Реология высококонцентрированных дисперсных систем, предназначенных для формования радиальным прессованием трубчатых длинномерных заготовок на основе алюмосиликатов

Название статьи

Rus

Авторы

С.М.Азаров, Е.Е.Петюшик, Т.А.Азарова, А.И.Ратько, А.И.Иванец, С.В.Шемченок, А.В.Басаранович, К.С.Евтухов

Монография/ сборник

Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка. 2011 г. Часть 1

Количество просмотров

2980

РЕОЛОГИЯ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ РАДИАЛЬНЫМ ПРЕССОВАНИЕМ
ТРУБЧАТЫХ ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАГОТОВОК
НА ОСНОВЕ АЛЮМОСИЛИКАТОВ

АЗАРОВ С.М.1, ПЕТЮШИК Е.Е.2, АЗАРОВА Т.А.1, РАТЬКО А.И.1, ИВАНЕЦ А.И.1, ШЕМЧЕНОК С.В.1, БАСАРАНОВИЧ А.В.3,
ЕВТУХОВ К.С.3

1Институт общей и неорганической химии НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь, тел.: (+375 17) 284-10-06, e-mail: azarov@igic.bas-net.by
2Государственное научно-производственное объединение
порошковой металлургии, г. Минск, Беларусь
3Белорусский национальный технически университет

Работа посвящена вопросам физико-химической механики применительно к формовочным массам для радиального прес-сования заготовок на основе хрупких несжимаемых частиц, к ко-торым относятся силикатные и алюмосиликатные порошки. Ис-следованиями по формованию крупнодисперсных порошков си-ликатов и алюмосиликатов установлено, что шихта из таких по-рошков практически не формуется по любому из разработанных в настоящее время вариантов технологий прессования. Причину плохой формуемости силикатных и алюмосиликатных порошков обуславливает малая пластичность материала и специфическая осколочная (алюмосиликаты) или близкая к сферической (сили-каты) форма частиц с гладкими гранями. Поэтому для формова-ния приготавливались варианты шихты из алюмосиликатных или кремнеземных частиц с органическим порообразователем, связ-кой в жидкообразном состоянии, отощающих добавок и ПАВ. Проведенные эксперименты по прессованию позволили устано-вить, что уже при относительно невысоком уровне давления (40 МПа) происходит активная структурная деформация прессовки с взаимным перераспределением компонентов шихты. Процесс сопровождается принудительным плакированием крупнодис-персных частиц (дисперсной фазы) связующим компонентом с порообразователем (дисперсионная среда). При этом свойства сформованной заготовки существенно зависят от качества при-готовления шихты. Нарушение равномерности распределения компонентов шихты, их соотношения при приготовлении образ-цов ровно, как и не соблюдение технологических параметров при радиальном прессовании приводит к существенному ухудшению технологических свойств сформованной заготовки, и, как следствие, к ухудшению прочности спеченного пористого материала.
Опыт работы с дисперсными системами показывает, что вопросы регулирования физико-механических свойств таких композиций представляют весьма трудную задачу. Это связано, прежде всего, с тем, что дисперсная фаза имеет сложный хими-ческий состав. Кроме того, используемое сырье одного и того же химического состава, но взятое из разных источников, может существенно отличаться по физико-химическим свойствам. Всё это в полной мере относится и к исследуемым материалам. По-этому сделана попытка на основании положений физико-химической механики проанализировать способы управления свойствами шихты и сформулировать требования, которым должны отвечать массы для радиального прессования загото-вок, используемых при получении пористых проницаемых изде-лий.
В проведенных исследованиях для радиального прессова-ния использовали системы с концентрацией дисперсной фазы от 75 до 60 мас.%. Высокое содержание дисперсной фазы позволя-ет априори утверждать, что в формовочных массах для ради-ального прессования пористых материалов образуется коагуля-ционная структура. Следовательно, формовочные массы можно классифицироваться как твёрдообразные вязкопластичные жид-кости, обладающие в разной степени свойствами твёрдого и жидкого тел [1].
По характеру связей коагуляционная структура в исходной шихте обусловлена межмолекулярным сцеплением беспорядоч-но расположенных коллоидных частиц (в пасте или суспензии), которая в свою очередь заполняет пространство между крупны-ми частицами дисперсной фазы. Коагуляционные структуры об-ладают вязко-пластичными и эластическими свойствами. По-следние определяются не свойствами частиц дисперсной фазы, образующих структуру, а характером и особенностями коагуля-ционных связей, образующих пространственный каркас. Это объясняется тем, что в коагуляционной структуре частицы свя-заны между собой ван-дер-ваальсовскими силами через тонкие прослойки дисперсионной среды. Наличие последней облегчает процесс уплотнения, а также процесс перехода от коагуляцион-ной к жестко структурированной структуре в процессе сушки. Постепенное удаление воды с достаточно протяженных контактных границ обеспечивает сближение частиц по этим поверхностям и вызывает значительное повышение прочности материала. Устойчивые жидкие прослойки в местах коагуляционного сцепления (в виде жидкостной смазки) обеспечивают полную обратимость сцепления и подвижность связи, что и обуславливает высокую эластичность формовочной массы. Образование коагуляционных структур подчиняется определённым закономерностям, одна из которых заключается в том, что образующаяся коагуляционная структура стремится к наиболее возможной прочности и устойчивости [2].
Из-за полидисперсности исследуемых формовочных масс для получения пористых материалов радиальным прессованием, важное значение приобретает вопрос о взаимодействии частиц с существенно различными размерами. При равномерном распределении разнородных частиц в системе вероятность их взаимодействия больше вероятности взаимодействия однород-ных частиц. В результате блокирования поверхности крупных частиц мелкими образовавшаяся система окажется устойчивой к механическому разрушению до определенного уровня давления прессования.
Одним из факторов, влияющих на процессы структурообра-зования в дисперсных системах, является взаимодействие дис-персной фазы с дисперсионной средой. В нашем случае диспер-сионная среда - это суспензия органического порообразователя с различного рода пластифицирующими связками на основе водного раствора. Вопросы механизма взаимодействия молекул воды с поверхностью твёрдых частиц в дисперсных системах наиболее детально исследованы применительно к глинам и гли-нистым грунтам [3-6]. Одним из действенных способов управле-ния свойствами шихты является использование поверхностно-активных веществ [7, 8]. Сорбируясь на поверхности частиц и создавая вокруг нее гелеобразную оболочку, ПАВ качественно изменяет характер контактов, дополнительно усиливая гидро-фильность поверхности. Сорбированные молекулы ПАВ прини-мают участие в образовании коагуляционных связей, соединяю-щих пространственной структурной сеткой крупнодисперсные частицы алюмосиликата (силиката), органического порообразо-вателя. Явное преобладание коагуляционных связей с увеличе-нием содержания ПАВ, контактирование не непосредственно по-верхностей частиц, а сорбционных оболочек ПАВ, делает струк-туру массы более подвижной и легко деформируемой, о чём свидетельствуют уменьшение значений модулей упругости и эластичности, а также снижение вязкости шихты. Эластичность может повышаться в 2,5-3 раза, а пластичность почти в 10 раз. Причём при содержании ПАВ менее 0,3 мас.% не наблюдается значительного прироста доли пластических деформаций. Увели-чение содержания ПАВ свыше 0,5 мас.% ведёт к увеличению пластической деформации при заданном уровне нагружения формовочной массы. Экстремумы пластичности при увеличении количества ПАВ были обнаружены и рядом других авторов при исследовании зависимостей эффективной вязкости суспензий на основе Al2O3 от содержания ПАВ [7-11]. ПАВ облегчает процесс смачивания, образуя адсорбционный слой на поверхности круп-нодисперсных частиц, придавая тем самым необходимые гид-рофильные свойства. По адсорбционному слою жидкость расте-кается значительно легче и смачивает материал. Таким образом, процесс смачивания ПАВ способствует образованию и гид-рофилизирующих пленок. Поэтому в процессах структурообра-зования поверхностно-активные вещества в виде добавок высо-комолекулярных соединений интенсифицируют возникновение коагуляционной структуры и повышают начальную прочность формовочной массы. Отсутствие единой теории о взаимодейст-вии в системе «твёрдая фаза − раствор высокомолекулярных соединений» привело к тому, что до сих пор подбор добавок ПАВ ведётся эмпирическим путём.
Формовочные массы для радиального прессования на ос-нове силикатов и алюмосиликатов, обладая влажностью 5-15 мас.%, относятся к высококонцентрированным суспензиям. Сле-довательно, в них образуется коагуляционная структура за счёт сил взаимодействия между частицами, и, вместе с тем, присут-ствует жидкая среда в виде тончайших прослоек. Коагуляцион-ная структура представляет собой пространственную сетку, прочность которой, однако, на несколько порядков ниже, чем прочность связей между частицами в твёрдой (кристаллизаци-онной) структуре. В то же время коагуляционная структура не-сравнимо прочнее структур, образующихся в истинных жидко-стях и коллоидных растворах. Таким образом, по своим механи-ческим свойствам формовочные массы лежат между твёрдыми телами и жидкостями и, следовательно, обладают как свойства-ми жидкости, так и свойствами твёрдых тел (Неньютоновские жидкости). Поэтому формовочные массы для радиального прес-сования, являясь представителями высококонцентрированных дисперсных систем, ведут себя и как твёрдообразные тела, и как жидкости в зависимости от характера приложенного давления. Причём переход от свойств жидкости к свойствам твёрдого про-исходит самопроизвольно и без изменения агрегатного состоя-ния. Способы регулирования свойств формовочных масс приме-нительно к технологии радиального прессования пористых ма-териалов на основе силикатов и алюмосиликатов будут рас-смотрены в дальнейшем.
Таким образом, на основании положений физико-химической механики проанализированы способы управления свойствами шихты для формования и сформулированы требо-вания, которым должны отвечать формовочные массы для полу-чения пористых проницаемых материалов на основе алюмоси-ликатов.

