REOLOŠKA SVOJSTVA KERAMIČKIH SUSPENZIJA · Laboratorijska vaga Ohaus AP250D (Ohaus Europe GmbH,...
Transcript of REOLOŠKA SVOJSTVA KERAMIČKIH SUSPENZIJA · Laboratorijska vaga Ohaus AP250D (Ohaus Europe GmbH,...
Sadržaj izlaganja:
2.
1. Uvod
2. Osnove reologije
3. Priprava keramičkih suspenzija
4. Važnost stabilizacije suspenzija
5. Karakterizacija keramičkih suspenzija
1. Uvod
3.
Keramički materijali:
• anorganski
• nemetalni
• metalni i nemetalni elementi
• ionske i/ili kovalentne kemijske veze
• oblikovanje pri sobnoj temperaturi iz sirove mase
• konačna svojstva: nakon sinteriranja pri visokim temperaturama
• Postupci prešanja:
• hladno jednoosno,
• hladno izostatsko (CIP),
• vruće izostatsko (HIP),
• injekcijsko prešanje.
Vrlo učinkovito:
jednostavna geometrija,
homogena struktura,
gustoća blizu teorijske.
Što je s proizvodima kompliciranije geometrije?
Proizvodnja tehničke keramike
4.
5.
• Komplicirana geometrija?
• Različite veličine proizvoda?
• Različiti oblici proizvoda?
• Monolitna ili kompozitna tehnička keramika?
LIJEVANJE SUSPENZIJA
(engl. slip casting)
Ujednačena mikrostruktura bez abnormalnog rasta zrna,
Zadovoljavajuća mehanička, tribološka i dr. svojstva,
Jednostavno,
Pouzdano,
Fleksibilno,
Ekonomski prihvatljivo,
Ekološki prihvatljivo.
2. Osnove reologije
6.
Reologija – znanstvena disciplina koja proučava promjene u
obliku i tečenju tvari.
Obuhvaća:
elastičnost,
viskoznost,
plastičnost.
Viskoznost:
• Mjera unutarnjeg trenja u fluidu, uzrokovanog međumolekulskim
silama.
• Očituje se prilikom svakog pokreta u fluidu (lijevanje, miješanje,
prskanje...).
Slojevi fluida gibaju se jedan preko drugoga pod
djelovanjem smične sile.
• Što je veća viskoznost, veće je trenje među česticama i veća je
sila potrebna za gibanje fluida.
Isaac Newton (1643. – 1717.)
• Gibanje fluida: klizanje slojeva, pri čemu rubni slojevi
(uz stijenku cijevi) miruju, dok se brzina ostalih
slojeva linearno povećava do središta cijevi.
• Viskoznost neovisna o vremenu i brzini gibanja fluida.
njutnovski fluidi – voda!
7.
• Brzina smicanja, g (engl. shear rate)
gradijent brzine pri kojoj se slojevi fluida gibaju
jedan u odnosu na drugi
• Smično naprezanje t (engl. shear stress)
omjer smične sile i površine na koju ona djeluje
• Za njutnovske fluide općenito vrijedi:
Gdje je:
h – dinamička viskoznost, Pas,
t – smično naprezanje, Nmm-2,
g – brzina smicanja, s-1.
8.
gth /
• Nenjutnovski fluidi: viskoznost nije konstantna!
pseudoplastični
dilatantni
plastični
• Prividna viskoznost – viskoznost pri određenoj brzini smicanja
9.
a)b)
c)
a) b)
c)
Tiksotropija (engl. thixotropy)
smanjenje prividne viskoznosti s vremenom, pri
konstantnoj brzini smicanja
Reopeksija (engl. rheopexy)
povećanje prividne viskoznosti s vremenom, pri
konstantnoj brzini smicanja
relativno rijetka pojava
10.
