5. Kerámia porok feldolgozása Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék
[email protected] Iroda: H épület 1. emelet; Tel.: 463-3477
Vázlat
Mechanikai megmunkálás
Őrlés Keverés Osztályozás
Feldolgozás
Porok előkészítése Finom porok jellegzetességei Formázás
Szalagöntés Préselési, sajtolási technikák
Nyers testek szárítása 2
Porok őrlése
Őrlési mechanizmusok Térfogati őrlés
Felületi őrlés
3
Porok őrlése
Őrlőberendezések és alkalmazási területeik Típus
Elsődleges törés Másodlagos törés
Finomőrlés
Berendezés
Alkalmazás
Pofástörő
Ércek, ásványok
Kalapácsos törő
Mészkő, laza agglomerátumok
Hengeres törő
Ércek,mezőgazdasági termékek
Csapos törő
Ásványok, élelmiszerek
Forgómalom
Kerámiai anyagok szárazőrlése
Ang mill
Ásványok szárazőrlése
Vibrációs malom
Hőmérséklet és gázatmoszféra beállítása
Sugármalom
Finom porok eloszlatása
Kolloid malom
Porok finomőrlése folyadékban
4
Porok őrlése
Golyós malom
Henger
Száraz
Forgó henger belsejében őrlőgolyók (WC, acél, Zr2O, Al2O3 és SiO2)
Őrlődő térfogat ami minden forgáskor változik
Nem kell szárítás Nincs reakció a kerámia és a folyadék között Olcsóbb
Nedves
Az őrlésre váró zagy (nedves, száraz)
Alacsonyabb energia Nincs szállópor Gyorsabb Homogénebb Kisebb szemcseméret érhető el
Ellenálló belső felület
Gumiborítású hengerek
5
Porok őrlése Si szemcsék őrlése – szemcseméret eloszlás
Kumulatív tömeghányad (%)
8 óra 24 óra
48 óra 72 óra Kapott por
Ekvivalens gömbátmérő (µm) 6
Porok őrlése
Koptatásos őrlés
Kontrollált atmoszféra
Por Őrlőközeg
Belső szerkezet
Probléma: az őrlőközegből származó szennyeződések eltávolítása nehéz
7
Porok őrlése
Sugármalom
8
Porok őrlése
Egyéb őrlési technikák
Vibrációs őrlés (A por egy őrlőközeggel együtt egy tartályban helyezkedik el, melyet nagy frekvenciával ráznak, általában nedves körülmények között)
Kalapácsos őrlés
Hengeres törő-zúzó berendezés
9
Porok őrlése
Szárazőrlő berendezések összehasonlítása Talkum
10
Porok őrlése Az őrlési technikák összevetése az elérhető szemcseméret szempontjából Turbómalom Fajlagos felület (m2/g)
Bolygómalom
Vibrációs malom Golyós malom Őrlési idő (óra) 11
Porok őrlése
Az őrlési idő hatása (Al2O3, vízszintes tengelyű golyósmalom)
12
Porok keverése
Keverő berendezések
Fluidágyas keverés
*SZ
– szakaszos, F – folyamatos
13
Porok keverése
Szabályozott keveredés, társított részecskék
14
Társított részecskék típusai
Héjszerkezet és adalékanyag beépülése
15
Kerámia porok osztályozása
Centrifugális osztályozó
16
Feldolgozás
A korszerű műszaki kerámiák több, mint 90%-a mikroméretű, vagy annál kisebb porból készül Az első lépések
Az alak rögzítése, hőkezelés
A porok előkészítése Alakadás, formázás Szinterelés Hűtés Utókezelés
Minősítés
17
Porok előkésztése a formázáshoz
A formázási módszertől függ
Nedves formázási módszerek
Porok eloszlatása alkalmas folyadékban (kolloidok) Adalékanyagokra van szükség
