Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszék SZAKDOLGOZAT Porózus dekoratív kerámiatermékek előállítási lehetőségeinek vizsgálata téglaagyag és alumínium-oxid porok keverékéből Készítette: Kurovics Emese BSc anyagmérnök hallgató Konzulens: Prof. Dr. Gömze A. László egyetemi tanár Miskolc, 2015
MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Kerámia- és szilikáttechnológiai szakirány Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszék Miskolc-Egyetemváros Szakdolgozat feladat A tervezés tárgyköre: Szilikáttechnológia Kurovics Emese anyagmérnök jelölt részére A szakdolgozat címe: Porózus dekoratív kerámiatermékek előállítási lehetőségeinek vizsgálata téglaagyag és alumínium-oxid porok keverékéből FELADAT RÉSZLETEZÉSE: 1) A vonatkozó szakirodalom összegyűjtése és értékelő feldolgozása alapján vizsgálja meg a témába illő kerámiatermékek gyártástechnológiáját az alapanyagtól, a termékig. 2) Törekedjen a késztermék felhasználása szempontjából fontos tulajdonságok (pl. porozitás) elérésére, amelyeket a kerámia burkolólapok előállítása során ismert és rendszeresen alkalmazott vizsgálati módszerekkel mutassa be. 3) Ismertesse a méréstechnikai módszereket és az elvégzett vizsgálatait elemezze, vonjon le megfelelő következtetéseket. 4) Összegezze az elvégzett kutatómunkát, tegyen javaslatot az optimális gyártási paraméterekre. ALAPADATOK: Konzulens: Prof. Dr. Gömze A. László, egyetemi tanár ME Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszék Zárógyakorlat helye: Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszék Szakdolgozat kiadásának időpontja: 2015. szeptember 10. Szakdolgozat beadásának határideje: 2015. november 23. Dr. Kocserha István int. tanszékvezető
Igazolás Alulírott Kurovics Emese, Neptun kód: K5SUTP, született: Miskolc, 1993.12.20. igazolom, és büntetőjogi felelősségem tudatában kijelentem, hogy a leadott szakdolgozat a saját munkám. Miskolc, 2015. november 23.. Hallgató aláírása Az igazolást átvettem Miskolc.... Szakirány vezető aláírása
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Szeretnék köszönetet mondani konzulensemnek, Prof. Dr. Gömze A. Lászlónak a hasznos szakmai tanácsaiért és segítségéért. Köszönöm Dr. Géber Róbertnek és Dr. Simon Andreának a vizsgálatok alatt nyújtott segítségüket és támogatásukat. Továbbá köszönöm barátaimnak, akik segítettek a dolgozatom utolsó simításaiban. i
ABSZTRAKT A téglaagyag és az alumínium-oxid porból készült porózus kerámiatermék komplex vizsgálatát valósítottam meg, amelyhez az említett anyagokat egyedileg illetve különböző arányokban keverve alkalmaztam. Ennek a vizsgálatnak több kimenetele, illetve célja lehetséges. Az agyag nélküli alumínium-oxidhoz különböző arányban adagolva a fűrészport porózus anyagszerkezet érhető el. Olyan szerkezet alakul ki, amelybe fémolvadékot impregnálva egy kompozit szerkezet jön létre, amely ötvözi az alumínium-oxid nagy szilárdsági és kopásállósági tulajdonságát a fémek rugalmasságával. A téglaagyaghoz adagolt alumínium-oxid por a késztermék színét változtatja, ezért díszítő burkolóelemként, épületburkolatként felhasználható. A színezés mértéke az alap összetevők arányától és az égetési hőmérséklettől erősen függ. A burkoló elemeknél a porozitás a rákerülő festék, felületi kezelés miatt lényeges, mivel a porózusabb terméknek nagyobb a fajlagos felülete, így nagyobb terülést és biztosabb rögzülést eredményez a felvitt rétegnek. Természetesen van olyan eset, amelynél a túl nagy porozitás is káros lehet. Beltéri burkolólapoknál viszont kedvező, mivel természetes klimatizációt biztosít. A legfontosabb tényező burkoló elemek porozitásának beállítása előtt a felhasználás helyének megválasztása. A kutatásom során főként beltéri díszítő burkoló kerámiaként felhasználható keverékekből készítettem próbatesteket, amelyek vizsgálatával újfajta akár iparban is felhasználható összetétel megtalálása volt a célom. ii
TARTALOM KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS... i ABSZTRAKT... ii BEVEZETÉS... 1 1 A KERÁMIA BURKOLÓLAPOK... 2 1.1 A nyersanyagok... 2 1.1.1 A nyersanyag előkészítés... 3 1.2 A gyártástechnológiák... 4 1.2.1 Az extrudálás... 4 1.2.2 A préselés, porsajtolás... 4 1.3 Esztétikai és műszaki szempontok... 5 1.3.1 Padlófűtési rendszerek... 6 2 AZ ALAPANYAGOK ISMERTETÉSE, JELLEMZÉSE... 7 2.1 Az agyag és az agyagásványok... 7 2.1.1 Az agyag fogalma... 7 2.1.2 Agyagásványok szerkezete... 8 2.1.3 Az agyag minőségét befolyásoló egyéb alkotók... 10 2.2 Az alumínium-oxid... 10 2.2.1 Az előfordulása... 10 2.2.2 A nagy tisztaságú alapanyag előállítása... 11 2.2.3 Főbb felhasználási területei... 12 3 A VIZSGÁLANDÓ PRÓBATESTEK KÉSZÍTÉSE... 13 3.1 A keverékek összetétele és készítése... 13 3.2 Az alakadás porsajtolás... 15 3.3 Az égetés... 17 4 AZ ELVÉGZETT VIZSGÁLATOK ISMERTETÉSE... 19 4.1 Termo analitikai vizsgálat... 19 iii
4.1.1 A derivatográf... 19 4.2 A porok szemcseméret analízise... 22 4.2.1 A lézer granulométer... 22 4.2.2 A szitaanalízis... 26 4.3 Az égetés során bekövetkező zsugorodás... 27 4.4 A kiégetett próbatestek vízfelvevő képességének meghatározása... 30 4.5 A kiégetett hengerek hővezetési tényezőjének mérése... 33 4.6 A kiégetett lapok hajlítószilárdsága... 36 4.7 Pásztázó elektronmikroszkópos töretfelület vizsgálat... 38 4.7.1 A pásztázó elektronmikroszkóp működési elve... 38 4.7.2 A lap alakú próbatestek töretfelületének vizsgálata... 39 5 ÖSSZEGZÉS... 41 6 IRODALOMJEGYZÉK... 42 1. sz. MELLÉKLET... 46 2. sz. MELLÉKLET... 52 3. sz. MELLÉKLET... 54 4. sz. MELLÉKLET... 55 iv
BEVEZETÉS Manapság egyre jobban előtérbe kerül az emberek igénye a dekoratív belső terek kialakítására. A különböző burkoló lapok felhasználása erre lehetőségként szolgál, mivel segítségükkel egyedi és esztétikus környezet hozható létre. Emellett az otthonokban egyre többen alkalmaznak padlófűtést, amellyel az optimális hőérzet hamarabb elérhető. Megfelelő kivitelezéssel gazdaságos megoldást nyújt a helyiségek fűtésére. Padlófűtésekhez készítenek többek között jó hővezetéssel rendelkező porózus kerámia járólapokat is, amelyekkel a rendszer teljesítménye növelhető. A nyári zárógyakorlatom során a fűrészpor anyagszerkezetre gyakorolt hatását vizsgáltam téglaagyag és alumínium-oxid porokból készült próbatestek esetén. Az anyagpárosítás ipari felhasználhatóságával kapcsolatban kis számú szakirodalom áll rendelkezésre, így érdekesnek tartom ennek vizsgálatát. A felhasznált alapanyagaim tulajdonságrendszerében jelentős eltérések tapasztalhatók, amelyek közül az egyik legszembetűnőbb az olvadáspontbeli eltérés. A tégla és cserépagyagok olvadáspontja többnyire 1150-1250 C között található, míg az alumínium-oxidé 2000-2050 C körüli. A szakdolgozatomhoz a próbatestek gyártását és vizsgálatát a Kerámia- és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszéken és annak laboratóriumában végeztem. A kutatásom célja új összetétel alkalmazásával dekoratív, nagy szilárdságú és porózus kerámia burkolólap készítése, amely mind belső fal, mind padlófűtési rendszerek burkolására ideális lehet. Ezt a késztermék (kerámia burkolólap) porozitásának és hővezető képességének a növelésével kívántam elérni. A porózus burkolólapok előnyei többek között, hogy a padlólapok esetén többnyire csúszásgátló felülettel rendelkeznek, porozitás miatt könnyített szerkezetű burkoló gyártható. 1
