KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 JACEK JACKOWSKI *, MAGDALENA SUCHORA PAWEŁ SZYMAŃSKI RUCH CZĄSTEK FAZY ZBROJĄCEJ W ZEMULGOWANYCH KROPLACH ZAWIESINY KOMPOZYTOWEJ W artykule przedstawiono mechanizm i warunki skutecznego procesu recyklingu (przez rozdzielanie składników) zawiesiny kompozytowej uzyskanej z roztopienia materiału kompozytowego. Rozdzielanie składników zawiesiny kompozytowej uzyskanej z roztopienia np. złomu kompozytowego wymaga stosowania specjalnie dobranych ośrodków, którymi są roztopione mieszanki soli. Samorzutne przechodzenie cząstek fazy zbrojącej z osnowy do ośrodka może nastąpić tylko w okolicznościach kontaktu cząstek z powierzchnią międzyfazową osnowa ośrodek. Aby to nastąpiło i proces recyklingu był efektywny, układ recyklingowy (zawiesina kompozytowa + ciekły ośrodek) musi być w pierwszej kolejności zemulgowany. Drugim warunkiem jest intensywne mieszanie wytworzonej emulsji. Chodzi o wykorzystanie sił bezwładności przyspieszających transport cząstek fazy zbrojącej wewnątrz kropli zawiesiny do granicy międzyfazowej z ośrodkiem. Zakończeniem procesu jest całkowite przejście cząstek fazy zbrojącej w stan zawiesiny w ośrodku. Słowa kluczowe: kompozyty zawiesinowe, recykling, emulgowanie 1. WPROWADZENIE Szczególnym przypadkiem recyklingu złomu z zawiesinowych materiałów kompozytowych jest rozdzielanie składników, czyli proces odwrotny w stosunku do procesu, w wyniku którego powstały te materiały [2, 13]. Pierwszym, podstawowym warunkiem rozdzielenia składników zawiesinowego materiału kompozytowego jest użycie odpowiedniego ośrodka mającego zdolność przejmowania cząstek fazy zbrojącej z zawiesiny roztopionego złomu kompozytowego [4, 13]. Oznacza to, że ośrodek ten powinien mieć takie właściwości, które we współistnieniu z właściwościami składników zawiesiny kompozytowej umożli- * Dr hab. inż. Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej. Mgr inż. Przedstawiony tekst powstał w wyniku prac związanych z realizacją zadania badawczego II.5.6, wchodzącego w skład PBZ-KBN-114/T08/2004.
74 J. Jackowski, M. Suchora, P. Szymański wią samorzutne przechodzenie cząstek fazy zbrojącej ze stanu zawiesiny w ciekłej osnowie do stanu zawiesiny w ciekłym ośrodku [3, 6]. Funkcję takich ośrodków pełnią roztopione mieszaniny soli [5, 10, 12]. Ponieważ gęstość zawiesiny kompozytowej jest większa od gęstości ciekłego ośrodka, prowadzenie procesu recyklingu w warunkach statycznych jest niemożliwe, gdyż cząstki fazy zbrojącej nieustannie się oddalają (sedymentacja) od granicy międzyfazowej osnowa ośrodek. Z tych uwag wynika, że drugim podstawowym czynnikiem warunkującym skuteczność recyklingu jest mieszanie układu recyklingowego. Wytworzenie emulsji kropli zawiesiny kompozytowej w ciekłym ośrodku przeciwdziała rozdzielaniu warstw tworzących układ recyklingowy, a także wydatnie zwiększa powierzchnię międzyfazową (krople zawiesiny ośrodek), przez którą odbywa się transport cząstek fazy zbrojącej z osnowy kompozytowej do ośrodka. Trwałe przejście pojedynczej cząstki fazy zbrojącej ze stanu zawiesiny w osnowie do ośrodka musi być poprzedzone pokonaniem przez nią drogi dzielącej ją (w dowolnym miejscu w kropli zawiesiny) od granicy międzyfazowej z ośrodkiem. Dlatego analiza ruchu cząstek fazy zbrojącej w kroplach recyklowanej zawiesiny kompozytowej, będąca celem niniejszych rozważań, ma duże znaczenie dla praktyki. 