Литература:

1. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 256 с.
2. Круглицкий Н.Н. Основы физико-химической механики: Ч. 2. Киев: Вища школа, 1976. 208 с.
3. Вода в дисперсных системах / Под ред. Б.В. Дерягина, Ф.Д. Овчаренко, Н.В. Чураева. М.: Химия, 1986. 286 с.
4. Поверхностные плёнки воды в дисперсных структурах / Под ред. Е.Д. Щукина. М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1988. 279 с
5. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбенты, их получение, свойства и применение. Л.: Наука, 1978. 186 с.
6. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. Киев: Наукова думка, 1981. 207 с.
7. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1969. 175 с.
8. Kiratzisy N. E., Luckham P. F. The Rheology of Aqueous Alumina Suspensions in the Presence of Hydroxyethylcellulose as Binder // J. European Ceramic Society. 1999. 19. P. 2605-2612.
9. Kiratzis N., Faers M., Luckham P. F. Depletion flocculation of particulate systems induced by hydroxyethylcellulose // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1999. 151. P. 461-471.
10. Khan A. U., Briscoe B. J., Luckham P. F. Interaction of binders with dispersant stabilised alumina suspensions // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2000. Vol. 161, 2. P. 243-257.
11. Briscoe B.J., Khan A.U., Luckham P. F. Optimization the Dispersion on an Alumina Suspension Using Commercial Polyvalet Electrolyte Dispersants // J. European Ceramic Society. 1998. 18. P. 2141-2147.