ROLA NAPIĘĆ MIĘDZYFAZOWYCH W RECYKLINGU

JACEK JACKOWSKI *
ROLA NAPIĘĆ MIĘDZYFAZOWYCH W RECYKLINGU
METALOWYCH TWORZYW KOMPOZYTOWYCH Z
NASYCANYM ZBROJENIEM
Recykling odlewów kompozytowych polega na rozdzieleniu składników materiału
kompozytowego. Charakter materiału kompozytowego (kompozyt zawiesinowy lub z nasycanym
zbrojeniem) decyduje o metodzie recyklingu. Recykling odlewów kompozytowych z nasycanym
zbrojeniem sprowadza się do usunięcia roztopionej osnowy kompozytowej z kapilar kształtki
zbrojącej odlew. W praktyce, proces ten może zachodzić samorzutnie ale może mieć miejsce tylko
w sprzyjających warunkach określonych odpowiednimi wartościami napięć międzyfazowych w
układzie. Układ taki stanowią: materiał zbrojenia – ciekła osnowa metalowa – ośrodek, którym
może być faza gazowa lub ciekła. Dokonane obliczenia zmian energii powierzchniowej
zachodzące w rozpatrywanych układach pozwoliły na określenie warunków limitujących przebieg
procesu. Wyniki obliczeń zostały zweryfikowane w doświadczeniach z użyciem mediów
modelowych.
Słowa kluczowe: kompozyty, recykling, napięcia międzyfazowe
1. WSTĘP
Recykling odlewów kompozytowych polega na rozdzieleniu składników
tworzywa kompozytowego [1]. W przypadku odlewów kompozytowych z
nasycanym zbrojeniem, sprowadza się do usunięcia roztopionej osnowy
metalowej z porów kształtki zbrojenia [5]. Czynniki wpływające na wypływanie
osnowy z kapilar zbrojenia, intensywność i efektywność tego procesu są
zróżnicowane, czego dowodzą wyniki przeprowadzonych doświadczeń.
Pozwoliły one wnioskować, że bardzo istotną rolę odgrywają napięcia
międzyfazowe występujące w układzie: materiał zbrojenia – ciekła osnowa
metalowa – ośrodek [2,3,4]. To spowodowało potrzebę przeanalizowania relacji
między wartościami napięć międzyfazowych występujących w tych układach.
Ponieważ badania układów rzeczywistych (materiał zbrojenia, ciekły metal,
ośrodek) są trudne a bezpośrednia ich obserwacja nie zawsze jest możliwa
(wysoka temperatura, nieprzeźroczystość i reaktywność ośrodka itp.)
*
dr hab. inż. – Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów, ul. Piotrowo 3, 61-138
Poznań
postanowiono przeprowadzić analizę zjawisk kapilarnych i jej weryfikację
wykorzystując badania modelowe.
2. WPROWADZENIE
Schemat układu w momencie wypełniania pojedynczej kapilary zbrojenia
metalem przedstawia rys. 1a. Zła zwilżalność materiału zbrojenia (Z) przez
ciekłą osnowę (M), sprawia że wypełnienie kapilary jest możliwe tylko w
przypadku istnienia ciśnienia wymuszającego ruch metalu w kapilarze.
Konieczność jego stosowania wynika z kierunku działania ciśnienia kapilarnego
i dodatnich wartości zmian energii powierzchniowej w układzie (wypełnianej
kapilarze). Ujemne wartości tych zmian wynikające z wypływania metalu z
kapilary, mogą powodować samoczynne jego wypływanie, ale tylko w
przypadku istnienia układu zgodnego ze schematem rys. 1a, a więc np. zaniku
ciśnienia wymuszającego nasycanie przed zakrzepnięciem metalu. W warunkach
recyklingu materiału kompozytowego (metalowego z nasycanym zbrojeniem) w
atmosferze gazu(G) układ jest odmienny. Stan po roztopieniu osnowy
kompozytu przedstawia schemat na rys. 1b. Ruch ciekłego metalu w
przedstawionej kapilarze jest niemożliwy z powodu równowagi wartości
ciśnienia kapilarnego po obu stronach słupa metalu oraz dodatnich wartości
zmian energii powierzchniowej układu w przypadku gdyby ruch ten nastąpił w
kierunku powodującym wypływanie roztopionego metalu z kapilary.
