Projekt 06116/01

Entwicklung von umweltfreundlichen Hochleistungs-Trennstoffen für den Aluminium-Druckguß

Projektdurchführung

Technische Universität Braunschweig Institut für Organische Chemie
Hagenring 30
38106 Braunschweig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Aluminiumdruckguss werden wassermischbare Formtrennmittel auf Siloxanbasis verwendet, deren Rückstände auf den Gussteiloberflächen eine nachfolgende Beschichtung erschweren und nur durch umweltbelastende Reinigungsverfahren unter Verwendung chlorierter Kohlenwasserstoffe entfernt werden können. Ziel des Projekts war es, die Minimierung oder Eliminierung dieser Rückstände durch Modifikation der Trennstoffe. Darüber hinaus sollten durch höhere Wirkstoffkonzentrationen Transport- und Lagerkosten sowie Verpackungsmaterial eingespart werden. Es sollten lagerstabile Tenside auf Basis nachwachsender Rohstoffe eingesetzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Extraktion und Analyse der auf den Metalloberflächen befindlichen Rückstände. 2. Analyse der beim Druckgießen auftretenden gasförmigen Emissionen. 3. Durchführung modellhafter Thermolyseversuche, um das Entstehen der Rückstände besser zu verstehen. 4. Gezielte Modifikation ausgewählter Trennstoffe, die unter Mitwirkung der Forschungsinstitute vom Trennstoffhersteller formuliert wurden. Zur Strukturaufklärung der Zersetzungsprodukte wurden spektroskopische Methoden wie Kernresonanz-spektroskopie (1H-, 13C-, 29Si-NMR), Infrarot-spektroskopie sowie Massenspektrometrie eingesetzt. Der Einfluss der festen Trennstoffzersetzungsprodukte auf eine nachfolgende Bearbeitung wurde mit Hilfe der Lackhaftung quantifiziert.
Parallel dazu wurden die Trennstoffe am Institut für Schweißtechnik im praktischen Versuch überprüft. Ein positiv bewerteter Trennstoff wurde in einem Gießereibetrieb unter industriellen Fertigungsbedingungen im Dauereinsatz getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein neuer, nach ökologischen Aspekten optimierter Formtrennstoff für den Aluminium-Druckguss entwickelt. Die Eignung des neuen Trennstoffs wurde zunächst an der Forschungsdruckgussmaschine im Institut für Schweißtechnik und später in der Produktion bei der Fa. Röders Druckguss, Soltau, nachgewiesen. Diese Neuentwicklung wurde vom Institut für Organische Chemie in Zusammenarbeit mit der Fa. ACMOS-Chemie, Bremen bezüglich Formtrennstoffrückständen auf den Druckgussteilen, flüchtiger Zersetzungsprodukte und Transportvolumen hin optimiert, ohne die Gebrauchseigenschaften wie Trennwirkung und Begasung zu beeinträchtigen.

Um dieses Ziel zu erreichen wurden Arbeiten in zwei Hauptrichtungen durchgeführt: zum einen wurden Lackhaftungstest durchgeführt, um die Rückstandsmenge auf dem Druckgussteil zu minimieren und eine Beeinträchtigung der nachfolgenden Weiterverarbeitung auszuschließen und zum zweiten wurden die flüchtigen Zersetzungsprodukte der Formtrennstoffe untersucht.

Polysiloxane stellen die Hauptkomponenten der handelsüblichen modernen Formtrennstoffen für den Aluminium-Druckguss dar. Entsprechend wurde diesem Bestandteil das Hauptaugenmerk geschenkt. Es wurden 19 verschiedene Polysiloxane hinsichtlich ihrer Lackhaftung und Rückstandsmenge untersucht. Die Lackhaftungstest zeigen, dass es sehr große Unterschiede selbst zwischen strukturell verwandten Polysiloxanen gibt. Weiterhin musste festgestellt werden, dass in jedem untersuchten Fall mindestens 25 % des Polysiloxans in Form von festen Zersetzungsprodukten auf der Aluminiumoberfläche zurückbleiben. Entsprechend wurde die Optimierung so betrieben, dass die auf dem Druckgussteil verbleibenden Zersetzungsprodukte die Weiterverarbeitung möglichst wenig beeinträchtigten.

Aus den 19 Polysiloxanen wurden die vier besten unter Berücksichtigung einer möglichst großen strukturellen Vielfalt ausgewählt. Weiterhin wurde anhand der Lackhaftung ein oxidiertes Polyethylen als zweite Hauptkomponente von Formtrennstoffen ausgewählt. Mit diesen Verbindungen wurden thermische Zersetzungsversuche im Inst. f. Org. Chemie durchgeführt. Die Übertragbarkeit der Laborergebnisse war vorher durch Vergleichsversuche bewiesen wurden. In die Analysen aus der Praxis, die direkt an einer Druckgussmaschine genommen wurden, gehen eine Reihe von Störfaktoren wie die flüchtigen Zersetzungsprodukte des Kolbenschmiermittels mit ein. Die wichtigsten flüchtigen Zersetzungsprodukte dieser Versuche wurden identifiziert.

Bezüglich der Wirkstoffkonzentration konnte eine Steigerung von marktüblichen ca. 10 % auf 26 % erreicht werden, was eine drastische Verringerung des Transportvolumens, aber auch einen deutlich höheren Literpreis des Handelsprodukts zur Folge hat.

Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden von ACMOS drei neue Formtrennstoffe für Praxisversuche im Inst. f. Schweißtechnik bereitgestellt. Dabei wurden die Trenneigenschaften beurteilt sowie die bei diesen Versuchen gefertigten Teile hinsichtlich der Begasung und Lackhaftung untersucht. Dabei stellte sich ein Trennstoff als besonders gut geeignet heraus. Dieser wurde anschließend in der Produktion der Fa. Röders erfolgreich getestet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Fortschritt des Projekts wurde regelmäßig halbjährlich vor dem Förderverein der Schweißtechnik, der zusammen mit dem Arbeitskreis Gasporosität und Aluminium-Druckguss des Verbands deutscher Gießereifachleute tagt, vorgestellt. Die Termine waren: 10.04.97 Inst. f. Schweißtechnik (I. f. S.) in Braunschweig, 13.11.97 I. f. S., 22.04.98 DRM-Löffler in Iba / Bebra, 20.10.98 I. f. S., 14.04.99 Honsel-Werke AG in Meschede und am 20.10.99 I. f. S.


Fazit

Thermische Zersetzungen von Polysiloxanen in Formtrennstoffen führen zwangsläufig zu festen Rückständen auf dem Druckgussteil, die analysiert und minimiert wurden. Die flüchtigen Zersetzungsprodukte, die in die Umgebung abgegeben werden, wurden analysiert und der Zusammenhang zwischen der Struktur des eingesetzten Polysiloxans und den daraus entstehenden Zersetzungsprodukten wurde untersucht. Anhand dieser Erkenntnisse wurde ein Formtrennstoff für den Aluminium-Druckguss unter ökologischen Aspekten optimiert. Dabei konnte die Wirkstoffkonzentration mehr als verdoppelt werden. Die Eignung dieser Neuentwicklung wurde unter Versuchs- und Produktionsbedingungen nachgewiesen.