Формовочные массы для аддитивного производства керамических изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3.022.4

В.Ю. Крахматова*, А.И. Захаров

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]

ФОРМОВОЧНЫЕ МАССЫ ДЛЯ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

В результате работы были определены составы керамических суспензий для технологий аддитивного производства с участием жидкой фазы. По результатам эксперимента была прослежена взаимосвязь между общей активностью материала и эффективностью изменения реологических свойств его суспензий в среде этанола, а также с присутствием модифицирующей добавки поливинилацетата(ПВА). В процессе исследования для подобранных суспензий производилось регулирование реотехнологических характеристик: вязкости, текучести, загустеваемости, тиксотропии, седиментационной устойчивости. Определено оптимальное соотношение компонентов суспензий, обеспечивающих требуемые реологические свойства керамических масс для аддитивного производства.

Ключевые слова: аддитивные технологии, каолинитовые суспензии, пластифицирующие добавки, вязкость, скорость сдвига, ультразвуковое диспергирование.

Аддитивные технологии - совокупность технологий, позволяющих создавать трехмерные изделия в едином технологическом процессе. Модели создаются путем наслаивания вещества, и при малой толщине слоя модель очень близка к своему прототипу.

Целью данной работы является разработка составов суспензий, отвечающим реологическим требованиям суспензий для аддитивного производства.

В качестве объекта исследования была выбрана система, аналогичная фарфоровому шликеру. Глинистым компонентом был выбран каолин Челябинского месторождения. Для образования при обжиге легкоплавких соединений и снижения температуры обжига, в качестве плавня был выбран финский полевой шпат, содержащий достаточное количество калия, который придает наибольшую вязкость расплаву, что уменьшает чувствительность керамических масс к перепаду температур. Оставшееся необходимое количество свободного кварца было введено из кварцевого песка. В качестве дисперсионной среды был выбран этиловый спирт, который обладает небольшим поверхностным натяжением и относительно низкой плотностью, что обеспечит высокую скорость набора массы. В качестве связующей добавки был выбран поливинилацетат - один из наиболее распространенных технических полимеров, способных растворяться в среде этанола. Анион полимера также легко адсорбируется глинистыми частицами, обеспечивая исключительное диспергирующее действие и стабильность в течение длительного времени [1].

Для исследования свойств приготовленных суспензий были использованы методы гранулометрии, реометрии (вискозиметр КЬео1е81), ультразвукового диспергирования (генератор типа УЗК 2,5).

Исследуемые суспензии приготавливались с использованием лабораторной мешалки, отстаивались в герметично закрытых емкостях при комнатной температуре в течение 24 часов. Затем в суспензии вводилось определенное количество связующей добавки ПВА, после чего осуществлялось повторное перемешивание. Для обеспечения получения седиментационно устойчивой системы было проведено ультразвуковое диспергирование в течение 8,5 минут. Коэффициент загустеваемости (Кз) оценивали по скорости истечения из воронки вискозиметра Энглера

после 30 с и 30 мин выдержки[2]. Оценка вязкости производилась на основании анализа реологических кривых (рис.1), построенных по обобщенному уравнению течения. Для анализа были взяты составы следующих соотношений (Табл. 1). Оптимальными значениями вязкости обладают суспензии составов 4 и 5.

Таблица 1. Соотношение компонентов исследуемых

№/соотношение Каолин Этанол Вода

1 1 2 1

2 1 - 2

3 1 2 -

4 1 1 1

5 1,5 2 1

Сыэрость сдвига, с-1

Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига

На суспензиях составов 4 и 5 было проведено исследование влияния модифицирующей добавки ПВА на вязкость, скорость сдвига, седиментационную устойчивость (рис.2).

