505 1 WL 1,0 110 90 85 450 465 2 WB 0,75 110 90 40 285 380 3 WB 0,75 110 90 40 270 385 4 WB 0,5 110 90 70 380 440 5 WB 0,5 110 120 45 280 335 6 WB 0,75 110 90 55 405 410 7 WB 0,75 110 60 40 275 290 V1 WB 0 110 240 45 470 560 V1 WB 0,5 110 180 35 445 515 V2* WB 0 110 240 - - - V2* WB 0,5 110 240 - - - * keine Aushärtung Comparative Examples C1 and C2 demonstrate that the inventive method is not suitable for phenol-formaldehyde resin-based binders. The Pep Set® binder C1 requires significantly longer curing times than the inventive variants. Comparative Binder 2 is a classic cold-box binder. The molding materials containing Comparative Binder 2 are not heat-curable. Presumably, additives in the binder inhibit the reaction of the thermolatent catalyst. Table 1 No. Proceedings Cat. quantity [%] T [°C] Time [s] Hot strength [N/cm 2 ] Cold strength 1 hour [N/cm 2 ] Cold strength 24 hours [N/cm 2 ] 1 WB 0.5 90 180 35 425 575 1 WB 0 110 240 50 420 475 1 WB 0.25 110 120 50 355 425 1 WB 0.5 110 90 45 300 545 1 WB 0.75 110 60 80 450 475 1 WB 1.0 110 45 60 430 515 1 WB 0.5 130 75 45 440 495 1 WB 0.5 150 60 60 425 475 1 WB 0.5 170 45 55 440 495 1* WL 0 110 300 - - - 1 WL 0.5 110 150 95 405 505 1 WL 1.0 110 90 85 450 465 2 WB 0.75 110 90 40 285 380 3 WB 0.75 110 90 40 270 385 4 WB 0.5 110 90 70 380 440 5 WB 0.5 110 120 45 280 335 6 WB 0.75 110 90 55 405 410 7 WB 0.75 110 60 40 275 290 V1 WB 0 110 240 45 470 560 V1 WB 0.5 110 180 35 445 515 V2* WB 0 110 240 - - - V2* WB 0.5 110 240 - - - * no curing

Liste von in den Tabellen verwendeten Abkürzungen (ohne chemische Formelzeichen)

DABCO
Diazabicyclo[2.2.2]octan
DBU
1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en
H31
Halterner Quarzsandsorte (Korngrößenbereich)
HDI
Hexamethylendiisocyanat
MDI
Diphenylmethandiisocyanat
MG
Molekulargewicht in [g/mol]
WB
Warm-Box
WL
Warmluft
List of abbreviations used in the tables (without chemical symbols)
DABCO
Diazabicyclo[2.2.2]octane
DBU
1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene
H31
Halterner quartz sand variety (grain size range)
HDI
Hexamethylene diisocyanate
MDI
Diphenylmethane diisocyanate
MG
Molecular weight in [g/mol]
WB
Warm box
WL
warm air

Claims (14)

Warmhärtender Formstoff zur Herstellung von Kernen und Formen im Sandformverfahren, mindestens umfassend ➢ein zweikomponentiges, phenol- und formaldehydfreies Bindemittel auf Polyurethan-Basis, enthaltend eine Harz-Komponente als Gemisch von zwei oder mehreren in Bezug auf Isocyanate wasserstoffaktiven Verbindungen mit Hydroxyl- und/oder Mercapto- und/oder Amino- und/oder Carbamidgruppen mit einer OH-, SH- und NH-Funktionalität von 1,5 bis 8 und Äquivalentgewichten von 9 bis 2000 g/val der Einzelbestandteile und einer durchschnittlichen H-Funktionalität von 1,8 bis 4,0 und einem durchschnittlichen Äquivalentgewicht von 90 bis 200 g/val der Harz-Komponente und eine Härter-Komponente mit einem oder mehreren Diisocyanaten oder Polyisocyanaten, ➢einen oder mehrere thermisch aktivierbare Katalysatoren, deren Aktivierungstemperaturen zwischen 50 und 180 °C liegen, aufweisend die Polyurethan-Reaktion fördernde Brönsted-Basen und/oder Lewis-Säuren sowie ihre zugehörigen Blockierungsmittel, und ➢einen oder mehrere feuerfeste schüttfähige Füllstoffe.Thermosetting molding material for the production of cores and molds using the sand molding process, comprising at least ➢a two-component, phenol- and formaldehyde-free polyurethane-based binder containing a resin component as a mixture of two or more compounds that are hydrogen-active with respect to isocyanates and contain hydroxyl and/or mercapto and/or amino and/or carbamide groups with an OH, SH, and NH functionality of 1.5 to 8 and equivalent weights of 9 to 2000 g/eq of the individual components and an average H functionality of 1.8 to 4.0 and an average equivalent weight of 90 to 200 g/eq of the resin component, and a hardener component containing one or more diisocyanates or polyisocyanates, ➢one or more thermally activatable catalysts, whose activation temperatures are between 50 and 180°C, having polyurethane reaction-promoting components Brønsted bases and/or Lewis acids and their associated blocking agents, and ➢one or more refractory, pourable fillers. Warmhärtender Formstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweikomponentige Bindemittel einerseits eine Harz-Komponente