a)
b)
Rys.1. Schemat układu kompozytowego: a – w momencie jego tworzenia, oraz, b – jego
recyklingu w atmosferze gazu
Fig. 1. Schematic of the composite system: a – in the time of its creation, and b – in the time of its
recycling in gaseous atmosphere
Przedstawione schematy dotyczą układów trójfazowych: stała faza zbrojenia
– ciekła osnowa metalowa – faza gazowa. Stan ten sprawia konieczność
poszukiwania ośrodków pozwalających na samoczynne wypływanie roztopionej
osnowy z kapilar zbrojenia kompozytu a tym samym na recykling tworzywa
kompozytowego.
3. NAPIĘCIA MIĘDZYFAZOWE I RUCH CIECZY W KAPILARACH
Analizę zjawisk kapilarnych przeprowadzono w oparciu o schemat prostej
walcowej kapilary wypełnionej dwoma niemieszającymi się i nie reagującymi z
sobą cieczami. Jedną z cieczy stanowi roztopiona osnowa metalowa (M), drugą
inna ciecz, trwała w temperaturze ciekłej osnowy np. roztopiona sól, zwana
ośrodkiem (O). Cechą cieczy ośrodka jest dobra zwilżalność materiału zbrojenia
kompozytu. Na rys. 2 przedstawione są schematy analizowanych układów.
Geometria kapilary i właściwości cieczy sprawiają, że równowaga ciśnienia
kapilarnego pKM i pKO utrzymuje obie krople w bezruchu (rys. 2a).
Połączenie się kropli przy zachowaniu powierzchni międzyfazowej sprawia,
że równowaga podwójnej kropli (rys.2b) zależy od wartości i kierunku działania
ciśnienia pKM, pKO oraz ciśnienia pKM-O, będącego skutkiem napięcia
międzyfazowego określanego mianem napięcia adhezji [8,9]. Od bilansu tych
wartości zależy ruch i jego kierunek lub bezruch układu. Wartości ciśnienia pKM,
pKO i pKM-O można obliczyć wg schematu przedstawionego na rys. 2c.
a)
b)
c)
Rys.2. Schemat kropli dwóch różnych cieczy: a- źle i dobrze zwilżających materiał kapilary, b –
połączonych obu kropli w jednej kapilarze, c – rozkładu napięć międzyfazowych
Fig. 2. Schematic of equilibrium of two drops of non-mixing and non-reacting liquids: a – the ones
poorly and readily wetting the capillary material; b – connected drops; c – distribution of
interfacial tension values
Równowagę dwóch połączonych adhezyjnie kropli cieczy określa zależność
wyliczona w oparciu o schemat rys. 2c:
σ M −O cos θ MZ = σ M −G cos θ MZ − σ O −G cos θ OZ
O
G
(1)
G
w której:
σ - wartość napięcia międzyfazowego
θ - wartość kąta zwilżania, przy indeksach:
M-O – ciekły metal osnowy – ciekły ośrodek
M-G – ciekły metal osnowy – gaz
O-G – ciekły ośrodek – gaz
MZ - zbrojenia przez ciekły metal osnowy w ciekłym ośrodku
O
MZ
G
OZ
G
- zbrojenia przez ciekły metal osnowy w atmosferze gazu
- zbrojenia przez ciekły ośrodek w atmosferze gazu
Warunkiem recyklingu, czyli wypływania z kapilar zbrojenia roztopionej
osnowy metalowej w obecności ciekłego ośrodka jest naruszenie równowagi
„frontu” jakim jest powierzchnia adhezji obu faz ciekłych. Równowagę tą
ilustruje schemat na rys.3, oraz zależność:
Rys.3. Równowaga powierzchni adhezji dwóch faz ciekłych w kapilarze
Fig. 3. Equilibrium of adhesion surfaces of two liquid phases in the capillary
σ M −O cos θ MZ = σ Z−O − σ Z−M
(2)
O
Łatwo wykazać, że zależności (1) i (2) są równoważne, zatem warunkiem ruchu
powierzchni kontaktu roztopionej osnowy metalowej oraz ciekłego ośrodka w
kapilarach zbrojenia materiału kompozytowego jest naruszenie równości
określonej zależnością (1).