2. EMULGOWANIE ZAWIESINY KOMPOZYTOWEJ W OŚRODKU Proces recyklingu zawiesiny kompozytowej, polegający na rozdzieleniu jej składników, wymaga użycia mieszalnika. Ciekły układ recyklingowy (stopiony złom kompozytowy oraz ciekły ośrodek) ulega zemulgowaniu. Każda emulsja ma tzw. fazę zewnętrzną i wewnętrzną [1]. Ta pierwsza ma charakter fazy ciągłej, a druga rozproszonej. Z geometrii najciaśniej upakowanych kulistych kropli wynika, że faza wewnętrzna może stanowić maksymalnie 74,1% objętości całkowitej układu [9]. Ponieważ krople zawiesiny lub cieczy nie są bryłami sztywnymi, podany udział objętości emulgowanych faz należy traktować jedynie jako orientacyjny, gdyż w realnym układzie recyklingowym może być on wyższy. Należy także rozważyć skłonność elementów układu (zawiesiny kompozytowej i ciekłego ośrodka) do wzajemnego emulgowania. Praca kohezji podziału równych wielkością kropli zawiesiny kompozytowej w ośrodku i ośrodka w zawiesinie kompozytowej ma taką samą wartość, co pozwala sądzić, że w warunkach pracy mieszalnika wypełnionego np. równymi objętościami zawiesiny i stopionego ośrodka tworzyć się będą równocześnie dwie emulsje tych samych cieczy, co w schematycznym uproszczeniu przedstawiono na rys. 1. Natomiast o charakterze emulsji (faza zewnętrzna i wewnętrzna) decydować będą czynniki związane z właściwościami układu i udziałem składników emulsji. Mogą występować emulsje:
Ruch cząstek fazy zbrojącej w zemulgowanych kroplach 75 kropli ośrodka (faza wewnętrzna) w zawiesinie kompozytowej (faza zewnętrzna) oraz kropli zawiesiny kompozytowej (faza wewnętrzna) w ośrodku (faza zewnętrzna). Układ obu emulsji w jednym mieszalniku nie jest stabilny, gdyż krople cieczy tworzących w emulsjach fazę wewnętrzną (szczególnie ośrodka) mają dużą skłonność do koagulacji, a pracujące mieszadło ciągle ponownie je dysperguje. Rys. 1. Schematy równoczesnego tworzenia się emulsji: kropli ośrodka w zawiesinie kompozytowej i kropli zawiesiny kompozytowej w ośrodku Fig. 1. Diagrams of simultaneous generation of the emulsions of the medium drop in the composite suspension, and the suspension drop in the medium W obu schematach przedstawionych na rys. 1 cząstki fazy zbrojącej zachowują się w zróżnicowany sposób. Podczas tworzenia się emulsji ośrodka w zawiesinie kompozytowej cząstki fazy zbrojącej odgrywają bierną rolę. Ich kontakt z powierzchnią międzyfazową (osnowa ośrodek) jest skutkiem zderzeń z kroplami ośrodka, co sprawia, że w kroplach pojawiają się cząstki, a ich koncentracja wzrasta. Bardziej złożony jest drugi, równolegle trwający proces, w którym krople zawiesiny kompozytowej są w kontakcie z ośrodkiem. Warunkiem przejścia cząstek do ośrodka jest ich dotarcie do granicy międzyfazowej (kropli zawiesin z ośrodkiem).
76 J. Jackowski, M. Suchora, P. Szymański 3. RUCH CZĄSTKI FAZY ZBROJĄCEJ W KROPLI ZEMULGOWANEJ ZAWIESINY KOMPOZYTOWEJ Na każdą cząstkę fazy stałej znajdującej się w kropli zawiesiny kompozytowej tworzącej emulsję w ośrodku i zawieszonej w nim w bezruchu działa wypadkowa dwóch sił: ciężkości i wyporu. Wypadkowa ta ma znikomą wartość, skutkiem czego względny ruch cząstki wewnątrz kropli odbywa się z bardzo małą prędkością. Jak zaznaczono wcześniej, warunkiem pokonania przez cząstkę granicy międzyfazowej i przejścia jej do ośrodka jest jej kontakt z powierzchnią graniczną. Ruch cząstek w kropli zawiesiny można przyspieszyć przez wprowadzenie w ruch kropli zawiesiny, czyli mieszanie wytworzonej emulsji. Na rysunku 2 przedstawiono schemat rozkładu sił działających na cząstkę fazy stałej w kulistej kropli zawiesiny wirującej (bez rotacji) w ośrodku recyklingowym w odległości r od osi obrotu. Siła F powoduje przemieszczanie się