Zastosowanie poli(alkoholu winylowego) w formowaniu tworzyw ceramicznych

Podobne dokumenty
dr inż. Paweł Wiśniewski, mgr inż. Maciej Kopczyński Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej Zakład technologii Nieorganicznej i Ceramiki

Dr in. Pawe Winiewski. Wydzia Chemiczny Politechniki Warszawskiej Zakad Technologii Nieorganicznej i Ceramiki

WPŁYW TEMPERATURY SPIEKANIA NA WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW Z ZnO. INFLUENCE OF SINTERING TEMPERATURE ON PROPERTIES OF ZnO - BASED MATERIALS

Kryteria oceniania z chemii kl VII

REOLOGIA CERAMICZNYCH MAS SYPKICH

Wykład 2. Wprowadzenie do metod membranowych (część 2)

Kopolimery statystyczne. Kopolimery blokowe. kopolimerów w blokowych. Sonochemiczna synteza -A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B- Typowe metody syntezy:

Dodatki organiczne we współczesnej ceramice cz. I

CERAMICS-POLY(METHYL METHACRYLATE) COMPOSITES OF A MATRIX FROM AN ALUMINA CERAMIC POROUS MATERIAL OBTAINED BY THE POLYMERIC SPONGE METHOD

CHEMIA. Wymagania szczegółowe. Wymagania ogólne

PL B1. Instytut Chemii Przemysłowej im.prof.ignacego Mościckiego,Warszawa,PL BUP 07/06

Opis modułu kształcenia Otrzymywanie związków wielkocząsteczkowych

MATERIAŁOZNAWSTWO. dr hab. inż. Joanna Hucińska Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 128 (budynek Żelbetu )

Plan prezentacji. Podsumowanie. - wnioski i obserwacje z przeprowadzonych badań

TOWAROZNAWSTWO ARTYKUŁÓW PRZEMYSŁOWYCH

σ c wytrzymałość mechaniczna, tzn. krytyczna wartość naprężenia, zapoczątkowująca pękanie

Roztwory buforowe (bufory) (opracowanie: dr Katarzyna Makyła-Juzak)

Podstawowe pojęcia i prawa chemiczne

Opis modułu kształcenia Chemia, technologia otrzymywania oraz materiałoznawstwo polimerów i tworzyw sztucznych

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Materiały budowlane - systematyka i uwarunkowania właściwości użytkowych

XXV KONKURS CHEMICZNY DLA GIMNAZJALISTÓW

Plan dydaktyczny z chemii klasa: 2TRA 1 godzina tygodniowo- zakres podstawowy. Dział Zakres treści

A4.06 Instrukcja wykonania ćwiczenia

KOLEJNOŚĆ CZYNNOŚCI DO ĆWICZENIA NR 2

Spis treści. Wprowadzenie... 9

P L O ITECH C N H I N KA K A WR

RóŜnica temperatur wynosi 20 st.c. Ile wynosi ta róŝnica wyraŝona w K (st. Kelwina)? A. 273 B. -20 C. 293 D. 20

Spis treści. Wprowadzenie... 9

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

Chemia klasa VII Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny Semestr II

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PLASTYCZNOŚĆ. Zmiany makroskopowe. Zmiany makroskopowe

Kuratorium Oświaty w Lublinie

PL B1. Sposób otrzymywania nieorganicznego spoiwa odlewniczego na bazie szkła wodnego modyfikowanego nanocząstkami

PL B1. ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL

Koncentraty z NAPEŁNIACZAMI opartymi na CaSO4

SZCZEGÓŁOWE KRYTERIA OCENIANIA Z CHEMII DLA KLASY II GIMNAZJUM Nauczyciel Katarzyna Kurczab

Recykling tworzyw sztucznych na przykładzie butelek PET. Firma ELCEN Sp. z o.o.

Wpływ mikrocementu na parametry zaczynu i kamienia cementowego

I edycja Konkursu Chemicznego im. Ignacego Łukasiewicza dla uczniów szkół gimnazjalnych. rok szkolny 2014/2015 ZADANIA.