4. WARUNEK SAMOCZYNNEGO PROCESU
Ruch „frontu” obu cieczy w kapilarze, może oznaczać wnikanie jednej i
wypychanie drugiej lub odwrotnie. Recykling metalowego materiału
kompozytowego z nasycanym zbrojeniem może mieć miejsce tylko wtedy, gdy
proces będzie gwarantował wypływanie roztopionej osnowy z kapilar.
Wykonane zostały obliczenia zmian energii powierzchniowej układu
związanej z wypychaniem ciekłego metalu z kapilary przez ciekły ośrodek. Na
rys. 4 przedstawiony jest schemat będący podstawą dokonanych obliczeń.
Rys.4. Schemat do obliczeń zmian energii powierzchniowej towarzyszącej procesowi recyklingu
Fig. 4. Schematic used for calculation of the changes in surface energy values accompanying the
recycling process
Obliczenia wykazały, że samoczynny przebieg procesu wypływania
roztopionej osnowy z kapilar do ośrodka, będzie miał miejsce wtedy, gdy
zachowana zostanie nierówność:
σ M −G cos θ MZ − σ O−G cos θ OZ + σ M −O < 0
G
(3)
G
przy oznaczeniach podanych wcześniej przy opisie zależności (1).
Już pobieżna ocena wskazuje, że zachowanie tej nierówności jest możliwe,
bowiem
θ MZ > 90 ° , θ OZ < 90 ° a nieznana wartość σM-O nie musi przekraczać sumy
G
G
wartości pozostałych czynników wyrażenia (3). Przedstawiona hipoteza wymaga
weryfikacji.
5. BADANIA WERYFIKUJĄCE
Idea zamierzonych badań polegała na obserwacji zachowania się układów
złożonych z próbek porowatego materiału nasycanego cieczą w innej cieczy
przy braku zjawisk fizycznych (rozpuszczanie) i reakcji chemicznych między
tymi cieczami oraz przy znajomości właściwości powierzchniowych tworzonych
i obserwowanych układów. Znajomość parametrów układów (wymienionych w
zależności (3)), i wyniki obserwacji winny pozwolić na weryfikację postawionej
hipotezy.
Do badań użyte zostały próbki porowatych materiałów stosowanych do
wytwarzania kształtek zbrojenia odlewów kompozytowych. Materiały te
wytworzone z krótkich włókien glinokrzemianowych (o nazwie handlowej
SIBRAL) i grafitowych, posiadały porowatość przekraczającą 80%, a
przygotowane z nich próbki miały postać prostopadłościanów o objętości ok. 2
cm3.
Jako ciecze modelowe użyte zostały woda destylowana oraz heksan, kwas
oleinowy i benzen. W każdym z badanych układów modelowych była zawsze
woda oraz jedna z pozostałych wymienionych cieczy. Sporządzano zmienne
układy tzn. np. raz „metalem” była woda a „ośrodkiem” np. heksan, w innym –
odwrotnie, „metalem” był heksan a „ośrodkiem” woda.
Każde z doświadczeń polegało na zanurzeniu próbki materiału zbrojenia
nasyconego jedną cieczą w drugiej cieczy i obserwowaniu efektów.