1 A KERÁMIA BURKOLÓLAPOK A burkolólapok ipartörténelme az időszámításunk előtti 4000-ig nyúlik vissza, ezekben az időkben az agyag téglákat a napon szárították vagy megsütötték. A burkolólapokat kézzel készítették, emiatt mindegyik egy-egy művészeti alkotásnak tekinthető. Az évszázadok alatt a burkolólapok díszítése fejlődött, ahogy a gyártási módszerek is. Az alagútszárító kemence feltalálásával 1910 környékére elterjedt az automatizált gyártás [1, 2]. A burkolólapok csoportosítása több szempont szerint lehetséges. Az egyik legfontosabb a fagyállóság kérdése, ami összefügg a porozitással. Fagyállóság alapján megkülönböztethető fagyálló és nem fagyálló csempe. A hazai időjárási viszonyokat figyelembe véve a préseléses technológiával készülő burkolók közül csak a 3% alatti vízfelvételűek alkalmazhatóak kültéri használatra [3]. 1.1 A nyersanyagok A kerámia burkolatok alapanyagai főként a természetben megtalálható és gazdaságosan kibányászható kőzetek és agyagásványok. A kitermelés után ezeket kémiai és mechanikai módszerekkel tisztítják és finomítják, majd recept alapján, megfelelő arányban keverik az összetevőket. Az elkészült kerámialapok minősége az alapanyagok tisztaságától jelentősen függ. Az alapanyagok szennyezettsége a belőle készülő termék minőségét és árát csökkenti. A burkolólapok készítéséhez használt nyersanyagok között vannak természetes és mesterségesen előállított anyagok [4]. Természetben Agyag; Nefelin, szienit; előforduló: Földpát (pl. KAS 6 ); Cirkon (ZrO 2 -SiO 2 ); Kvarc (SiO 2 ); Bórax (NB 2 H 10 ); Mészkő (CaCO 3 ); Pirofillit (AS 4 H); Magnézium-karbonát Spodumen (LAS 6 ); (MgCO 3 ); Berill (BeAS 6 ) [2]. Zsírkő (M 3 S 4 H); 2
Mesterségesen előállított: Timföld (Al 2 O 3 ); Ólom (II)-oxid (PbO); Cink-oxid (ZnO); Ón-dioxid (SnO 2 ); Bárium-titanát (BaO TiO 2 ); Ólom (P)- cirkonát (Z)- titanát (PT); Vas (III)-oxid (Fe 2 O 3 ); Szilícium-karbid (SiC); Titán-karbid (TiC); Bór-nitrid (BN); Kobalt (II)-oxid (CoO) [2]. Egy adott recept összeállítása során mindig figyelembe kell venni, milyen tulajdonságokkal rendelkező termék előállítása a cél. A receptúra esetén lényeges figyelembe venni a különféle adalékanyagok tulajdonságokra gyakorolt hatását. A természetes alapanyagok közül a három legfontosabb ásvány a kvarc, amely szilárd vázat ad, a földpát, ami folyósítószer szerepét tölti be (olvadáspont csökkentő), az agyagásványok pedig a kellő plasztikusságért felelnek [5]. 1.1.1 A nyersanyag előkészítés A kibányászott nyersanyagokat gyakran a lelőhelyének a közelében finomítják vagy dúsítják, mielőtt a kerámia üzemben szállítanák, így energia spórolható meg. A nyersanyagok aprítása a további feldolgozás elengedhetetlen feltétele. A nagy anyag rögök aprítására mechanikus törő berendezéseket használnak, amelyek konstrukcióját tekintve lehetnek pofás-, kúpos-, hengeres-, röpítő törő vagy görgőjárat (kollerjárat) egyaránt. A törés után a kisebb rögök szemcsékké redukálása és a porok finomőrlése malmokkal valósítható meg. Többnyire kalapács vagy gyűrűs malmokat alkalmaznak. A gyűrűs malom esetén az aprítás a két elmozduló felületen nyomó és dörzsölő hatással történik. A kalapács malomban a nyersanyag zúzását gyorsan mozgó acél kalapácsok végzik. A finomabb szemcseszerkezet elérésére például golyósmalom alkalmazható, mely egy részben gömbölyű őrlőtestekkel megtöltött hatalmas forgó hengerből áll [6]. Az aprítás után szükséges az anyagok szemcseméret szerinti osztályozása, amelyre több lehetőség adott, pl.: sziták vagy rácsos osztályozók alkalmazhatóak, amelyek a különböző méretű szemcsék szétválasztására használhatóak. A szitákat többnyire ferdén helyezik el, emellett elektromos vagy mechanikus úton vibráltatják, így fokozva a nyersanyag áramlását. A sziták osztályozása a hálóhuzalok száma alapján történik, minél nagyobb a szálak száma, annál kisebbek a nyílások [5, 6]. 3
1.2 A gyártástechnológiák A burkolólapok alakadása történhet extrudálással, préseléssel és porsajtolással. A következő fejezetekben ezeket a technológiákat szeretném röviden bemutatni. 1.2.1 Az extrudálás A nagy víztartalmú képlékeny alapanyag-masszát egyenletes vastagságúra nyújtják, darabokra vágják, majd kiégetik. A burkolólapok előállításánál tisztább, homogenizált szemcseszerkezetű alapanyagot használnak és az égetés magasabb hőmérsékleten történik, mint a tégla- és a cserép gyártásánál. Az extrudált (húzott) kerámiák készülhetnek mázas és máztalan kivitelben egyaránt. A lapok minősége és ára széles skálán mozoghat az alapanyag finomsága (szemcseszerkezete), az égetés hőfoka és időtartama függvényében [6]. Az alacsony vízfelvételű (0,1-6%), fagyálló, magas hőfokon égetett extrudált kerámiákat klinkernek nevezzük. Ezek is készülhetnek mázas vagy máztalan kivitelben. A klinker burkolatok árfekvése magas. Alkalmazhatósági területük széleskörű, kiemelkedő mechanikai terhelhetőségüknek köszönhetően. A klinkerek másik előnyös tulajdonsága, hogy hátoldaluk erősen tagozott, így a kötőanyaggal nagy felületen érintkeznek, így az aljzattal nagy tapadó szilárdságú kötést tudnak létrehozni. Hátrányuk a méretpontatlanságukban rejlik, amely a hosszú égetésük alatt létrejövő jelentős mértékű zsugorodásuk miatt következik be [3, 6]. 1.2.2 A préselés, porsajtolás Az alacsony nedvességtartalmú porszerű alapanyagot nagy teljesítményű présekkel lapokká sajtolják, majd görgősoros alagútkemencében kiégetik. Ez a gyártási mód termelékenyebb és gazdaságosabb az extrudálásnál, így ma már a világ burkolólap termelésének döntő hányadát préselt technológiával állítják elő. Az alapanyag összetétele széles határok közt változhat. Lényeges különbségeket okozhat az alapanyag szárazon őrlése, illetve vizes közegben "atomizálása". A vizes közegben történő őrlés esetén a szemcseméretet néhány mikronos tűréssel teljesen egyenletessé teszik, és az elemi szemcsék formáját szinte tökéletesen gömbbé formálják. A szárazon őrölt alapanyagok fő felhasználási területe a hagyományos technológiával készülő falicsempék esetén a csempe - alaptest gyártása, amelyet alacsony (kb. 940 C) hőmérsékleten égetnek ki. Az így kapott porózus alaplapot mázazzák, és újra kiégetik. Atomizálással előkésztett lapok fal- és padlóburkolatként is alkalmazhatóak, az előállításukra egyaránt használnak vörös és fehér agyagokat is [7]. 4
