plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

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 M −G cosθ Z − M − ωO−G cosθ Z −O + ω M −O < 0,
G
(1)
G
* Dr hab. inż.
Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej.
** Mgr inż.
∗∗∗ Przedstawione badania zostały wykonane w ramach zadania badawczego II.5.6. wchodzą-
cego 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:
339 ⋅ cos132° − 72 ⋅ cos 30° + 260 = −30 < 0,
(2)
gdy ośrodkiem była woda, oraz
339 ⋅ cos132° − 30 cos 0° + 238 = −19 < 0
w ośrodku będącym wodnym roztworem środka powierzchniowo czynnego.
(3)
Recykling drobnych odpadów metalowych…
59
Tablica 1
Wartości parametrów charakteryzujących badane układy recyklingowe
Values of the parameters characterizing the considered recycling systems
Właściwość
Napięcie powierzchniowe stopu Wooda w powietrzu
Napięcie powierzchniowe stopu Wooda w wodzie
Napięcie powierzchniowe stopu Wooda w roztworze
detergentu
Napięcie powierzchniowe wody
Napięcie powierzchniowe wodnego roztworu detergentu
Kąt zwilżania glinokrzemianu stopem Wooda w powietrzu
Kąt zwilżania glinokrzemianu wodą w powietrzu
Kąt zwilżania glinokrzemianu roztworem detergentu w
powietrzu
Wartość
339
260
Miara
mN/m
mN/m
238
72
30
132
30
mN/m
mN/m
mN/m
[°]
[°]
0
[°]
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.
Tablica 2
Zestawienie warunków wykonanych prób
Specification of the conditions of the performed trials
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Ziarnistość wiórów
[mm]
Rodzaj ośrodka
0,4÷0,8
woda
woda
0,2÷0,4
woda z detergentem
0,1÷0,2
woda
<0,1
woda
Czas zabiegu
[min]
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
5
10
15
Bez
mieszania
X
X
X
X
X
X
X
X
X
–
–
–
X
–
X
Z mieszaniem
–
–
–
X
X
X
X
X
X
X
X
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
Summary
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