K   CORE AND MOLDMAKINGInternet-PDF from “Casting Plant & Technology “ 01 / 2013, pages 14 – 16
© Giesserei-Verlag, Düsseldorf
Authors: Pierre Henri Vacelet, Product Manager Cold Box, ASK Chemicals, Hilden; Christian Priebe, R&D Cold Box,Hilden; Joseph Muniza, Global Product Line Manager Cold Box, Dublin

溶剤レスのコールドボックスバイン
ダーによる排出ガスの削減
鋳物工場では鋳造の工程で発生する排出ガスの削減だけでなく、付加価値を創造することも常に追及しています。
ここで重要となってくるのが、コールドボックスバインダーシステムです。
ASKケミカルズによる新たな溶剤レスのコールドボックス技術により、鋳造工場は劇的に排出ガスを削減するだけでなく、性能も向上させることができるようになりました。
鋳造工場で発生するガスは、鋳物の様々な製造工程で発生します。
有機バインダーを使用すると、鋳物業者は様々な工程で発生する、様々なガスの問題に直面しているのです。
各溶剤(part1ではフェノール樹脂を可溶化するために、part2ではイソシアネート樹脂を薄めるために使用している)は共に造型中や保管中に蒸発する可能性があり、また水性塗型を乾燥するためにしばしば使用されるオーブン内でも蒸発しやすいものです。
蒸発しないバインダーシステムの残りの成分、溶剤や樹脂成分(フェノール樹脂やイソシアネート樹脂)はそれから分解あるいは注湯中に分解あるいは変質します。
初期段階(造型、保管)で発生する排出ガスの発生量はバインダー組成から合理的に予測することが可能であり、主に鋳物業者で揮発性有機化合物(VOCs)として、そしてあるいは匂い、臭気として判定しているものです。この時点での排出ガスは、高沸点溶剤を配合に用いることで削減あるいは発生を抑えることが可能です。
乾燥炉では、ガス発生量は溶剤の沸点にも関係するが、使用する溶剤の蒸気圧も考慮しなければならない二次的要因である
注湯、冷却、バラシの各工程での排出量の予測は不可能であり、これは数多くの相互要因があるためです。

Casting Plant & Technology 1/ 2013

「Ecocure SL」という新技術の採用によって排出ガスが削減された(撮影：ASK)
一般論として、残った有機物の一部は焼けてしまったり、残りの一部は熱分解によって分解・変質されます。最も厄介な排出ガスであるベンゼン・トルエン・キ
シレン(BTX)や窒素酸化物(NOx)そして有害な大気汚染質物質(HAP)は、この熱分解によって生成されます。
残ったバインダーは液化したり、タールや炭化したりし、砂の中や金型（ダイカストプロセス）の表面に再凝結します。
最近の10年のアミンコールドボック
ス技術の多大な進化は、植物由来の高沸点溶剤の使用によるVOCsの抑制や素早く蒸発する溶剤を使用することでBTXの削減に焦点を当ててきました。

低沸点溶剤の使用(芳香族系溶剤、エチルシリケート、テトラエチルオルソシリ
ケート等)は低煙、低タール、PCS時のガス発生の早期化をもたらすと指摘されています。
これは特に軽合金鋳造、とりわけ重力ダイカストの時に当てはまります。
しかし、これらの溶剤の多くはVOCsであるため、ガスの発生量が多く、また、臭気の強いものもあります。
さらに、溶剤成分の一部が急速に蒸発すると、中子の貯蔵安定性、さらには耐湿性を低下させる可能性があります。

Figure 1: Comparison of a standard Cold Box system and the solvent less technology

これに対し、植物性溶剤や脂肪酸エステルのように沸点が高い（250/300℃まで）非VOCs系溶剤は非常に安定で、溶剤の蒸発が非常に少なくなります。
しかし、蒸発が起こらないため、注湯時にはすべての有機溶媒物質が存在することになります。
残った物質は燃焼しにくく、揮発性物質よりも多くの酸素を必要とし、その結果、より多くの熱分解が行われることになります。
この結果、注湯時の汚染物質排出量が増える可能性がありますが、少なくともこれらのバインダーの煙は劇的に増加します。

新世代のバインダー

したがって、バインダーの設計者がこの比率に影響を与える唯一の方法は、有機材料の量を減らすことです。
このアイデアの最初の成果は、鋳物屋さんが良い中子や鋳物を作るために必要なバインダーの量を減らすことができる「高効率システム」の誕生でした。

最適化された配合は、主要な原材料の選択と化学処理の最適化の両方によって開発されました。
この新しいバインダーは、鋳物の製造に必要な主要特性を犠牲にすることなく、全体の排出量を削減することができました。

