KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 JACEK JACKOWSKI *, PAWEŁ SZYMAŃSKI ** RECYKLING DROBNYCH ODPADÓW METALOWYCH MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH Celem recyklingu jest m.in. utylizacja odpadów produkcyjnych. Odpadem w technologii elementów kompozytowych są wióry, a o ich specyfice decydują zarówno postać (różny stopień rozdrobnienia), jak i struktura (materiał wielofazowy). Ich recykling wymaga dwóch procesów rozdzielenia faz i homogenizacji osnowy metalowej. Wykonane próby recyklingu wiórów kompozytowych z użyciem modelowego materiału kompozytowego (włókniste zbrojenie glinokrzemianowe i niskotopliwy stop Wooda) pozwoliły na pozytywną weryfikację wcześniej opracowanej zależności opisującej warunki rozdzielania składników zawiesin kompozytowych. Obserwacje przebiegu prób dostarczyły informacji wyjaśniających mechanizm recyklingu, a także wskazówek przydatnych do projektowania procesów recyklingu rozdrobnionych materiałów kompozytowych. Słowa kluczowe: materiały kompozytowe, recykling 1. WPROWADZENIE Jeden ze sposobów recyklingu metalowych odlewanych materiałów kompozytowych polega na rozdzieleniu składników materiału kompozytowego [7]. Dotychczasowe doświadczenia wykazały, że jest to możliwe, ale w specjalnie dobranym ośrodku ciekłym [5, 7]. Wyniki obliczeń zmian energii powierzchniowej dowodzą istotnej roli napięć międzyfazowych występujących w układach związanych z procesami recyklingu [3]. Analiza wykazała, że warunkiem skutecznego recyklingu materiałów kompozytowych złożonych z metalowej osnowy oraz ceramicznej fazy zbrojącej, połączonych metodami odlewniczymi, jest zachowanie nierówności: ω cos θ ω cosθ + ω < 0, (1) M G Z M G O G Z O G M O * Dr hab. inż. ** Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej. Mgr inż. Przedstawione badania zostały wykonane w ramach zadania badawczego II.5.6. wchodzącego w skład PBZ-KBN-114/T08/2004.
58 J. Jackowski, P. Szymański w której: ω energia powierzchniowa na granicach faz: M G ciekły metal osnowy gaz; O G ciekły ośrodek gaz; M O ciekły metal osnowy ciekły ośrodek; θ wartości kątów zwilżania: Z M/G materiału zbrojenia przez ciekły metal osnowy w atmosferze gazu; Z O/G materiału zbrojenia przez ciekły ośrodek w atmosferze gazu. Cechą charakterystyczną przedstawionej zależności jest to, że o procesie można wnioskować na podstawie znajomości właściwości powierzchniowych komponentów, z których złożony jest materiał kompozytowy poddany recyklingowi, oraz użytego ośrodka [3, 6]. Przedstawiona zależność została wstępnie zweryfikowana z wykorzystaniem mediów modelowych, przy czym w charakterze cieczy modelowych zostały użyte woda oraz ciecze organiczne: benzen, heksan i kwas oleinowy [3]. W kolejnym kroku postanowiono wykonać badania weryfikacyjne z użyciem modelowego metalowego materiału kompozytowego w postaci drobnych wiórów. Wybór taki pozwalał na osiągnięcie dwóch celów: weryfikacji zależności (1) oraz ocenę zachowania się drobnych odpadów materiału kompozytowego w warunkach recyklingu. 2. PRZEBIEG EKSPERYMENTÓW Do badań użyto wiórów z obróbki odlewów kompozytowych otrzymanych w wyniku nasycania stopem niskotopliwym Wooda kształtek zbrojenia wykonanego z krótkich włókien glinokrzemianowych [1, 2]. Wióry uzyskane z obróbki mechanicznej odlewów kompozytowych przesiano przez zestaw sit, a do badań użyto frakcji o zróżnicowanej ziarnistości. W charakterze ośrodków użyto wody oraz wodnego roztworu środka powierzchniowo czynnego. W tablicy 1 zestawiono wartości parametrów charakteryzujących badane układy oraz konieczne do wyliczenia zależności (1). Podane wartości uzyskano w wyniku badań własnych, przy czym w przypadku stopu Wooda wykonano je metodą leżącej kropli stałej [4]. Wyliczone wartości wyrażenia (1) dla układów recyklingowych wynosiły: gdy ośrodkiem była woda, oraz 339 cos132 72 cos30 + 260 = 30 < 0, (2) 339 cos132 30cos0 + 238 = 19 < 0 (3) w ośrodku będącym wodnym roztworem środka powierzchniowo czynnego.