WPŁYW RODZAJU I ZAWARTOŚCI DIELEKTRYKU NA WŁAŚCIWOŚCI DIELEKTROMAGNETYKÓW

XXIV KONKURS CHEMICZNY DLA GIMNAZJALISTÓW ROK SZKOLNY 2016/2017

WYBRANE METODY MODYFIKACJI ASFALTÓW. Prof. dr hab. inż. Irena Gaweł emerytowany prof. Politechniki Wrocławskiej

1. Jaką funkcję w procesach polimeryzacji wolnorodnikowej pełnią niŝej wymienione związki?: (5 pkt.)

Wymagania edukacyjne na poszczególne roczne oceny klasyfikacyjne z przedmiotu chemia dla klasy 7 w r. szk. 2019/2020

IX Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2016/2017. ETAP I r. Godz Zadanie 1 (11 pkt)

Inżynieria Środowiska

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

MATERIAŁOZNAWSTWO. Prof. dr hab. inż. Andrzej Zieliński Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 204

Zadanie: 2 (4 pkt) Napisz, uzgodnij i opisz równania reakcji, które zaszły w probówkach:

Wodorozcie czalne dyspersje polimerowe w procesie jednostronnego prasowania Al 2 O 3

Wymagania programowe na poszczególne oceny. I. Substancje i ich przemiany. Ocena bardzo dobra. Ocena dostateczna. Ocena dopuszczająca.

Zagadnienia z chemii na egzamin wstępny kierunek Technik Farmaceutyczny Szkoła Policealna im. J. Romanowskiej

Zadanie 1. [ 3 pkt.] Uzupełnij zdania, wpisując brakującą informację z odpowiednimi jednostkami.

Moduł: Chemia. Fundamenty. Liczba godzin. Nr rozdziału Tytuł. Temat lekcji. Rozdział 1. Przewodnik po chemii (12 godzin)

Prasowanie proszków ceramicznych

Realizacja wymagań szczegółowych podstawy programowej z chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Spis treści. Wstęp 11

IV Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna Problematyka funkcjonowania i rozwoju branży metalowej w Polsce

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów gimnazjów 6 marca 2015 r. zawody III stopnia (wojewódzkie)

ODPORNOŚĆ BETONÓW SAMOZAGĘSZCZALNYCH NA BAZIE CEMENTU ŻUŻLOWEGO (CEM III) NA DZIAŁANIE ŚRODOWISK ZAWIERAJĄCYCH JONY CHLORKOWE

OTRZYMYWANIE KARBOKSYMETYLOCELULOZY

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

Wstęp... CZĘŚĆ 1. Podstawy technologii materiałów budowlanych...

POLIMERY W OCZYSZCZANIU WODY, POWIETRZA ORAZ OCHRONIE GLEBY. Helena Janik, Katedra Technologii POLIMERÓW WCH, PG

VI Seminarium Spektrochemu Optymalizacja jakościowa i cenowa technologii wytwarzania wodorozcieńczalnych farb i tynków dyspersyjnych

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW - rok szkolny 2011/2012 eliminacje rejonowe

WyŜsza Szkoła InŜynierii Dentystycznej im. prof. Meissnera

Realizacja wymagań szczegółowych podstawy programowej w poszczególnych tematach podręcznika Chemia Nowej Ery dla klasy siódmej szkoły podstawowej

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 9

Nauka o Materiałach. Wykład IX. Odkształcenie materiałów właściwości plastyczne. Jerzy Lis

SUBSTANCJE CHEMICZNE I ICH PRZEMIANY

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Lepkościowo średnia masa cząsteczkowa polimeru. opiekun ćwiczenia: dr A.

Wpływ promieniowania na wybrane właściwości folii biodegradowalnych

Collection Perla. Sprawdź aktualny stan magazynu. Więcej informacji o Spiekach Kwarcowych na stronie

CHEMIA klasa 1 Wymagania programowe na poszczególne oceny do Programu nauczania chemii w gimnazjum. Chemia Nowej Ery.

TWORZYWA BIODEGRADOWALNE

6. ph i ELEKTROLITY. 6. ph i elektrolity

Opis modułu kształcenia Technologia tworzyw sztucznych

WPŁYW RODZAJU MASY OSŁANIAJĄCEJ NA STRUKTURĘ, WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ODLEWNICZE STOPU Remanium CSe

Drewno. Zalety: Wady:

Materiałoznawstwo optyczne CERAMIKA OPTYCZNA

Paweł Pollok*, Sławomir Wysocki** PT-51 i PT-52***

Wymagania przedmiotowe do podstawy programowej - chemia klasa 7

Wykład IX: Odkształcenie materiałów - właściwości plastyczne

Chemia techniczna Technical chemistry

Wprowadzenie 1. Substancje powierzchniowo czynne Wykazują tendencję do gromadzenia się na granicy faz Nie przechodzą do fazy gazowej

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Kuratorium Oświaty w Lublinie

Specyfikacja techniczna wykonania i odbioru hydroizolacji z wykorzystaniem środka PENETRON ADMIX

Peter Schramm pracuje w dziale technicznym FRIATEC AG, oddział ceramiki technicznej.

