Пластическое формование корундовых заготовок на основе гидроорганических связующих

О.В. Сергеева, В.Г. Леонов
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Новомосковский институт,
г. Новомосковск


Пластическое формование является одним из основных методов оформления изделий в производстве разнообразных видов керамики. Однако при его использовании наряду с высокой пластичностью заготовок необходимо сохранение формовочных свойств массы. Это достигается подбором связующих материалов и пластифицирующих добавок.

В качестве связок использовали гидроорганические вещества на примере латекса марки «DRC» на основе натурального каучука. Данное связующее обычно используют при изготовлении пресс-порошков (сухое прессование) и в производстве суспензий (шликерное литьё) [1]. Его применение в технологии пластического формования пока мало изучено, поэтому проведение исследований в данной области являлось актуальной задачей. Содержание каучука в дисперсной среде варьировали от 5 до 8 % масс (табл.1). При большем содержании полимера получить однородную массу не удалось, что вероятно связано со значительным увеличением вязкости. Кроме того, повышенное содержание латекса затрудняет удаление связки из сформованных заготовок в процессе сушки и обжига. Известно [2], что наряду с введением полимерных добавок для улучшения формовочных свойств дополнительно в состав связки вводят глицерин. Поэтому было изучено его влияние на структурно-механические свойства масс, содержащих гидроорганические связки. Для сравнения реологических и технологических свойств в качестве связующих были выбраны 5 %-ый раствор карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и 1,5 %-ый раствор тилозы, используемые в технологии пластического формования. В качестве дисперсной среды использовали корундовый порошок ВК-94-1 с удельной поверхностью 5500±500 см2/г.

Таблица 1

Составы органических связок

Содержание компонентов в связке, % масс.

Латекс «DRC»

Тилоза

КМЦ

Глицерин

1

5

-

-

-

2

8

-

-

-

3

5

-

-

5

4

5

-

-

10

5

-

1,5

-

-

6

-

2

-

-

7

-

1,5

-

5

8

-

-

5

-

9

-

-

5

5

10

-

-

5

10

Технологические свойства масс для пластического формования в значительной степени характеризуются интервалом пластического состояния, т.е. разностью значений концентраций дисперсионной среды: предела текучести (Wт) и предела раскатывания (Wр). Эти показатели и оптимальное содержание дисперсионной среды (WФ) представлены в табл. 2.


Таблица 2

Интервалы пластического состояния исследуемых масс

Содержание связки, % масс.

WP

WФ

WT

DW

1

21,0

22,5

28,4

7,4

2

21,6

23,1

29,7

8,1

3

19,7

22,4

26,7

7,0

4

18,4

21,6

24,6

6,2

5

16,8

18,3

23,3

6,5

6

18,0

19,4

24,5

6,5

7

16,7

17,8

20,8

4,1

8

17,3

19,6

24,3

7,0

9

16,7

18,1

22,4

5,7

10

15,3

17,8

20,7

5,4

Использование тилозы позволяет получать пластичные массы при более низких концентрациях по сравнению с растворами КМЦ. Так для получения пластичной массы достаточно использования 1,5 %-го раствора тилозы, в интервале концентраций 16,8–22,3 %масс. С увеличением содержания полимера в растворе до 2 % интервал пластического состояния остается практически постоянным, хотя достижение Wp и WT при этом требует большего количества дисперсионной среды. Дополнительное введение глицерина в состав связки, вместо воды, способствует снижению общего содержания дисперсионной среды. Однако следует отметить, что интервал пластического состояния также снижается с 6,5 до 4,1 %.

Массы, содержащие КМЦ, ведут себя аналогично составам с тилозой. Однако для образования дисперсий с удовлетворительными свойствами требуется меньше содержания дисперсионной среды. При введении глицерина от 5 до 10 % общее количество ВТС снижается, хотя интервал пластического состояния также становится уже и составляет примерно 5,4–5,7 %масс. По классификации Ничипоренко массы на основе КМЦ и тилозы могут быть отнесены к малопластичным. Вероятно, некоторое отличие в поведении дисперсий на основе тилозы, по сравнению с дисперсиями на КМЦ, обусловлено значительно большей молекулярной массой и особенностью взаимодействия макромолекул с водой, поверхностью твердой фазы.

Для масс на каучуковой связке («DRC») характерен наибольший интервал пластического состояния (7,4–8,1 %масс). С увеличением концентрации латекса этот интервал увеличивается при одновременном незначительном повышении общего содержания ВТС. При введении глицерина общее содержание связки снижается до 18,4. Однако следует отметить, что интервал пластического состояния также снижается с 7,4 –8,1 до 7,0 – 6,2 % масс.