Recykling drobnych odpadów metalowych 59 Wartości parametrów charakteryzujących badane układy recyklingowe Values of the parameters characterizing the considered recycling systems Właściwość Wartość Miara Napięcie powierzchniowe stopu Wooda w powietrzu 339 mn/m Napięcie powierzchniowe stopu Wooda w wodzie 260 mn/m Napięcie powierzchniowe stopu Wooda w roztworze detergentu 238 mn/m Napięcie powierzchniowe wody 72 mn/m Napięcie powierzchniowe wodnego roztworu detergentu 30 mn/m Kąt zwilżania glinokrzemianu stopem Wooda w powietrzu 132 [ ] Kąt zwilżania glinokrzemianu wodą w powietrzu 30 [ ] Kąt zwilżania glinokrzemianu roztworem detergentu w powietrzu 0 [ ] Tablica 1 Oznacza to, że w każdym z badanych ośrodków (woda i wodny roztwór detergentu) nastąpi proces recyklingu, ale gdy ośrodkiem będzie woda, powinien być on intensywniejszy. Każda z prób recyklingu polegała na umieszczeniu naważki wiórów materiału kompozytowego w kolbie wypełnionej stałą objętością ośrodka (woda, roztwór detergentu) i utrzymaniu jej w temperaturze wrzenia przez zadany czas. Doświadczenia wykonano w dwóch wariantach: bez mieszania zawartości kolby oraz z mieszaniem. W pierwszym wariancie delikatne mieszanie osadu na dnie kolby wystąpiło na skutek wrzenia cieczy (wody, roztworu detergentu), w drugim było intensyfikowane poruszaniem kolbą. W tablicy 2 przedstawiono warunki wykonywania poszczególnych prób. Zestawienie warunków wykonanych prób Specification of the conditions of the performed trials Tablica 2 Lp. Ziarnistość wiórów Czas zabiegu Bez Rodzaj ośrodka [mm] [min] mieszania Z mieszaniem 1 5 X 2 0,4 0,8 woda 10 X 3 15 X 4 5 X X 5 woda 10 X X 6 15 X X 0,2 0,4 7 5 X X 8 woda z detergentem 10 X X 9 15 X X 10 5 X 11 0,1 0,2 woda 10 X 12 15 X 13 5 X 14 <0,1 woda 10 15 15 X X
60 J. Jackowski, P. Szymański Podczas każdej próby stwierdzono przechodzenie fazy zbrojącej (cząstek, włókien glinokrzemianowych) do ośrodka recyklingowego. Pierwszym sygnałem było mętnienie ośrodka, a następnie (na skutek gotowania ) przechodzenie do stanu ciemnoszarej, nieprzezroczystej zawiesiny. Po upływie zadanego czasu eksperymentu schładzano układ do temperatury otoczenia, a pozostałą w kolbie zawiesinę przemywano do uzyskania czystego metalowego osadu. 3. WYNIKI EKSPERYMENTÓW Na przedstawionych niżej fotografiach są widoczne rezultaty prób. Pokazano na nich zakrzepnięte metalowe krople osnowy uzyskane z przetworzonych wiórów. Na rysunku 1 są widoczne krople modelowej osnowy kompozytowej uzyskane kolejno: po 5-, 10- i 15-minutowym kontakcie wiórów z wrzącym ośrodkiem (wodą) bez dodatkowego mieszania zawartości naczynia. Przedstawione krople są wynikiem prób oznaczonych liczbą porządkową 1, 2, 3 w tablicy 2. Wymiary kropli powoli rosły, ale stan emulsji utrzymywał się przez cały czas trwania prób. a) b) c) Rys. 1. Obraz kropli osnowy kompozytowej uzyskanych z wiórów o ziarnistości 0,4 0,8 mm w ośrodku wody o temperaturze 100 C, bez mieszania, po upływie: a) 5 min, b) 10 min, c) 15 min Fig. 1. A picture of the matrix drops obtained from the chips of granularity 0.4 0.8 mm in the water of temperature 100ºC, and without mixing, after: a) 5 minutes, b) 10 