Plasztifikáló-, stabilizálószerek kötő-és kenőanyagok …
Száraz porok sajtolása
Adalékanyagokra van szükség Plasztifikálószerek, kötő-és kenőanyagok … 18
Felületi adhéziós erők
A felületi és egyéb vonzóerők viszonya
100-1000 µm alatt a felületi erők válnak uralkodóvá
𝐸𝑣𝑑𝑊 = 𝐴 ∙ 𝐺 𝑑
A – Hamaker állandó* G(d) – távolságtól és geometriától függő tényező
* Az
részecskék között fellépő kölcsönhatások összessége, a részecskék közötti anyag figyelmen kívül hagyásával
19
Felületi adhéziós erők
Elektromos kettősréteg Diffúz kettősréteg
A szemcsék magukkal viszik az ionjaikat Negatív töltésű felület Stern réteg Csúszási felület
Távolság a részecske felületétől 20
Izoelektromos pont
Az a pH érték, ahol a zéta-potenciál = 0
Az anionos és kationos forma egyenlő arányban van jelen A leginstabilabb rendszer (növekvő zéta-potenciál = stabilizálódás) Anyag a-Al2O3
Izoelektromos pont (pH) 9-9,5
SiO2
3-4
ZnO
9
TiO2
4-5
CaCO3
9-10
PbO
10
MgO
12-13
ZrO2
4-5
SnO2
4-7 21
Részecskék közötti kölcsönhatás
22
Kolloid rendszerek stabilitása
Cél: a kolloid állapot tartós fenntartása
Stabilizálási módok:
Stabilizálás elektromos kettősréteggel
Elektrosztérikus stabilizálás
Felületi töltés szabályozása
23
Elektrosztérikus stabilizálás
Elektromos és térbeli stabilizálás együtt Lehetőségek
Töltött részecske + semleges polimer molekula Semleges részecske + töltött polimer molekula Töltött részecske + töltött polimer molekula
Poliakrilsav disszociációja
Elektrosztatikus
Sztérikus 24
Felületi töltésszabályozás
Nagy koncentrációjú kolloid rendszerek
Gyakorlatban az ionok felületi koncentrációja nem állandó
Részecskék közel vannak Nagy taszítóerők
A közeli részecskéken az ellenionok megkötődnek A felületi potenciál állandó marad
Felületi töltésszabályozást eredményez
25
Koagulálás
A legtöbb kolloid termikusan instabil Szuszpendált állapot feltétele
Ellenkező esetben
Felületi potenciál-határ >> kT
A kolloid részecskék összetapadnak (koagulálnak)
Stabilitási arány 𝑊=
𝑟é𝑠𝑧𝑒𝑐𝑠𝑘é𝑘 𝑘ö𝑧ö𝑡𝑡𝑖 ü𝑡𝑘ö𝑧é𝑠𝑒𝑘 𝑠𝑧á𝑚𝑎 𝑘𝑜𝑎𝑔𝑢𝑙á𝑐𝑖ó𝑘𝑜𝑧 𝑣𝑒𝑧𝑒𝑡ő ü𝑡𝑘ö𝑧é𝑠𝑒𝑘 𝑠𝑧á𝑚𝑎
26
Kolloid szuszpenziók reológiája
Általában nem Newtoni folyadékok
27
Szuszpenziók szerkezete és reológiája
28
A szuszpenziók viszkozitása A viszkozitást befolyásoló tényezők
A szuszpenzió szilárd anyag tartalma A szilárd anyag szemcseméret eloszlása A rendszer pH-ja Izoelektromos pont Relaítv viszkozitás
Szilárd szemcse térfogattörtje 29
Technológiai adalékanyagok
Diszpergáló-és deflokkuláló-szerek
Poláros molekulák Felületen adszorbeálódva növelik a felületi töltést
Kötőanyagok
Poláris, vagy disszociáló csoportok Taszító hatás, stabilizálódás
A nyers formatest megfelelő szilárdságának biztosítása Időleges kötőhatás Kolloid rendszereknél a kötőanyagok megváltoztatják a folyási jellemzőket
Plasztikusságot növelő adalékok Kenőanyagok 30
