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Phenolharz

Formstoffe

Aus Phenol und Formaldehyd durch Polykondensation hergestelltes Kunstharz, das die Gießereianwendung als Formstoffbinder hat, besonders für das Maskenformverfahren, zur Herstellung umhüllter Sande und als Binderkomponente für das Cold-Box-Verfahren, auch als Kaltharzbinder, verwendet wird. Die Bezeichnung ist Phenol-Formaldehyd-Harz (PF).

Phenolharz wird durch Vermischen von Phenol mit wässriger Formaldehydlösung bei kontinuierlicher Erhöhung der Temperatur in Gegenwart eines Katalysators hergestellt. Es besteht die Möglichkeit, durch Absenken der Temperatur den Reaktionsablauf an jeder beliebigen Stelle zu unterbrechen. Als Zwischenprodukt entstehen Phenylalkohole, deren Hydroxyl-(OH)-Gruppen mit einem Wasserstoffatom des Nachbarmoleküls reagieren, wobei Wasser abgespaltet wird (Bild  1). Als Folge dieser Polykondensation steigt die Temperatur von selbst bis zum Siedepunkt an, und als Ergebnis erhält man Phenol-Formaldehydharze, kurz Phenolharze genannt, die aus Kettenmolekülen aufgebaut sind.

Werden bei der Harzherstellung Phenol und Formaldehyd im Molverhältnis von 1 : 0,75 vermischt und saure Katalysatoren verwendet, erhält man nach dem Abdestillieren des Wassers und des überschüssigen Phenols ein nicht härtendes Phenolharz, auch N o v o l a k genannt, das beim Erkalten erstarrt und beim Wiedererwärmen leicht aufschmilzt. Es wird in der Gießerei als Formstoffbinder wie für umhüllte Sande (Maskenformstoff) verwendet. Die Kettenmoleküle können je nach Art der Herstellung und der benutzten Katalysatoren in Ortho- oder Para-Bindung angeordnet sein (Bild 2).

Da Novolake von sich aus nicht härten, werden zur Verarbeitung spezielle Härtungsmittel zugesetzt, die eine duroplastische Vernetzung der Kettenmoleküle bewirken. Hierzu dient hauptsächlich Hexamethylentetramin (CH2)6N4, das beim Erwärmen in Ammoniak und reaktionsfähige Methylen(CH2)-Gruppen zerfällt, die die duroplastische Vernetzung des Novolaks herbeiführen (Bild 3). Dabei können auch sekundäre Amin-(-CH2.NH.CH2-)-Vernetzungen entstehen, deren Anteil mit steigendem Hexamethylentetramin-Zusatz zunimmt. Mit Phenolharz unter Verwendung von Hexametylentetramin umhüllter Maskenformsand kann daher Stickstoff enthalten, der beim Gießen durch die Verbrennung des Binders frei wird und, vor allem bei Stahlguss, zur Pinhole-Bildung (Oberflächenporosität der Gussstücke) Anlass gibt. Wo es auf die Vermeidung solcher Gussfehler besonders ankommt, werden zwecksmäßigerweise stickstoffrei umhüllte Sande eingesetzt. Sie unterscheiden sich lediglich darin, dass anstelle des Hexamethylentetramins stickstofffreie Härter benutzt werden.

Wird bei der Harzherstellung das Molverhältnis Phenol/Formaldehyd auf 1,2 : 1 erhöht, erhält man Phenolharze, die beim Erwärmen vollständig härten. Je nach Grad der Bildung und Vernetzung der vorliegenden Makromoleküle können drei Stufen der Gesamtreaktion erreicht werden, die sich in der Vernetzungsstruktur und in den Eigenschaften des Produkts unterscheiden (Tabelle).

Phenolharz ist im übrigen auch Binderbestandteil für das Cold-Box-Verfahren. Wie Bild  4 zeigt, bilden Phenolharz und Polyisocyanat, die beide in Lösungsmitteln dem Quarzsand zugemischt werden, durch Begasen mit in Luft vernebeltem Triethylamin ein festes Polyurethanharz. Triethylamin dient als reaktionsbeschleunigender Katalysator. Die Polyurethanbildung ist eine Polyadditionsreaktion, die ohne Wärmezufuhr und in Gegenwart des Katalysatornebels spontan abläuft; die Formstoffhärtung geschieht also im kalten Zustand.

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