cząstki wewnątrz kropli oraz ułatwia pokonanie bariery energetycznej na granicy międzyfazowej. Prędkość i kierunek ruchu cząstki w wirującej kropli można określić na podstawie zależności Stokesa [8] oraz sumy wektorów sił grawitacji G, wyporu W oraz bezwładności O [11]. Obliczenia takie Rys. 2. Schemat sił działających na cząstkę stałą w wirującej kropli zawiesiny Fig. 2. Scheme of the forces acting on a solid particle in the rotating suspension drop wykonano dla parametrów związanych z wybranym układem recyklingowym oraz zadanych parametrów konstrukcyjnych mieszalnika. Wybrany układ recyklingowy tworzyły cząstki SiC o średnicy ok. 20 μm w stopie o lepkości dynamicznej η = 3 10 3 kg/(m s) oraz ośrodek o gęstości 700 kg/m 3, mniejszej od gęstości zawiesiny kompozytowej [11]. Przyjęto, że promień trajektorii wirującej kropli zawiesiny w mieszalniku jest równy średnicy mieszadła. Tablica 1 Wyliczone parametry ruchu cząstek fazy stałej w kropli wirującej zawiesiny Specification of parameters of motion of the solid phase particles in the rotating suspension drop Liczba obrotów mieszadła [1/s] Przyspieszenie [m/s 2 ] Siła wypadkowa [N] Prędkość ruchu [mm/s] 0 9,81 0,287 10 10 0,051 5 22,04 0,646 10 10 0,114 10 79,56 2,332 10 10 0,412 15 177,92 5,216 10 10 0,982
Ruch cząstek fazy zbrojącej w zemulgowanych kroplach 77 W tablicy 1 dla różnej liczby obrotów mieszadła zestawiono wyliczone wartości: przyspieszeń działających na cząstkę zawieszonej fazy stałej, sił wypadkowych działających na cząstkę oraz prędkości ruchu cząstki w kropli zawiesiny. Z przedstawionych wyliczeń wynika, że mieszanie zemulgowanej zawiesiny kompozytowej w ośrodku radykalnie zwiększa siłę wypadkową działającą na cząstkę oraz prędkość ruchu cząstek fazy zbrojącej w kroplach recyklowanej zawiesiny. W przypadku użycia mieszalnika o liczbie 600 obr/min siła wypadkowa działająca na cząstkę oraz prędkość ruchu cząstek w kropli w odniesieniu do stanu określonego swobodną sedymentacją cząstek zwiększa się ponad ośmiokrotnie. Stan taki musi korzystnie wpływać na efektywność procesu recyklingu zawiesinowych materiałów kompozytowych. 4. PRZEBIEG I WYNIKI EKSPERYMENTÓW Celem podjętych doświadczeń była weryfikacja tezy, że intensywny ruch cząstek fazy zbrojącej w kroplach recyklowanej zawiesiny kompozytowej jest konieczny do szybkiego ich przeprowadzenia ze stanu zawiesiny w osnowie do stanu zawiesiny w ośrodku. Doświadczenia wykonano na stanowisku złożonym z laboratoryjnego pieca tyglowego firmy Nabertherm oraz przystawki pozwalającej na mieszanie roztopionego układu recyklingowego z zadaną intensywnością i przez zadany okres. Schemat i widok stanowiska przedstawiono na rys. 3. a) b) Rys. 3. Schemat działania (a) i widok (b) stanowiska do prób recyklingu zawiesinowych materiałów kompozytowych Fig. 3. Scheme of operation (a) and the view (b) of the test stand for recycling of composite suspension materials
78 J. Jackowski, M. Suchora, P. Szymański 1-1 a) b) 2-2 3-3 c) d) Rys. 4. Struktury zemulgowanych kropli zawiesiny kompozytowej: a) przekrój wzdłuż wysokości kropli; b, c, d) przekroje poprzeczne na poziomach podanych na fotografii a) Fig. 4. Structures of emulsified drops of composite suspension: a) cross section along the drop height; b, c, d) cross sections at the levels shown in the picture a) Próby wykonywano w małych (ok. 200 cm 3 ) jednorazowych tygielkach stalowych zabezpieczanych pokryciem z grafitu koloidalnego i umieszczanych wewnątrz fabrycznego tygla pieca. Układy recyklingowe składano z [7, 13]: kawałków gąski kompozytowej F3S20S firmy Duralcan (stop osnowy AlSi9Mg + cząstki 20 μm SiC 20% obj.) oraz
