REOLOŠKA SVOJSTVA KERAMIČKIH SUSPENZIJA

Vježbe iz kolegija Keramika, beton i drvo

Sadržaj izlaganja:

2.

1. Uvod

2. Osnove reologije

3. Priprava keramičkih suspenzija

4. Važnost stabilizacije suspenzija

5. Karakterizacija keramičkih suspenzija

1. Uvod

3.

Keramički materijali:

• anorganski

• nemetalni

• metalni i nemetalni elementi

• ionske i/ili kovalentne kemijske veze

• oblikovanje pri sobnoj temperaturi iz sirove mase

• konačna svojstva: nakon sinteriranja pri visokim temperaturama

• Postupci prešanja:

• hladno jednoosno,

• hladno izostatsko (CIP),

• vruće izostatsko (HIP),

• injekcijsko prešanje.

Vrlo učinkovito:

jednostavna geometrija,

homogena struktura,

gustoća blizu teorijske.

Što je s proizvodima kompliciranije geometrije?

Proizvodnja tehničke keramike

4.

5.

• Komplicirana geometrija?

• Različite veličine proizvoda?

• Različiti oblici proizvoda?

• Monolitna ili kompozitna tehnička keramika?

LIJEVANJE SUSPENZIJA

(engl. slip casting)

Ujednačena mikrostruktura bez abnormalnog rasta zrna,

Zadovoljavajuća mehanička, tribološka i dr. svojstva,

Jednostavno,

Pouzdano,

Fleksibilno,

Ekonomski prihvatljivo,

Ekološki prihvatljivo.

2. Osnove reologije

6.

Reologija – znanstvena disciplina koja proučava promjene u

obliku i tečenju tvari.

Obuhvaća:

elastičnost,

viskoznost,

plastičnost.

Viskoznost:

• Mjera unutarnjeg trenja u fluidu, uzrokovanog međumolekulskim

silama.

• Očituje se prilikom svakog pokreta u fluidu (lijevanje, miješanje,

prskanje...).

Slojevi fluida gibaju se jedan preko drugoga pod

djelovanjem smične sile.

• Što je veća viskoznost, veće je trenje među česticama i veća je

sila potrebna za gibanje fluida.

Isaac Newton (1643. – 1717.)

• Gibanje fluida: klizanje slojeva, pri čemu rubni slojevi

(uz stijenku cijevi) miruju, dok se brzina ostalih

slojeva linearno povećava do središta cijevi.

• Viskoznost neovisna o vremenu i brzini gibanja fluida.

njutnovski fluidi – voda!

7.

• Brzina smicanja, g (engl. shear rate)

gradijent brzine pri kojoj se slojevi fluida gibaju

jedan u odnosu na drugi

• Smično naprezanje t (engl. shear stress)

omjer smične sile i površine na koju ona djeluje

• Za njutnovske fluide općenito vrijedi:

Gdje je:

h – dinamička viskoznost, Pas,

t – smično naprezanje, Nmm-2,

g – brzina smicanja, s-1.

8.

gth /

• Nenjutnovski fluidi: viskoznost nije konstantna!

pseudoplastični

dilatantni

plastični

• Prividna viskoznost – viskoznost pri određenoj brzini smicanja

9.

a)b)

c)

a) b)

c)

Tiksotropija (engl. thixotropy)

smanjenje prividne viskoznosti s vremenom, pri

konstantnoj brzini smicanja

Reopeksija (engl. rheopexy)

povećanje prividne viskoznosti s vremenom, pri

konstantnoj brzini smicanja

relativno rijetka pojava

10.