Diszpergáló szerek
Kémiai diszpergáló szerek – példák Kis molekulatömegű
Nagy molekulatömegű
Nátrium-borát
Poli-(akrilsav)
Nátrium-karbonát
Poli-(metakrilsav)
Nátrium-pirofoszfát
Ammónium-poliakrilát
Nátrium-szilikát
Nátrium-poliakrilát
Citromsav
Poli-(izobutén)
Ammónium-citrát
Nátrium-poliszulfonát
Nátrium-tartarát Nátrium-szukcinát 31
Kötőanyagok
Példák Kötőanyag
Vízoldhatóság
Viszkozitás változás
Poli-(vinilalkohol)
+
Kicsi-közepes
Poli-(akrilamid)
+
Jelentős
Poli-(etilénoxid)
+
Kicsi-közepes
Poli-(metakrilsav)
+
Közepes-jelentős
Metilcellulóz
+
Jelentős
Nátrium-karboximetilcellulóz
+
Kicsi-jelentős
Keményítő
+
Kicsi-közepes
Dextrinek
+
Nagyon jelentős
Nátrium-alginát
+
Jelentős
Poli-(metilmetakrilát)
-
Közepes-jelentős
Poliszilazán
-
Közepes-jelentős 32
Adalékcsomag - példa
Granulálási adalékanyag
Alkotó
Tartalom (%)
Funkció
Poli-(vinilalkohol)
83,1
Kötőanyag
Glicerin
8,3
Plasztifikálás
Etilén-glikol
4,1
Kenőanyag
Diszpergálószer
4,1
Diszpergálás
Nem-ionos nedvesítőszer
0,2
Diszpergálás
Habzásgátló
0,2
Habzásgátlás
33
Formázási eljárások
Lecsapolásos öntés (drained casting)
Folyékony és szilárd alkotók elválasztása Leggyakoribb módja a szalagöntés
Állandó térfogatú formázási eljárások
Gél-öntés Préselés (extrudálás) Fröccsöntés Sajtolás (CP, CIP, HP, HIP)
34
Lecsapolásos öntés
Fő lépések
a) A forma megtöltése nedves masszával b) A fal mellett a szerszám kiszívja a folyadékot c) A maradék massza kiöntése d) A termék eltávolítása
Szakaszos technológia A szerszám porózus anyagú 35
Lecsapolásos öntés
Gyakorlati példa
Szerszám
Termék
Gázturbina égetőcellája (Garrett Turbine Engine Company) 36
Szalagöntési alapanyag
Funkció Alappor Oldószer Diszpergálószer Kötőanyag Plasztifikálószer Egyéb adalék
Anyag Alumínium-oxid Triklór-etilén Halolaj Polivinil-butirál Poli-(etilénglikol)
Mennyiség (tf%) 27,0 58,0 1,8 4,4 4,8 1,0
37
Szalagöntés
Al2O3
38
Szalagöntés
Technológiai folyamatábra
39
Többrétegű kondenzátorok előállítása
40
Préselés
Sebességprofilok
41
Együtt préselés
Kompozitok készítése
a) Nyers keverék készítése b) Formázás c) Laminálás d) Együtt préselés e) Kész kompozit
42
Sajtolás Szemcsék tömörödése
Sűrűség (%TD*)
* %TD – az elméleti sűrűséghez viszonyított érték 43
Hideg izosztatikus sajtolás (CIP)
Egyenletes összenyomás minden irányból
a) Por betöltése b) Öntőforma behelyezése c) Hideg izosztatikus sajtolás d) A nyers forma kivétele
44
Melegsajtolás (HP)
45
Sajtolási kinetika
Két élesen elkülöníthető tartomány
46
Sajtolási problémák
Az idomokban keletkező repedések Felső pofa Lokális feszültség
Felső pofa Fal menti súrlódás
Termék
Repedés
Repedés Alsó pofa
Alsó pofa
47
Nyers testek szárítása
Alapfeladat: a nedvességtartalom egyenletes eltávolítása Elkerülendő:
Repedések kialakulása Nem egyenletes alakváltozás (deformálódás) Sűrűség-gradiensek kialakulása
Fő fázisok:
48