Katedra Chemii i Technologii Polimerów prowadzi działalność dydaktyczną w ramach studiów I i II stopnia oraz kształci doktorantów. Prowadzone badania

Lista materiałów dydaktycznych dostępnych w Multitece Chemia Nowej Ery dla klasy 7

Nauka o Materiałach. Wykład IV. Polikryształy I. Jerzy Lis

Badanie właściwości związków powierzchniowo czynnych

Ćwiczenie 2 Przejawy wiązań wodorowych w spektroskopii IR i NMR

MATERIAŁY POLIMEROWE Polymer Materials. forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 2W, 1L PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Transkrypt:

Dr inż. PAWEŁ WIŚNIEWSKI Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki Zastosowanie poli(alkoholu winylowego) w formowaniu tworzyw ceramicznych Streszczenie Poli(alkohol winylowy) jest jednym z najczęściej stosowanych spoiw w technologii ceramiki. Jego duża wytrzymałość, niski koszt zakupu, stosunkowo łatwa rozpuszczalność w wodzie oraz łatwość usuwania w procesie wypalania sprawiają, że należy do niezawodnych polimerów używanych w procesach formowania tworzyw ceramicznych. W celu zastosowania odpowiedniego rodzaju poli(alkoholu winylowego) należy rozważyć wiele aspektów, takich jak różnice pomiędzy klasą produktu, ciężar cząsteczkowy, stopień hydrolizy itp., które w znacznym stopniu mogą wpłynąć na jego właściwości i właściwości tworzyw ceramicznych. W artykule przedstawiono historię, właściwości i zastosowanie oraz wyniki badań nad zastosowaniem poli(alkoholu winylowego) o różnym ciężarze cząsteczkowym na właściwości kształtek ceramicznych z tlenku glinu otrzymanych metodą prasowania jednostronnego. Abstract Application of poly(vinyl alcohol) in molding of ceramic materials Poly(vinyl alcohol) is most common used binder in ceramics technology. Its high strength, low cost and solubility in water polymer used in the molding of ceramics materials. In purpose the application of suitable poly(vinyl alcohol) important is consider aspects as: product class, molecular weight, degree of hydrolysis, has widely influence on his parameters and ceramic materials parameters. Paper presents history, properties, application and results use of poly(vinyl alcohols) with different molecular weight on parameters ceramic alumina samples obtained by die pressing. Keywords: poly(vinyl alcohol), die pressing, polymeric binders, alumina Słowa kluczowe: poli(alkohol winylowy), prasowanie jednostronne, spoiwa polimerowe, tlenek glinu Historia Odkrycie poli(alkoholu winylowego) (ozn. PVAL) było ważnym wydarzeniem, które otwierało drzwi do kolejnych procesów chemii wielkocząsteczkowej. Poli(alkohol) winylowy zajmuje specjalne miejsce między znanymi syntetycznymi polimerami. W odróżnieniu od typowych reakcji polimerycznych poli- czy kopolimeryzacji, w których występują monomery ulegające polimeryzacji w określonych warunkach, monomer alkoholu winylu będący teoretycznie formą enolową w praktyce nie istnieje. Forma enolowa jest formą nietrwałą i szybko ulega przekształceniu do aldehydu octowego, a sam PVAL otrzymywany jest w procesie zmydlania [1]. W roku 1912 w Chemishe Fabrik Greisheim Elektron w Niemczech, F. Klatte i E. Zacharias rozpoczęli prace nad poli(winylo estrami) i ich pochodnymi. Prace były prowadzone w Hoechst Works IG Farbenindustrie AG. Ostatecznie poli(alkohol winylowy) został odkryty w 1915 przez F. Klatte. Natomiast pierwszą publikacją dotyczącą otrzymania PVAL poprzez stechiometryczne zmydlanie poli(octanu winylu) sodą kaustyczną była praca opisana w 1924 przez W. O. Herrmanna i W. Haehnela [2]. Prace dotyczące poli(alkoholu winylowego) prowadziło również Konsorcjum Wacker AG, co budziło w owym czasie wiele sporów patentowych. Wkrótce nastąpiło porozumienie pomiędzy Wacker AG i Hoechst Works IG Farbenindustrie AG i na początku lat 20 ubiegłego stulecia oba przedsiębiorstwa były w stanie rozpocząć produkcję PVAL na skalę przemysłową. Intensywne badania nad poli(alkoholem winylowym) opisane przez W. O. Herrmanna i W. Haehnela kontynuował H. Staudinger przewidując jego późniejsze wielkie znaczenie dla przemysłu i nauki, co w pewnym stopniu przyczyniło się do rozwoju chemii wielkocząsteczkowej i poznania mechanizmów analogicznych reakcji chemicznych. Następcą Staudingera był jego student W. Starck, który został kierownikiem Laboratorium Tworzyw Sztucznych w Farbwerke Hoechst AG i zajmował się głównie podobną reakcją transestryfikacji przekształcenia poli(octanu winylu) do poli(alkoholu winylowego) z zastosowaniem metanolu [3]. W kolejnych latach kontakty między Uniwersytetem we Freiburgu i naukowcami japońskimi I. Sakuradą i T. Tomanarim doprowadziły do produkcji przemysłowej PVAL w Japonii, a następnie na całym świecie. 26 Szkło i Ceramika

