Szakértesítő 1 Interkerám szakmai füzetek A folyósító szerek viselkedése a kerámia anyagokban
A folyósító szerek viselkedése a kerámia anyagokban Bevezetés A kerámia masszák folyósításkor fő cél az anyag homogenitásának - lehető leghosszabban tartó - biztosítása a felhasználhatóság érdekében. Azaz az előkészítés során a szuszpenzió fázis lehetőséget ad az alapanyagok jó homogenizációjára és az optimális eredmények elérésére. A kerámia szuszpenziók vízzel oldott állapotban lévő porcelán vagy agyagkeverékek - diszperziós rendszerek. Ami azt jelenti, hogy a folyadékban finoman szétoszlatott szilárd anyagok vannak. Ezekben a rendszerekben a gravitáció és az elektrosztatikus erők ülepedésre és agglomerációra - összekapcsolódásra, tömörülésre kényszerítik a szilárd szemcséket. Azért, hogy ezt az összekapcsolódás megelőzzük azaz stabilizáljuk a szuszpenziót szükséges olyan optimális taszítóerő alkalmazása, amely a szilárd szemcsék között hat. Ezt a feladatot megfelelő folyósító-anyag hozzáadásával tudjuk elérni, ezáltal lehetőségünk van az anyag folyósságának - önthetőségének- ellenőrzésére. Víz - szilárd anyagrendszer A víz-szilárd anyag-folyósítószer rendszer minden egyes összetevője hat a szuszpenzió viszkozitására és reológiai tulajdonságaira. Az optimális folyósítás akkor lehetséges, ha a rendszer minden egyes komponensét és a lejátszódó folyamatok hatását figyelembe vesszük.
Ez akkor is hasznos lehet, amikor keressük a lehetséges hibákat, illetve különbözőképpen működő rendszerek tulajdonságait vizsgáljuk. A szuszpenzió tulajdonságainak optimalizálásához a víz-szilárd fázis rendszer egy megfelelő bázis. A továbbiakban a két komponenst - szilárd anyagok és a víz külön- külön vizsgáljuk, azért, hogy jobban bemutassuk azokat a kapcsolatokat, amelyek fontosak a folyósításnál és a megfelelő folyósítószer kiválasztásánál. A szilárd fázis tulajdonságai: A szilárd anyagokat ásványtani, kémiai, morfológiai jellemzők alapján különböztetjük meg. A szilárd anyagok diszperziós tulajdonságai és az optimális folyósítás kiindulási állapota a szilárd anyag összetételétől függnek. A szemcsék mérete és sűrűsége jelentősen befolyásolja az ülepedésre való hajlamot, fajlagos felületet és a kation csere kapacitást. A szemcseméret növekedésével és a szemcsék sűrűségével nő az ülepedésre való hajlam. Ahogyan nő s fajlagos felület, úgy nő az egész rendszer energiája, illetve nő a kisebb szemcsék hajlam is az agglomerációra Víz tulajdonságai: A víz, amit a kerámiaiparban használunk általában oldott sokat, mint természetes komponenseket tartalmaznak. Ez hat a disszociációs - az anyagok szétválásának egyensúlyára. Az öntőiszapban mint egyfajta diszperzióban megjelenő ionok hatására áll be a szükséges disszociációs egyensúly. Az oldott só két vegyértékű kationokat. Kalciumot és magnéziumot Ca 2+ Mg 2+ tartalmaz, ami gátolja a folyósítást. A magasabb keménységű vízben nagyobb számban jelennek meg kationok, ezért általában több vagy agresszívebb additív anyagok szükségesek a kívánt hatás eléréséhez. 2