Konieczną
znajomość
parametrów
powierzchniowych
układów
(wymienionych w zal. (3)) zapewniły studia literaturowe [6,7], uzupełnione
wynikami badań własnych. Zestawione są one w tablicy I. W tablicy II
zestawione są wyniki wykonanych prób.
Tablica I
Zebrane właściwości powierzchniowe badanych układów wykorzystane do obliczeń wg [6,7]
Specification of surface properties of considered systems used for calculation purposes, according
to [6,7]
Napięcia międzyfazowe
σ [mN/m]
woda/powietrze - 72
heksan/powietrze -18
kwas oleinowy/pow. -35
benzen/powietrze- 34
woda/heksan - 30
woda/kw. oleinowy - 13
woda/benzen - 25
Kąty zwilżania w powietrzu
θ [°]
sibralu wodą - 28
grafitu wodą - 86
sibralu heksanem - 0
grafitu heksanem - 0
sibralu kw. oleinowym - 5
grafitu kw. oleinowym - 10
sibralu benzenem - 0
grafitu benzenem - 0
Tablica II
Efekty doświadczeń modelowych
Results of model experiments
1.
zbrojenie
SIBRAL
Układ
„metal”
woda
„ośrodek”
heksan
Wartość
nierówności (3)
64-18+30=76>0
2.
SIBRAL
heksan
woda
18-64+30=-16<0
3.
SIBRAL
woda
64-35+13=42>0
4.
SIBRAL
35-64+13=-16<0
5.
SIBRAL
kwas
oleinowy
woda
kwas
oleinowy
woda
benzen
64-34+25=55>0
6.
SIBRAL
benzen
woda
34-64+25=-5<0
7.
GRAFIT
woda
heksan
2-18+30=14>0
8.
GRAFIT
heksan
woda
18-2+30=46>0
9.
GRAFIT
woda
2-34+13=-19<0
10.
GRAFIT
11.
GRAFIT
kwas
oleinowy
woda
kwas
oleinowy
woda
benzen
2-34+25=-7<0
12.
GRAFIT
benzen
woda
34-2+25=57>0
Lp.
34-2+13=45>0
Efekt
heksan nie
wypycha wody
woda wypycha
heksan
kwas nie wypycha
wody
woda wypycha
kwas
benzen nie
wypycha wody
woda wypycha
benzen
heksan wypycha
wodę!!!
woda nie wypycha
heksanu
kwas oleinowy
wypycha wodę
woda nie wypycha
kwasu
benzen wypycha
wodę
woda nie wypycha
benzenu
6. PODSUMOWANIE
Przeprowadzone doświadczenia potwierdzają wnioski wynikające z
dokonanych rozważań i poprawność opracowanej zależności. Jeden przypadek
(Lp.7) z przedstawionych w tablicy II stanowi wyjątek. Przyczyna jego
powstania jest nieznana i pozostaje w sferze domysłów.
Analiza nierówności (3) odniesiona do realnych warunków recyklingu
metalowych materiałów kompozytowych z nasycanym zbrojeniem pozwala na
określenie czynników sprzyjających procesowi. Są nimi:
1) Zdecydowanie zła zwilżalność materiału zbrojenia przez ciekłą osnowę
oraz duża wartość napięcia powierzchniowego osnowy. Ujemna wartość
pierwszego członu nierówności (3) będzie tym większa, im przy stałej
wartości napięcia powierzchniowego ciekłej osnowy metalowej σM-G
wartość kąta zwilżania materiału zbrojenia przez ciekłą osnowę θM-Z/G
będzie bliższa wartości 180°.
2) Zdecydowanie dobra zwilżalność materiału zbrojenia przez ciekły ośrodek,
w którym odbywa się recykling. Lewa strona nierówności (3) będzie tym
bardziej zdecydowanie mniejsza od zera, im napięcie powierzchniowe
ośrodka σO-Z/G będzie wyższe a jego zdolności zwilżające materiał zbrojenia
będą lepsze (θ → 0°).
