WPŁYW DODATKU NIEAKTYWNEGO ROZCIEŃCZALNIKA NA WYTRZYMAŁOŚĆ MASY ZE SPOIWEM EPOKSYDOWYM

Transkrypt

1 155/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volme 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW DODATKU NIEAKTYWNEGO ROZCIEŃCZALNIKA NA WYTRZYMAŁOŚĆ MASY ZE SPOIWEM EPOKSYDOWYM B. HUTERA 1 Wydział Odlewnictwa AGH, l. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W pracy podjęto próbę określenia wpływ dodatk octan etyl (rozcieńczalnika) na zdolność do zwilżania osnowy przez spoiwo epoksydowe. Wykazano, że jż 5% wag. dodatk do spoiwa powodje natychmiastowy stan równowagi kład: kwarc spoiwo. Zweryfikowano wpływ dodatk rozcieńczalnika na wytrzymałość masy oraz charakter jego oddziaływań ze spoiwem. Key words: molding sands, dilent. 1. WSTĘP Parametry mechaniczne masy formierskiej i rdzeniowej a zwłaszcza jej właściwości wytrzymałościowe mają istotny wpływ na jakość sporządzonych odlewów. Wyniki wiel prac doświadczalnych i teoretycznych [1, 2] wskazją na związek zyskanych właściwości wytrzymałościowych masy z jej przygotowaniem. Operację tę przeprowadza się najczęściej w oparci o zalecony przez prodcenta spoiw czas i kolejność dozowania ciekłych składników spoiwa. Dozowani ciekłych składników towarzyszą zjawiska fizykochemiczne na granicy: osnowa spoiwo. Ich przebieg warnkowany jest parametrami tak osnowy, jak i ciekłego spoiwa. Spośród wiel parametrów znaczący wpływ ma: swobodna energia powierzchniowa osnowy i spoiwa, lepkość spoiwa i zwilżalność osnowy przez spoiwo. Swobodna energia powierzchniowa jest jedną z fnkcji termodynamicznych opisjących stan równowagi atomów w tak zwanej warstwie wierzchniej (WW) [3 5] kład: ciało stałe ciecz. Stan WW różni się w istotny sposób od głębiej położonych warstw materiał. Na jej powierzchni osadzają się różne zanieczyszczenia (takie, jak na 1 dr 441

2 przykład: pyły, gazy, para wodna) stąd też jest ona wyraźnie zróżnicowana pod względem fizycznym i chemicznym, stanowiąc krytyczny obszar materiał, wewnątrz którego następje niszczenie połączenia adhezyjnego (osnowa spoiwo). Zgodnie z ogólną zasadą swobodna energia powierzchniowa ciała stałego (osnowy) powinna być większa od swobodnej energii powierzchniowej nanoszonej cieczy (spoiwa). Jest to termodynamiczny warnek dobrego zwilżania, a w efekcie dobrej wytrzymałości mechanicznej. Poprawę zwilżalności osiągnąć można modyfikjąc powierzchnię ciała stałego (czyli jego WW) lb też naniesioną ciecz (spoiwo). Modyfikację ciała stałego lb cieczy przeprowadza się metodami chemicznymi lb/i fizycznymi. W praktyce mas formierskich preferowane są modyfikatory spoiw stanowiące odpowiednio dobrane rozcieńczalniki. Mają one za zadanie obniżyć lepkość spoiwa poprawiając jego właściwości żytkowe. Ostatnie prace badawcze z tego zakres [1, 2, 6] wykazały, że inną bardzo ważną zaletą tych rozcieńczalników jest poprawa zwilżalności osnowy piaskowej przez spoiwo rztjąca na wytrzymałość masy. Dodatkową korzyścią zastosowania odpowiedniego rozcieńczalnika byłby nie tylko efekt technologiczny (wzrost wytrzymałości masy), ale również ekonomiczny i ekologiczny (obniżenie dodatk spoiwa). O skteczności zastosowanego rozcieńczalnika decydje strktra chemiczna jego cząsteczki to jest ilość i rodzaj występjących wiązań chemicznych oraz grp fnkcyjnych decydjących o jego polarności (wyrażanej momentem dipolowym). Jak wynika z prac [3, 4] obecność grp polarnych przyczynia się do poprawy zwilżalności, a zatem zyskania połączenia o dżej wytrzymałości adhezyjnej. Prawidłowo dobrany rozcieńczalnik spoiwa formierskiego powinien nie tylko obniżyć lepkość, poprawić zwilżalność ale również mieć odpowiednią temperatrę parowania możliwiającą łatwe jego snięcie z masy, nie obciążające przy tym środowiska natralnego. Celem badań zaprezentowanych w artykle jest wykazanie wpływ dodatk rozcieńczalnika estrowego na lepkość, zwilżalność spoiwa oraz rodzaj oddziaływań ze spoiwem epoksydowym. Podjęto też próbę weryfikacji wpływ tych parametrów na wytrzymałość masy. 2. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 2.1. Materiały do badań i rządzenia Badania spektroskopowe, lepkości oraz zwilżalności przeprowadzono na małocząsteczkowej żywicy dianowej, diepoksydowej (nazwa handlowa EPIDIAN 5 prodcent Zakłady Chemiczne Organik Sarzyna) o masie cząsteczkowej i liczbie epoksydowej LE = 0,35 0,58, gęstości w 25 o C 1170 kg/m 3 [7]. Jako dodatek modyfikjący rozcieńczalnik zastosowano octan etyl: gęstość w 20 o C 901 kg/m 3, masa cząsteczkowa M = 88,10 g/mol, temperatra wrzenia 77 o C, NDS = 220 mg/m

