DE19939062A1 - Use of plastic / carbon aerogels as the core material - Google Patents

Abstract

Use of highly porous open-pored plastic and/or carbon aerogels obtained by sol-gel polymerization of organic materials, as core material for a casting mold is new.

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von Kunststoff/Kohlenstoff- Aerogelen als Kernwerkstoff im Formguß.The invention relates to the use of plastic / carbon Air gels as the core material in molding.

Gießen in keramischen Formschalen und Formen aus gebundenen Sanden sind Standardgußtechniken, um Präzisionsteile aus verschiedensten Legierungen, insbesondere von Aluminium, Magnesium, Titan oder Graugußlegierungen herzu­ stellen. Die Formen werden in der Regel über das Wachsausschmelzverfahren hergestellt; d. h. ein Wachskörper des zu gießenden Teils wird mit einem Silica- Sol benetzt, in mehreren Sehritten besandet, getrocknet und anschließend wird die Formschale gebrannt, wobei das Wachs in einem Autoklaven ausgeschmol­ zen wird oder verbrennt. Mittels moderner Gußverfahren ist es möglich, konturge­ recht und endformnah zu gießen (J. Sprunk, W. Blank, W. Grossmann, E. Hau­ schild, H. Rieksmeier, H.G. Rosselnbruch; Feinguß für alle Industriebereiche, 2: Auflage, Zentrale für Gußverwendung, Düsseldorf 1987; K.A. Krekeler, Feingie­ ßen, in: Handbuch der Fertigungstechnik Bd. 1., Herausgeber: G. Speer, Hanser Verlag, München 1981). Pour into ceramic mold shells and molds made from bonded sands Standard casting techniques to make precision parts from various alloys, especially aluminum, magnesium, titanium or gray cast iron alloys put. The shapes are usually made using the lost wax technique manufactured; d. H. a wax body of the part to be cast is covered with a silica Sol wetted, sanded in several layers, dried and then the molded shell is fired, the wax being melted in an autoclave zen is being burned. Using modern casting processes it is possible to contour to pour right and close to the final shape (J. Sprunk, W. Blank, W. Grossmann, E. Hau Schild, H. Rieksmeier, H.G. Rosselnbruch; Investment casting for all industrial areas, 2: Edition, headquarters for casting use, Düsseldorf 1987; K.A. Krekeler, Feingie ßen, in: Handbuch der Produktionsstechnik vol. 1., publisher: G. Speer, Hanser Verlag, Munich 1981).  

Hohlräume innerhalb der Gußform müssen mittels eines Kernes stabil vorgeformt werden. Solche Kerne werden in der Regel wegen der dort herrschenden hohen thermischen und mechanischen Belastung aus kunststoffgebundenen kerami­ schen Pulvern hergestellt. Nachteil der heute üblichen Verfahren zur Kernher­ stellung ist, daß die Entfernung der Kerne aus dem Gußstück nur mit extrem ho­ hen Aufwand möglich ist (z. B. Verbrennung im Autoklaven), die Verteilung der Sande im Kern inhomogen ist, Rißkeime existieren, die unter anderem zum Bruch unter thermisch-mechanischer Belastung führen können.Cavities within the mold have to be preformed stably using a core become. Such cores are usually because of the high prevailing there thermal and mechanical stress from plastic-bonded kerami powders. Disadvantage of the Kernher method common today position is that the removal of the cores from the casting only with extremely ho hen effort is possible (e.g. combustion in an autoclave), the distribution of Sande is inhomogeneous in the core, crack germs exist, which among other things break can lead under thermal-mechanical stress.