Właściwości i zastosowanie PVAL Poli(alkohol winylowy) jest rozpuszczalny w wodzie, nie rozpuszcza się natomiast w większości rozpuszczalników organicznych, co w pewnym stopniu odróżnia go od większości polimerów. Łatwo ulega reakcjom halogenowania, odwodnienia, estryfikacji, acetylowania itp. [4]. Pierwszym zastosowaniem poli(alkoholu winylowego) szeroko stosowanego na świecie był przemysł tekstylno-włókienniczy. Wraz z czasem i rozwojem metod syntezy zwiększyło się jego zastosowanie. PVAL jest składnikiem klejów i farb, gdzie pełni rolę stabilizatora emulsji, a także służy do wyrobu rękawic ochronnych, nici chirurgicznych i folii. Jednakże w tych przypadkach konieczne jest zastosowanie całkowicie zhydrolizowanego poli(alkoholu winylowego), który jest odporny na działanie wody. PVAL jest również stosowany w produkcji papieru, szkła bezodpryskowego, węży, płyt, rur, pasów transmisyjnych oraz jako prekursor do otrzymywania poliacetali [5]. Znane jest także zastosowanie PVAL w przemyśle kosmetycznym do wyrobu kremów do skóry, kremów do golenia, kosmetyków do makijażu oczu i maseczek do twarzy. Dla ceramiki najważniejsze jest jego zastosowanie w budownictwie, m. in. do zapraw cementowych oraz jako spoiwo w procesach formowania [6]. Rys. 2. Polimeryzacja octanu winylu [6] Alkohol metylowy spełnia kilka funkcji. Podczas polimeryzacji działa jako środek transferu łańcucha, razem z rodzajem i ilością inicjatora wpływa na alkoholizę poli(octanu winylu), a także decyduje o ciężarze cząsteczkowym produktu, który ma wpływ na lepkość roztworu PVAL i w późniejszym etapie wpływa na wytrzymałość mechaniczną kształtek ceramicznych otrzymanych z jego udziałem. Produktem tego etapu jest roztwór poli(alkoholu winylowego) o dużej lepkości w metanolu. W drugim etapie pod wpływem katalizatora (sody) następuje zainicjowanie reakcji transestryfikacji, która polega na przekształceniu grup octanowych w grupy - OH (alkoholiza, zmydlanie) [8]. Poprzez zmianę stężenia katalizatora, temperatury prowadzenia procesu i czasu reakcji, możliwe jest otrzymanie poli(alkoholu winylowego) z odpowiednią ilością grup alkoholanowych i grup octanowych. Poli(alkohol winylowy) jest polimerem alkoholu winylu. Alkohol winylowy nie istnieje w wolnej formie, dlatego PVAL produkuje się przez polimeryzację octanu winylu, który jest związkiem stabilnym. Produktem procesu jest tworzywo, które w rzeczywistości jest kopolimerem alkoholu winylowego i octanu winylu (rys. 3). Rys. 1. Zastosowanie poli(alkoholu winylowego) Zastosowanie poli(alkoholu winylowego) w przemyśle przedstawiono na rysunku 1 [7]. Jak widać od chwili odkrycia, poli(alkohol winylowy) znalazł wiele zastosowań i wciąż znajduje nowe, dlatego konieczne jest ciągłe poszukiwanie nowych i bardziej ekonomicznych metod jego syntezy. Produkcja PVAL Produkcja poli(alkoholu winylowego) jest procesem złożonym z czasem kilku kroków. Przeważnie jednak otrzymuje się go w dwóch etapach. Pierwszy etap syntezy PVAL polega na rozpuszczeniu octanu winylu w metanolu i polimeryzacji w roztworze z zastosowaniem zasad bezsiarkowych jako inicjatorów reakcji, jest to tzw. polimeryzacja w rozpuszczalniku organicznym (rys. 2): Rys. 3. Struktura poli(alkoholu winylowego) (x stężenie 87 99% mol. grup alkoholanowych, y stężenie 1 12% mol. grup octanowych) Stosunek alkoholu winylowego do octanu winylu jest jednym z ważniejszych parametrów poli(alkoholu winylowego) i określany jest mianem stopnia hydrolizy mówiącym o jego rozpuszczalności. Gdy stopień hydrolizy zawarty jest w przedziale 87 99% molowych grup alkoholanowych wtedy możemy mówić o poli(alkoholu winylowym). Octan winylu jest odpowiednim substratem do produkcji PVAL i do tego ogólnie dostępnym, stosunkowo tanim i łatwo ulegającym polimeryzacji. Ponieważ techniczne własności PVAL zależą od ciężaru cząsteczkowego, dlatego też i pozostała zawartość grup octanowych w procesach przemysłowych jest ściśle kontrolowana. Szkło i Ceramika 27

