فرآوری سرامیکها
Ceramic processing
درس تخصصی دوره کارشناسی رشته مهندسی مواد – سرامیک
مسعود محبی
دانشگاه بین المللی امام خمینی
سر فصل درس
فرآوری مواد اولیه Raw material preparation:
قابل استفاده کردن مواد معدنی مورد نیاز برای محصولات سرامیکی (سنتی و پیشرفته)
تکنولوژی های تغلیظ مواد معدنی :
شتسشوی کائولن (بالابردن میزان کائولن (تغلیظ))
تکنولوژی بایر bayer (تولید آلومینا Al2O3 )
تکنولوژی Acheson
فرآوری مواد اولیه:
سنگ شکنها و تکنیکهای آن
آسیاب کردن
روشهای تهیه پودر powder preparation:
Chemical method
Physical method (محدود است)
روشهای شناخت پودرها (خواص پودرها) powder characterization
تفسیر خواص، اثر متقابل با خواص مواد
مورفولوژی: علم شناخت شکل (مثلا شناسایی شکل پودر)، توزیغ مورفولوژی.
شکل دادن:forming
Electrodeposition
CVD
PVD
Tape casting
Injection moulding
روشهای پیشرفته
روش های ساخت کامپوزیت
نقش افزودنیها The role of additives in ceramic processing:
1- اثر در فرآوری
a- افزودنیهایی به کمک آسیاب (Anti-foam, surfactant (ضدکف))
b- افزودنی هایی کمک به پایداری دوغاب
c- افزودنی های کمک به پرس :
الف- Flowability of powder (کمک به خواص جریانی گرانوله ها)
ب- روغنکاری lubricant
d- چسب binder
2- اثر در خواص نهایی
خشکایش Drying
روش های پیشرفته
محاسبات مهندسی (فرموله کردن اثر عوامل بر روی پروسه ها)
تف جوشی sintering
روشهای پیشرفته
محاسبات مهندسی
Machining & Surface finishing
Attachment & Joining
فرآوری مواد اولیه Raw material preparation:
علم مواد چیست؟ یک متخصص مواد باید بداند رابطه بین ترکیب و ساختار چیست و آن را پیدا کرده و بشناسد و پیش بینی نماید و نیز رابطه بین ساختار و خواص و رابطه بین ترکیب و خواص را.
(خواص مواد مبنتی بر ترکیب و ساختار آنهاست) در واقع کار متخصص مواد این است که رابطه میان ترکیب، خواص و ساختار را بشناسد و بتواند با شناخت این روابط پیش بینی های لازم را انجام دهد. در بین این سه عامل، نوع پروسه ساخت نیز دارای اهمیت است و میتواند بر روی خواص و کاربرد و غیره تأثیر بگذارد. لذا یک متخصص مواد، با شناخت رابطه میان این چهار عامل می تواند پیش بینی نماید که چه قطعه ای با چه ترکیب، خواص و پروسه و ساختاری برای یک کاربرد بخصوص می تواند مفید باشد.
اگر بخواهيم بدنه هاي سراميكي بخصوص سراميكهاي مهندسي بسازيم؛ بايستي آگلومره هاي خودبخودي را كنترل كنيم و آنها را ديسپرز كنيم، سپس بدنه اي متراكم مي سازيم. در ادامه انقباض داريم؛ انقباض مرحله خشك كردن و ديگري در زينترينگ و اگر در پروسه ، پليمر هم داشته باشيم، بعد از خشك كردن و قبل از زينترينگ مرحله ي ديگري با عنوان pyrolysis يا polymer burnout داريم( البته زماني اين مرحله را داريم كه مقدار پليمر قابل توجه باشد.)
در اين بخش، تغليظ دو ماده مورد بررسي قرار خواهد گرفت: 1-كائولن (مهمترين ماده سراميكهاي سنتي) ،2-آلومينا (مهمترين ماده سراميكهاي مهندسي).
تغلیظ کائولن
کائولن از هوازدگی سنگهای ثانویه فلدسپاتی پدید می آید. در معدن کائولن، کائولینیت، سیلیس، فلدسپات، کوارتز و ... نیز وجود دارد. بخاطر تاریخچه باستانی که در یک معدن وجود دارد، امکان دارد که نوع کائولن موجود در یک معدن با دیگر معادن تفاوت داشته باشد. (پرکائولینیت، کم کائولینیت، نوع رنگ و ...)