Aerogele sind hochporöse, offenporige oxidische Festkörper, die in der Regel über Sol-Gel-Verfahren aus Metallalkoxiden durch Polymerisation, Polykondensa­ tion zu Gelen und anschließender überkritischer Trocknung gewonnen werden. Seit einigen Jahren ist es gelungen, auch Kunststoffe über Sol-Gel-Verfahren zu gelieren und durch überkritische Trocknung in einen hochporösen organischen Festkörper umzuwandeln. Pyrolyse solcher Kunststoffaerogele unter Schutzgas oder im Vakuum bei Temperaturen oberhalb 1000°C wandelt diese in Kohlen­ stoffaerogele um. Wie die oxidischen Aerogele haben Kunststoff und Kohlen­ stoffaerogele extrem geringe effektive Wärmeleitfähigkeiten (Größenordnung ei­ nige mW/K/m) und sind erheblich leichter. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kunststoff- und Kohlenstoffaerogelen sind in der Literatur do­ kumentiert (R.W. Pekala, C.T. Alviso, F.M. Kong, S.S. Hufsey; J. Non-Cryst. So­ lids 145 (1992) 90; R.W. Pekala, C.T. Alviso, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 270 (1992) 3; R. Petricevic, G. Reichenauer, V. Bock, A. Emmerling, J. Fricke; J. Non- Cryst.Solids (1998)). Sie lassen sich durch die Ausgangsstoffe, ihr Gemisch und das Herstellungsverfahren in weiten Grenzen variieren.Aerogels are highly porous, open-pored, oxidic solids that usually via sol-gel processes from metal alkoxides by polymerization, polycondensation tion to gels and subsequent supercritical drying. For some years now, it has also been possible to add plastics using sol-gel processes gel and by supercritical drying in a highly porous organic Convert solid body. Pyrolysis of such plastic aerogels under protective gas or in a vacuum at temperatures above 1000 ° C converts them into coals aerogels around. Like the oxidic aerogels, plastic and carbon have material aerogels extremely low effective thermal conductivities (order of magnitude ei few mW / K / m) and are considerably lighter. The physical and mechanical Properties of plastic and carbon aerogels are do in the literature documented (R.W. Pekala, C.T. Alviso, F.M. Kong, S.S. Hufsey; J. Non-Cryst. So lids 145 (1992) 90; R.W. Pekala, C.T. Alviso, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 270 (1992) 3; R. Petricevic, G. Reichenauer, V. Bock, A. Emmerling, J. Fricke; J. Non- Cryst.Solids (1998)). They can be characterized by the raw materials, their mixture and the manufacturing process varies widely.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung Kerne, die quasi-adiabatisch sind, deren spezifisches Gewicht eingestellt werden kann, die extrem glatte Ober­ flächen haben (Rauhigkeit im Bereich von einem Mikrometer), nicht-reaktiv mit Al- Mg- und Ti-Legierungen sind und vor allem sich durch einen einfachen Wasser­ hochdruckstrahl oder geeignete, das Aerogel benetzende und zersetzende Fluide entfernen lassen, zur Verfügung zu stellen. It is therefore an object of the present invention cores that are quasi-adiabatic are, whose specific weight can be adjusted, the extremely smooth upper have areas (roughness in the range of one micrometer), non-reactive with aluminum Mg and Ti alloys are and above all stand out for a simple water high pressure jet or suitable fluids wetting and decomposing the airgel removed, to provide.  

Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch die Verwendung von hochporösen, offenporigen Kunststoff- und/oder Kohlenstoffae­ rogelen, erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation von organischen Kunststoffmate­ rialien als Kernwerkstoff für den Formguß.The aforementioned object is achieved in a first embodiment by the Use of highly porous, open-pore plastic and / or carbon rogelen, obtainable by sol-gel polymerization of organic plastic mate materials as the core material for molding.

