WPŁYW TEMPERATURY NA LEPKOŚĆ WYBRANEGO SPOIWA ODLEWNICZEGO. B. HUTERA 1 Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza ul. Reymonta 23, Kraków

Transkrypt

1 27/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW TEMPERATURY NA LEPKOŚĆ WYBRANEGO SPOIWA ODLEWNICZEGO B. HUTERA 1 Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W pracy oznaczono krzywe płynięcia spoiwa alkidowego LT-72 w zakresie temperatur o C. Wykazano newtonowski charakter spoiwa. W badanym zakresie temperatur lepkość spoiwa spełnia równanie Arrheniusa. Key words: properties rheology, viscosity resins 1. WPROWADZENIE W ZAGADNIENIE W procesie sporządzania masy na formy i rdzenie odlewnicze, wiązanej ciekłymi substancjami wiążącymi można wyróżnić dwie operacje: mieszanie osnowy piaskowej z ciekłymi składnikami materiału wiążącego (np. utwardzaczem i żywicą) oraz utwardzanie zagęszczonej masy. Wymienionym operacjom towarzyszą zjawiska zachodzące na granicy faz: osnowa materiał wiążący oraz reakcje chemiczne i/lub fizykochemiczne w materiale wiążącym, uwarunkowane tak właściwościami osnowy jak i materiału wiążącego. W tych pierwszych dużą rolę odgrywa rodzaj osnowy, a zwłaszcza parametry związane z jej powierzchnią takie, jak: stopień rozwinięcia, morfologia i stan energetyczny. Wśród parametrów fizykochemicznych materiału wiążącego decydujące są: zwilżalność, napięcie powierzchniowe i lepkość. Zwilżalność i napięcie powierzchniowe uwarunkowane są stanem energetycznym powierzchni, co wyraża równanie Younga-Dupré [5, 6]. Spośród wymienionych parametrów fizykochemicznych lepkość materiału wiążącego jest tym, który w powiązaniu z parametrami osnowy kreuje powstawanie połączeń o określonej strukturze. Przeprowadzone badania podstawowe [3, 4] oraz teoretyczna analiza modelowego układu: osnowa materiał wiążący [1, 2] wykazały prawdopodobieństwo tworzenia się 1 dr

2 204 tzw. połączeń nieotoczkowych (spoiwo ścieka do punktów kontaktowych) przy małej lepkości oraz otoczkowych (spoiwo otacza ziarno osnowy równomierną cienką warstewką) przy dużej lepkości. Teoretyczne obliczenia wykazały, że wytrzymałość mechaniczna układu modelowego jest większa w przypadku połączeń nieotoczkowych. Z badań przeprowadzonych na układach rzeczywistych wynika, że mała lepkość materiału wiążącego wpływa z jednej strony na poprawę zwilżalności osnowy piaskowej, a z drugiej strony zwiększa prawdopodobieństwo powstawania połączeń nieotoczkowych i w konsekwencji większą wytrzymałość mechaniczną masy formierskiej. Jak wynika z badań przedstawionych w literaturze lepkość cieczy maleje wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury [7]. W literaturze źródłowej brak jest badań dotyczących wpływu temperatury na lepkość, dla materiałów stosowanych jako spoiwa w masach formierskich. Celem pracy są badania wpływu temperatury na lepkość wybranego spoiwa odlewniczego stosowanego w sypkich masach samoutwardzalnych. 2. CZĘŚĆ BADAWCZA 2.1. Materiały i urządzenia Badania lepkości przeprowadzono dla alkidowej żywicy LT-72 (produkcji Zakładów POLINER) za pomocą reometru rotacyjnego typ RHEOTEST 2 ze standardowym zestawem cylindrów pomiarowych oraz przystawką termostatującą. Zastosowano standardowy układ cylindrów S/S Metodyka badań Badania spoiwa polegały na uzyskaniu krzywych płynięcia w różnych temperaturach tj. wyznaczeniu zależności naprężenia stycznego od szybkości ścinania. W oparciu o uzyskane zależności oznaczano (posługując się programem Excel) wartości parametru lepkości. Krzywe płynięcia spoiwa w różnych temperaturach sporządzano na tej samej próbce podnosząc odpowiednio temperaturę i termostatując próbkę w zadanej temperaturze z dokładnością ± 0,2 o C. Badania prowadzono w następujących temperaturach: 10 o C; 20 o C; 30 o C; 35 o C; 40 o C; 45 o C; 50 o C i 60 o C; uzyskane temperatury odnosiły się do temperatury cieczy termostatującej (na zewnątrz cylindra) Wyniki badań i dyskusja Rysunek 1 przedstawia zbiorcze zestawienie wyników badań zależności f ( ) przeprowadzonych w różnych temperaturach, dla żywicy alkidowej LT-72. Uzyskane krzywe płynięcia ( f ( ) )spoiwa są prostymi o różnym nachyleniu wychodzącymi z początku układu. Taki przebieg zależności f ( ) opisany jest równaniem Newtona [5, 8, 9]:

3 205 (1) w którym naprężenie styczne (ścinające) jest proporcjonalne do szybkości ścinania, a współczynnik proporcjonalności określa lepkość postaciową płynu w warunkach prostego ścinania. Wartość współczynnika w równaniu (1) jest funkcją tylko temperatury i ciśnienia. Jest on całkowicie niezależny od szybkości ścinania. Stąd też ciecz newtonowską można wyczerpująco scharakteryzować jednym parametrem. Dla omawianej żywicy alkidowej LT-72 wartość parametru zmienia się w zakresie temperatur ok. 12 o C do ok. 60 o C od wartości ok. 3,13 Pa s (t = 12,0 o C) do 0,099 Pa s (t = 60,0 o C). Wartość parametru dla trzech przebadanych spoiw maleje wraz ze wzrostem temperatury zgodnie z równaniem Arrheniusa [7, 8]: E vis RT A e (2) gdzie A jest stałą preeksponencjalną, E vis jest energią aktywacji przepływu lepkiego, R stałą gazową oraz T temperaturą (K). Dla cieczy newtonowskich energię aktywacji przepływu lepkiego E vis można wyrazić wzorem: E vis d ln R const (, ) (3) 1 d T Z danych literaturowych [7, 8, 9] wynika, że zarówno lepkość cieczy newtonowskich, jak i lepkości plastyczne cieczy nienewtonowskich maleją wraz ze wzrostem temperatury i spełniają często równanie (2). Dokładny sens stałej preeksponencjalnej jest przedmiotem dyskusji, natomiast stwierdzono, że E vis jest związana z szeregiem podstawowych parametrów fizykochemicznych materiału takich, jak: masa cząsteczkowa, rozgałęzienie łańcucha, sztywność łańcucha oraz międzycząsteczkowe siły przyciągania. Polimery węglowodorowe, w których grupa boczna (-R) jest mała np. polietylen, polipropylen mają wartość energii E vis = J/mol, natomiast gdy podstawnikiem jest atom chloru lub pierścień fenolowy wartość energii wynosi J/mol (polichlorek winylu) lub E vis = J/mol (polistyren) [9]. Dla badanej żywicy alkidowej LT-72 wartość E vis wynosi około 57 kj/mol.