معادن به صورت روباز(open pit) (بهترين معادن كائولن اروپا از اين نوع هستند ودر ايران با وجود اينكه معادن خوبي نداريم ميتوان زنوز و آباده را نام برد)و یا بسته هستند. در یک معدن، نکته مهم برداشت از معدن و هماهنگسازی است. در یک معدن، نقاط مختلف معدن دارای درجه های متفاوت خلوص مواد در جاهای گوناگون می باشد در نتیجه نمی توان به طور ساده عملیات تغلیظ را انجام داد و باید تکنیکهای هماهنگ سازی و انبار صورت گیرد. زیرا مواد استخراج شده باید همگن باشند تا خلوص مواد یکسان باشد، برای این منظور و برای هماهنگ سازی و انبار و یکنواخت سازی از تکنیکهای دپوی چند تپه ای و یا دپو و برداشت عمود بر هم استفاده می گردد.
بسته به نوع معدن کائولنیت موجود در سنگ در یک محدوده مثلاً 25-30 درصد وجود دارد که باید به 70-80 درصد برسد تا درصد کائولن مناسبی داشته باشیم. پس به طور كلي سنگهايي كه از معادن به دست مي آيند بايد دو كار بر روي آنها انجام شود؛ يكي اينكه بايد تغليظ شوند تا درصد كائولينيت افزايش يابد و ثانيا بايد ناخالصيهاي كائولن گرفته شود. ( بعضي ناخالصيها وجودشان مضر است؛ مانند: آهن، تيتانيوم؛ ولي بعضي زياد خطرناك نيستند مثل كوارتز و فلدسپار.)براي سراميكهاي سنتي بيشتر افزايش مينرال كائولينيت اهميت دارد و در صورتي عمليات شيميايي در جهت حذف ناخالصي ها انجام مي شود كه بخواهيم در جهت خاصي استفاده شود.
دو نوع مواد معدني كائولن داريم: 1- معدن پر از كلوخه هاي بسيار محكم باشد (مثل معدن زنوز). 2- كائولن در حالت طبيعي به صورت پودر يا كلوخه هايي با استحكام كم داريم.
پروسه اول: شستشوي كلوخه هاي بسيار محكم كائولن
در مرحله اول برداشت از معدن و انبار كردن در نزديكي كارخانه را داريم. (به ماده برداشت شده كائولن خام(crude kaolin) گويند.)
یک روش برای شروع کار، آسیاب سنگهاست که میتواند خشک یا تر باشد، اگر آسیاب خشک باشد، محصول پودر است که باید جداسازی شده و سپس به داخل آب برود. در روش تر، آسیاب تر انجام می گیرد که محصول دوغابی حاوی کائولن، فلدسپار، کوارتز و... خواهد بود. سختی این مواد با یکدیگر متفاوت است. هرچه نرمتر باشد، در آب راحتتر باز می شود و احتمال زیادی دارد که در بخشهای سخت تر سیلیکای بیشتری وجود داشته باشد. در این مرحله محصول را وارد سیکلون می کنند. در سیکلون مواد را از پایین وارد می کنند و از بالا خارج می کنند. یعنی جهت حرکت مواد، عکس جاذبه است، لذا مواد سنگین تر با احتمال بیشتری، زودتر ته نشین می گردد. این کار را چندبار تکرار می کنند، هرچه که پیش رود، سرعت کمتر می گردد تا به ترتیب مواد ریزتر و سبکتر نیز جدا شوند. (البته سرعت چرخش را هم بايد مورد نظر قرار دهيم؛ چون اگر سرعت زياد باشد كائولينيت هم حل مي شود و بايد سرعتي بهينه باشد .
بعد از جداسازی اولیه، تغلیظ می کنند و دوباره وارد سیکلون می نمایند و این پروسه را برای بالابردن درجه خلوص مواد تکرار می کنند. سپس توسط سرند مواد درشت را جدا کرده و استخرهای بزرگی می کنند. در اینجا ذرات دارای غنای بیشتری از کائولینیت هستند. اما به دلیل رقیق بودن و آب داشتن، محصول در اینجا دارای مقدار آب زیادی است. در این مرحله محصول یا با اضافه کردن افزودنیهایی و دادن زمان، ته نشین می کنند. در نتیجه دو لایه، یکی ضخیم و غلیظ، در پایین و دیگری شفاف و رقیق در بالا ایجاد می شود. از بالا آب را با پمپ خارج می کنند و از پایین مواد غلیظ را وارد فیلترپرس می نمایند.
