CC BY
32
УДК 666.3:546'41
Акиншин Д.В., Парамонова Н.Д., Россохина Л.А., Вартанян М.А., Яровая О.В.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
Акиншин Данил Вячеславович, студент 1 курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, e-mail: [email protected];
Парамонова Надежда Дмитриевна, студентка кафедры химической технологии керамики и огнеупоров; Россохина Людмила Анатольевна, студентка кафедры химической технологии керамики и огнеупоров; Вартанян Мария Александровна, к.т.н., доцент, доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
Яровая Оксана Викторовна, к.х.н., доцент, доцент кафедры коллоидной химии Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., 9
Работа посвящена получению водных шликеров для изготовления высокопористой ячеистой керамики на основе оксида алюминия методом дублирования полимерной матрицы. По полученным данным о реологических характеристиках исследованных систем установлено влияние вида и концентрации пластификатора и процентного содержания твердой фазы на свойства шликеров. Определено влияние на реологические свойства шликеров вида и концентрации пластификатора, а также содержания твердой фазы. Установлено, что наибольшее влияние на реологические свойства шликеров оказывает содержание пластификатора.
Ключевые слова: пластификаторы, реологические свойства, литьевые шликеры
RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF CONCENTRATED WATER DISPERSIONS BASED ON ALUMINIUM OXIDE
Akinshin D.V., Paramonova N.D., Rossokhina L.A., Vartanyan M.A., Yarovaya O.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper presents a study in producing of water-based casting slurries for production of porous cellular alumina ceramics by polymer matrix duplicating. The effect of a plasticising agent type and concentration as well as a solid phase content on the rheological behaviour of slurries is discussed. Of all parameters investigated the rheological behaiour of slurries is shown to be most influenced by a plasticising agent concentration.
Key words: plasticising agent; rheological behaviour; casting slurries
Высокопористые ячеистые керамические материалы (ВПЯМ) находят все более широкое применение в различных отраслях науки и техники, в частности, такие материалы перспективны в качестве подложек и носителей катализаторов. Одним из способов получения ВПЯМ является метод дублирования полимерной матрицы, суть которого - нанесение слоя порошка на поверхность органических структурообразующих матриц. Затем проводится термообработка в специальной среде, в ходе которой органическая матрица удаляется путем термодеструкции, а спекающийся порошок дублирует ее форму. В качестве матрицы для ВПЯМ как правило используют пенополиуретан [1].
Экспериментальная часть. Цель настоящей работы - предложить рациональный состав водного шликера на основе оксида алюминия для изготовления высокопористой ячеистой керамики.
Оксид алюминия получали прокаливанием гидроксида алюминия при температуре 1200 °С,
предварительно подготовленную, как описано в работах [2, 3], добавку системы СаО - ZnO - А1203 -SiO2 (CZAS) вводили в количестве 5 мас. %. Смешение добавки с оксидом проводили в фарфоровом барабане корундовыми шарами мокрым способом в течение 12 ч, приготовленные суспензии высушивали при температуре 100 °С. После сушки порошки тщательно перемешивали и гомогенизировали, последовательно протирая через сито № 5. В качестве пластификаторов в работе использовали два наиболее широко используемых в практике водорастворимых полимера -поливиниловый спирт (ПВС) и натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (№-КМЦ). Для создания шликеров использовали растворы с содержанием Ш-КМЦ и ПВС от 2 до 6 мас. %.
На первоначальном этапе работы определяли реологические характеристики приготовленных растворов полимеров, полученные кривые течения представлены на рис. 1.
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
500 1000 1500 Напряжение на сдвиг, Па
2000
2500
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Напряжение на сдвиг, Па
2%
3%
4%
5%
6%
2%
3%
4%
5%
а б
Рис. 1. Кривые течения водных растворов ПВС (а) и №-КМЦ (б) различной концентрации
На основании полученных данных из эксперимента были исключены раствор ПВС с концентрацией 6 мас. %, а также растворы №-КМЦ с концентрацией 5 и 6 мас. % в силу их высокой вязкости, что в дальнейшем может затруднить пропитку полимерной матрицы шликером на их основе. Вязкость остальных растворов даже при минимальных скоростях деформации была невелика, что даст возможность равномерно наносить такие шликеры на структурные элементы сетчато-ячеистой заготовки.