4 t = 12 t = 21,6 t = 30,0 t = 35,0 t = 40,2 t = 45,0 t = 50,1 t = 60,0 400 Naprężenie, N/m Szybkość ścinania, s -1 Rys. 1. Krzywe płynięcia żywicy alkidowej LT-72 w różnych temperaturach Fig. 1. Flow curve of alkyd resin LT-72 in different temperatures Graficzny przebieg zależności f (T ) dla żywicy alkidowej LT-72 ilustruje wykres na rysunku 2, natomiast matematycznie opisany jest równaniem (3). Linią ciągłą na tym rysunku zaznaczono doświadczalny przebieg zależności f (T ), linią przerywaną przebieg według równania (3) RT 1,14x10 e (3) Nie stwierdzono znaczących odstępstw przebiegu doświadczalnego zależności f (T) od przebiegu wg równania (3). Lepkość zastosowanego spoiwa ma zatem znaczący wpływ podczas procesu mieszania masy formierskiej oraz powstawania połączeń: osnowa materiał wiążący w czasie utwardzania. Jak wykazano we wcześniejszych pracach [1, 2, 3] mała lepkość spoiwa wpływa korzystnie na dobre i równomierne rozprowadzenie na powierzchni osnowy. Lepkość żywicy alkidowej w zakresie temperatury (10 20 o C) zmniejsza się około 2,5-krotnie i około 2,1-krotnie w zakresie temperatury (20 60 o C).

5 Lepkość, Pa s 207 3,5 3 2,5 wartość obliczona wartość zmierzona 2 1,5 1 0, Temperatura, K Rys. 2. Zależność lepkości od temperatury T dla żywicy alkidowej LT-72 Fig. 2. Dependence viscosity versus temperature T for alkyd resin LT-72 Przedstawione w pracy badania związane są ze zjawiskami zachodzącymi w samym spoiwie. W praktyce odlewniczej zjawiska te mogą być bardziej złożone z uwagi na obecność utwardzacza na powierzchni os nowy. 3. WNIOSKI Oznaczenie krzywych płynięcia żywicy alkidowej LT-72 w zakresie temperatury o C wykazały: 1. Newtonowski charakter, co pozwoliło na opisanie krzywych płynięcia równaniem Newtona. 2. Zależność lepkości spoiwa od temperatury T można miarodajnie opisać równaniem Arrheniusa. 3. Uzyskane wartości energii aktywacji przepływu lepkiego E vis wskazują na jej powiązanie ze strukturą wewnętrzną spoiwa. 4. Badania uwypukliły zmiany lepkości ze wzrostem temperatury, a szczególnie duże zwiększenie się lepkości w zakresie temperatury o C, co ma istotne znaczenie dla praktyki odlewniczej, szczególnie w okresie zimowym.

6 208 LITERATURA [1] B. Hutera: Analiza wpływu wybranych parametrów klasycznych mas formierskich na ich wytrzymałość w stanie wysuszonym. Praca doktorska. Kraków [2] B. Hutera: The boundary cases of bonds formation and modes of their destruction. Zeszyty Naukowe AGH ser. Metallurgy and Foundry Engineering 1995, vol. 21, No 3. [3] B. Hutera, J. L. Lewandowski: Zjawiska na granicy faz: osnowa kwarcowa żywica syntetyczna. Mat. III konf. pt. Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych (1996) s [4] B. Hutera, J. L. Lewamdowski, K. Smyksy: Badania wpływu wybranych parametrów fizykochemicznych na wytrzymałość mas formierskich. Projekt KBN nr T08B [5] R. Sikora: Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych. PWN W-wa [6] T. Burakowski, T. Wierzchoń: Inżynieria powierzchni metali. WNT W-wa [7] B. Jurkowski, B. Jurkowska: Sporządzanie kompozycji polimerowych. PWN W- wa [8] J. Ferguson, Z. Kembłowski: Reologia stosowana płynów. Wyd. Marcus sc, Łódź [9] D. Żuchowska: Polimery konstrukcyjne. WNT W-wa Badania przeprowadzone zostały w ramach realizacji projektu badawczego KBN nr 7 T08A TEMPERATURE INFLUENCE ON VISCOSITY OF SELECTED FOUNDRY BINDERS SUMMARY In the paper the flow curves of LT-72 alkyd binder at temperature range o C have been presented. It has been proved that such binder can be treated as the Newtonian fluid. The LT-72 alkyd binder viscosity also fits Arrhenius equation at mentioned temperature range. Recenzował Prof. Józef Gawroński