KERAMIČKI PRAHDESTILIRANA
VODAADITIVI
PRIPRAVASUSPENZIJE
LIJEVANJE
SUŠENJE
PRIPRAVA KALUPA
HOMOGENIZACIJA
UKLANJANJE SIROVCAIZ KALUPA
SINTERIRANJE
ZELENA OBRADA
ZAVRŠNA OBRADA
KOMPAKTIRANJE
ODZRAČIVANJE
ULTRAZVUČNAKUPELJ
3. P
rip
rava
ker
amič
kih
su
spen
zija
12.
priprava suspenzije
oblikovanje odljevka
voda suspenzija
disperzant
gipsanikalup
ispust(zatvoren)
punjenje kalupa
ispuštanje viškasuspenzije
višaksuspenzije
djelomično sušenje
čep
razdvajanjekalupa
sinteriranjepeć
proizvod
glina
Materijali
1. Prah visokočiste Al2O3 keramike, prosječne veličine
čestica 325 nm (Alcan Chemicals, SAD),
2. Polielektrolit DOLAPIX CE 64 – poli(metil metakrilat) -
komercijalni disperzant (Zschimmer & Schwarz Chemie
GmbH, Njemačka),
3. Destilirana voda.
13.
Uređaji
1. Laboratorijska vaga Ohaus AP250D (Ohaus Europe
GmbH, Švicarska),
2. Planetarni kuglični mlin Retsch PM 100 (Retsch GmbH,
Njemačka),
14.
3. Ultrazvučna kupelj BRANSONIC 220 (Branson
Ultrasonics Corp., SAD),
4. pH-metar FE20/EL20 (Mettler Toledo GmbH, Švicarska)
15.
4. Važnost stabilizacije suspenzija
16.
• Keramičke suspenzije smatraju se koloidnim sustavima.
• Čestice koloidne veličine (1-100 nm) raspršene u
kontinuiranoj fazi drugog sastava (ili stanja).
• Koloidna suspenzija – čvrsta tvar raspršena u kapljevini.
• Građa keramičkih čestica (dipoli) + interakcija s ionima
otapala (inducirani dipoli) naboj na česticama!
• Brownovo gibanje – nasumično gibanje čestica u koloidu
• Privlačne i odbojne sile među česticama
Električni dvosloj (engl. electrical double layer)
17.
18.
Unutrašnji, tzv. Sternov sloj,
kompaktniji je i jače vezan uz
česticu, za razliku od vanjskog,
difuznog sloja, kojeg je lakše
razoriti.
19.
Iznos rezultantnog naboja (potencijalne energije
na česticama) opada s porastom udaljenosti od
čestice.
• Na svojstva keramike dobivene postupkom lijevanja
suspenzija utječe:
Veličina čestica keramičkog praha,
Sadržaj suhe tvari u suspenziji,
Interakcije među česticama.
• Općenito:
Manje čestice + viša koncentracija suspenzije = bolja svojstva
20.
…međutim...
• Manje čestice + viša koncentracija suspenzije:
Povećana interakcija među česticama,
Povećanje viskoznosti,
Teškoće u lijevanju i popunjavanju kalupa.
• Keramičke čestice imaju veću
gustoću od vode
teže sedimentaciji zbog
djelovanja gravitacije!
21.
nedisperzirane česticeaglomeracija degradacija svojstava
gusto slaganje čestica poboljšanje svojstava
Važnost disperzije čestica
22.
disperzirane čestice
• Disperzija čestica / stabilizacija suspenzija:
dodatak disperzanta
dramatično sniženje viskoznosti
elektrostatička stabilizacija
steričkastabilizacija
elektrosterička stabilizacija
23.
24.
Previše disperzanta,
Kolaps sloja,
Ograničeno djelovanje.
Polimerni disperzanti
Premalo disperzanta,
Djelomična pokrivenost,
Ograničeno djelovanje.
Odgovarajuća količina,
Minimalna viskoznost,
Maksimalna stabilnost.
4. Karakterizacija keramičkih suspenzija
25.
• Procjena stabilnosti suspenzije:
Mjerenje zeta potencijala u ovisnosti o pH,
Sedimentacijski testovi,
Snimanje reoloških dijagrama.
26.
• Snimanje reoloških dijagrama i određivanje reoloških
parametara na rotacijskom viskozimetru DV-III Ultra
(Brookfield Engineering Laboratories, Inc., SAD) u kombinaciji
s termostatiranom kupelji Lauda Eco RE 415 (LAUDA-
Brinkmann, LP, SAD).