Po zakończeniu procesu, wyznaczony stopień hydrolizy ma zakres od tzw. częściowego (87 89% grup alkoholanowych) do tzw. super (>99,3% grup alkoholanowych). Jak widać z rysunku 5 wraz ze wzrostem temperatury rośnie rozpuszczalność poli(alkoholu-winylowego). W tabeli 1 przedstawiono klasyfikację poli(alkoholu winylowego) ze względu na stopień hydrolizy. Tabela 1. Klasyfikacja poli(alkoholu winylowego) Klasa poli(alkoholu winylowego) Stopień hydrolizy (% mol) Super > 99,3 Pełna 98,0 98,9 Średnia 95,0 97,0 Częściowa 87,0 89,0 Niska 79,0 81,0 Wyznaczony po zakończeniu syntezy stopień hydrolizy ma zakres od 87 99,3% mol. grup alkoholowych i jest on głównym czynnikiem określającym krystalizację PVAL, a więc charakterystykę rozpuszczalności [6]. Stopień krystalizacji zmienia się wraz ze stopniem hydrolizy. Poli(alkohol winylowy) o tzw. częściowym stopniu hydrolizy jest krystaliczny w 25%, natomiast PVAL o dużym stopniu hydrolizy może być krystaliczny nawet w 50%. Krystalizacja PVAL jest wynikiem istnienia wiązań wodorowych pomiędzy łańcuchami polimeru [8 9]. Węzeł szkieletowy PVAL przedstawiono na rysunku 4. Kiedy dwa łańcuchy zbliżają się w taki sposób, aby wodór w jednej grupie hydroksylowej mógł oddziaływać z tlenem grupy hydroksylowej sąsiedniego łańcucha. Rys. 4. Łańcuchy poli(alkoholu winylowego) połączone wiązaniami wodorowymi (a) niski stopień hydrolizy, (b) wysoki stopień hydrolizy [7] Podczas rozpuszczania roztwór PVAL powinien być ogrzewany do określonej temperatury, aby dostarczyć układowi dostateczną ilość energii, która będzie w stanie rozerwać łańcuchy powiązane wiązaniami wodorowymi. Im stopień hydrolizy PVAL jest większy, tym trudniej rozpuszcza się on w wodzie i niezbędne jest podgrzanie go do temperatury, co najmniej 60 C. W przypadku małego stopnia hydrolizy rozpuszczalność PVAL jest odpowiednia (nawet w temperaturze pokojowej). Schematycznie przedstawiono to na rysunku 5, gdzie przedstawiono zależność rozpuszczalności poli(alkoholu winylowego) od stopnia hydrolizy. Rys. 5. Zależność rozpuszczalności PVAL od jego stopnia hydrolizy i temperatury [6] Rozpuszczalność PVAL zależy również od ciężaru cząsteczkowego. Podobnie jak w przypadku stopnia hydrolizy poli(alkohol winylowy) charakteryzujący się dużym ciężarem cząsteczkowym gorzej rozpuszcza się w wodzie niż PVAL o mniejszym ciężarze cząsteczkowym. Na rys. 6a-c przedstawiono porównanie poli(alkoholu winylowego) w wodzie w zależności od jego ciężaru cząsteczkowego. Zarówno stopień hydrolizy, jak i ciężar cząsteczkowy PVAL muszą być uwzględnione przy jego doborze jako spoiwa w procesach formowania tworzyw ceramicznych. Jest to polimer, który łatwo miesza się z proszkami ceramicznymi, jednakże bardzo często istnieje konieczność dodatkowego zastosowania środków poślizgowych, które minimalizują występowanie sił tarcia np. w procesie prasowania [10]. Poli(alkohol winylowy) powinien być całkowicie rozpuszczony w wodzie, jednak ze względu na właściwości, jego maksymalne stężenie w wodzie nie przekracza 20% wag., a przy tym lepkość roztworu jest bardzo duża, co w wielu przypadkach uniemożliwia jego dokładne rozprowadzenie w masie ceramicznej. Znane są również zastosowania PVAL w procesie formowania folii ceramicznych metodą tape-casting. Pierwsze w Polsce prace z tej dziedziny zostały rozpoczęte w II połowie lat 70 XX w. przez M. Szafrana na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej. Udało się otrzymać folie ceramiczne o znacznej elastyczności i wytrzymałości. Jednakże niezbędny był udział plastyfikatora zewnętrznego [11]. Część doświadczalna Z opisanych względów do badań zastosowano poli(alkohol winylowy) (Mowiol, Germany) o stopniu hydrolizy 88%, który zapewniał optymalną rozpuszczalność w wodzie i trzech różnych ciężarach cząsteczkowych: 31 000 (ozn. PVAL-1), 88 000 (ozn. PVAL-2) i 130 000 (ozn. PVAL-3). Sporządzono roztwory o stężeniu 10% wag. polialkoholu w wodzie. Fazą stałą był wysokiej czystości tlenek glinu MR-52 (Martoxid, Germany) o średniej wielkości ziarna 1,5µm i gęstości d = 3,926 g/cm 3. W tabeli 2 przedstawiono charakterystykę zastosowanego poli(alkoholu winylowego). 28 Szkło i Ceramika