Kerne beliebiger Form lassen sich herstellen, da die Ausgangslösung in eine ent­ sprechende Negativform eingebracht und geliert wird (als Material für diese For­ men eignet sich insbesondere PTFE). Zudem kann durch fachmännische Ein­ stellung der Zusammensetzung und Gelierbedingungen der Übergang Sol zum festen Gel so verzögert werden, daß eine hochviskose, fließfähige Masse ent­ steht, die in jede Form eingebracht werden kann. Es ist zudem möglich, kerami­ sche Pulver und Fasern dem Sol hinzuzufügen, wenn dies aufgrund der zu er­ wartenden mechanischen Belastung notwendig erscheint.Cores of any shape can be produced, since the starting solution is in an ent speaking negative form is introduced and gelled (as material for this For PTFE is particularly suitable). In addition, through professional the composition and gelling conditions of the transition from sol to solid gel are delayed so that a highly viscous, flowable mass ent stands, which can be introduced into any shape. It is also possible to use kerami powder and fibers to the sol if this is due to the waiting mechanical load appears necessary.

Die erfindungsgemäß hergestellten Aerogele eignen sich insbesondere als Kerne zur Ausbildung von Hohlräumen beim Gießen von Aluminiumlegierungen (wobei die Gußform praktisch nicht aufgeheizt werden muß, da keine Wärmeableitung durch sie selbst erfolgt). Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit, da Energiekosten ge­ senkt werden können. Magnesium- und Titanlegierungen reagieren mit Kohlen­ stoff ebenfalls nicht, so daß sich diese Kohlenstoffaerogele auch für diese Legie­ rungen unter Schutzgas oder Vakuum als Kern anbieten.The aerogels produced according to the invention are particularly suitable as cores to form cavities when casting aluminum alloys (where the mold practically does not have to be heated, since there is no heat dissipation done by themselves). This increases the cost-effectiveness, since energy costs can be lowered. Magnesium and titanium alloys react with carbon Also not material, so that these carbon aerogels also for this alloy offer under inert gas or vacuum as the core.

Ein besonderer Vorteil der Aerogele besteht darin, daß die Sol-Gel-Bildung bei Raumtemperatur abgeschlossen werden kann. Eine überkritische Trocknung, wie bei den rein anorganischen Gelen ist nicht erforderlich. Dennoch ist es möglich, die Porengröße im Mikrometerbereich einzustellen. Bei Trocknung im überkriti­ schen Temperaturbereich sind darüber hinaus auch Porengrößen im Nanometer­ bereich möglich.A particular advantage of aerogels is that the sol-gel formation Room temperature can be completed. Supercritical drying, like with the purely inorganic gels is not necessary. Nevertheless, it is possible adjust the pore size in the micrometer range. When drying in supercritical The temperature range also includes pore sizes in the nanometer area possible.

Die Aerogele können darüber hinaus auch anorganische oder organische Füll­ stoffmaterialien, insbesondere Fasermaterialien enthalten. Hierunter werden im wesentlichen bei Erstarrungsbedingungen inerte stabile Materialien verstanden. The aerogels can also inorganic or organic fill Contain material materials, especially fiber materials. Below are in essentially understood stable materials which are inert under solidification conditions.  

Anorganische Füllstoffmaterialien sind beispielsweise ausgewählt aus Aluminiu­ moxid, Titandioxid und/oder Quarz, die jeweils in einer Menge von 5 bis 30 Vol.- % eingesetzt werden können.Inorganic filler materials are selected, for example, from aluminum moxide, titanium dioxide and / or quartz, each in an amount of 5 to 30 vol. % can be used.

In gleicher Weise ist es aber auch möglich, organische Füllstoffe, beispielsweise thermoplastische oder duroplastische Kunststoffpartikel, beispielsweise Polystyrol einzusetzen. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß bei der Pyrolyse der Kunststoff­ gele diese Materialien mit ausgeschmolzen oder verbrannt werden. Mit Hilfe sol­ cher Materialien ist jedoch eine Kontrolle der Schrumpfung während der Pyrolyse möglich.In the same way, however, it is also possible to use organic fillers, for example thermoplastic or thermosetting plastic particles, for example polystyrene to use. It should be noted, however, that during pyrolysis the plastic gel these materials are melted or burned. With the help of sol However, materials is a control of shrinkage during pyrolysis possible.

Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Kunststoffae­ rogele auf der Basis Resorcin/Formaldehyd eingesetzt, die bei geeigneter Zu­ sammensetzung und geeignetem Gehalt an basischem Katalysator bei Tempe­ raturen zwischen 20 und 50°C ohne überkritisches Trocknen in ein mikrostruktu­ riertes Kunststoffaerogel überführt werden können. Durch Auswahl der Zusam­ mensetzung ist die Gelierungsreaktion so einstellbar, daß beispielsweise zu­ nächst eine hochviskose Flüssigkeit entsteht, die mit der Zeit/Temperatur fester wird.Plastics are particularly preferred for the purposes of the present invention rogele on the basis of resorcinol / formaldehyde used, with suitable addition composition and suitable content of basic catalyst at Tempe temperatures between 20 and 50 ° C without supercritical drying in a microstructure Plastic airgel can be transferred. By selecting the Together The gelation reaction can be adjusted such that, for example The next step is a highly viscous liquid that becomes more solid with time / temperature becomes.

Somit besteht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Verwendung von hochporösen, offenporigen Kunststoff- und/oder Kohlenstoffae­ rogelen, wobei man
Thus, a further embodiment of the present invention consists in the use of highly porous, open-pore plastic and / or carbon materials, wherein one

• a) eine Negativform eines Kerns mit einem Kunststoffsol geeigneter Zusammen­ setzung und einem geeigneten Katalysator füllt,a) a negative form of a core with a plastic sol suitable together a suitable catalyst,
• b) das Sol in ein Gel überführt,b) the sol is converted into a gel,
• c) das erstarrte Gel in an sich bekannter Weise in üblichen Wachsmodellen des Fein und Formgusses einsetzt undc) the solidified gel in a manner known per se in conventional wax models of the Fine and molded casting uses and
• d) das Gel entfernt.d) the gel is removed.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Kerne eignen sich besonders zum Einsatz in Wachsausschmelzverfahren. The cores used according to the invention are particularly suitable for use in Lost wax process.  

Die gewünschten Formen werden nach üblichen Techniken mit den Kernen und der Schmelze gefüllt und die Schmelze erstarrt. Bei den üblichen Gußtechniken, erfolgt die Wärmeableitung über die Formschale oder den Formsand.The desired shapes are made using the usual techniques with the cores and the melt is filled and the melt solidifies. With the usual casting techniques, the heat is dissipated via the molded shell or the molded sand.

Die so gewonnenen Kerne werden nach üblichen Techniken in üblichen Wachs­ modellen eingesetzt. Im Gegensatz zu den nach dem heutigen Stand der Technik gebräuchlichen Kernwerkstoffen erfolgt keine Wärmeaufnahme durch die Aero­ gelkerne, da deren effektive Wärmeleitfähigkeit typischerweise nur wenige mW/Km beträgt. Thermische Belastungen und damit thermische Spannungen treten im Kernkörper nicht auf. Die Aerogelkerne lassen sich durch Pyrolyse oder Wasserhochdruckstrahl, aber auch durch benetzende Fluide wie Silikonöl, die das Aerogel fluidisieren, aus dem Gußstück leicht entfernen.The cores obtained in this way are waxed using conventional techniques models used. In contrast to the state of the art Common core materials do not absorb heat from the aero gel cores because their effective thermal conductivity is typically only a few mW / Km. Thermal loads and thus thermal tensions do not occur in the core body. The airgel cores can be removed by pyrolysis or High pressure water jet, but also through wetting fluids such as silicone oil, which the Fluidize airgel, easily remove from the casting.

