plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAà W POZNANIU
Vol. 29 nr 3
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2009
BARBARA HUTERA, PAWEà NOWICKI
WPàYW CHEMICZNEJ STRUKTURY SPOIWA
NA PROCESY POWIERZCHNIOWE
W artykule przedstawiono wyniki badaĔ zwilĪalnoĞci dla modelowego ukáadu kwarc – spoiwo
z zastosowaniem spoiw o zróĪnicowanej chemicznej strukturze cząsteczki. Przebieg zmian kąta
zwilĪania w czasie (w stanie niestacjonarnym i stacjonarnym) najlepiej opisuje funkcja wykáadnicza ze staáymi zaleĪnymi od wáaĞciwoĞci fizykochemicznych ciekáego spoiwa. Wykazano formalny związek pomiĊdzy dynamiką zwilĪania (w stanie niestacjonarnym) a staáą przedeksponencjalną
równania (A). Przedstawione badania uwypukliáy równieĪ wpáyw struktury chemicznej cząsteczki
(ugrupowania áaĔcuchowe, epoksydowe) na dynamikĊ zwilĪania.
Sáowa kluczowe: oddziaáywania miĊdzyfazowe, zwilĪalnoĞü, spoiwa
1. WSTĉP
Procesy powierzchniowe w ukáadzie osnowa – spoiwo zachodzące podczas
przygotowania masy prowadzą do powstawania w niej mostków wiąĪących
o strukturze geometrycznej odpowiadającej tzw. modelowi nieotoczkowemu lub
otoczkowemu [4 – 8]. Procesy te są istotne dla przygotowywanych w praktyce
mas. Ich analiza wykazaáa, Īe sposób rozáoĪenia ciekáego spoiwa odpowiadający
jednemu z wymienionych modelowych poáączeĔ uwarunkowany jest miĊdzy
innymi lepkoĞcią spoiwa oraz jego zdolnoĞcią do zwilĪania osnowy.
Jak wiadomo, lepkoĞü spoiwa moĪna zmieniaü przez zmianĊ temperatury
ukáadu lub dodatek rozcieĔczalnika o róĪnym stĊĪeniu i róĪnej chemicznej strukturze cząsteczki [5].
Poza lepkoĞcią inną waĪną wáaĞciwoĞcią jest zwilĪalnoĞü. DuĪa dynamika
zwilĪania (stan niestacjonarny) powoduje szybkie Ğciekanie spoiwa do punktu
styku z wytworzeniem mostka wiąĪącego o geometrii odpowiadającej modelowi
nieotoczkowemu oraz skraca czas dojĞcia ukáadu osnowa – spoiwo do stanu
stacjonarnego. Z kolei maáa wartoĞü kąta równowagowego (stan stacjonarny)
warunkuje dobrą adhezjĊ spoiwa do osnowy. Jak wynika z badaĔ podstawo
Dr hab.
Dr inĪ.
Wydziaá Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
42
B. Hutera, P. Nowicki
wych, na przebieg zwilĪania zarówno w stanie niestacjonarnym, jak i stacjonarnym wpáywa (oprócz innych czynników) chemiczna struktura spoiwa. Badania
w ukáadzie kwarc – spoiwo metodą spektroskopii fotoelektrycznej (XPS) wykazaáy wiĊkszą adhezjĊ związków o strukturze áaĔcuchowej w porównaniu ze
związkami o strukturze pierĞcieniowej [3, 5].
Dotychczas brak byáo prac podających przebieg zmian kąta zwilĪania w czasie dla ukáadu kwarc – spoiwo oraz matematyczny opis tego procesu. Badania
teoretyczne dla ukáadu ciaáo staáe – ciecz zapoczątkowane przez Blake’a i innych [1, 2] wykazaáy formalny związek pomiĊdzy dynamiką zwilĪania a lepkoĞcią. Analiza wyników badaĔ zamieszczonych w tych pracach oraz badania wáasne [9 – 12] wykazaáy, Īe dynamika zwilĪania kwarcu przez spoiwa o maáej
lepkoĞci jest wiĊksza i Īe równoczeĞnie skróceniu ulega czas dojĞcia ukáadu do
stanu równowagi.