3 Do badania zwilżalności zastosowano optycznie czysty kwarc, natomiast osnowę badanych mas stanowił piasek kwarcowy ze Szczakowej. Pomiary: lepkości żywicy wraz z metodyką przedstawiono w pracach [1, 2], zwilżalności w kładzie: kwarc spoiwo wykonano za pomocą prototypowego aparat [2]. Badania mas przeprowadzano stosjąc rządzenie do zagęszczenia wibracyjnego LUZ oraz niwersalny aparat LR do badania wytrzymałości Metodyka badań Wpływ dodatk octan etyl na zwilżalność kwarc badano w oparci o zarejestrowane zmiany kąta zwilżania θ w czasie ( w izotermicznych warnkach), aż do stalenia się wartości równowagowych. Zastosowano 5% wag., 20% wag. i 30% wag. rozcieńczalnika. W cel wykazania, że zmniejszenie lepkości i polepszenie zwilżalności ma znaczenie dla wytrzymałości masy zastosowano odmienną od tradycyjnej kolejności dozowania składników spoiwa: do osnowy dodawano najpierw mieszaninę żywicy z rozcieńczalnikiem a następnie po wymieszani twardzacz. Po zagęszczeni kształtki twardzano w 50 o C lb 100 o C przez różny okres czas Wyniki badań i dysksja Wpływ dodatk octan etyl na lepkość żywicy EPIDIAN 5 przebadano szczegółowo w pracach [1, 2]. Wykazano w nich, że roztwory żywicy z tym rozcieńczalnikiem zachowją cechy płynów newtonowskich (z występjącą w nich stałą proporcjonalności η czyli lepkością) [8]. Na rysnk 1 naniesiono wartości kąta θ r osiągane przez kład w temperatrze: 283, 293, 303, 313 i 323 K dla żywicy z dodatkiem 5, 20 i 30% wag. octan etyl. Jak wynika z przeprowadzonych badań największą wartość θ r (najmniejszą zwilżalność) wykazała żywica z dodatkiem 5% wag. a tylko nieco mniejszą z 20% wag. rozcieńczalnika (ok. 40 deg), natomiast wyraźnie mniejszą wartość θ r (ok. 30 deg) czyli większą zwilżalność żywica z dodatkiem 30% wag. rozcieńczalnika. Natychmiastowe osiągnięcie równowagi kład czyli kąta równowagowego, jest wypadkową, na którą składa się z jednej strony spadek oddziaływań międzycząsteczkowych, a z drgiej adsorpcja na powierzchni kwarc polarnie czynnego związk, powodjąca wzrost swobodnej energii powierzchniowej. Jak wynika z danych literatrowych moment dipolowy związków zawierających grpę estrową COOR wynosi 2,8836x10-29 C.m. 443

4 Równowagowy kąt zwilżania θ; deg Temperatra; K Rys. 1. Zależność równowagowego kąta zwilżania θ r od temperatry dla kład: kwarc spoiwo; skład spoiwa (w % wag.): 1) EPIDIAN 5 95, octan etyl 5; 2) EPIDIAN 5 80, octan etyl 20; 3) EPIDIAN 5 70, octan etyl 30 Fig. 1. Dependence between eqilibrim contact angle θ r and temperatre in system: qartz binder; binder composition (in percentage by weight): 1) EPIDIAN 5 95, ethyl acetate 5; 2) EPIDIAN 5 80, ethyl acetate 20; 3) EPIDIAN 5 70, ethyl acetate - 30 Rysnek 2 ilstrje przebieg zmian wytrzymałości na zginanie masy zawierającej 1 cz. wag. żywicy EPIDIAN 5 z dodatkiem 5% wag. octan etyl (krzywa 1) i 30% wag. (krzywa 2) po różnych czasach jej twardzania w 373 K. Jak wynika z przeprowadzonych badań masy, w których do osnowy dozowano żywicę z rozcieńczalnikiem (krzywe 1 i 2), osiągały one wyższą wytrzymałość (ok. 4,5 MPa) po krótszym czasie twardzania (1 h) w porównani z masami bez rozcieńczalnika (krzywa 3). Dodatek rozcieńczalnika do żywicy obniża jej lepkość sprzyjając powstawani połączeń nieotoczkowych nadających masie dżą wytrzymałość mechaniczną [1, 2], a równocześnie polepszając zwilżalność wpływa na wzrost wytrzymałości połączenia: osnowa spoiwo. Prawidłowo dobrany rozcieńczalnik spoiwa odznaczać się powinien brakiem aktywności chemicznej przy równocześnie odpowiedniej temperatrze parowania, powodjącej jego łatwe snięcie z masy podczas zagęszczania i twardzania. 444