Az alapanyag minőségétől, a préselés során alkalmazott nyomástól és az égetés jellemzőitől függően a lapok vízfelvétele általában 0,05-6% közötti. A kerámia anyagainak természetéből adódóan egyes gyártási szériák között enyhe színárnyalati eltérések tapasztalhatóak. A porózus mázas burkolólapokat főként beltéri falés/vagy padlóburkolatként alkalmazzák. Ezeket érdemes óvni a keményebb tárgyak által okozott sérülésektől. A porózus kerámialapok szakszerű burkolással kiválóan alkalmazhatóak padlófűtéshez is [8]. 1.3 Esztétikai és műszaki szempontok A kerámia burkolólapok kiválasztása és beépítése előtt fontos a burkolattal szemben támasztott körülmények meghatározása. A csempe és padlólap helyes kiválasztását sok tényező befolyásolja. Ezek közé tartozik a színigényünk, a helység mérete és funkciója, az építmény anyaga, a felület jövőbeli terhelési igénye, a külsőbehatások mértéke és milyensége. Ezeket az adatokat érdemes alaposan végiggondolni, a burkolólap kiválasztása előtt. A lapok anyagát már több tényező befolyásolhatja, és míg az eddig felsorolt tényezők csupán az esztétikai élményt növelik vagy csökkentik, a lap anyaga határozza meg a burkolat tartósságát. Aljzatra mindenképpen kopásálló lapok javasoltak. A lap vastagságát és teherbírását annak alapján kell figyelembe venni, hogy milyen funkciójú helyiségbe kerül [9]. A megfelelő burkolólap kiválasztásánál többnyire az esztétikai szempontok játsszák a legfontosabb szerepet. Itt szabályokat lehetetlen felállítani, hiszen mindenkinek lehetősége van arra, hogy a saját ízlésvilágának és elképzeléseinek megfelelő terméket, színösszeállítást, dekorációs elemet válassza. Az esztétikai szempontok mellett viszont nem hanyagolhatóak el az adott termék műszaki (mechanikai, kémiai) jellemzői sem [10]. A burkolólap választásánál nagyon fontos szempont továbbá, hogy falra vagy padlóra kerül a burkolólap. A padló burkolására csak olyan lapok használhatóak, amelyek kopásállósági osztályba (PEI) vannak sorolva. A padlólapot a falburkolótól a vastagság alapján is meg lehet különböztetni: a falicsempék általában jóval (2-3 mm) vékonyabbak. A padlólap kiválasztásakor lényeges szempont, hogy milyen jellegű és intenzitású használatnak lesz kitéve a felület. A sűrűn használt felületeket (pl. üzlethelyiséget, előszobát) magasabb kopásállósággal rendelkező termékek felhasználásával célszerű burkolni. A külső terek burkolásánál fagyálló lapokat és ragasztót kell használni [10]. 5
A megfelelő burkolólap kiválasztásánál lényeges szempont az is, hogy milyen a burkolandó felület (pl. padlófűtés, dilatált felület). A rossz minőségű alapfelület hibája mindig a burkolólapon jelentkezik. A lapok minősége és ára széles skálán mozoghat az alapanyag finomsága (szemcseszerkezet) az égetés hőfoka, időtartama és a gyártástechnológia függvényében [11]. 1.3.1 Padlófűtési rendszerek Az utóbbi néhány évben rohamosan növekedett a padlófűtési rendszerek alkalmazása, és mára a családi házak, társasházak, egyéb lakó- és hivatali épületek megszokott fűtési rendszerévé vált. Fokozódó népszerűsége köszönhető annak, hogy az emberi szervezet által ideálisnak érzett hőmérséklet-eloszlást a padlófűtés sokkal jobban megközelíti, mint a radiátoros fűtés. Megfelelő kerámialap alá történő beépítésével csökkenthető a burkolat hideg láb érzete. A padlófűtés előnyei a hagyományos radiátoros rendszerhez képest: az optimális hőmérséklet-eloszlás; a kisebb energia-felhasználás; a nagyobb komfort [12, 13]. A padlófűtések vitathatatlan előnye az alacsony hőmérsékletű nagy felületek felületi hőátadásában rejlik. A komfortérzet a hőmérséklet függvénye! Radiátoros fűtésnél a komfortérzés csak 22 C levegő- hőmérsékletnél jelentkezik, ezzel szemben a villamos padlófűtésnél, ez az érzés - a hősugárzás következtében - már 19 C-nál jelentkezik. Ezért ez a fűtési mód energiatakarékosabb [14]. Kizárólag padlófűtéses helyiséget azonban csak akkor lehet készíteni, ha a hőveszteség az egészségügyi és komfortszempontoknak megfelelő felületi hőmérséklet esetén pótolható, ellenkező esetben kiegészítő fűtést kell alkalmazni. Gyakori megoldás, hogy a csempével vagy kőlappal burkolt padlózatú nappali padlófűtést kap, míg a többi helyiség meleg padlóburkolattal készül. Sok esetben a melegvizes padlófűtések helyett elektromos padlófűtést alkalmaznak. Az elektromos padlófűtés teljesítményének növelésére alkalmasak a jó hővezető képességű, porózus kerámia járólapok. A padlófűtés által kínált előnyök azonban csak a padlószerkezet megfelelő kialakítása és korrekt szabályozás mellett érvényesíthetők [12, 13]. 6
2 AZ ALAPANYAGOK ISMERTETÉSE, JELLEMZÉSE Az alábbi fejezetben a kutatásom során használt alapanyagok, így az agyag és az alumínium-oxid jellemző tulajdonságait szeretném részletesebben ismertetni. 2.1 Az agyag és az agyagásványok A természetben igen sokféle agyag-előfordulás található, melyeket jelentős hányadban finomszemcsés ásványok alkotnak. Az agyag megfelelő felhasználási területe az alkotó ásványok mennyiségének és szemcseméretének függvénye. Lényeges, hogy az agyag és agyagásvány fogalma nem ekvivalens egymással. A különböző szakterületek eltérő fogalomhasználata miatt az agyagnak kőzettani, ásványtani és szemcseméretbeli jelentése is van [15, 16]. 2.1.1 Az agyag fogalma Auguszt Hermann SEGER szerint az agyag szubsztancia a laza, törmelékes kőzetek olyan frakciója, amelynek szemcsemérete 10µm alatti. Albert ATTERBERG definíciója alapján az agyag olyan laza, törmelékes kőzetek alkotta nyersanyag, amelynek legnagyobb szemcsemérete 2µm alatt található [17]. Manapság a tégla- és cserépgyártáshoz használt agyag olyan laza, törmelékes kőzet, amely agyagásványt tartalmaz, víz hozzáadásával képlékeny masszává alakul, képlékeny formában alakítható és jól formázható [17]. Az agyagok megkülönböztetése történhet: lelőhely alapján: a keletkezés helyén (primer) vagy attól távolabb (szekunder) helyezkedik el a lelőhely; keletkezés alapján: vízből vagy levegőből ülepedett; geológiai kor: földtörténeti keletkezés szerint; uralkodó ásványok alapján [15]. Az ipari felhasználást tekintve elsődleges jelentősége az agyagok tisztaságának van, amely alapján megkülönböztethetőek a nemesagyagok (döntően egy agyagásványt és amellett kevés szennyezőt tartalmaz), és felhasználástól függően a tűzálló-, a fazekas- és a téglaagyagok [15, 18]. 7