Диапазоны концентраций пластификаторов для подготовки шликеров составили от 2 до 5 мас. % и от 2 до 4 мас. % для ПВС и Ш-КМЦ соответственно, относительная влажность всех шликеров была одинаковой и составляла 50 %. Результаты определения вязкости образцов шликера показаны на рис. 2.
Установлено, что вязкость шликеров на основе 4 и 5 %-ных растворов ПВС, а также 3 и 4 %-ных растворов №-КМЦ сильнее зависит от напряжения на сдвиг, чем для остальных образцов. Это позволяет предположить, что при увеличении содержания твердой фазы в шликерах на основе данных растворов полимеров они будут иметь большую вязкость и малую текучесть, что отрицательно скажется на их литьевых свойствах.
Дальнейшие исследования реологических свойств проводили на шликерах, приготовленных с использованием растворов обоих пластификаторов с концентрацией 2 и 3 мас. %, при этом массовое содержание твердой фазы в шликере изменяли в пределах 45 - 55 %. Полученные данные о текучести шликеров приведены на рис. 3.
140 120 100 80 60 40 20 0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Напряжение на сдвиг, Па
2%
3%
4%
5%
50
45
40
с 35
со П 30
* 25
£
с о 20
сх 15
со
10
5
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Напряжение на сдвиг, Па
2%
3%
4%
а б
Рис. 2. Вязкость шликеров на основе растворов ПВС (а) и №-КМЦ (б) различной концентрации
0
0
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Напряжение на сдвиг, Па
45%
50%
55%
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Напряжение на сдвиг, Па
45%
50%
55%
а
б
0 200 400 600 800 1000 1200 Напряжение на сдвиг, Па
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
500 1000 1500 2000 2500 3000
Напряжение на сдвиг, Па
45%
50%
55%
45%
50%
Рис. 3. Кривые течения шликеров с различным содержанием твердой фазы на основе растворов с массовой концентрацией: 2 % ПВС (а); 3 % ПВС (б); 2 % №-КМЦ (в); 3 % №-КМЦ (г)
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что увеличение содержания твердой фазы, равно как и повышение содержания пластификатора приводит к повышению предела текучести всех рассмотренных композиций. Так, шликеры на основе 3 %-ных растворов ПВС и Ка-КМЦ при одинаковом содержании твердой фазы имеют больший по сравнению с 2 %-ными растворами предел текучести: для растворов с использованием ПВС эта величина составляет порядка 1500 и 800 Па против 800 и 200 Па соответственно. При этом на реологические характеристики шликеров оказывает влияние не только количественное соотношение компонентов, но и вид используемого пластиикатора, при этом наиболее значимым фактором оказывается последнее: шликеры, приготовленные с использованием ПВС, отличают заметно более высокие значения предела текучести во всех рассмотренных диапазонах концентраций. Исходя из полученных результатов, для дальнейших исследований целесообразно использовать шликер
на основе 2 %-ного раствора Na-КМЦ с
содержанием твердой фазы 50 - 55 мас. %.
Список литературы
1. Гузман И.Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур. Свойства и применение (обзор) // Стекло и керамика. 2003. № 9. С. 28-31.
2. Макаров Н.А., Жирнов Р.В., Попова Н.А. Корундовая керамика с эвтектической цинксодержащей добавкой // Стекло и керамика. 2002. № 7. С. 13-14.
3. Макаров Н.А., Свердликов В.Л. Композиционный материал системы корунд -диоксид циркония - спекающая добавка // Стекло и керамика. 2005. № 11. С. 16-18.
4. Петрейкина Н.С., Полутина Е.С., Яровая О.В., Вартанян М.А., Беляков А.В. Реологические свойства концентрированных водных суспензий на основе высокодисперсных кальцийфосфатных порошков // Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. №8(157). С. 74-76.
0
в
г