ślono: gęstość, porowatość otwartą, wytrzymałość mechaniczną na zginanie metodą pierścień-czasza oraz moduł Weibulla. Dokładny opis metodyki badawczej przedstawiono w artykule [12]. Wyniki badań i dyskusja Zastosowany w pracy wodorozpuszczalny poli(alkohol winylowy) ze względu na niską cenę jest obecnie najpowszechniej używanym spoiwem w technologii ceramiki w procesach formowania. Celem pracy były badania nad wpływem ciężaru cząsteczkowego stosowanych PVAL na właściwości granulatów, wyprasek i spieczonych kształtek. Ilość polimeru w masie była nieduża, przez co istniał problem z rozprowadzeniem go w masie ceramicznej, tym bardziej że przypadku tego związku lepkość roztworu wzrasta wraz z ciężarem cząsteczkowym. Wiadomo jednak, że jednym z zadań stosowania dodatków organicznych jest zapewnienie dobrej zdolności formierczej przy jednocześnie jak najmniejszej ich zawartości, co jest istotne z ekonomicznego punktu widzenia. Tabela 3. Zdolność do zagęszczania granulatów oraz gęstość i wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie wyprasek Symbol P oc [MPa] dw o [%] W r [MPa] PVAL-1 74 61,1 0,19 ± 0,08 PVAL-2 124 62,9 0,22 ± 0,06 PVAL-3 84 62,7 0,18 ± 0,07 W tabeli 3 przedstawiono wyniki zdolności do zagęszczania granulatów oraz gęstości i wytrzymałości mechanicznej wyprasek. Rys. 6. Szybkość rozpuszczania PVAL od ciężaru cząsteczkowego i temperatury a) PVAL-80% mol., b) 88% mol., c) 98% mol. [6] Tabela 2. Parametry zastosowanych poli(alkoholi winylowych) Symbol Stężenie polimeru w wodzie [% wag.] ph Kąt zwilżania [ ] T g [ C] PVAL-1 10 6,0 70,2 46,1 PVAL-2 10 6,0 76,6 45,3 PVAL-3 10 6,0 59,8 43,7 Otrzymane wyniki zdolności granulatów z tlenku glinu do zagęszczenia nie są jednoznaczne. Najmniej korzystnymi właściwości reologicznymi charakteryzował się granulat ze spoiwem PVAL-2. Przyczyną może być w tym przypadku nierównomierna koncentracja polimeru w granulacie i tym samym konieczność zastosowania znacznych sił prasujących. Uzyskana gęstość względna wyprasek była niska, co może świadczyć o tym, że ilość zastosowanych spoiw w masach ceramicznych była zbyt mała. Dlatego też w dalszym etapie prac zwiększono udział PVAL do 2% wag. Na rysunkach 7 9 przedstawiono porównanie otrzymanych wyników dla ilości 0,5 i 2% wag. dla granulatów i wyprasek. Z tlenku glinu (stężenie 70% wag.) i spoiw (0,5 i 2% wag.) wykonano masy lejne o stężeniu upłynniacza 0,25% wag., oraz wody destylowanej. Masy mieszano mechanicznie, a następnie pod próżnią odparowano rozpuszczalnik i otrzymano granulat. Po jego uzyskaniu przystąpiono do jednostronnego prasowania kształtek cylindrycznych o φ = 20 mm i dwóch wysokościach h 1 = 2,5 i h 2 = 5 mm. Na surowych kształtkach oznaczono gęstość i wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie metodą testu brazylijskiego. Resztę kształtek spieczono w 1650 C/1h i na nich okre- Rys. 7. Wpływ ciężaru cząsteczkowego poli(alkoholu winylowego) oraz jego ilości na zdolność do zagęszczania granulatów Szkło i Ceramika 29