Ruch cząstek fazy zbrojącej w zemulgowanych kroplach 79 mieszaniny soli o nazwie Pokal i udziałach wagowych: 46% NaCl, 45% KCl, 5% NaF, 3% CaF 2 i 1% 3NaF AlF 3. Każda z prób recyklingu polegała na: roztopieniu przygotowanej mieszanki soli ośrodka i podgrzaniu jej do temperatury 750 C, wprowadzeniu do ciekłego ośrodka i roztopieniu w nim porcji materiału kompozytowego, doprowadzeniu układu do temperatury ok. 750 C, ręcznym lub mechanicznym mieszaniu zawartości tygielka z zadaną intensywnością przez zadany okres, zakończeniu mieszania, wyłączeniu pieca i ostudzeniu zawartości tygielka, wyjęciu tygielka z pieca i ostrożnym odmyciu (rozpuszczeniu) zakrzepniętego w nim żużla, ocenie stanu i struktury materiału metalowego pozostałego na dnie tygielka. Obserwacje potwierdziły, że mieszanie układu recyklingowego powoduje emulgację zawiesiny kompozytowej w ośrodku. Stwierdzono, że zemulgowanie zawiesiny nie jest znakiem jej skutecznego recyklingu (rozdzielania składników). Na rysunku 4 przedstawiono fotografie mikrostruktur zaobserwowanych na zgładach zakrzepłych kropli zawiesiny kompozytowej, które powstały na skutek 5-minutowego, ręcznego mieszania układu recyklingowego. Zemulgowane krople pozostały zawiesiną kompozytową z wyraźnymi oznakami sedymentacji i zdefektowaną mikrostrukturą, spowodowaną aglomerowaniem cząstek fazy zbrojącej w przestrzeniach międzydendrytycznych kryształów α. Rys. 5. Cząstki fazy stałej na powierzchni międzyfazowej (osnowa ośrodek) stabilizujące emulsję Fig. 5. Solid phase particles stabilizing the emulsion at the matrix-medium interface surface
80 J. Jackowski, M. Suchora, P. Szymański Doświadczenia wykazały, że obecność nieskoagulowanych kropli na dnie mieszalnika dowodzi nieskuteczności procesu. Zastosowane mieszanie okazało się wystarczające jedynie do zemulgowania kropli. Liczne cząstki fazy zbrojącej na granicy ciekłej osnowy z ośrodkiem, ukazane na fotografiach rys. 5, wskazują na rolę cząstek fazy stałej jako stabilizatorów kropel emulsji [1]. Intensywne mieszanie układu recyklingowego mieszadłem mechanicznym radykalnie zmienia końcowy obraz układu. Na rysunku 6a przedstawiono fotografię przekroju zakrzepniętej zawartości tygielka z wyraźnie widoczną, dużą kroplą osnowy kompozytowej oraz równie widoczną i częściowo wysedymentowaną zawiesiną cząstek zbrojenia w ośrodku. Biała warstwa ponad warstwą szarą to część ośrodka pozbawiona cząstek zbrojących na skutek sedymentacji. Poniżej znajduje się szara, zakrzepła część zawiesiny cząstek SiC w ośrodku. a) b) Rys. 6. Zakrzepnięty układ po procesie recyklingu (a) oraz mikrostruktura odzyskanej osnowy kompozytowej (b) Fig. 6. Solidified system after the recycling process (a) and the microstructure of the recovered composite matrix (b) Rysunek 6b to fotografia mikrostruktury metalu osnowy na zgładzie metalograficznym przeciętej kropli z dna tygielka. Brak cząstek zbrojących na zgładzie oraz wyraźna ich obecność w zakrzepniętej warstwie zawiesiny w ośrodku niezbicie dowodzą skuteczności procesu recyklingu wyjściowego materiału kompozytowego. W trakcie prób zakończonych skutecznym recyklingiem próbki materiału kompozytowego zauważono, że podczas mieszania układu recyklingowego zmienia się obraz ciekłego ośrodka. Początkowo jest on przejrzysty i ma kolor czerwony (700 750 C). W trakcie mechanicznego mieszania traci przejrzystość, a jego kolor ciemnieje, co wskazuje na przechodzenie do niego szarych cząstek SiC z metalu osnowy.