Az agyagkőzetek elsődlegesen agyagásványokból épülnek fel. Az agyagásvány olyan rétegszilikátok (más néven filoszilikátok) és egyéb ásványok, amelyek az agyag plaszticitását biztosítják és a nedvességtartalom távozása után megkeményednek. A szerkezetük általában mikronos nagyságrendű lemez, tű vagy pálcika alakú kristályokból épülnek fel [15]. A filoszilikátokon belüli csoportok a következők: kaolin szerpentin csoport; pirofillit talk csoport; szmektit és vermikulit csoport; csillám csoport; klorit csoport [19]. 2.1.2 Agyagásványok szerkezete A rétegszilikátok alap szerkezeti építőelemei a SiO 4-4 tetraéder, amely polimerizációja során tetraéderes (T) réteg jön létre és az (Al 2 O 6 ) 6- oktaéder, ami az oktaéder (O) réteget alkotja. Az oktaéder középpontjában Mg 2+ vagy Al 3+ foglal helyet, a csúcspontokon (OH) - illetve O 2- ionok vannak. Az 1. ábrán láthatóak a rétegszilikátokat alap építőelemei: a tetraéder és az oktaéder [15]. 1. ábra: a) SiO 4-4 tetraéder, b) Al 2 O 6-6 oktaéder (Átvéve: Dr. Kocserha István [15]) A rétegkomplexumok különböző módon kapcsolódhatnak egymáshoz, ezzel különböző ásványtípusokat kialakítva. A legegyszerűbb eset, amikor a tetraéderes rétegben a tetraéderek két csúcspontjában lévő oxigén atom egy-egy le nem kötött, szabad karjához kapcsolódik az oktaéderes réteg. Ezzel TO rétegződésű ásványokat hozva létre, ezek (1:1) típusú agyagásványok. A rétegek kapcsolódásának más módja, amikor két tetraéderes réteg közre fog egy oktaéderes réteget, így TOT rétegkomplexum, (2:1) típusú agyagásvány keletkezik [15, 20]. 8
A rétegek további kapcsolódása a következőképpen lehetséges: Semleges, ahol a 2 TOT réteget csak a Van der Waals féle erő tartja össze, ezért ezek könnyen elmozdulnak, elcsúsznak kisebb erő hatására. Ilyenek pl.: a talk és a pirofillit. Különböző töltésű TOT rétegeknél ezt a kötést vízmolekulák és a periodikus rendszer I.-II. főcsoport egyes elemei képezik. Ilyen elemek pl. Ca 2+, Na +, K +. Ez a kapcsolódási mód duzzadásra hajlamosabb. Ilyenek pl.: montmorillonit, bentonit, szmektit [15]. Az agyagásványok szerkezeti felépítését jól szemlélteti a 2. ábra. 2. ábra: Az agyagásványok szerkezeti felépítése (átvéve: Udvardi Beatrix [16]) A következő táblázatban látható egy tipikus agyagásvány összetétel. 1. táblázat: Agyagásvány összetétel (átvéve: Prof. Dr. Gömze A. László [21]) Anyagok Kémiai képlet Mennyiség [%] Kvarc SiO 2 30,00 Clinochlore (CR-tartalmú, dehidratált) Mg 3 (Mg 2 Al)((Si 3 Al)O 10 )OH) 2 O 3 8,00 Paligorszkit M Mg 5 (Si 4 O 10 ) 2 (OH) 2 (H 2 O) 8 7,00 Muszkovit-2M1, ammóniás (K,NH 4,Na)Al 2 (Si,Al) 4 O 10 (OH) 2 36,60 Paligorszkit (Mg,Al) 5 (Si,Al) 8 O 20 (OH) 2 8H 2 O 0,00 Filipszit-K (K,Na) 2 (Si,Al) 8 O 16 4H 2 O 9,30 Illit-1M (NR) K 0.7 Al 2 (Si,Al) 4 O 10 (OH) 2 1,40 Albit, (alacsony) NaAl 0.91 Si 3 O 8 5,80 Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 1,90 Jól látható, hogy egy agyag igen sok ásványból tevődhet össze, amelyeken kívül amorf részeket is tartalmaz. Az agyagásványok mennyisége rendkívül változó, 50 %-nál nagyobb is lehet, de sokszor 15 %-nál kisebb. 9
2.1.3 Az agyag minőségét befolyásoló egyéb alkotók Az agyag többi alkotórésze kvarchomokból, alkáli-, alkáliföldfém- és vasoxid-tartalmú kőzetmálladékból áll, melyben földpát, csillám és limonit mellett színes és nem színes ásványok is előfordulnak (így pl. dolomit, gipsz, barit, rutil, cirkon, stb.). A szabad kvarctartalom az agyag minőségét jelentősen befolyásolja, mivel soványító anyagként működik, azaz a massza képlékenységét csökkenti, viszont a száradási tulajdonságokat javítja. Azok az agyagok, melyekben viszonylag nagy a szabad kvarctartalom, sovány agyagoknak tekinthetők. A magas agyagásvány tartalmú agyagok a zsíros agyagok. A legtöbb agyagban biogén eredetű ásványi anyagok és szerves anyag is találhatók (pl. gyökér). Az agyag vas-oxid tartalma befolyásolja a késztermék színét. Ez a vas-oxid általában limonit és goethit formájában van jelen [15, 22]. 2.2 Az alumínium-oxid Az alumíniumoxid (Al 2 O 3 ) a legfontosabb és a leggyakrabban alkalmazott műszaki oxidkerámia anyag, amelyre gyakran timföldként utalnak. A tömör szinterezett alumíniumoxid tulajdonságai: nagy szilárdság és keménység; jó hő stabilitás; jó kopásállóság és korrózióállóság magas hőmérsékleten is. A 80 99 % alumíniumoxidot tartalmazó anyagok a gyakorlatban jól bevált műszaki anyagok. A nagyobb alumínium-oxid arány még a legjobb műszaki alkalmazásoknál sem szükséges [23, 24]. 2.2.1 Az előfordulása A természetben főként bauxit formájában található, amelynek a fő alkotó vegyülete az Al 2 O 3. Különböző állapotban is létezik, amelyek magas hőmérsékleten mind visszatérnek a legstabilabb hexagonális állapotba. A következőkben a módosulatait mutatom be. 10
2.2.1.1 Az -alumínium-oxid (stabil forma) Színtelen, hexagonális vagy rombos kristályokat képez, amelyben az oxigénionok szoros illeszkedésű hexagonális szerkezetben, az alumíniumionok pedig interszticiálisan az oktaéderben találhatók [25]. Főbb tulajdonságai: a sűrűsége 3,97 g/cm 3, az olvadáspontja 2015 C, a forráspontja 2980 C. Gyengén savas kémhatású, a savaknak ellenáll, a lúgokban oldódik aluminát-ionok keletkezésével. Az ismert legkeményebb anyagok egyike, csak a szilícium-karbid és a gyémánt keményebb nála [25]. Különböző formákban fordul elő az -alumínium-oxid, ezek közé tartozik: a korund és a smirgel (kiváló csiszoló anyagok); színes drágakő változatai: o a rubinok nyomokban krómmal szennyezve; o zafírok nyomokban kobalttal szennyezve [25]. 2.2.1.2 A -alumínium-oxid Fehér, mikrokristályos anyag, a sűrűsége 3,5-3,9 g/cm 3. Melegítéskor átalakul az - formává. Tipikusan amfoter: savban alumíniumsók keletkezésével oldódik, bázisokban aluminát ionokat képezve oldódik. Számos, más alumínium-oxid változatot is ismert ( -alumínium-oxidok) ezek alkálifém-ionokat tartalmaznak. Továbbá létezik egy rövid élettartamú spektroszkópikus szuboxid is, az AlO. A fém alumínium felszínén keletkező, azt rendkívül hatásosan védő oxidréteg is egy szerkezeti variáns [25]. 2.2.2 A nagy tisztaságú alapanyag előállítása A porkészítés a tisztasággal és a részecskemérettel szemben támasztott igényektől függően mechanikai őrléssel, kémiai eljárással, különböző szinterelési eljárásokkal lehetséges. Pórusmentes, áttetsző, a nátriumlámpáknál alkalmazható vékonyfalú cső állítható elő szubmikronos porból, kevés, (kb. 0.5 %) MgO hozzáadásával védőgázban történő hagyományos szintereléssel, 1400-1600 C-on. Meleg préseléssel (1200 1400 C-on, 35-70 MPa nyomáson) néhány perc alatt pórusmentes termék készíthető (vágólapkák) [26]. Különleges alakú Al 2 O 3 előállítása: tűkristályok, illetve erősítőszálak is készíthetők belőle; egykristály rudakat olvadékból növesztenek Czochralski módszerrel [26]. 11