W artykule przedstawiono wyniki badaĔ zmian kąta zwilĪania w czasie (dynamiki kąta zwilĪania) w stanie niestacjonarnym i stacjonarnym dla ukáadu
kwarc – spoiwo. Podstawowym celem tych badaĔ byáo:
porównanie wáaĞciwoĞci zwilĪalnoĞci kwarcu przez spoiwa o zróĪnicowanej strukturze chemicznej cząsteczki i róĪnej lepkoĞci,
wykazanie funkcyjnej zaleĪnoĞci pomiĊdzy dynamiką kąta zwilĪania
a lepkoĞcią (w stanie niestacjonarnym).
2. CZĉĝû BADAWCZA
2.1. Materiaáy i urządzenia
Pomiary lepkoĞci i zwilĪalnoĞci wykonano, stosując nastĊpujące spoiwa
(o zróĪnicowanej chemicznej strukturze cząsteczki):
– maáocząsteczkową ĪywicĊ dianową, diepoksydową (epidian 5), charakteryzującą siĊ nastĊpującymi parametrami fizykochemicznymi: Mcz (300 – 600
g/mol); LE (0,35 – 0,58); d25 = 1170 kg/m3; lepkoĞü w temperaturze 20oC – 67,6
Pa˜s (producent – Zakáady Chemiczne Organik – Sarzyna);
– ĪywicĊ alkidową (LT-72); gĊstoĞü d20 = 1115 kg/m3; lepkoĞü w temperaturze 20oC – 1,4 Pa˜s (producent przedsiĊbiorstwo Polimer);
– szkáo wodne sodowe: moduá M = 2,5; gĊstoĞü d20 = 1467 kg/m3, zawartoĞü
SiO2 + Na2O – 40,666% wag., zawartoĞü substancji nierozpuszczalnych w H2O
– 0,042% wag.; lepkoĞü w temperaturze 20oC – 0,027 Pa˜s;
– optycznie czysty kwarc.
LepkoĞü mierzono za pomocą zmodernizowanego reometru rotacyjnego
z oprogramowaniem (typ RHEOTEST 2), a zwilĪalnoĞü za pomocą prototypowego
urządzenia do pomiaru kąta zwilĪania wyposaĪonego w komorĊ termiczną [11].
Wpáyw chemicznej struktury spoiwa na procesy powierzchniowe
43
LepkoĞü kaĪdego spoiwa okreĞlano na podstawie wyznaczanej doĞwiadczalnie zaleĪnoĞci W f (J ), tj. krzywej páyniĊcia. Badaną próbkĊ termostatowano
w zadanej temperaturze z dokáadnoĞcią ±0,2oC. CharakterystykĊ lepkoĞci
w róĪnej temperaturze wyznaczano zawsze na tej samej próbce.
DynamikĊ zwilĪania: T f (W ) okreĞlano na podstawie pomiaru kąta zwilĪania T dla ukáadu kwarc – spoiwo. KaĪdy pomiar prowadzono na oryginalnej
páytce, której powierzchniĊ przygotowywano w ten sam sposób; miaáo to na celu
modyfikacjĊ powierzchni kwarcu (tj. uzyskanie warstwy wierzchniej o tej samej
swobodnej energii powierzchniowej – SEP). Na przygotowaną powierzchniĊ
kwarcu nanoszono kroplĊ badanego spoiwa (o odpowiednio maáej objĊtoĞci)
i obserwowano zmiany kąta zwilĪania T w czasie IJ w warunkach izotermicznych, rejestrując obraz kropli, aĪ do stabilizacji wartoĞci kąta zwilĪania T . Pomiary zwilĪalnoĞci prowadzono w atmosferze powietrza w komorze z termostatowaną temperaturą, utrzymywaną z dokáadnoĞcią ±1oC. Dla kaĪdej próbki wykonano od 3 do 7 pomiarów kąta zwilĪania w czasie.
LepkoĞü i zwilĪalnoĞü badano w zakresie temperatury 10oC – 50oC.
2.2. Wyniki badaĔ i ich omówienie
Na rysunku 1 przedstawiono zmiany kąta zwilĪania T w czasie W (w temperaturze 10oC) dla trzech róĪnych spoiw naniesionych na przygotowaną w opisany sposób powierzchniĊ kwarcu. Linią ciągáą zaznaczono przebieg zmian wedáug równania teoretycznego (równanie 1).