محصول قبل از فیلترپرس، خاکی غنی از کائولن است که بعد از فیلترپرس بخش زیادی نمکها و افزودنیهای محلول در آب از آن خارج می شود. به محصول بعد از فیلترپرس «کیک» می گویند. بعد از این مرحله کائولن را به صورت پودر در می آورند یعنی خشک کرده و آسیاب می کنند. ولی برای گرانوله کردن (که برای سرامیکها مهم است) کیک را از چرخ گوشت مانندهای بزرگی رد می کنند که خروجی آن به صورت گرانوله هایی خواهد بود که سپس آن را خشک می کنند.
پروسه دوم: شستشوی کائولن نرم (تغلیظ کائولن یا فراوری کائولن):
در بعضی معادن به خاطر تاریخچه ای دارند بسیار نرم هستند و امکان خروج سنگ را ندارند. در نتیجه اگر کارخانه فرآوری نزدیک معدن باشد (به دلایل اقتصادی) دیگر نیازی به استخراج معدن به صورت سنگ و غیره نیست. و لذا توسط جت آب معدن را شستشو داده و مواد حاصل را به صورت استخرهای فرآوری هدایت میکنند. و در بین راه از سرندی رد می کنند تا مواد درشت را جدا سازند و سپس مانند روش قبل مراحل را انجام می دهند. در جاهایی که غلظت معدن بالاست و بسیار نرم است، مواد را مستقیم وارد حوضچه ها و استخرها می کنند که در این استخرها مواد سنگین زودتر ته نشین می شوند که هرچه رو به بالا برویم، غلظت کائولن نیز بیشتر می گردد. در نتیجه نمی گذارند مواد کاملاً ته نشین گردند، و از بالا برداشت می کنند و مراحل تغلیظ را انجام می دهند.
كاربردهاي كائولن:
از کاربرهای کائولن، در صابون سازی، لاستیک سازی، چسب (در این کاربرد به عنوان فیلر و پرکننده است) داروسازی، کشاورزی (حامل کود) و... است.
کاربرد ديگر کائولن در صنایع سرامیک است. مهمترین خصوصیت آن، پلاستیسیته آن است. (ریزدانه بودن و بالاتربودن، میزان کائولینیت که در نتیجه پلاستیسیته بیشتر است) و رنگ (وجود آهن) در کائولن مهم است.
بهترین و مهمترین كاربرد كائولن در صنايع كاغذسازي است.تناژ مصرف كائولن در كاغذسازي خيلي بيشتر از كائولن در سراميك است و به عنوان سفيدكننده و پركننده(filler) در كاغذ مورد استفاه قرار مي گيرد.
گرید Ultra fine: خیلی ریز نیز در صنایع کاربرد دارد.
در صنایع رنگسازی (رنگ سفید یا پرکننده) و صنایع خاص لاستیک سازی.
گرید High Purity : در داروسازی و صنایع آرایشی به عنوان پرکننده استفاده می شود زیرا دانه ها نرم و صابونی هستند.
آشنايي با Al2O3
Al2O3 در تقسیم بندی های اولیه در سرامیکها یک ماده بسیار مهم است و جزو Structural ceramics است.
Structual Ceramics: موادی هستند که برای ساخت قطعات مختلف برای کاربردهای مختلف در یک محدوده وسیع استفاده می گردند. مانند Al2O3، ZrO2، SiC، Si3N4، SiO2، SiAlON، Carbids و...
Engineering ceramics (سرامیکهای مهندسی): سرامیکی که با استفاده از آن قطعه یا وسیله دیگری کار می کند. یا برای بهبود کارکرد وسیله ای دیگر استفاده می گردد.
Advanced Ceramics: هرآنچه که سنتی نباشد، پیشرفته است که در عصر حاضر مطرح گردیده است. (چه ساخت و چه خواص آن) را گویند. یا آنچه که مواد اولیه آن به روش خاص سنتز می شوند و از مواد معدنی و... به طور مستقیم استفاده نمی کند را گویند.
Functional Ceramics (سرامیک های کاربردی یا کارکردی): یک تقسیم بندی است بر اساس کارکرد سرامیکها
1- Electroceramic
2- Optical ceramic
3-Optoelectrical ceramic
4- Bioceramic
Technical Ceramics (سرامیکهای تکنیکی): سرامیکی که با استفاده از آن قطعه یا وسیله دیگری کار میکند یا برای بهبود کارکرد یک وسیله دیگر استفاده می شود. (مانند Engineering ceramic).