• Obrada prikupljenih podataka dostupnim matematičkim
modelima:
potencijski model,
Binghamov plastični model,
Herschel-Bulklyjev model.
• Suspenzije optimalnog sastava pokazuju najbolja reološka
svojstva.
27.
Primjer:
Rezultati mjerenja viskoznosti – 90 % Al2O3 i 10 % ZrO2
28.
10
11
12
13
14
15
16
17
18
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
visk
ozn
ost
, η
[mP
as]
Dolapix CE 64, %
VJEŽBA 5
• Zadatak 1.
Pripravite suspenziju aluminijeve oksidne keramike
miješanjem:
• 288 g keramičkog praha,
• 120 ml destilirane vode,
• 0,2 % disperzanta DOLAPIX CE 64.
a) Odredite maseni udio Al2O3 u ovako pripravljenoj
suspenziji. Masa vode računa se uz pretpostavku da
je njena gustoća 1 gcm-3.
b) Izračunajte koliko disperzanta treba dodati ako se
njegov sadržaj (0,2 %) računa u odnosu na masu
suhe tvari (keramičkog praha).
29.
c) Pripravite zadanu suspenziju na sljedeći način:
Upotrijebite laboratorijsku vagu za vaganje definiranih količina
keramičkog praha i disperzanta.
Potrebnu količinu destilirane vode izrazite i izmjerite u obliku
volumena (ml).
U veliku posudu planetarnog kugličnog mlina (Retsch PM 100)
ulijte destiliranu vodu i disperzant.
Miješajući staklenim štapićem, polako dodajte keramički prah.
Umiješajte 10 keramičkih kuglica za homogenizaciju.
Smjestite posudu u planetarni kuglični mlin i homogenizirajte pri
brzini 300 min-1 tijekom 120 minuta.
Po završetku homogenizacije, filtrirajte suspenziju (odvojite
kuglice).
Tretirajte suspenziju 10' u ultrazvučnoj kupelji.
Izmjerite pH vrijednost suspenzije.
d) Pripravljenu suspenziju izlijte u prethodno pripremljeni gipsani kalup.
• Zadatak 2.
Za usporedbu svojstava pripremite suspenziju
istog masenog udjela keramičkog praha kao u
zadatku 1, ali bez disperzanta. Pomiješajte 10 g
Al2O3 praha i odgovarajuću količinu destilirane
vode u staklenoj čašici. Zapišite svoja opažanja.
31.
VJEŽBA 6
• Zadatak 1.
Pripravite keramičku suspenziju na isti način
kao u prethodnoj vježbi. Nakon tretmana u
ultrazvučnoj kupelji, provedite reološka
mjerenja na viskozimetru Brookfield DV-III
Ultra, uz pripadajući programski paket
Rheocalc. Koristite komoru za male uzorke i
odgovarajuće vreteno.
32.
Parametri ispitivanja su sljedeći:
temperatura: 22±1 °C,
prije mjerenja potrebno je ukloniti povijest uzorka
(100 s-1, 2'),
minimalna brzina smicanja: 0,01 s-1,
maksimalna brzina smicanja: 180 s-1,
koristite model speed ramp,
50 jednakih intervala,
trajanje intervala: 3 s,
mjerenje viskoznosti neposredno prije promjene
brzine.
33.
• Zadatak 2.
Brzina smicanja od 50 s-1 odgovara gravitacijskom
lijevu. U rezultatima mjerenja pronađite brzinu najbližu
navedenoj te očitajte izmjerenu viskoznost pri toj brzini.
• Zadatak 3.
Prikažite promjenu viskoznosti u ovisnosti o brzini
smicanja (skicirajte dijagram). Je li pripravljena
suspenzija njutnovski ili nenjutnovski fluid? Pojasnite.
Ukoliko se radi o nenjutnovskom fluidu, je li to plastični
(Binghamov), pseudoplastični ili dilatantni fluid?
• Zadatak 4.
Primijenite postojeće modele za karakterizaciju fluida.
Upišite dobivene vrijednosti u tablicu i zaključite koji
model najbolje opisuje ponašanje Al2O3 suspenzije.
34.