Jak widaü na rys. 1, w przebiegu T f (W ) moĪna wyróĪniü dwa interwaáy
czasowe:
– pierwszy, zawarty w przedziale 0 ” W < W r , ze znacznymi zmianami kąta
zwilĪania T rozpoczynającymi siĊ od wartoĞci kąta T 0 , odpowiadającej czasowi
W 0 (po naniesieniu spoiwa na powierzchniĊ páytki), do wartoĞci równowagowej kąta T r (odpowiadającej czasowi W W r po dojĞciu ukáadu do stanu równowagi),
– drugi, zawarty w przedziale W ! W r , w którym wartoĞci kąta zwilĪania pozostają staáe (lub prawie staáe, T T r ).
Do charakterystyki pierwszego interwaáu zaproponowano parametry:
'T T r T 0 i W r . W drugim interwale miarą zwilĪalnoĞci jest wartoĞü kąta
równowagowego T r .
Czasowy przebieg zmian kąta zwilĪania kwarcu przez spoiwo najlepiej opisuje nastĊpująca funkcja wykáadnicza:
cos T r cos T (W )
A ˜ e B W ,
(1)
B. Hutera, P. Nowicki
44
w której A, B i T r są staáymi związanymi z parametrami fizykochemicznymi
ukáadu kwarc – spoiwo.
70
EPIDIAN 5
60
LT-72
Kąt zwilĪania T [deg]
szkáo wodne
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
Czas W [min]
Rys. 1. Zmiana kąta zwilĪania T dla ukáadu kwarc – spoiwo; temperatura pomiaru t = 10oC = const;
kwarc przemywany wodą; SEP = 62,7 mJ/m2 = const
Fig. 1. Dependence of wetting angle T on system: quartz – binder; temperature of testing t = 10oC =
= const.; quartz to wash water; SEP = 62.7 mJ/m2 = const.
Na rysunku 2 pokazano zmiany kąta zwilĪania T w czasie dla rozpatrywanych spoiw (w temperaturze 10oC), opisane za pomocą poniĪszych zaleĪnoĞci
funkcyjnych:
– dla Īywicy EPIDIAN 5
ln[cos 38 cosT (W )] 0,4853W 0,5 1,0465 , R2 = 0,9822,
(2)
– dla Īywicy LT-72
ln[cos 20 cosT (W )] 0,4152W 0,5 2,6391 , R2 = 0,9004,
(3)
– dla szkáa wodnego „145”
ln[cos17 cosT (W )] 0,5052W 0,5 1,4746 , R2 = 0,9739.
(4)
DynamikĊ zwilĪania kwarcu przez rozpatrywane spoiwa charakteryzują róĪne nachylenia prostych w równaniach (2 – 4) i W r oraz róĪne wartoĞci kątów T r .
Wpáyw chemicznej struktury spoiwa na procesy powierzchniowe
0
2
4
6
8
10
45
12
0
EPIDIAN 5
-1
ln [cos T – cosT ( W)]
LT-72
szkáo wodne
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
W
0,5
[min]
Rys. 2. ZaleĪnoĞü zmian kąta zwilĪania T od czasu W dla ukáadu kwarc – spoiwo; temperatura
pomiaru t = 10oC = const; kwarc przemywany wodą; SEP = 62,7 mJ/m2 = const
Fig. 2. Dependence of wetting angle T on time on system: quartz – binder; temperature of testing
t = 30oC = const.; quartz to wash water; SEP = 62.7 mJ/m2 = const.
Jak wynika z prostych zaprezentowanych na rys. 2 oraz równaĔ (2 – 4), rodzaj grupy funkcyjnej w Īywicy (estrowej lub epoksydowej) oraz kulisty ksztaát
cząsteczki wpáywają na dynamikĊ zwilĪania. NajwiĊkszą dynamiką zwilĪania
odznacza siĊ Īywica alkidowa, natomiast mniejszą Īywica epoksydowa i szkáo
wodne. ĩywica alkidowa (bĊdąca produktem kondensacji kwasu ftalowego
i gliceryny) jest prawdopodobnie mieszaniną trójwymiarowych reszt gliptalowych poáączonych dáugimi áaĔcuchami estrów poliglikoloftalowych [11].
Wpáywa ona najsilniej na dynamikĊ zwilĪania, podczas gdy Īywica epoksydowa
(zawierająca funkcyjną grupĊ epoksydową) wpáywa w mniejszym stopniu.