2.2.2.1 A Bayer-eljárás A műszaki kerámiaipar eltérő szemcseméretű és szemcseszerkezetű, illetve tisztaságú alumínium-oxid (korund) porokat használ termékeinek előállítására. Ezek közös jellemzője, hogy mesterséges úton a bauxitból állíthatóak elő a jól ismert Bayer eljárással [27]. K. J. Bayer (1847-1904) osztrák kémikus szabadalmaztatta az eljárást, amely során: a bauxitot megőrlik; a kovasavtartalmát eltávolítják; a benne lévő alumínium-hidroxidot nátronlúggal feltárják (a nem amfoter szennyező anyagok, például a vas-oxidok ilyenkor nem oldódnak): Al(OH) 3 + NaOH Al(OH) 4 a vörös iszapot - amely főleg vas-, alumínium-, szilícium- és nátrium-oxidot tartalmaz - elválasztják (ülepítéssel, mosással); az alumínium-hidroxidot kalcinálással, izzítással alumínium-oxiddá (timföld) alakítják (1150-1200 C-ra hevítve tiszta -alumínium-oxid, 500-800 C-on - alumínium-oxid nyerhető ki.) [25]. 2.2.3 Főbb felhasználási területei A nagy tisztaságú alumínium-oxidból készült termékek felhasználási köre széles. A jelentősebb alkalmazások a következők: tűzállóanyag: pl. tégelyek, csövek, termoelem-szigetelők; mechanikai alkatrész: pl. fúvókák, szelepek; mikroelektronika: pl. zafír szubsztrát; elektromos: pl. gyújtógyertya vagy más szigetelő; féldrágakő, stb. [24, 25]. 12
3 A VIZSGÁLANDÓ PRÓBATESTEK KÉSZÍTÉSE A tervezett vizsgálataim különböző próbatest geometriát igényeltek, ezért kétféle alakú próbatesteket készítettem (henger illetve téglatest, a továbbiakban korong és lap). A hengeres próbatestekre a hővezetési tényező méréséhez volt szükségem, míg a lap alakúakra a hajlító szilárdság mérése miatt. 3.1 A keverékek összetétele és készítése A felhasznált alapanyagok: Leier Mátraderecske szürke agyag; Martinswerk alumínium-oxid; Lucfenyőből készült finomszemcsés fűrészpor. A felsorolt alapanyagokból többféle összetétellel keverékeket készítettem (2. táblázat). A keverékek készítésének első lépése az agyag dörzsmozsárban történő aprítása volt, ezt követően az alapanyagok kimérése következett. Az összetevőket 1-2 percig kézzel való keveréssel homogenizáltam, majd zacskóba helyezve, megjelölve a felhasználásig tároltam. Az alakadás során a sajtolandó pormennyiség kimérése előtt minden esetben átkevertem az adott keveréket a homogenizálás érdekében. A 2. táblázat a különböző összetételű keverékeket mutatja be, a beadott alkotók tömegszázalékos mennyiségeivel. A táblázatban a betű a keverék két fő összetevőjének arányára utal, a szám jelölés pedig sorban növekszik (a -1 és a 0 jelölés oka, a keverékek utólag készültek, de összetétel szerint előre sorolandók). A beadagolt agyag és alumíniumdioxid mennyisége 0, 20, 40, 60, 80, 100 m%, a fűrészpor mennyisége 0, 2, 4, 6, és 8 m%. Összesen 30 féle 150 g-os keverék készült. A fűrészpor hozzáadásának jelentősége a porozitás növelése illetve az égetésnél a szükséges fűtőanyag mennyiségének a csökkentése [28]. 13
2. táblázat: A készített keverékek jelölése és összetétele tömegszázalékban Tömegszázalék [m%] Keverék jele Agyag Al 2 O 3 Fűrészpor A B C D E F -1. 0 0. 2 1. 100 0 4 2. 6 3. 8 4. 0 5. 2 6. 80 20 4 7. 6 8. 8 9. 0 10. 2 11. 60 40 4 12. 6 13. 8 14. 0 15. 2 16. 40 60 4 17. 6 18. 8 19. 0 20. 2 21. 20 80 4 22. 6 23. 8 24. 0 25. 2 26. 0 100 4 27. 6 28. 8 14
3.2 Az alakadás porsajtolás Az alakadás előtt a kerámiai porokhoz hozzáadott adalékanyagok a formázást segítik elő (képlékenyítő, folyósító adalék). Az receptek összeállítása során plusz adalékanyagot nem volt szükséges hozzáadnom. A felhasznált alumínium-oxid sajtolópor volt, tehát a próbatest alaktartását elősegítő adalékot tartalmazott. A kívánt formára alakítás több módja lehetséges: egytengelyű préselés; izostatikus préselés; fröccsöntés; extrudálás; fóliaöntés [29]. A felsorolt keverékekből porsajtolással készítettem próbatesteket. A sajtolási eljárással viszonylag tömör próbatestek illetve késztermékek állíthatóak elő, de ezek nyers állapotban kis szilárdsággal rendelkeznek. Az alakadáshoz a Kerámia és Szilikátmérnöki Intézeti Tanszék laboratóriumában található mechanikus húzó-nyomógépet használtam. A készített kétféle próbatest gyártási körülménye a 3-as táblázatban láthatóak. 3. táblázat: A sajtolás adatai Próbatest geometria Jellemző méretek Sajtoló tömeg, m [t] Sajtolós erő, F [N] Sajtolt felület, A [mm 2 ] Sajtoló nyomás, p [MPa] Megnevezés [mm] Henger átmérő, d 20,0 7,0 68670,00 314,00 218,69 Lap hossz, a 75,0 szélesség, b 5,0 8,5 83385,00 375,00 222,36 Mindkét próbatest alak esetén a sajtolótömeg megválasztásánál arra törekedtem, hogy ugyanolyan sajtolónyomással (kb. 220 MPa) történjen az alakadás. Az elkészített keverékből 3 db korong (1-28. keverékekből), illetve 5 db lap alakú próbatestet (-1-28. keverékekből) készítettem. A sajtolás menete a következő: a préspor betöltése a szerszám üregbe; a szerszám behelyezése a mechanikus gépbe; rászorítás; a tömörítés, a sajtoló erő fokozatos ráadása; leterhelés; 15
a szerszám megfordítása; a darab kitolása a szerszámból; a szerszám tisztítása a következő betöltés előtt. Sajtolás esetén a sajtolópor mennyisége a reprezentatív vizsgálat érdekében állandó, esetemben hengeres próbatesteknél 5 g, a lap alakú próbatesteknél 10 g porkeverék betöltésére került sor. A sajtolás egyik legfontosabb kritériuma, hogy a sajtolópornak megfelelő sűrűséggel kell rendelkeznie. A túl sok finom szemcse gátolja a folyási tulajdonságot, ami beékelődéshez vezet, viszont a durva szemcsék egyenetlen felületet eredményezhetnek [30]. A használt mechanikus géppel egyoldalú sajtolást végeztem, amelynek a hátránya, hogy az erőhatás egy oldalról (felülről) érkezik. Így a por részecskéi egymással és a fallal is súrlódnak, ezáltal a tömörödés nem egyenletes. Ezzel a préselési módszerrel egyszerű darabok tömeggyártását valósítják meg [29, 30]. A 3. ábrán láthatóak a szerszámok, amelyek segítségével készítettem el a próbatesteket, a 4. ábrán a porsajtolást végrehajtó gép látható. 3. ábra: Balra a lap és jobbra a henger alakú próbatestek készítéshez használt szerszámok 4. ábra: A mechanikus húzó-törő gép A sajtolt próbatestek geometriai adatait 3-3 különböző helyen (henger: átmérő, magasság; lap: hosszúság, szélesség, magasság) megmértem, majd az átlagolt értékeket használtam fel a számításaimhoz. 16