A víz-szilárd fázis- folyósító rendszer Miként már említettük, az agglomeráció, ami egy nagyon erős elektrosztatikus erő hatására alakul ki, gátolja a magas szilárd anyagtartalmat és az optimális reológiai funkciókat. A folyósítás által az alapanyagok szemcséi között megnő a távolság, így meggátolja az agglomerációt azaz az anyag beállását, amit az elektrosztatikus erők idéznek elő. A víz-szilárd fázis-folyósító rendszerben lejátszódó folyamatok mechanizmusai Alapjában véve három mechanizmus van jelen, amelyek önmagukban vagy egymással kombinálva működnek a használt folyósító függvényében: 1. Kation csere: melynek hatására az alapanyag szemcséi körül egy vékony elektromos réteg jön létre A víz-szilárd fázis rendszerben a vízből szemcsékhez egy vékony, két vegyértékű kationokból álló dupla réteg kötődik. Azért, hogy növeljük az elektromos dupla réteget és ezáltal növeljük a taszító hatást, szükséges hogy a két vegyértékű kationok helyére egy vegyértékűek kerüljenek. 2. Fizikai taszítás: mely az alapanyag szemcsék közötti térben működik a funkciós csoportok jelenléte miatt. Ez esetben a különböző anyagkomponensek ( funkciós csoportok ) elkülönítése a cél, amelynek eredményeként a diszperziós közegben összeállt csoportok taszítják egymást és így űrt hoznak létre az alapanyag szemcsék között. 3
3. Komplex kötés a kationok között Az úgynevezett zavaró - a szabad kétvegyértékű - kationokat kötik meg komplexképző ( additív ) anyagokkal. Ezáltal kialakul a kötés, mielőtt az, az alapanyag szemcse felületére tapadhatna. A folyósító-szerek alapanyag bázisai A folyósító-szereket építhetik szerves vagy szervetlen bázisra is. A szervetlen anyagok főként alkáli foszfátok, alkáli karbonátok vagy alkáli szilikátok. A szerves bázis további két nagy csoportra bontható, nevezetesen természetes vagy szintetikus anyagokra. A természetes anyagok jellemzően alkáli sók, vagy cser illetve huminsavak, míg a szintetikus anyagok polikarbon és foszforsav származékok. Ezek a különböző bázisú anyagok a fentiekben részletezett három mechanizmus ( kation csere, fizikai taszítás, komplexek ) egy egy területén fejtik ki hatásukat, ugyanakkor a mindennapi használatkor általában egymással kombinálva érhető el a kívánt folyósítási eredmény. A lejátszódó folyamatok áttekintése Kation csere Fizikai taszítás Komplexek Alkáli foszfátok X X Alkáli karbonátok X Alkáli szilikátok X Alkáli sók X X Polikarboxid savak X X Polikarbonátok X X X 4
A szuszpenzió öregedése Ha a szilikát tartalmú kerámia testeket hosszabb ideig tároljuk, a szemcse környezetében lévő víz hatására megnő a szemcse felülete. Ez a viszkozitás növekedését eredményezi. A változás a víz-szilárd fázis-folyósító közegben is bekövetkezhet a hosszabb állásidő következtében. Mivel több idő áll rendelkezésre a kation cseréhez lehetséges, hogy a viszkozitás csökken és így nincs meg az optimális taszítóerő az anyagszemcsék között. A hatások kölcsönösen lefedhetik ( elrejthetik ) egymás, így gyakran nem lehet azonnal megfelelő következtetésre jutni. A szuszpenzió hőmérséklete A szuszpenzió magasabb hőmérséklete a víz párolgásához vezet. A vízveszteség elkerülhetetlenül hat a litersúlyra. Az egyensúly a vonzó és taszító erők között víz-szilárd fázisfolyósító rendszerben megváltozik és így a szuszpenzió viszkozitása is megváltozik. Ugyanakkor az alacsony hőmérséklet Összegzés A vízben folyósított kerámia szuszpenzió reológiáját meghatározza a víz, a szilárd fázis és a folyósító közötti kölcsönhatás. Mivel a vonzó erők erejének szerepe van a víz és a szilárd fázis paramétereinél, ezért különböző mennyiségű és különböző folyósító mechanizmusok szükségesek. Dipl.- Ing Manfred Wüst Zschimmer & Schwarz GmbH 5