Ruch cząstek fazy zbrojącej w zemulgowanych kroplach 81 5. WNIOSKI Wykonane doświadczenia potwierdziły postawioną tezę, że wymuszony ruch cząstek fazy zbrojącej wewnątrz zemulgowanych kropli recyklowanej zawiesiny kompozytowej jest czynnikiem wydatnie intensyfikującym proces recyklingu. Dowodami są obrazy makro- i mikrostruktury materiału uzyskanego z wyjściowych próbek zawiesinowego materiału kompozytowego poddanego próbom. Zakres przedstawionych badań nie pozwala na określenie warunków czasowych skutecznego procesu, ale zagadnienie to nie było podstawowym celem działań. Warunki te muszą być określone indywidualnie dla danego mieszalnika, a konstrukcja każdego z nich może być inna. Podsumowując, należy stwierdzić, że: 1. Skuteczny recykling zawiesinowych materiałów kompozytowych wymaga użycia pieca-mieszalnika pozwalającego na stopienie wsadu złożonego ze złomu kompozytowego oraz mieszaniny soli ośrodka, utrzymanie uzyskanego układu w zadanym zakresie temperatury oraz mieszanie go celem wytworzenia emulsji (zawiesiny kompozytowej i ośrodka). 2. Mieszanie zdyspergowanego układu powinno się odbywać z wymaganą intensywnością i trwać do określanego doświadczalnie momentu, w którym cząstki zbrojące materiału kompozytowego przejdą do ośrodka, tworząc w nim zawiesinę. 3. Znakiem skutecznego przebiegu recyklingu jest dostrzegalna zmiana barwy stopionego ośrodka oraz koagulacja kropel odzyskanej osnowy kompozytowej. LITERATURA [1] Adamson A.W., Chemia fizyczna powierzchni, Warszawa, PWN 1963. [2] Clyne T.W., Withers P.J., An Introduction to Metal Matrix Composites, Cambridge, Cambridge University Press 1993. [3] Jackowski J., Rola napięć międzyfazowych w recyklingu metalowych tworzyw kompozytowych z nasycanym zbrojeniem, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2006, vol. 26, nr 1, s. 39 46. [4] Jackowski J., Szymański P., Recykling drobnych odpadów metalowych materiałów kompozytowych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2007, vol. 27, nr 1, s. 57 64. [5] Jackowski J., Szweycer M., Szymański P., Ocena właściwości powierzchniowych ciekłych metali i stopów w ośrodkach ciekłych, Kompozyty (Composites), 2006, nr 2, s. 60 64. [6] Jackowski J., Nagolska D., Szymański P., Szweycer M., Warunki recyklingu rozdrobnionych kompozytów metalowych, zbrojonych dyspersyjnie i z nasycanym zbrojeniem, w: Innowacje w odlewnictwie, cz. 1, Kraków 2007, s. 259 266. [7] Jackowski J., Nagolska D., Suchora M., Szweycer M., Szymański P., Recycling of composite scrap, Archives of Foundry, przyjęty do druku. [8] Lewandowski J.L., Wertz Z., Badanie materiałów formierskich, Warszawa, WNT 1967. [9] Maślankiewicz K., Szymański A., Mineralogia stosowana, Warszawa, Wydawnictwo Geologiczne 1976.
82 J. Jackowski, M. Suchora, P. Szymański [10] Nagolska D., Szweycer M., Dobór ośrodka do recyklingu odlewów z metalowych kompozytów nasycanych, Kompozyty (Composites), 2003, nr 6, s. 101 105. [11] Określenie warunków recyklingu odlewów o odpadów kompozytowych, opracowanie wykonane w ramach zadania II.5.6 PBZ-KBN-114/T08/2004 (niepublikowane). [12] Schuster D.M., Skibo M.D., Bruski R.S., Provencher R., Riverin G., The Recycling and Reclamation of Metal-Matrix Composites, JOM, May 1993, s. 26 30. [13] Szweycer M. i in., Recykling odlewów z kompozytów metalowych zawiesinowych i z nasycanym zbrojeniem, sprawozdanie z projektu badawczego 3T08B 022 26, Poznań 2006 (niepublikowane). Praca wpłynęła do Redakcji 7.03.2008 Recenzent: dr hab. inż. Janusz Grabian MOTION OF REINFORCING PHASE PARTICLES IN EMULSIFIED DROPS OF COMPOSITE SUSPENSION S u m m a r y Separation of the components of a composite suspension obtained in result of the melted composite scrap requires the use of specially selected media, i.e. melted salt mixtures. The reinforcing phase particles may spontaneously pass from the matrix to the medium only provided that they are in contact with the matrix-medium interface surface. In order to ensure such a passage and proper effectiveness of the recycling process the recycling system (the composite suspension + liquid medium) must be, first of all, emulsified. The second condition includes intensive mixing of the obtained emulsion. It is the matter of the use of the inertial force accelerating transportation of the reinforcing phase particles inside the suspension drop up to the medium interface boundary. The process is terminated by entire passage of the reinforcing phase particles to the suspension in the medium. Key words: suspension composites, recycling, emulsification