溶剤レスシステムの技術

新世代のバインダーは、短い蒸留時間と間隔を経た、より一定に製造された化学物質を利用した非VOCs溶剤を使用するよ うになりました。
これらの溶剤は、新世代の配合（例えば、ASKケミカルズ社（ドイツ、ヒルデン市）が開発した高効率システムにおいて古い植物性エステルに取って代わり、排出物の一部を削減する独自の方法を可能にします。

ASKケミカルズの研究チームが体系的な検討を続けた結果、SLシステム技術の誕生につながりました。

ASKケミカルズの研究チームは、これらの変数に関する基礎データの分析に数え切れないほどの時間を費やし、PCS時の排出量を大幅に削減することを保証す
る唯一の方法は、有機物に対する酸素の比率を最も高く維持することであると結論付けました。
酸素の比率は、主に注湯と成型の設計によって決まります。

» Part2はポリイソシアネート誘導体を主成分とし、15%～30%の溶剤で構成されています。

一般的なコールドボックスシステム
は次の3つのパートで分類することができ ます。

»Part1フェノール樹脂が約55％、溶剤が約45％で構成されています。

コールドボックスプロセスの名前の由来となったポリウレタンの反応は、Part 1のフェノール樹脂の OH 基とPart 2のNCO-（イソシアネート）基から構成さ れます。
従って、溶剤や添加剤は化学的なプロセスのバックボーンには含まれません。
新しい溶剤レスシステム（SLシステム）では、Part2が通常のPart2システムと同等の効果を発揮するよう特別に設計されており、溶剤を一切使用していません。
特定のポリイソシアネート成分と厳選された添加剤を含む特許取得済みの溶剤レスのPart2レシピは、適合したPart1と共に使用するように開発されました。
Part1やPart2を濃縮するこれまでの試みは、バインダーの総使用量を大きく減らすことができず、排出量の大幅な削減は実現できませんでした。
この独自の組み合わせにより、必要なバインダー量を20％削減することに成功しました。
この20％の削減は、通常のPart2で使用される溶剤の割合に相当します。
標準的なシステムでは、砂に対してPart1が100部、Part2が100部使用されるのに対し、SLシステムでは、Part1は同じ100部のまま、Part2を80部だけ使用して20部減らすることが可能です。その結果、バインダー混合物は、同じ重量の反応物質（フェノール樹脂とポリイソシアネート）と添加剤を含み、溶剤の重量を約1/3に 削減することができます（図1）。

»Part3は硬化反応を促進するための3 級アミン触媒 で す。
part1とpart2バインダーには、特定の属性や鋳造特性を最適化するために使用される特殊添加物も含まれています。
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Figure 2: Solvent less technology improves considerably physical properties

パフォーマンスの向上
加えて、SLシステムの平均的な性能は、提供し得る中で最高級のコールドボックスシステムとなるよう、性能特性を向上させています。
全体的な強度は通常のシステムよりも高く、さらに可使時間性能を犠牲にすることなく耐湿性が最適化されています。このシステムは、特に新しい鋳物設計や顧客の厳しい要求によって増加し続ける鋳造業者の最新のニーズに完全に 適合しています（図2）。
このように、溶剤レスシステムで溶剤が大幅に削減されるため、多くの利点があります。
まず、溶剤が少なければ、プロセス全体における排出ガスの可能性が減少します。
さらに、従来の重エステル系溶剤と比較すると目立たないが、新しい溶剤レスシステムでは、有機物の含有量も少なくなる。
この効果により、ポリマーの燃焼速度を上げることができ、最も不快な排出物の原因となる熱分解を減らすことができます。

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これらのシステムを使って、さまざまなアルミニウム鋳造工場で行われた数多くの開発で、溶剤レスシステムの非常に優れた砂型の崩壊性も指摘されています。
同じ酸素量であれば、有機物が少ない方が、より大きなエネルギーで結合し、最大数のバインダーブリッジを破壊でき るのは当然のことです。
これは、溶剤レスシステムの熱安定性が最適化され、両方の特性を同時に発揮できるようになったことを示しています。
その他の鋳物工場でのテストでは、アミンの需要も減少することが証明されています。
コールドボックスプロセスでは、OH基とNCO基の反応を開始させるための触媒としてアミンが使用されます。
理論的には、完全な重合を開始するために必要なアミンはごくわずかです。
しかし実際には、バインダーの配合の違いによって、必要なアミン量に多少の差が見られます。
アミンが異なる溶媒パッケージに異なる溶解度を持っているため、アミンが溶剤と親和性が低いほど硬化効率は高くなります。
バインダーシステムの溶媒を減らすと、なぜアミンも減らせるのかが理解できるようになりました。

上記のように、溶剤レスシステムが提供する多くの特性（ガスの発生が少ない、タールの生成が少ない、アミンの少なくてすむ、崩壊性が良い、優れた寸法精度）は、アルミニウム鋳造所の中子製造工場に特に適合していることを意味します。
ASKケミカルズでは現在、このシステムを鉄鋼用途に応用するための研究を続けています。

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