3.3 Az égetés A nyers próbatestek szinterelése az előállítás utolsó szakasza, így nyerheti el a termék a kívánt szilárdságát. A lesajtolt próbatestek kiégetése a tanszéken található kamrás kemencében, oxidációs atmoszférában, lassú felfűtéssel és három különböző maximális hőmérséklettel történt (1050 C, 1150 C, 1250 ). Az 1050 C-os égetési hőmérsékletgörbe látható az 5. ábrán, a két órás hőntartást lassú hűtés követte. 5. ábra: A kemence felfűtésének hőgörbéje Az alumínium-oxid olvadáspontja: 2050 C, a belőle készült termékeket 1300-1400 C szokás kiégetni. Vizsgálataim során alacsonyabb hőmérsékletet alkalmaztam a magas agyagtartalom miatt, ami ezen a hőmérsékleten már megégne. Az égetési folyamat során az agyag teljesen kiégett. Az Al 2 O 3 szemcsék között az alkalmazott hőmérsékleten még nem alakul ki a szilárdságához szükséges kerámiai kötés. A lap alakú próbatesteket csak 1050 C-on égettem ki, míg a korong alakú próbatestek esetén különböző maximális égetési hőmérsékletet alkalmaztam. Először a kiégetési hőmérséklet a lap alakú próbatestekhez hasonlóan 1050 C, később a próbatestek egy-egy harmadát 1150 C-os és 1250 C-os maximális hőmérséklettel, kamrás kemencében újraégettem, az alumínium-oxid nélküli (100% agyag tartalmú) próbatesteket leszámítva. A különböző maximális hőmérsékletű égetések eredményeként eltérő színárnyalatú mintákat kaptam, ezek a 6. ábrán láthatóak. A 7. ábrán az 1050 C-on kiégetett téglatest alakú próbatestek láthatóak. Az ábra alapján az agyagtartalomban lévő különbség. Mivel együtt lettek kemencébe helyezve a próbatestek így a 100% Al 2 O 3 tartalmú próbatestek oldalai is elszíneződtek (az alumínium-oxid tiszta állapotban fehér). 17
6. ábra: A henger alakú próbatestek színének alakulása a különböző égetési hőmérséklettel 7. ábra: Az 1050 C-on égetett lap alakú próbatestek keverékenként sorba helyezve 18
4 AZ ELVÉGZETT VIZSGÁLATOK ISMERTETÉSE Ebben a fejezetben a korábban ismertetett receptúra segítségével gyártott próbatestekkel kapcsolatos vizsgálatok bemutatása és kiértékelése látható. 4.1 Termo analitikai vizsgálat A keverékek elkészítése előtt szükségesnek találtam a felhasználni kívánt agyag termo analitikai vizsgálatát, amelyet derivatográffal végeztem. A termo analízis segítségével megállapítható, milyen kémiai és fizikai reakciók, illetve átalakulások mennek végbe a vizsgált mintában a hőmérséklet függvényében. Mérhető fizikai állapotváltozásnak a súlyilletve halmazállapot-változás tekinthető. A kémiai reakciókat minden esetben entalpiaváltozás kíséri, hőfelszabadulás (exoterm) vagy hőelnyelés (endoterm). 4.1.1 A derivatográf A derivatográfia olyan összetett termoanalitikai módszer, amellyel a vizsgált minta hevítése során bekövetkező átalakulásokat kísérő hőenergia- és tömegváltozások egy mintával egyidejűleg meghatározhatók. Az erre alkalmas készülék a derivatográf (8. ábra), amely a DTA-, TG-, T- és DTG-görbéket egy időben automatikusan veszi fel [31]. A derivatográf részei: 1. mintatartó; 2. inert anyagot tartalmazó tégely; 3. tégelytartó rúd; 4. termoelemek; 5. kemence; 6. mérleg; 10. DTG galvanométer; 11. T galvanométer; 12. DTA galvanométer; 13. megvilágító lámpák; 14. optikai rés; 15. fotografikus jelrögzítés (de ma már 7. áramlevezető huzalok; számítógépes jel-és adatrögzítés 8. tekercs; 9. mágnes; történik) [31]. 19
8. ábra: A derivatográf működési elve [31] A vizsgálati eredmények láthatóak a következő ábrákon. TG T=290,5 C DTA T=155,9 C DTG T=85,7 C T=553,1 C T=701,7 C T=795,8 C 9. ábra: Az agyag termoanalitikai vizsgálata A 9. ábra alapján megállapítható, hogy az agyagban endoterm folyamatok játszódnak le a hőmérséklet emelkedésével. 85-86 C között fejeződött be az agyag száradása, majd 156 C körül a metán és egyéb gázok távozása történt a rendszerből. Ezt követően 500 C környékén kezdődött a karbonátok bomlása, tehát a CO 2 távozása és kezdetét vette a dehidratáció és az átkristályosodás folyamata ( kvarc kvarc átalakulás). 553 C-on a legintenzívebb a tömegveszteség. Az ábra alapján megállapítható, hogy a vizsgálataimhoz használt agyag dolomitos volt. A dolomit bomlásakor a következő folyamat játszódik le [32]: 20
A fűrészpor termoanalitikai vizsgálatának eredményeit a 10. ábra foglalja össze. TG T=317,4 C DTG DTA T=61,9 C 10. ábra: A fűrészpor termoanalitikai vizsgálata A 10. ábrán 62 C-nál látható a fűrészpor száradása, a nedvesség távozása a rendszerből. 317,4 C-on volt tapasztalható fűrészpor belobbanása, ekkor a legintenzívebb az égés. Ezt követően a fűrészpor folyamatosan égett el, minimális mennyiségű hamut hagyva maga után. A fűrészpor termoanalitikai vizsgálatát utólag végeztem el, az eredmények figyelembe vételével az égetési hőgörbe áttervezésére van szükség. 300 C-400 C között érdemes a felfűtési sebességen változtatni (csökkenteni), így a későbbiekben bemutatásra kerülő zsugorodási hiba megszüntethető. 21
4.2 A porok szemcseméret analízise A kísérletek elvégzése előtt szükséges ismerni a felhasználandó anyagok szemcseméretét, mivel a szemcsés anyagok egyik jellemző tulajdonsága. Az agyag és alumínium-oxid esetében lézer granulométer segítségével történt az analízis, míg a fűrészpornál szitasor alkalmazásával határoztam meg a szemeloszlást. 4.2.1 A lézer granulométer A lézergranulométert a részecskeméret eloszlás mérésére használható. A módszer a lézerfény szórásán alapul, diffrakciós kép keletkezik, mivel a részecskéket monokromatikus fény hatásának tesszük ki. A módszer hátránya, hogy nem képes különbséget tenni az egy szemcsén vagy agglomerátumokon, aggregátumokon történő fényelhajlás között. A technika optikai modellje gömbszerű szemcséket feltételez, így a nem gömbszerű szemcsék esetén egy azzal egyenértékű szemcsére vonatkozó méreteloszlást kapunk [33]. A vizsgálat alapelve: Egy jellemző minta megfelelő koncentrációban egy alkalmas közegben diszpergálva monokromatikus sugárnyalábon,általában lézersugáron halad át. A részecskék által többféle szögben szórt fényt egy többelemű detektor érzékel. A diffrakciós képet megadó numerikus értéket ezután, a további analízishez regisztrálják. Majd e diffrakciós kép-adatokat, megfelelő optikai modell és matematikai eljárás alkalmazásával transzformálják, aminek eredményeként az, a teljes térfogat részeit diszkrét számú méretosztályba sorolja, térfogati részecskeméreteloszlást eredményez [33]. A lézerdiffrakciós készülék egy lehetséges elrendezését a 11. ábra szemlélteti. 22