Odnotowano podobne zależności jak przy zastosowaniu 0,5% wag. poli(alkoholu winylowego). Zwiększenie ilości PVAL powoduje zmniejszenie wartości współczynnika P oc, co jest najbardziej widoczne w przypadku granulatu PVAL-2. Większa ilość polimeru powoduje łatwiejszy poślizg pomiędzy ziarnami, co przekłada się na ułatwienie zagęszczenia. Rys. 8. Wpływ ciężaru cząsteczkowego poli(alkoholu winylowego) oraz jego ilości na gęstość względną wyprasek Zwiększenie ilości spoiwa spowodowało wzrost gęstości względnej wyprasek, jednakże uzyskane wartości nie są zadowalające i we wszystkich przypadkach nie przekraczają minimalnej wartości 65% gęstości teoretycznej, czyli uważanej za odpowiednią. Z rys. 9 widać, że wytrzymałość mechaniczna wyprasek w przypadku zastosowania 0,5% wag. PVAL we wszystkich przypadkach jest stosunkowo mała i porównywalna. Zwiększenie dodatku spoiwa powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie (nawet dwukrotny w przypadku PVAL-3). Ponadto wraz ze zwiększeniem ciężaru cząsteczkowego poli(alkoholu winylowego) widać wyraźny wzrost wytrzymałości mechanicznej wyprasek. Zastosowanie poli(alkoholu winylowego) o różnym ciężarze cząsteczkowym pomimo nienajlepszych wyników wytrzymałości i małej gęstości w stanie surowym może prowadzić do uzyskania kształtek o relatywnie korzystnych gęstościach po spiekaniu. Najmniejsze gęstości względne otrzymano dla spieków uzyskanych z PVAL o ciężarze cząsteczkowym 31 000. Większa ilość spoiwa w kształtkach przełożyła się na korzystniejsze wyniki gęstości względnej kształtek. W tym wypadku najkorzystniejsze wyniki miały spieki uzyskane z PVAL o ciężarze cząsteczkowym 88 000 (rys. 10). Kolejnym badaniem było określenie wytrzymałości spieczonych dysków na zginanie metodą pierścieńczasza. Wyniki przedstawiono na rysunku 11. Widać wyraźnie, że na wartości wytrzymałości mechanicznej wpływ ma zarówno ilość zastosowanego PVAL, jak i jego ciężar cząsteczkowy. Im większy ciężar cząsteczkowy spoiwa i większa jego ilość, tym większa wytrzymałość mechaniczna spieków. Podobne zależności otrzymano w przypadku dwuparametrowego modułu Weibulla spieków. Wielkość ta została obliczona z wytrzymałości mechanicznej na zginanie, mimo że nie istnieje zależność pomiędzy obydwoma parametrami. Uzyskane wyniki obliczono z 25 pomiarów z każdej serii (rys. 12) Rys. 9. Wpływ ciężaru cząsteczkowego poli(alkoholu winylowego) oraz jego ilości na wytrzymałość na rozciąganie wyprasek Rys. 11. Wpływ ciężaru cząsteczkowego poli(alkoholu winylowego) oraz jego ilości na wytrzymałość na zginanie kształtek po spiekaniu Rys. 10. Wpływ ciężaru cząsteczkowego poli(alkoholu winylowego) oraz jego ilości na gęstość względną kształtek po spiekaniu Rys. 12. Wpływ ciężaru cząsteczkowego poli(alkoholu winylowego) oraz jego ilości na moduł Weibulla kształtek po spiekaniu 30 Szkło i Ceramika