3) Obecność zawsze dodatniej wartości σM-O w nierówności (3), co oznacza,
że czynnikiem sprzyjającym wypływaniu metalowej osnowy z kapilar
zbrojenia w otoczeniu ośrodka jest jak najniższa wartość napięcia
międzyfazowego (napięcia adhezji) na granicy obu faz ciekłych.
7. WNIOSKI
1. Przeprowadzone rozważania i wyniki dokonanych doświadczeń, dowodzą
istotnej roli napięć międzyfazowych w układach występujących w procesach
recyklingu metalowych tworzyw kompozytowych z nasycanym zbrojeniem a
także wskazują na możliwość projektowania warunków ich przeprowadzania
w oparciu o znajomość właściwości powierzchniowych ciekłej osnowy
metalowej oraz ośrodka odniesionych do atmosfery gazowej.
2. Istnieje konieczność wykonania podobnych badań w warunkach realnego
procesu recyklingu odlewów kompozytowych z nasycanym zbrojeniem,
3. Dla wykonania tych badań i oceny ich wyników konieczna jest znajomość
właściwości powierzchniowych układów występujących w procesach
recyklingu co stwarza potrzebę kompletowania bazy danych a także
prowadzenia badań celem jej wzbogacania.
4. Należy zwrócić uwagę na inne czynniki mogące wpływać na proces
recyklingu a nie związane z właściwościami powierzchniowymi układów np.
dotyczące geometrii porów nasycanego zbrojenia.
LITERATURA
[1] Jackowski J., Nagolska D., Szweycer M.: Problems of recycling of metal-matrix composite.
Archiwum Technologii Maszyn I Automatyzacji, vol. 20, Poznań 2000, str. 73-81
[2] Nagolska D., Szweycer M.: Analiza mechanizmu recyklingu metalowych kompozytów
nasycanych. Kompozyty (Composites), nr 1/2001, str. 35-37
[3] Nagolska D., Szweycer M.: Kinetyka recyklingu odlewów z nasycanych kompozytów
metalowych. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 22, Poznań 2002, str. 109115
[4] Nagolska D., Szweycer M.: Dobór ośrodka do recyklingu odlewów z metalowych
kompozytów nasycanych. Kompozyty (Composites), nr 6/2003, str. 101-105
[5] Nagolska D., Szweycer M., Szymański P.: Recykling odlewów z kompozytów o osnowie ze
stopu AlSi11 zbrojonego włóknem węglowym. Archiwum Technologii Maszyn i
Automatyzacji, vol. 24, Poznań 2004, str. 173-180
[6] Niżenko W.J., Fłok L.T. : Powierchnostnoje natjażenija żidkich metałłow i spławow.
Sprawocznik. Metałłurgia, Moskwa 1981
[7] Poradnik fizyko-chemiczny, WNT, Warszawa 1974
[8] Praca zbiorowa. Teoria procesów technologicznych w odlewnictwie metali. WNT, Warszawa
1965
[9] Praca zbiorowa: Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1966
Praca wpłynęła do Redakcji
Recenzent:
THE ROLE OF INTERFACIAL TENSION IN RECYCLING OF METAL
COMPOSITE MATERIALS WITH SATURATED REINFORCEMENT
Summary
Recycling of composite castings consists in division of the composite material components.
The type of the composite material (a suspended or saturated reinforcement composite) determine
the recycling method. Recycling of composite castings with saturated reinforcement consists in
removing the melted composite matrix from the capillaries of the casting reinforcing profile. In
practice, the process may occur spontaneously but only provided that the conditions determined by
interfacial tension values of the system are advantageous. The system is composed of the
reinforcement material – the liquid metal matrix – and the environment. The gas or liquid phase
may serve as the environment. Calculation of the changes in surface energy values undergoing in
considered systems enabled determining the conditions limiting the course of the process. Results
of the calculation were experimentally verified with the use of model media.
Key words: composites, recycling, interfacial tension
Praca została wykonana częściowo w ramach grantu PBZ-KBN-114/T08/2004