mit in Bezug auf Isocyanat wasserstoffaktiven Einzelverbindungen der durchschnittlichen Funktionalität von 1,8 bis 4,0, als Zusatz/Zusätze einen oder mehrere Verdünner, gegebenenfalls einen oder mehrere die Polymerisation beeinflussende Katalysatoren oder Verzögerer und andererseits eine Härter-Komponente, enthaltend ein oder mehrere Isocyanate, die mindestens die Funktionalität 2 besitzen, sowie als Zusatz einen oder mehrere Verdünner umfasst.Thermosetting molding material according to Claim 1 , characterized in that the two-component binder comprises, on the one hand, a resin component with individual compounds which are hydrogen-active with respect to isocyanate and have an average functionality of 1.8 to 4.0, as additive(s) one or more thinners, optionally one or more catalysts or retarders which influence the polymerization and, on the other hand, a hardener component containing one or more isocyanates which have at least a functionality of 2, and, as additive, one or more thinners. Warmhärtender Formstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffaktiven Bestandteile der Harz-Komponente des Bindemittels ausgewählt sind aus einer oder mehreren Substanzklassen, umfassend Polyetheralkohole, reaktive und nicht reaktive Polymerpolyole, Polycaprolactone, Polyetherpolyesteralkohole, Polythiole, Aminopolyetheralkohole, zweiund höherfunktionelle Alkohole, Amine und Carbamid-Verbindungen.Thermosetting molding material according to Claim 1 or 2 , characterized in that the hydrogen-active constituents of the resin component of the binder are selected from one or more substance classes, comprising polyether alcohols, reactive and non-reactive polymer polyols, polycaprolactones, polyether polyester alcohols, polythiols, aminopolyether alcohols, difunctional and higher alcohols, amines and carbamide compounds. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbestandteile der Harz-Komponente so kombiniert sind, dass eine durchschnittliche H-Funktionalität von 2,2 bis 3,5 resultiert.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the individual components of the resin component are combined in such a way that an average H functionality of 2.2 to 3.5 results. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isocyanate der Härter-Komponente oligomere oder polymere Derivate vom Grundtyp des 2,4'- und 4,4'-Diphenylmethan-Diisocyanates und/oder oligomere oder polymere Derivate vom Typ des 2,4'- und 4,4'-Dicyclohexylmethan-Diisocyanates und/oder oligomere oder polymere Derivate des Hexamethylen-Diisocyanates mit gegebenenfalls ganz oder partiell blockierten Isocyanatgruppen und/oder Isophorondiisocyanat und/oder dessen Derivate sind.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the isocyanates of the hardener component are oligomeric or polymeric derivatives of the basic type of 2,4'- and 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and/or oligomeric or polymeric derivatives of the type of 2,4'- and 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and/or oligomeric or polymeric derivatives of hexamethylene diisocyanate with optionally fully or partially blocked isocyanate groups and/or isophorone diisocyanate and/or its derivatives. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härter-Komponente aus einem oder mehreren Isocyanaten mit Verdünnern sowie die Verarbeitbarkeit gewährleistenden Zusätzen besteht, wobei der Isocyanat-Anteil im ausgeglichenen stöchiometrischen Verhältnis zu den wasserstoffaktiven Verbindungen der Harz-Komponente steht.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the hardener component consists of one or more isocyanates with thinners and additives ensuring processability, the isocyanate content being in a balanced stoichiometric ratio to the hydrogen-active compounds of the resin component. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Harz-Komponente des Bindemittels 50 bis 100 % wasserstoffaktive Verbindungen aufweist und die Härter-Komponente des Bindemittels 50 bis 100 % Polyisocyanate aufweist.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the resin component of the binder contains 50 to 100% hydrogen-active compounds and the hardener component of the binder contains 50 to 100% polyisocyanates. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die thermisch aktivierbaren Katalysatoren Addukte aus tertiären Aminen und organischen Säuren (Blockierungsagens) oder quartäre Ammoniumsalze sind und das katalytisch aktive tertiäre Amin zur Freisetzung durch thermischen Eintrag im Bereich von 70 °C und 170 °C, bevorzugt zwischen 100 und 130 °C, vorgesehen ist.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the thermally activatable catalyst(s) are adducts of tertiary amines and organic acids (blocking agent) or quaternary ammonium salts and the catalytically active tertiary amine is intended for release by thermal introduction in the range of 70 °C and 170 °C, preferably between 100 and 130 °C. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere thermisch aktivierbare Katalysatoren Einzelkomponenten zum Formstoff und/oder in die Harz-Komponente voreingemischt sind.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 and 8 , characterized in that one or more thermally activatable catalysts are premixed as individual components to the molding material and/or into the resin component. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die thermisch aktivierbaren Katalysatoren thermisch in situ freisetzbare, katalytisch wirksame und die Härtung des Formstoffs fördernde Amin-Basen beinhalten.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the thermally activatable catalyst(s) contain catalytically active amine bases which can be released thermally in situ and promote the curing of the molding material. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Harz- und Härter-Komponente des Bindemittels ein oder mehrere Verdünner aufweisen, wobei diese ausgewählt sind aus den Substanzklassen Fettsäureester auf Basis nachwachsender Rohstoffe, synthetische Mono-, Di- und Tricarbonsäureester, Organosilikate, Sulfonsäureester, weitgehend aromatenfreie Fraktionen aus der Erdölaufbereitung, Phosphorsäureester, cyclische und nicht-cyclische Carbonate und nicht hydroxy-funktionell endständige Polyether.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that the resin and hardener components of the binder comprise one or more diluents, these being selected from the substance classes fatty acid esters based on renewable raw materials, synthetic mono-, di- and tricarboxylic acid esters, organosilicates, sulfonic acid esters, largely aromatic-free fractions from petroleum processing, phosphoric acid esters, cyclic and non-cyclic carbonates and non-hydroxy-functionally terminal polyethers. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff oder die Füllstoffe ausgewählt ist/sind aus Quarzsand, Chromit, Zirkonsand, Olivinsand, R-Sand, Magnesia, Alkali- und Erdalkali-Halogenide, Aluminiumsilikaten, wie J-Sand und Kerphalite, synthetischen Sanden wie Cerabeads, Schamotte, M-Sand, Alodur, Bauxitsand und Siliciumcarbid, Bläh- und Schaumgläser, Flugasche und anderen Spezialsande sowie eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 0,9 mm aufweist/aufweisen.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 11 , characterized in that the filler or fillers is/are selected from quartz sand, chromite, zircon sand, olivine sand, R-sand, magnesia, alkali and alkaline earth halides, aluminum silicates such as J-sand and kerphalite, synthetic sands such as Cerabeads, chamotte, M-sand, Alodur, bauxite sand and silicon carbide, expanded and foam glass, fly ash and other special sands and has/have an average grain size of 0.1 to 0.9 mm. Warmhärtender Formstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend einen oder mehrere feuerfeste schüttfähige Füllstoffe zu 95,9 bis 99,6 %, ein Bindemittel zu 0,3 bis 4,0 % sowie einen oder mehrere thermisch aktivierbare Katalysatoren zu 0,002 bis 0,1 %.Thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 12 , comprising one or more refractory pourable fillers at 95.9 to 99.6%, a binder at 0.3 to 4.0% and one or more thermally activatable catalysts at 0.002 to 0.1%. Verwendung eines warmhärtenden Formstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Einsatz im Warm-Box-Verfahren oder im Warmluft-Verfahren, härtend im Bereich von 90 °C bis 170 °C, bevorzugt zwischen 100 und 130 °C.Use of a thermosetting moulding material according to one of the Claims 1 until 13 for use in the warm box process or the hot air process, curing in the range from 90 °C to 170 °C, preferably between 100 and 130 °C.
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