Rys. 13. Obrazy SEM przełomów wypraski z 0,5% wag. spoiwa PVAL-2 (a) i spieku (b). Powiększenia 10 000 Wartości modułu Weibulla przy 0,5% wag. udziale PVAL zawierają się w przedziale 5,3 6,6, zaś czterokrotne zwiększenie jego ilości w kształtkach powoduje dostrzegalny wzrost tego parametru, lecz nie na tyle wysoki (7,2< m <8,9), by mówić o dobrej reprezentatywności otrzymanych spieków. Tak małe wartości w dolnej granicy występowania modułu Weibulla (dla ceramiki wynosi on 5< m <30) świadczą o dużym stężeniu nieregularnych i dużych defektów rozmieszczonych nieregularnie w materiale. Występowanie dużych defektów wpływa na małą wartość modułu Weibulla i powoduje powstawanie naprężeń krytycznych prowadzących do pękania materiału pod niewielkimi siłami niszczącymi. Mikrostrukturę kształtek obserwowano w elektronowym mikroskopie skaningowym. Przykładowe obrazy wypraski i spieku pokazano na rysunku 13. Na podstawie zdjęć widać stosunkowo niejednorodną strukturę przełomów kształtek. W przypadku surowej wypraski (rys. 13 a) widać miejscowe aglomeraty proszku otoczone przez mniejsze ziarna, mikropory i defekty mikrostruktury. Mała ilość polimeru i tym samym powstałe problemy z jego równomiernym rozprowadzeniem przy jednocześnie wysokiej T g PVAL, wpłynęły na taki charakter wyprasek. Z kolei w spieku (13 b) widoczne są znaczne, nieregularnie występujące defekty mikrostruktury o dużych rozmiarach. Zdefektowanie mikrostruktury kształtek wpłynęło niekorzystnie na otrzymane parametry tworzywa uzyskanego z Al 2 O 3 Martoxid. Podsumowanie Przeprowadzono badania nad zastosowaniem poli(alkoholu winylowego) o różnym ciężarze cząsteczkowym na parametry granulatów, wyprasek i spieków otrzymanych z Al 2 O 3 Martoxid metodą prasowania jednostronnego. Wykazano, że zastosowanie dodatku PVAL w ilości 0,5% wag. jest niewystarczające i w celu poprawy wszystkich właściwości należy stosować dodatek 2% wag. Ponadto najkorzystniejsze wyniki: zdolności do zagęszczenia granulatów, gęstości i wytrzymałości na rozciąganie surowych kształtek oraz wytrzymałości mechanicznej i modułu Weibulla spieczonych dysków uzyskano przy udziale 2% wag. PVAL-3 o najwyższym ciężarze cząsteczkowym. Z otrzymanych wyników można wysnuć wnioski, że zastosowany PVAL nie jest odpowiednim spoiwem dla proszku Al 2 O 3 Martoxid. Porównując otrzymane dane do tych uzyskanych z udziałem innych typowych spoiw wodorozpuszczalnych stosowanych w procesach formowania tworzyw ceramicznych, tj. metyloceluloza czy glikol poli(oksyetylenowy) można stwierdzić, że rezultaty są zbliżone [12]. Stąd istnieje konieczność prowadzenia prac nad zastosowaniem wodorozcieńczalnych dyspersji polimerowych w procesie prasowania. Praca naukowa finansowana ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na naukę w latach 2005 2008 jako projekt badawczy 3T09B 022 29 oraz przez Politechnikę Warszawską. Literatura [1] N. Hodgkinson, M. Taylor, Materials World, vol. 8, pp. 24 25, 2000 [2] Cons. Fur Electroch. Ind. GmbH, DRP 450 286 (20.7.1924) [3] H. Staudinger, K. Frey, W. Starck, Ber Dtsch. Chem. Ges. 60, 1782 1927 [4] Y. Sakaguchi, Z. Sawada, M. Koizumi, K. Tamaki, Kobunschi Kagaku 23, 890 1966 [5] K. Noro, Br. Polym. J. 2, 128 1970 [6] Moviol Polyvinyl Alcohol, Hoechst, Frankfurt 1991 [7] M. Olejnik, Badania nad zastosowaniem nowej generacji emulsyjnych kopolimerów octanu winylu w technologii ceramiki, Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999. [8] I. Sakurada, Y. Nukushina, Y. Sone, Kobunschi Kagaku 12, 506 1955 [9] A. Dunn, Chem and Ind. 801 (1980) [10] P. Wiśniewski, M. Szafran, Prasowanie proszków ceramicznych, Szkło i Ceramika 5,, pp. 37 41 2006. [11] E. Cuber, Zastosowanie metody odlewania z gęstwy do otrzymywania folii ferrytowej, Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1978. [12] P. Wiśniewski, M. Kopczyński, Zastosowanie metylocelulozy i glikolu poli(oksyetylenowego) w procesie prasowania tlenku glinu, Szkło i Ceramika 2, pp. 16 22, 2007 Szkło i Ceramika 31