Részei: 1. elsötétedési detektor; 2. szórt fény; 3. közvetlen sugárnyaláb; 4. Fourier lencse; 5. a (4) lencse által össze nem gyűjtött fény; 6. részecske halmaz; 7. lézer fényforrás; 8. sugár-feldolgozó egység; 9. a (4) lencse hatótávolsága; 10. többelemes detektor; 11. (4) lencse fókusztávolsága [33]. 11. ábra: A lézerdiffrakciós készülék egy lehetséges elrendezése [33] 4.2.1.1 A lézergranulométerrel kapott mérési eredmények A mérések Malvern Mastersizer X típusú lézergranulométerrel történtek.. A következőkben vizsgálati jegyzőkönyvek illetve a szemcseeloszlási diagramok láthatók. Az agyag szemcseösszetétele széles mérettartományt foglal magába (1-600 m). A szemcséinek a 60%-a 200 m alatt található. Az agyag aprítása nem egyenletes, nagyszámban találhatóak benne 500 m körüli méretű szemcsék.az alumínium-oxid szemcseszerkezete ezzel szemben elég homogén, 10-200 m közötti, a szemcsék 90%-a 160 m alatti. 23
agyag Run No. 1 Presentation: 2RHA Monomodal model Volume Result Source: Analysed Focus = 300 mm. Beam Length = 2.4 mm. Obscuration = 0.3 % agyag Measured on: 2001. Jan 1. 12:28du. Analysed on: 2001. Jan 1. 12:28du. Last Saved: Configuration file: Sample Path: C:\SIZER\DATA\ Sampler: MSX64 Residual = 1.238 % Concentration = 0.001 % Uniformity = 1.805 Span = 6.008 Specific S.A. = 0.2308 sq. m. / gm d (v, 0.5) = 88.55 um Mode = 279.03 um Statistics betw een 0.50 um and 600.00 um Volume Surface Length Number Mean Stan. Dev. Skew Kurtosis 189.25 196.934 0.7908-0.9102 26.00 65.150 5.7532 37.1113 7.48 11.772 20.4095 698.3583 5.10 3.488 15.8794 1155.9502 D [4, 3] = 189.25 um D [4, 2] = 70.15 um D [4, 1] = 33.27 um D [4, 0] = 20.82 um D [3, 2] = D [3, 1] = D [3, 0] = 26.00 um 13.95 um 9.97 um D [2, 1] = D [2, 0] = 7.48 um 6.18 um D [1, 0] = 5.10 um Percent Size (um) 10.0 8.36 20.0 16.85 50.0 88.55 80.0 425.37 90.0 540.34 Modes (um) 279.03 26.55 64.36 11.98 12. ábra: Az agyag vizsgálati jegyzőkönyve 50 40 30 20 10 Volume % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.0 10.0 100.0 1000.0 0 Particle Diameter (µm.) 13. ábra: Az agyag szemcseeloszlása 24
Al2O3 Run No. 1 Presentation: 2RHA Monomodal model Volume Result Source: Analysed Focus = 300 mm. Beam Length = 2.4 mm. Obscuration = 16.1 % Al2O3 Measured on: 2001. Jan 1. 12:33du. Analysed on: 2001. Jan 1. 12:33du. Last Saved: Configuration file: Sample Path: C:\SIZER\DATA\ Sampler: MSX64 Residual = 7.380 % Concentration = 0.125 % Uniformity = 0.539 Span = 1.713 Specific S.A. = 0.1144 sq. m. / gm d (v, 0.5) = 78.27 um Mode = 118.14 um Statistics betw een 0.50 um and 600.00 um Volume Surface Length Number Mean Stan. Dev. Skew Kurtosis 85.37 50.535 0.5120-0.6427 52.44 41.553 1.3969 1.4642 30.53 25.865 2.7132 9.0946 20.97 14.157 4.1388 25.8526 D [4, 3] = D [4, 2] = D [4, 1] = D [4, 0] = 85.37 um 66.91 um 51.51 um 41.15 um D [3, 2] = D [3, 1] = D [3, 0] = 52.44 um 40.01 um 32.26 um D [2, 1] = D [2, 0] = 30.53 um 25.31 um D [1, 0] = 20.97 um Percent Size (um) 10.0 24.07 20.0 36.59 50.0 78.27 80.0 131.88 90.0 158.14 Modes (um) 118.14 20.07 14. ábra: Az alumínium-oxid vizsgálati jegyzőkönyve 50 40 30 20 10 Volume % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.0 10.0 100.0 1000.0 0 Particle Diameter (µm.) 15. ábra: Az alumínium-oxid szemcseeloszlása 25
4.2.2 A szitaanalízis A kiválasztott finomszemcsés fűrészpor szemcseméret-eloszlását szitasor segítségével határoztam meg. Hét különböző méretű szitát válogattam össze, amelyeknek a szita lyuk bősége a következő: 2-1,25-0,8-0,63-0,5-0,4-0,16 mm és a vakszita. A fűrészporból 50g-ot mértem ki, majd beletöltöttem a szitába. A szitálás után megmértem a fent maradt anyag mennyiségeket. Az így kapott értékek (4. táblázat) alapján készítettem a következő diagramot. A fűrészpor szemcseméret-eloszlását a 16. ábra tartalmazza 4. táblázat: A fűrészpor szitaanalízise Szemcseméret [mm] Szitamaradék [g] Relatív frakció [%] Kummulatív szitamaradék, R [%] Kummulatív áthullás, D [%] >2 0,6 1,20 1,20 98,80 1,25 3,2 6,43 7,63 92,37 0,8 7,3 14,66 22,29 77,71 0,63 8,4 16,87 39,16 60,84 0,5 5,3 10,64 49,80 50,20 0,4 5 10,04 59,84 40,16 0,16 14,8 29,72 89,56 10,44 <0,16 5,2 10,44 100,00 0,00 Összesen: 49,8 24,9 16. ábra: Fűrészpor szemcseméret eloszlása A szemcseméret analízis eredményei alapján, az alapanyagokat porsajtolásra alkalmasaknak találtam. 26
4.3 Az égetés során bekövetkező zsugorodás Kerámia termékek esetén lényegese az égetés során bekövetkező alakváltozás (zsugorodás, duzzadás) meghatározása. Az égetési folyamatok alatt távozó gázok és anyagszerkezeti változások következtében a termékek mérete változik. Ez esetben zsugorodásról beszélhetünk, amelyet a nyers és égetett termék geometriai méreteinek a változás mutat. Az elkészített próbatestek keverékenként átlagolt geometriai méretei, tömege és az azokból számolt térfogat és zsugorodás értékek az 1. sz. mellékletben szerepelnek. A térfogati zsugorodás könnyebb átláthatósága érdekében készítettem el az 5. táblázatot illetve a következő diagramokat (17-20. ábra). 5. táblázat: A sajtolt lapok térfogati zsugorodása Al 2 O 3 tartalom [m%] TÉRFOGATI ZSUGORODÁS [%] a bekevert fűrészpor mennyiségének [m%] függvényében 0% 2% 4% 6% 8% 0 9,61 9,01 10,46 10,23 10,72 20 9,92 6,86 7,04 10,17 11,87 40 9,62 6,44 5,97 7,94 7,07 60 3,25 3,28 3,83 3,82 3,83 80 3,77 3,77 3,07 4,42 8,87 100 2,32 3,15 1,71 2,26 1,71 17. ábra: A térfogati zsugorodás a keverékszám függvényében A diagram alapján megfigyelhető, hogy az alumínium-oxid hozzáadása lecsökkenti a térfogati zsugorodás értékét. A növekvő fűrészpor tartalom a térfogati zsugorodást növeli. A fűrészpor mennyisége a térfogati zsugorodást meghatározza. A 18. ábra térfogati zsugorodás fűrészpormennyiség-függését mutatja be. 27
18. ábra: A térfogati zsugorodás a fűrészpor mennyiségének a függvényében A diagram alapján az egyes keverékek térfogati zsugorodása a fűrészpor mennyiségének függvényében nem meghatározható. A diagramra egységes trendvonalat nem lehet illeszteni, így pontos következtetés nem tudtam levonni. A 19. ábrán az alap keverék - Al 2 O 3 mennyisége - szerint készítettem diagramot. Az illesztett trendvonalak a különböző fűrészpormennyiségeket mutatják. 19. ábra: Térfogati zsugorodás az alumínium-oxid mennyiségének a függvényében A kapott eredményekre exponenciális trendvonalakat illesztve látható, hogy az alumínium-oxid mennyiségének a növelése lényegesen csökkenti a zsugorodást. 28