Из анализа зависимости вязкости от скорости сдвига (рис.1) следует, что поликомпонентная суспензия характеризуется тиксотропным характером течения: вязкость монотонно убывает по мере увеличения скорости сдвига[3]. В результате увеличения скорости вращения ротора, сопротивление между отдельными слоями суспензии ослабевает, соответственно вязкость снижается. По данным измерения вязкости самыми устойчивыми и оптимально вязкими оказались шликера составов №4 и №5 с добавками ПВА. Особенностью анализируемых реологических кривых для выбранных

суспензий является наличие линейного участка кривой течения при малых напряжениях сдвига, что отвечает такому состоянию, когда структурные элементы при течении не разрушаются [3]. Значения предела текучести и напряжения, необходимого для полного разрушения структуры составляют 138 и 41 Па. Минимальная и максимальная вязкости значительно отличаются, в пределах 45 Па^с для состава №4, что свидетельствует о наличии слабых коагуляционных контактов. Для состава №5 различие минимальной и максимальной вязкости составляет 1800 Па^С, что свидетельствует о наличии слабых коагуляционных контактов и большей устойчивости [4].

60

50

i 40

S. 20 10 о

D 20 40 60 SO 100 120 140 160

Напряжение сдвига, Па Рис.2. Изменение скорости сдвига суспензии состава №5

+0.9% ПВА с увеличением напряжения сдвига Из анализа зависимости скорости сдвига от напряжения сдвига следует, что полученные суспензии можно считать устойчивыми системами, обладающими достаточно стабильными реологическими свойствами, однако более пригодной для технологии формования послойного нанесения будет суспензия состава №5 (Рис.2), поскольку она имеет более выраженную агрегативную устойчивость, отсутствие агрегирования, коагулирования и оседания.

Было проведено исследование влияния дисперсионной среды и связующей добавки на коэффициент загустевания суспензий (Кз). При введении добавки ПВА Кз увеличивается на 60 % по сравнению с водными суспензиями.

На рисунке 3 показано исследование влияния используемых добавок на отформованных образцах на скорость сушки сырца. Кривая 3 соответствует образцам из водного шликера, кривая 4 - из суспензии с добавкой этанола как дисперсионной среды, кривая 5 -из суспензии №5. Для выбранной по реологическим свойствам оптимальной суспензии №5 сушка протекает наиболее интенсивно и равномерно.

Время, глин

Рис.3. Зависимость влажности отформованных образцов от продолжительности сушки Проводилась оценка прочностных характеристик сырца. Наибольшими значениями прочности на изгиб (0,66 Н/мм2) обладают образцы отформованные из суспензии №5,по сравнению с образцами из водных(0,46 Н/мм2) и спиртовых(0,57 Н/мм2) суспензий. В результате работы были изучены реологические свойства исследуемых суспензий. Был подобран оптимальный состав суспензии, пригодной для изготовления изделий по технологии аддитивного производства.

Крахматова Виктория Юрьевна, студентка 4 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Захаров Александр Иванович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой Общей технологии силикатов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1.Пищ И.В., Климош Ю.А., Габалов Е.В. Влияние разжижающих добавок на реологические свойства керамических шликеров// Труды БГТУ- вып.3. — 2013 — с. 106 -110.

2.Ryan W. Properties of Ceramic Raw Materials [Text] / W.Ryan.-2nd Edn.,England: Pergamon Piess.-1978.-Vol.111.-pp. 50-52.

3.He M. Slurry Rheology in WET Ultrafne Grinding of Industrial Minerals [Text] / M. He, Y. Wang, and E. Forssberg // Review,Powder Technology. — 2004. — Vol. 147. — pp. 100—112.

4.Williams D. J. A. Colloid Stability and Rheology of Kaolinite Suspensions [Text] / D. J. A. Williams and K. P. Williams// British Ceramic Transaction Journal. — 1982. — Vol. 81. —pp. 80—83.

Krahmatova Viktoria Juryevna, Zakharov Alexander Ivanovich*

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

THE MOLDING COMPOSITIONS FOR THE ADDITIVE MANUFACTURING OF CERAMIC PRODUCTS

Abstract. As a result of the compositions were determined for suspensions of ceramic additive manufacturing technologies

involving a liquid phase. The work investigated the relationship between the total active material efficiency and change its

rheological properties suspensions in ethanol, and to the presence of polyvinyl builder. The study was carried out for the selected

suspension regulation reotehnological characteristics: viscosity, fluidity, thicken, thixotropic, sedimentation stability. As a result,

selection of the rheological properties, properties of the molded samples were tested to give optimum results.

Key words: the selection of the rheological characteristics of kaolinite suspensions, plasticizers, viscosity, shear rate, ultrasound

dispersion.