Wskazują na to: wiĊksza wartoĞü staáej A oraz mniejsze wartoĞci șr i IJr (równania 2, 3 i rys. 1). Mimo Īe szkáo wodne ma duĪe powinowactwo chemiczne z
kwarcem, jego dynamika zwilĪania jest mniejsza, najmniejsza jest wartoĞü staáej
A (równanie 4). Jest to prawdopodobnie związane z przewagą oddziaáywaĔ lepkich nad oddziaáywaniami kwarcu z cząsteczkami spoiwa o kulistym ksztaácie
(micele szkáa wodnego); wskazuje na to dáugi czas IJr.
Na rysunku 3 przedstawiono zmiany staáej A w zaleĪnoĞci od temperatury T
dla rozpatrywanych spoiw. Liniowy charakter zmian lnA w zaleĪnoĞci od odwrotnoĞci temperatury wyraĪa zaleĪnoĞü Arrheniusa, a zatem moĪna je opisaü
nastĊpującym równaniem:
B. Hutera, P. Nowicki
46
ln A
a
b.
T
(5)
Analogiczną zaleĪnoĞü od temperatury wykazuje równieĪ lepkoĞü rozpatrywanych spoiw (rys. 4). Wskazuje to na związek staáej A z lepkoĞcią spoiwa. Potwierdzają to wykresy na rys. 5 oraz równania szczegóáowe (6 – 8) pozwalające
na uogólnienie (równanie 9):
ln A
0,3242 ln K 2,9521 , R2 = 0,9493 (spoiwo epoksydowe),
(6)
0,834 ln K 3,1887 , R2 = 0,9878 (spoiwo alkidowe),
(7)
0,1465 ln K 1,3633 , R2 = 0,9516 (szkáo wodne),
(8)
ln A
ln A
ln A k1 ln K k 2 .
0,003
0,0031
0,0032
0,0033
(9)
0,0034
0,0035
0,0036
0
-0,5
-1
-1,5
lnA = 683,19/T - 4,004
2
R = 0,9365
ln A
-2
-2,5
-3
-3,5
-4
-4,5
lnA = 4637,7/T - 17,456
2
R = 0,9402
EPIDIAN 5
LT-72
lnA = 5614,8/T - 22,106
2
R = 0,9919
szkáo wodne
-5
-1
-1
T [K ]
Rys. 3. ZaleĪnoĞü logarytmu staáej A od odwrotnoĞci temperatury dla ukáadu kwarc – spoiwo
epoksydowe, kwarc – spoiwo alkidowe, kwarc – szkáo wodne; SEP kwarcu 62,7 mJ/m2 = const
Fig. 3. Dependence of logarithm constant A on inverse temperature on system: quartz – epoxide
binder; quartz – alkyd binder; quartz – water glass; SEP = 62.7 mJ/m2 = const.
Wpáyw chemicznej struktury spoiwa na procesy powierzchniowe
47
8
EPIDIAN 5
LT-72
szkáo wodne
6
lnK = 14298/T - 44,714
2
R = 0,9897
4
ln K
2
lnK = 6713,8/T - 22,621
2
R = 0,9984
0
-2
lnK = 4754,2/T - 18,321
2
R = 0,9966
-4
-6
0,003
0,0031
0,0032
0,0033
-1
0,0034
0,0035
0,0036
-1
T [K ]
Rys. 4. ZaleĪnoĞü logarytmu lepkoĞci K od odwrotnoĞci temperatury dla spoiwa epoksydowego,
spoiwa alkidowego i szkáa wodnego
Fig. 4. Dependence of logarithm viscosity on inverse temperature on: epoxide binder, alkyde
binder and water glass
0
-0,5
lnA = 0,1465lnK - 1,3633
2
R = 0,9516
-1
lnA = 0,3242lnK - 2,9521
2
R = 0,9493
-1,5
ln A
-2
-2,5
-3
-3,5
-4
EPIDIAN 5
LT-72
szkáo wodne
lnA = 0,834lnK - 3,1887
2
R = 0,9878
-4,5
-5
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
ln K
Rys. 5. ZaleĪnoĞü staáej A od lepkoĞci: spoiwa epoksydowego, spoiwa alkidowego i szkáa wodnego;
SEP kwarcu – 62,7 mJ/m2
Fig. 5. Dependence of constant A on viscosity on: epoxide binder, alkyde binder and water glass;
SEP – 62.7 mJ/m2
48
B. Hutera, P. Nowicki
3. PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania wykazaáy wpáyw lepkoĞci K spoiw na dynamikĊ
zwilĪania i pozwoliáy sformuáowaü ogólną zaleĪnoĞü:
ln[cosT r cos T (W )] k1 lnK k2 B W .