Abhängig von der Zusammensetzung der Ausgangslösung, der Gelierungstempe­ ratur und der Dichte des entstehenden porösen Körpers lassen sich Kerne für Gußformen herstellen, sowohl als Kunststoff- wie auch als Kohlenstoffaerogel, die auf einer Mikrometerskala oberflächlich glatt sind und konturscharf abbilden. Er­ findungsgemäß benötigt die Herstellung von Formen bis zum Kunststoffaerogel maximal 24 Stunden. Die Pyrolyse unter Luftabschluß erfolgt in kurzen Zeiten (die von der Dicke der Form bestimmt wird; bei einer 1 cm Kern beträgt die Zeit bei­ spielsweise 24 Stunden). Die Schrumpfung erfolgt in den beiden Prozeßschritten immer isotrop und beträgt nur wenige Prozent (die Schrumpfung läßt sich durch die geeignete Wahl der Zusammensetzung des Sols beeinflussen, ebenso durch die Trocknungsbedingungen) und ist somit beherrschbar.Depending on the composition of the starting solution, the gelation temperature nature and the density of the resulting porous body can be used for Manufacture molds, both as plastic and as carbon airgel, the are superficially smooth on a micrometer scale and depict sharp contours. He According to the invention, the production of molds up to the plastic airgel is required 24 hours maximum. The pyrolysis in the absence of air takes place in short times (the is determined by the thickness of the mold; with a 1 cm core the time is at for example 24 hours). The shrinkage takes place in the two process steps always isotropic and is only a few percent (the shrinkage can be influence the appropriate choice of composition of the sol, as well the drying conditions) and is therefore manageable.

Claims (8)

1. Verwendung von hochporösen, offenporigen Kunststoff- und/oder Kohlen­ stoffaerogelen, erhältlich durch Sol-Gel-Polymerisation von organischen Kunst­ stoffmaterialien als Kernwerkstoff für den Formguß.1. Use of highly porous, open-pore plastic and / or coal Substance aerogels, obtainable by sol-gel polymerization of organic art material materials as the core material for molding. 2. Verwendung nach Anspruch 1, enthaltend anorganische oder organische Füllstoffmaterialien, insbesondere in Pulver- oder in Faserform.2. Use according to claim 1, containing inorganic or organic Filler materials, especially in powder or fiber form. 3. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorgani­ schen Füllstoffmaterialien ausgewählt sind aus Aluminiumoxid, Titandioxid und/oder Quarz, insbesondere in einer Menge von 5 bis 30 Vol.-%.3. Use according to claim 2, characterized in that the inorganic filler materials are selected from aluminum oxide, titanium dioxide and / or quartz, in particular in an amount of 5 to 30% by volume. 4. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe ausgewählt sind aus thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffpartikeln, insbesondere Polystyrol.4. Use according to claim 2, characterized in that the fillers are selected from thermoplastic or thermosetting plastic particles, especially polystyrene. 5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend ein Resor­ cin/Formaldehyd-Sol-Gel und einen basischen Polymerisationskatalysator, insbe­ sondere Ammoniumhydroxid und/oder Natriumcarbonat.5. Use according to one of claims 1 to 4, comprising a resor cin / formaldehyde sol gel and a basic polymerization catalyst, esp special ammonium hydroxide and / or sodium carbonate. 6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei man

• a) eine Negativform eines Kerns mit einem Kunststoffsol geeigneter Zusammen­ setzung und einem geeigneten Katalysator füllt,
• b) das Sol in ein Gel überführt,
• c) das erstarrte Gel in an sich bekannter Weise in üblichen Wachsmodellen des Fein und Formgusses einsetzt und
• d) das Gel entfernt.

6. Use according to any one of claims 1 to 5, wherein one

• a) fills a negative form of a core with a plastic sol of suitable composition and a suitable catalyst,
• b) the sol is converted into a gel,
• c) the solidified gel is used in a manner known per se in customary wax models of fine and molded casting and
• d) the gel is removed.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei man das Gel durch Wasserhochdruckstrahl entfernt. 7. Use according to any one of claims 1 to 6, wherein the gel through High pressure water jet removed.   8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei man das Gel durch Pyrolyse bei einer Temperatur von wenigstens 1000°C im Verlauf von 24 Stun­ den entfernt.8. Use according to any one of claims 1 to 6, wherein the gel through Pyrolysis at a temperature of at least 1000 ° C for 24 hours the removed.