5 Wytrzymałość na zginanie ; MPa ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Czas twardzania; godz. Rys. 2. Wpływ czas twardzania na wytrzymałość na zginanie masy; skład masy (w cz. wag.): piasek ze Szczakowej 100; żywica EPIDIAN 5 1; twardzacz Z-1 10% w stosnk do żywicy; warnki mieszania: 1) piasek + twardzacz 1,5 min; piasek + twardzacz + żywica 5 min; 2, 3) piasek + (żywica + rozcieńczalnik) 1,5 min; piasek + (żywica + rozcieńczalnik) + twardzacz 1,5 min; zagęszczenie wibracyjne; temperatra twardzania 373 K Fig. 2. Bending strength vs. hardening time of molding sand; molding sand composition (in parts by weight): sand Szczakowa 100; epoxy resin (EPIDIAN 5) 1; hardener Z1 10 percentage by weight on resin; mixing procedre: 1) sand + hardener 1,5 mintes; sand + hardener + resin 5 mintes; 2, 3) sand + (resin + dilent) 1,5 mintes, sand + (resin + dilent) + hardener 1,5 mintes. Consolidation by vibration. Hardener temperatre 373 K 3. WNIOSKI Przeprowadzone badania wpływ różnych dodatków octan etyl do żywicy EPIDIAN 5 wykazały: 1. Wpływ rozcieńczalnika powodjący natychmiastowe osiągnięcie stan równowagi kład (kąta równowagowego) w przebadanym zakresie temperatry ( K), co w praktyce pozwala na dobre rozprowadzenie spoiwa w każdej temperatrze oraz skrócenie czas przygotowania masy. 2. Badania wytrzymałości twardzonej masy zawierającej żywicę epoksydową z dodatkiem estr octowego wykazały korzystny wpływ tego rozcieńczalnika tak pod względem osiągniętej wytrzymałości (ok. 4-krotny wzrost ) jak i skrócenia czas twardzania (ok. 3-krotny). 445

6 Praca zrealizowana w ramach projekt badawczego nr LITERATURA [1] Htera B., Lewandowski J. L., Smyksy K.: Badania wpływ wybranych parametrów fizykochemicznych na wytrzymałość mas formierskich. Projekt badawczy KBN nr 7 T08B [2] Htera B., Lewandowski J. L., Drożyński D.: Badanie zjawisk w podwyższonych temperatrach w masach wiązanych reprezentatywnymi materiałami organicznymi i nieorganicznymi. Projekt badawczy KBN nr 7 T08A [3] Extrand C. W.: Water Contact Angles and Hysteresis of Polyamide Srface. Jornal od Colloid and Interface Science 248 (2002), [4] Blake T. P., De Coninck J.: The inflence of solid liqid interactions on dynamic wetting. Advances in Colloid and Interface Science 96 (2002), [5] Brakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. PWN W-wa [6] Htera B., Lewandowski J. L., Drożyński D.: Znaczenie lepkości i zwilżalności dla praktyki mas formierskich. XXIX Konferencja nakowa z okazji Święta Odlewnika 2005 : Kraków, Wydział Odlewnictwa, listopad 2005, s [7] Szlezyngier W.: Tworzywa sztczne. Wyd. Oświatowe FOSZE, Rzeszów [8] Fergson J., Kembłowski Z.: Reologia stosowana płynów. Wyd. MARCUS s.c., Łódź [9] Htera B.: Wpływ temperatry i dodatk nieaktywnych rozcieńczalników na dynamikę zwilżania kwarc przez żywicę Epidian 5. Przegląd Odlewnictwa t. 55 (2005), nr 6, s AN EFFECT OF NON-ACTIVATED DILUENT ADDITION ON STRENGTH OF MOULDING SAND WITH EPOXY BINDER SUMMARY The article presents the trial of evalation of ethyl acetate inflence on wettability of sand grains by epoxy binder. It has been demonstrated that only 5% by weight dilent addition generate immediate state of eqilibrim. Verification of dilent addition inflence on molding sand strength as well as dilent interaction with binder. Recenzował: Prof. Jan Lech Lewandowski 446