Spoiwa z wystĊpującymi w cząsteczce ugrupowaniami áaĔcuchowymi (np.
Īywica LT-72) wykazują silne oddziaáywania miĊdzyfazowe kwarc – spoiwo.
Stąd na dynamikĊ zwilĪania najsilniej wpáywaáa Īywica LT-72, podczas gdy szkáo
wodne – o kulistej strukturze cząsteczki – w najmniejszym stopniu.
LITERATURA
[1] Blake T. P., Shikhmurzaev Y. P., Dynamic Wetting by Liquids of Different Viscosity,
Journal of Colloid and Interface Science, 2002, 253, s. 196 – 202.
[2] Blake T. P., De Coninck J., The influence of solid – liquid interactions on dynamic wetting,
Advances in Colloid and Interface Science, 2002, 96, s. 21 – 36.
[3] Fieser L. F., Fieser J. M., Chemia organiczna, Warszawa, PWN 1958.
[4] Hutera B., Analiza wpáywu wybranych parametrów klasycznych mas formierskich na ich
wáaĞciwoĞü w stanie wysuszonym, rozprawa doktorska, Kraków 1992 (niepublikowana).
[5] Hutera B., Znaczenie rozcieĔczalnika w spoiwie dla przebiegu zjawisk powierzchniowych
w ukáadzie: osnowa piaskowa – materiaá wiąĪący, Kraków, Akapit 2008, ISBN 978-8360958-13-1.
[6] Hutera B., Lewandowski J. L., DroĪyĔski D., Badania zjawisk zachodzących w podwyĪszonych temperaturach w masach wiązanych reprezentatywnymi materiaáami organicznymi
i nieorganicznymi, projekt badawczy KBN nr 7T08A 024 21, Kraków 2001.
[7] Hutera B., Lewandowski J. L., Stypuáa B., Smyksy K., DroĪyĔski D., Modyfikacja fizykochemiczna spoiw i osnowy stosowanych w masach formierskich, projekt badawczy KBN
nr 3 T08A 022 26.
[8] Hutera B., The Boundary Cases of Bonds Formation and Modes of their Destruction, Zeszyty
Naukowe AGH, Metallurgy and Foundry Engineering, 1995, vol. 21, no 3, s. 225 – 232.
[9] Hutera B., Smyksy K., Lewandowski J. L., DroĪyĔski D., Wybrane aspekty oznaczania
zwilĪalnoĞci osnowy przez materiaáy wiąĪące stosowane w masach formierskich, Archiwum
Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2003, vol. 23, nr 1, s. 63 – 70.
[10] Hutera B., Wpáyw dodatku niepolarnego rozcieĔczalnika na wybrane wáaĞciwoĞci spoiwa
epoksydowego, w: Materiaáy XXX Konferencji Naukowej z okazji Dnia Odlewnika, Kraków
2006.
[11] Hutera B., Smyksy K., DroĪyĔski D., Wpáyw obniĪonej temperatury na zwilĪalnoĞü osnowy
przez spoiwa mas formierskich, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2007, vol.
27, nr 1, s. 47 – 55.
[12] Smyksy K., Hutera B., Wybrane aspekty opisu czasowych zmian kąta zwilĪania osnowy
przez materiaáy wiąĪące, w: Materiaáy XXX Konferencji Naukowej z okazji Dnia Odlewnika,
Kraków 2006.
Praca wpáynĊáa do Redakcji 12.03.2009
Recenzent: prof. dr hab. inĪ. Michaá Szweycer
Wpáyw chemicznej struktury spoiwa na procesy powierzchniowe
49
THE INFLUENCE OF THE BINDER CHEMICAL STRUCTURE ON THE COURSE
OF SURFACE PROCESSES
Summary
In the article the results of the wettability investigations for the models system: the quartz - the
binder have been presented. Used binders possessed the diverse chemical structure of particles.
The temporary course of the contact angle changes during nonstationary and stationary state have
been described by the exponential function. The formal relationship between wetting dynamics (in
the nonstationary state) and the multiplier factor (A) in the exponential equation has been established. The research have also brought into relief the influence of the chemical structure of the
particle (chain formations, epoxy chain) on the dynamics of wetting.
Key words: interphasic interaction, the wettability, binders