Помимо интервала пластического состояния важное значение имеет характер развития деформации при нагружении. Основные показатели структурно-механических свойств представлены в табл. 3.

Таблица 3

Деформационные свойства исследуемых масс

(содержание ВТС – 20% масс.)

h·108,

Па·с

Рк, кПа

G1,

МПа

G2,

МПа

l

Пл

10-6

q,

с-1

1

0,34

0,25

0,033

0,023

0,49

7,35

170

2

0,44

0,20

0,036

0,024

0,60

4,61

314

3

0,26

0,21

0,029

0,019

0,38

8,10

96

4

0,22

0,21

0,021

0,084

0,20

9,54

130

5

0,70

0,61

0,100

0,074

0,57

6,08

163

6

1,40

0,92

0,130

0,086

0,60

6,06

269

7

0,63

0,42

0,060

0,080

0,38

6,64

157

8

0,13

0,06

0,213

0,257

0,45

4,61

164

9

0,11

0,05

0,14

0,212

0,40

4,95

133

10

0,08

0,05

0,144

0,255

0,22

5,64

105

Для всех масс прослеживается закономерное уменьшение пластичности по Воларовичу (Пл) и уменьшение времени релаксации (q) с увеличением концентрации полимера в связке. Вязкость (h) системы при этом возрастает, а предельное напряжение сдвига (Рк) снижается за счет образования более развитых прослоек полимера между частицами твердой фазы. Для таких масс возрастают эластичность (l) и модули упругой и эластической деформации.

Соотношение деформаций на диаграмме С.П.Ничипоренко изменяется в направлении увеличения доли обратимых деформаций по сравнению с деформациями пластического течения (рис.). Введение глицерина в качестве пластификатора значительно снижает вязкость дисперсий, предельное напряжение сдвига (Рк), эластичность (l) и модуль обратимых деформаций за счет увеличения доли пластических деформаций. При этом повышается пластичность и, незначительно, модуль эластичности. Следует отметить, что содержание глицерина не должно превышать 10 % масс в связке, так как при большем его количестве массы имели низкий предел текучести, что приводило к деформации заготовок после формования и не позволило получить изделия точных размеров.

Согласно классификации С.П. Ничипоренко массы на основе КМЦ и тилозы относятся к 4 и 5-му структурно-механическому типу. Они хорошо формуются, но склонны к деформации. В отличие от вышеуказанных масс дисперсии на основе латекса принадлежат к 3-му типу, который характеризуется большим развитием упругих деформаций и малыми значениями времени релаксации. При их формовании возможно их хрупкое разрушение. В этой связи можно рекомендовать введение в состав масс на основе 5 % раствора «DRC» до 5 % глицерина, при сохранении достаточной пластической прочности (Pm).

Развитие деформаций в пластичных керамических массах

Согласно классификации С.П. Ничипоренко массы на основе КМЦ и тилозы относятся к 4 и 5-му структурно-механическому типу. Они хорошо формуются, но склонны к деформации. В отличие от вышеуказанных масс дисперсии на основе латекса принадлежат к 3-му типу, который характеризуется большим развитием упругих деформаций и малыми значениями времени релаксации. При их формовании возможно их хрупкое разрушение. В этой связи можно рекомендовать введение в состав масс на основе 5 % раствора «DRC» до 5 % глицерина, при сохранении достаточной пластической прочности (Pm).

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Массы на основе гидроорганических связок могут быть отнесены к малопластичным с интервалом пластического состояния 5,5-7 % масс.

2. Введение глицерина в качестве пластификатора снижает вязкость дисперсий и эластичность. При чём содержание глицерина в связке не должно превышать 10 %, т.к. его большее количество приводит к деформации заготовок после выдавливания и не позволяет получить изделия точных размеров.

3. Для достижения более высоких показателей свойств, формование следует проводить в области концентраций между пределом раскатывания (WP) и оптимальной формовочной влажностью (Wф).

Список литературы

1. Николаев А.Ф. Водорастворимые полимеры / А.Ф. Николаев, Г.Н. Охрименко. – Л.: Химия, 1979. – 280 с.

2. Анциферов А.А. Водорастворимые связующие вещества в технологии порошковых ферритовых материалов / А.А. Анциферов, А.В. Гончар, В.Г. Андреев [и др.]. – Пермский гос. техн. ун-т. Пермь, 1996. – 189 с. 


Назад к списку