KERAMIČKI PRAHDESTILIRANA

VODAADITIVI

PRIPRAVASUSPENZIJE

LIJEVANJE

SUŠENJE

PRIPRAVA KALUPA

HOMOGENIZACIJA

UKLANJANJE SIROVCAIZ KALUPA

SINTERIRANJE

ZELENA OBRADA

ZAVRŠNA OBRADA

KOMPAKTIRANJE

ODZRAČIVANJE

ULTRAZVUČNAKUPELJ

3. P

rip

rava

ker

amič

kih

su

spen

zija

12.

priprava suspenzije

oblikovanje odljevka

voda suspenzija

disperzant

gipsanikalup

ispust(zatvoren)

punjenje kalupa

ispuštanje viškasuspenzije

višaksuspenzije

djelomično sušenje

čep

razdvajanjekalupa

sinteriranjepeć

proizvod

glina

Materijali

1. Prah visokočiste Al2O3 keramike, prosječne veličine

čestica 325 nm (Alcan Chemicals, SAD),

2. Polielektrolit DOLAPIX CE 64 – poli(metil metakrilat) -

komercijalni disperzant (Zschimmer & Schwarz Chemie

GmbH, Njemačka),

3. Destilirana voda.

13.

Uređaji

1. Laboratorijska vaga Ohaus AP250D (Ohaus Europe

GmbH, Švicarska),

2. Planetarni kuglični mlin Retsch PM 100 (Retsch GmbH,

Njemačka),

14.

3. Ultrazvučna kupelj BRANSONIC 220 (Branson

Ultrasonics Corp., SAD),

4. pH-metar FE20/EL20 (Mettler Toledo GmbH, Švicarska)

15.

4. Važnost stabilizacije suspenzija

16.

• Keramičke suspenzije smatraju se koloidnim sustavima.

• Čestice koloidne veličine (1-100 nm) raspršene u

kontinuiranoj fazi drugog sastava (ili stanja).

• Koloidna suspenzija – čvrsta tvar raspršena u kapljevini.

• Građa keramičkih čestica (dipoli) + interakcija s ionima

otapala (inducirani dipoli) naboj na česticama!

• Brownovo gibanje – nasumično gibanje čestica u koloidu

• Privlačne i odbojne sile među česticama

Električni dvosloj (engl. electrical double layer)

17.

18.

Unutrašnji, tzv. Sternov sloj,

kompaktniji je i jače vezan uz

česticu, za razliku od vanjskog,

difuznog sloja, kojeg je lakše

razoriti.

19.

Iznos rezultantnog naboja (potencijalne energije

na česticama) opada s porastom udaljenosti od

čestice.

• Na svojstva keramike dobivene postupkom lijevanja

suspenzija utječe:

Veličina čestica keramičkog praha,

Sadržaj suhe tvari u suspenziji,

Interakcije među česticama.

• Općenito:

Manje čestice + viša koncentracija suspenzije = bolja svojstva

20.

…međutim...

• Manje čestice + viša koncentracija suspenzije:

Povećana interakcija među česticama,

Povećanje viskoznosti,

Teškoće u lijevanju i popunjavanju kalupa.

• Keramičke čestice imaju veću

gustoću od vode

teže sedimentaciji zbog

djelovanja gravitacije!

21.

nedisperzirane česticeaglomeracija degradacija svojstava

gusto slaganje čestica poboljšanje svojstava

Važnost disperzije čestica

22.

disperzirane čestice

• Disperzija čestica / stabilizacija suspenzija:

dodatak disperzanta

dramatično sniženje viskoznosti

elektrostatička stabilizacija

steričkastabilizacija

elektrosterička stabilizacija

23.

24.

Previše disperzanta,

Kolaps sloja,

Ograničeno djelovanje.

Polimerni disperzanti

Premalo disperzanta,

Djelomična pokrivenost,

Ograničeno djelovanje.

Odgovarajuća količina,

Minimalna viskoznost,

Maksimalna stabilnost.

4. Karakterizacija keramičkih suspenzija

25.

• Procjena stabilnosti suspenzije:

Mjerenje zeta potencijala u ovisnosti o pH,

Sedimentacijski testovi,

Snimanje reoloških dijagrama.

26.

• Snimanje reoloških dijagrama i određivanje reoloških

parametara na rotacijskom viskozimetru DV-III Ultra

(Brookfield Engineering Laboratories, Inc., SAD) u kombinaciji

s termostatiranom kupelji Lauda Eco RE 415 (LAUDA-

Brinkmann, LP, SAD).