minutes, c) 15 minutes Na rysunku 2 przedstawiono krople uzyskane bez mieszania i z mieszaniem w próbach oznaczonych numerami 4, 5, 6 w tablicy 2. Rezultatem mieszania układu recyklingowego było wyraźne łączenie się drobnych zemulgowanych kropli w nieliczne, ale duże krople. Na rysunku 3 pokazano krople uzyskane z wiórów kompozytowych o takiej samej ziarnistości jak użyte w doświadczeniach, których wyniki zobrazowano na rys. 2. Stosowano takie same czasy zabiegu (5, 10, 15 min z mieszaniem), ale w zmienionym ośrodku był nim wodny roztwór środka powierzchniowo czynnego o zbadanych wcześniej (tabl. 1) właściwościach. Mimo że już po upływie
Recykling drobnych odpadów metalowych 61 10 min krople wykazywały tendencję do łączenia się (rys. 3b), całkowite ich połączenie odbywało się mniej zdecydowanie niż w ośrodku wody (rys. 2e i 2f). a) b) c) d) e) e) Rys. 2. Obraz kropli osnowy kompozytowej uzyskanych z wiórów o ziarnistości 0,2 0,4 mm w ośrodku wody o temperaturze 100 C po upływie kolejno 5, 10 i 15 min; a, b, c) bez mieszania, d, e, f) z mieszaniem Fig. 2. A picture of the matrix drops obtained from the chips of granularity 0.2 0.4 mm in the water of temperature 100ºC after 5, 10, and 15, minutes without mixing a, b, c, respectively, and with mixing d, e, f, respectively a) b) c) Rys. 3. Obraz kropli osnowy kompozytowej uzyskanych z wiórów o ziarnistości 0,2 0,4 mm w ośrodku roztworu wodnego środka powierzchniowo czynnego o temperaturze 100 C po upływie: a) 5 min, b) 10 min, c) 15 min i z zastosowaniem mieszania Fig. 3. A picture of the matrix drops obtained from the chips of granularity 0.2 0.4 mm in the water solution of a surface-active agent of temperature 100ºC after: a) 5 minutes, b) 10 minutes, c) 15 minutes, and with mixing Sprawdzono bilans masy osnowy kompozytowej w każdej próbie. Stwierdzono, że straty metalu osnowy w przypadku grubszych wiórów (o ziarnistości większej niż 0,1 mm) nie przekraczały 3,5%. Natomiast w przypadku przesiewu
62 J. Jackowski, P. Szymański (wióry o ziarnistości mniejszej niż 0,1 mm) straty sięgały 50% i prawdopodobnie były spowodowane mniejszą czystością fizyczną tej frakcji. Wstępne obserwacje zgładów metalograficznych odzyskanego metalu osnowy kompozytowej wykazały, że krople nie zawierają wtrąceń fazy zbrojącej (rys. 4), co stanowi dowód skuteczności procesu i pozytywną weryfikację zależności (1). a) pow. 50 b) pow. 50 c) pow. 50 d) pow. 50 Rys. 4. Mikrostruktura: a) pierwotnego metalu osnowy, b) kompozytu, c) recyklowanych wiórów kompozytowych, d) kropli odzyskanego metalu osnowy kompozytowej Fig. 4. The microstructures: a) of a primary matrix metal, b) of composite, c) of recycled composite chips, d) the drops of the metal recovered from the composite matrix 4. WNIOSKI Wykonane doświadczenia wykazały, że skuteczny recykling drobnych odpadów materiałów kompozytowych jest możliwy. Obserwacje zachowania się kropli zawiesin kompozytowych uzyskanych w wyniku roztopienia wiórów wskazują, że w czasie recyklingu zachodzą dwa równoległe zjawiska:
Recykling drobnych odpadów metalowych 63 przechodzenie cząstek fazy zbrojącej z ciekłej osnowy kompozytowej do ciekłego ośrodka oraz łączenie się kropli osnowy metalowej o coraz mniejszym udziale fazy zbrojącej. Brak natychmiastowego łączenia się pojedynczych kropli zawiesiny kompozytowej (roztopionych wiórów) wskazuje na blokowanie tego zjawiska przez cząstki fazy stałej opuszczające zawiesinę. Mieszanie układu recyklingowego wyraźnie poprawia skuteczność procesu, co wskazuje na istotność ruchu cząstek zbrojenia względem osnowy w pojedynczych kroplach zawiesiny kompozytowej. Wykonane doświadczenia wskazują, że recykling drobnych odpadów kompozytowych (np. wiórów) w związku z wyjściowym rozdrobnieniem recyklowanego materiału powinien przebiegać sprawniej aniżeli grubszych postaci tegoż materiału (np. odlewów). Wniosek ten wymaga jednak dodatkowych badań weryfikacyjnych. LITERATURA [1] Grabian J., Nasycanie zbrojenia z ceramicznych włókien nieuporządkowanych podczas wytwarzania odlewów z kompozytów metalowych, Studia, zeszyt WSM w Szczecinie, 2001, nr 35. [2] Jackowski J., Porowatość odlewów kompozytowych wytwarzanych przez nasycanie zbrojenia metalem, Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2004. [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., Szweycer M., Szymański P., Ocena właściwości powierzchniowych ciekłych metali i stopów w ośrodkach ciekłych, Kompozyty (Composites), 2006, nr 2, s. 60 64. [5] Nagolska D., Recykling odlewów z metalowych kompozytów nasycanych, praca doktorska, Politechnika Poznańska, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania 2002 (niepublikowana). [6] Opracowanie zasad doboru warunków recyklingu rozdrobnionych kompozytów metalowych zbrojonych dyspersyjnie i z nasycanym zbrojeniem. Sprawozdanie roczne z zadania II.5.6. pt.: Określenie warunków recyklingu odlewów i odpadów kompozytowych w ramach PBZ- -KBN-114/T08/2004 (zgłoszone do druku). [7] Recykling odlewów z kompozytów metalowych zawiesinowych i z nasycanym zbrojeniem. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego nr 3 T08B 022 26, Poznań 2006 (niepublikowane). Praca wpłynęła do Redakcji 26.03.2007 Recenzent: prof. zw. dr hab. inż. dr h.c. Zbigniew Górny
64 J. Jackowski, P. Szymański RECYCLING OF FINE METALLIC WASTES OF COMPOSITE MATERIALS S u m m a r y Recycling is aimed, among others, at utilization of production wastes. From the point of view of composite elements technology the metal chips may be considered to be a waste product. Their specific characteristics depends on their form (various break-up degree) and structure (a multiphase material). Two processes are required for their recycling, i.e. phase separation and homogenization of the metal matrix. The recycling trials of composite chips with the use of a model composite material (fibrous aluminosilicate reinforcement and low-melting Wood alloy) enabled positive verification of previously formulated relationship determining the conditions of separation of the composite suspension components. Observation of the course of the performed trials provided information that explains the mechanism of the recycling process and some indications useful for purposes of the recycling process design of comminuted composite materials. Key words: composite materials, recycling