Jól megfigyelhető, hogy a 8 m% fűrészport tartalmazó keverékek zsugorodása különböző mértékű. Ennek oka, hogy a zsugorodás során a fűrészpor szétlökte a terméket, ez a hiba az égetési körülmények változtatásával kiküszöbölhető. A 2 m% illetve a 4 m%-os keverékek zsugorodása szépen változott az alumínium-oxid arányának növelésével, így a későbbiekben érdemes ezekkel tovább foglalkozni. Az 1050 C-on kiégetett korongokat ismételt hőkezelésnek tettem ki, hogy lássam a magasabb égetési hőmérséklet hatását. 1150 C és 1250 C-os hőmérsékleteken következőképpen alakult a nyers állapotban mért adatokhoz képest a minták alakváltozása (20-21. ábra). 20. ábra: Térfogati zsugorodás 1150 C 21. ábra: Térfogati zsugorodás 1250 C 29
Látható a 20. ábrán, hogy 1150 C-os égetési hőmérsékletnél a nagyobb agyagtartalmú minták jobban zsugorodtak, tehát hasonló, mint az alacsonyabb égetési hőmérsékletnél volt. Ezzel szemben a 21. ábrán, az 1250 C-os hőmérsékletnél a nagy agyag tartalmú mintáknál duzzadás tapasztalható, ez mutatja, hogy a felhasznált agyag ezt az égetési hőmérsékletet már nem képes elviselni. Így később 1050-1150 C-os égetési hőmérsékletre érdemes tervezni. 4.4 A kiégetett próbatestek vízfelvevő képességének meghatározása A durvakerámiai termékek pórusokkal, kapillárisokkal átszőtt szerkezete képes vizet magába szívni és megtartani, mivel a pórusok egy része vízzel telíthető. A vízfelvevő képesség a nyílt pórusokra jellemző. A vízfelvevő képességet tömegszázalékban adjuk meg, ami megmutatja, hogy az egységnyi tömegű tégla mennyi vizet képes felvenni. A vízfelvevő képességet két órás desztillált vízben való forralással határoztam meg. A darabokat belemerítettem a vízbe annyira hogy teljesen ellepje a víz mindet. A víz felforrásától kezdve két óráig forraltam, az elpárolgó vizet folyamatosan pótoltam, amikor szükséges volt. mv m A vízfelvevő képesség meghatározása: V 2 k 100, ahol: m V k : a vízfelvevő képesség [%]; m v : a próbatest tömege a forralás után [g]; m 2 : a próbatest égetés utáni tömege [g] [34]. A 6. táblázatban és a következő diagramokon (22-24. ábrán) a vizsgálati eredményeim láthatóak, a számítás során használt tömegek az 2. sz. mellékletben szerepelnek. 2 6. táblázat: Az 1050 C-on égetett korong alakú próbatestek vízfelvevő képessége Al 2 O 3 m% VÍZFELVÉTEL [m%] a bekevert fűrészpor mennyiségének [m%] függvényében 0% 2% 4% 6% 8% 0 - - 9,69 10,31 12,68 20 4,91 4,84 9,29 11,10 10,34 40 9,00 9,76 11,22 13,28 14,42 60 8,14 11,00 10,80 14,43 15,69 80 12,94 12,07 14,34 17,31 15,83 100 12,48 12,96 14,16 17,07 17,69 30
22. ábra: Az 1050 C-on égetett korongok vízfelvétele 23. ábra: Az 1150 C-on égetett korongok vízfelvétele 31
24. ábra: Az 1250 C-on égetett korongok vízfelvétele A különböző keverékek, illetve próbatestek vízfelvevő képessége a fűrészpor mennyiségének növelésével növekedett, mindhárom hőmérsékleten. 1050 C-on égetett termékeknél optimálisnak a 4 m% fűrészport tartalmazó keverékeket tartom, mivel ezek vízfelvevő képessége függ legkevésbé az Al 2 O 3 mennyiségétől. Az égetési hőmérséklet növelésével ez megváltozik. Az 1150 C-on égetett minták esetén a nagyobb agyagtartalommal rendelkezőknek lecsökken a vízfelvétele, a legtöbb esetben 2%-os csökkenés tapasztalható. Az 1250 C-on égetett próbatestek vízfelvétele nem változik egyenletesen a különböző fűrészport tartalmazó keverékeknél. 32
4.5 A kiégetett hengerek hővezetési tényezőjének mérése A hővezetési tényezőt C-Therm TCi (Thermal Conductivity Analyzer) segítségével mértem. A berendezés módosított tranziens sík forrás módszer elven működő eszköz, amely alkalmas folyadékok, porok, és szilárd anyagok (kerámiák, műanyagok, fémek) hővezetési tényezőjének meghatározására, -50 +200 C között. Mérési tartománya 0-120W/mK, pontossága jobb, mint 1%. A mérőszenzor egyoldali mérést tesz lehetővé. A gép előnye a könnyű kezelhetősége, valamint hogy széles hőmérséklet-tartományban roncsolásmentes vizsgálatot biztosít. A különböző anyagtípusokhoz a vizsgálati leírás eltérő minta-előkészítést ad meg. Keramikus anyagok vizsgálatánál a minimális minta vastagság 5 mm és szobahőmérsékleten kenőanyagként desztillált víz használata szükséges. A mérés menete: a vizsgálandó anyag előkészítése, felület ellenőrzése (szennyeződés, sérülés); a szenzorra kenőanyag felvitele (esetemben desztillált víz); a minta szenzorra állítása, plusz súly ráhelyezése; a vizsgálat elindítása. A vizsgálati eredményeket a 7. táblázat, illetve a következő diagramok (26-28. ábra) foglalják össze, a további hővezető képesség értékek a 3. sz. mellékletben találhatóak. A mérési összeállítás a 25. ábrán látható. 7. táblázat: Az 1050 C-on égetett minták hővezető képességének alakulása Al 2 O 3 m% HŐVEZETŐ KÉPESSÉG [W/mK] a bekevert fűrészpor mennyiségének [m%] függvényében 0% 2% 4% 6% 8% 0 - - 1,876 1,860 1,656 20 1,656 2,369 2,230 2,160 1,990 40 3,015 2,678 2,314 2,549 2,036 60 4,060 3,627 2,904 3,166 2,232 80 4,836 3,399 3,043 2,060 2,597 100 6,393 4,891 5,134 4,672 4,544 25. ábra: A mérési összeállítás 33
26. ábra: Az 1050 C-on égetett korongok hővezető képessége 27. ábra: Az 1150 C-on égetett korongok hővezető képessége 34
28. ábra: Az 1250 C-on égetett korongok hővezető képessége Az eredményekből látható mennyire különbözik az agyag illetve a tiszta alumíniumoxid hővezető képessége, az agyag felhasználása során, mint téglaipari alapanyag a minél nagyobb hőszigetelő képesség elérése a fontos. Az alumínium-oxid ezzel szemben jól vezeti a hőt. A porozitás növelése nagyobb fűrészpor mennyiség javítja a késztermék hőszigetelő tulajdonságát, ami a burkoló anyagoknál fontos tulajdonság. Az 1150 C-on égetett próbatesteknél érdekesen alakul a különböző fűrészpor mennyiség hatása a hővezető képességre. Az 1250 C-on égetett minták hővezető képessége elég egyenletes (kivéve a 100% Al 2 O 3 tartalmú minták esetén). 35
4.6 A kiégetett lapok hajlítószilárdsága A hajlítószilárdság a törésig elviselt maximális erőből, valamint a próbatestek és az alátámasztás geometriájából határozható meg. A hajlítószilárdságot INSTRON 5566 Univerzális anyagvizsgáló berendezéssel vizsgáltam, ami a 25. ábrán látható. 29. ábra: INSTRON 5566 univerzális anyagvizsgáló készülék A vizsgálatokat követően a szoftver által készített diagramok és táblázatok kiértékelhetők. A 26. ábrán a 8. keverékből 2 próbatest törésének diagramja látható. Megállapítható hogy mindkettő 40 N hajlító erő körül tört el. 30. ábra: 80m% agyagot és 20 m% Al 2 O 3 -ot tartalmazó alapkeverék 8 m% fűrészporral Mivel a lap alakú próbatesteket csak az 1050 C-on égetettem ki, így ezen a hőmérsékleten hőkezelt minták a hajlítószilárdságát mértem, azok törési értékeit összesítettem és a hajlító szilárdság értékeket a következő táblázatban és diagramon szemléltetem. 36