• Obrada prikupljenih podataka dostupnim matematičkim

modelima:

potencijski model,

Binghamov plastični model,

Herschel-Bulklyjev model.

• Suspenzije optimalnog sastava pokazuju najbolja reološka

svojstva.

27.

Primjer:

Rezultati mjerenja viskoznosti – 90 % Al2O3 i 10 % ZrO2

28.

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

visk

ozn

ost

, η

[mP

as]

Dolapix CE 64, %

VJEŽBA 5

• Zadatak 1.

Pripravite suspenziju aluminijeve oksidne keramike

miješanjem:

• 288 g keramičkog praha,

• 120 ml destilirane vode,

• 0,2 % disperzanta DOLAPIX CE 64.

a) Odredite maseni udio Al2O3 u ovako pripravljenoj

suspenziji. Masa vode računa se uz pretpostavku da

je njena gustoća 1 gcm-3.

b) Izračunajte koliko disperzanta treba dodati ako se

njegov sadržaj (0,2 %) računa u odnosu na masu

suhe tvari (keramičkog praha).

29.

c) Pripravite zadanu suspenziju na sljedeći način:

Upotrijebite laboratorijsku vagu za vaganje definiranih količina

keramičkog praha i disperzanta.

Potrebnu količinu destilirane vode izrazite i izmjerite u obliku

volumena (ml).

U veliku posudu planetarnog kugličnog mlina (Retsch PM 100)

ulijte destiliranu vodu i disperzant.

Miješajući staklenim štapićem, polako dodajte keramički prah.

Umiješajte 10 keramičkih kuglica za homogenizaciju.

Smjestite posudu u planetarni kuglični mlin i homogenizirajte pri

brzini 300 min-1 tijekom 120 minuta.

Po završetku homogenizacije, filtrirajte suspenziju (odvojite

kuglice).

Tretirajte suspenziju 10' u ultrazvučnoj kupelji.

Izmjerite pH vrijednost suspenzije.

d) Pripravljenu suspenziju izlijte u prethodno pripremljeni gipsani kalup.

• Zadatak 2.

Za usporedbu svojstava pripremite suspenziju

istog masenog udjela keramičkog praha kao u

zadatku 1, ali bez disperzanta. Pomiješajte 10 g

Al2O3 praha i odgovarajuću količinu destilirane

vode u staklenoj čašici. Zapišite svoja opažanja.

31.

VJEŽBA 6

• Zadatak 1.

Pripravite keramičku suspenziju na isti način

kao u prethodnoj vježbi. Nakon tretmana u

ultrazvučnoj kupelji, provedite reološka

mjerenja na viskozimetru Brookfield DV-III

Ultra, uz pripadajući programski paket

Rheocalc. Koristite komoru za male uzorke i

odgovarajuće vreteno.

32.

Parametri ispitivanja su sljedeći:

temperatura: 22±1 °C,

prije mjerenja potrebno je ukloniti povijest uzorka

(100 s-1, 2'),

minimalna brzina smicanja: 0,01 s-1,

maksimalna brzina smicanja: 180 s-1,

koristite model speed ramp,

50 jednakih intervala,

trajanje intervala: 3 s,

mjerenje viskoznosti neposredno prije promjene

brzine.

33.

• Zadatak 2.

Brzina smicanja od 50 s-1 odgovara gravitacijskom

lijevu. U rezultatima mjerenja pronađite brzinu najbližu

navedenoj te očitajte izmjerenu viskoznost pri toj brzini.

• Zadatak 3.

Prikažite promjenu viskoznosti u ovisnosti o brzini

smicanja (skicirajte dijagram). Je li pripravljena

suspenzija njutnovski ili nenjutnovski fluid? Pojasnite.

Ukoliko se radi o nenjutnovskom fluidu, je li to plastični

(Binghamov), pseudoplastični ili dilatantni fluid?

• Zadatak 4.

Primijenite postojeće modele za karakterizaciju fluida.

Upišite dobivene vrijednosti u tablicu i zaključite koji

model najbolje opisuje ponašanje Al2O3 suspenzije.

34.