Al2O3 مهمترین Structural ceramic است.
فرآوری Al2O3 : عمده مصرف آلومینای تولیدی در دنیا برای تهیه فلز Al است و قسمت کوچکی از آن در استفاده بعنوان نسوز و قطعات سرامیکی مصرف می گردد. برای ساخت قطعات مختلف با خواص مورد نظر، نیاز است تا مواد با خلوص متفاوت از طریق روشهای ارزانتر و با بازده بالاتری آماده گردند.
آلومینا به صورت خالص یافت نمی گردد و تنها مقدار اندکی به صورت سنگهای زینتی و گران قیمت وجود دارد. اما به علت جانشینی های Al و Si، این مواد به وفور در پوسته زمین به صورت مواد آلومیناسیلیکاتی وجود دارند و به ندرت به صورت خالص یافت می گردند.
تهيه آلومينا
معادني وجود دارند كه تا درصد بالايي داراي هيدروكسيد آلومينيوم يا بوكسيت هستند. بوكسيت ماده اوليه براي استخراج Al2O3 مي باشد. انواع روشها براي اين كار وجود دارد كه مهمترين اين روشها روشهاي قليايي مانند باير و لوشاتليه است.
روشهاي ديگر شامل:
1- روش شيميايي تر قليايي ( wet alkaline process)
2- روش شيميايي تر اسيدي (wet acid process)
3- روش ذوب (furnace process)
4- روش كربوترميك( carbothermic process)
5- روش الكتروليتيك (electrolytic process)
6- روش ژل آلومينا (amorphous and gel aluminas)
بوكسيت كه به صورت هيدروكسيدهاي آلومينيوم است را تغليظ نموده و آلمينيوم آن را خارج كرده و پس از عمليات حرارتي، اكسيد كم آب آن و يا هيدروكسيد كم آب آلمينيوم به دست مي‌آيد و با ادامه عملیات حرارتی (کلسیناسیون) اكسيد آلومينيوم بدست می آید.
روش لوشاتليه:
+ CO2 NaAlO2 → بوكسيت كلسينه شده + na2co3
بوكسيت كلسينه شده را با كربنات سديم مخلوط مي كنند و در نتيجه آن آلومينات سديم بدست مي‌آيد.
اما بوكسيت عناصر ديگري مانند Al , fe, si , ca و... نيز وجود دارند.
مثلاً si با na2co3 سيليكات سديم مي دهد. در نهايت در مخلوط حاصل دو جزء در آب حل ميگردند:
1- آلومينات سديم
2- سيليكات سديم
مابقي حل نشده و رسوب ميكنند لذا محصول را در آب حل كرده و سپس از فيلتر رد مي‌كنيم تا رسوب از آن جدا گرد.
بنابراين در اين روش داريم:
محلول← آب← فيلتر (رسوب زدايي)← غليظ شدن← افزودن جوانه زا (مانند پودر هيدروكسيد آلومينيوم)← تشكيل رسوب هيدروكسيد آلومينيوم ←فيلتر ←كلسيناسيون Al2O3←
روش باير :
در روش بایر واکنش زیر در اتوكلاو [1] با دماي c ° 160 تا c° 180 و فشار 4 اتمسفر انجام میگیرد:
+ بوكسيت na2co3 → H2O + NaAlO2
روش باير در سال 1875 توسط آقاي باير ابداع شد و امروزه بزرگترين شركت توليد‌كننده Al2O3، شركت آمريكايي آلكوآ ALCOA است که به این روش کار میکند. در اين روش چون فرآيند در اتوكلاو با دماي c ° 160-180 و فشار atm 4 انجام مي‌گيرد لذا در محلول به جاي Co2 ، H2O خواهيم داشت.
فلوچارت روش باير:
آماده سازي مواد اوليه← حل كردن قليايي ها← تصفيه آلومينياي حاصل ( سيليكات سديم، آلومينات سديم)← رسوب دادن هيدروكسيد سديم[2] ←فيلتر ←كلسيناسيون ←Al2O3
وقتي گيبسيت را اضافه ميكنند آلومينات سديم رسوب ميكند اما راندمان مناسب نيست و بخشي از مواد بدون رسوب كردن در محلول باقي مي‌مانند. لذا در اين روش ، در اين مرحله گاز CO2 را از محلول عبور مي‌دهند. عبور CO2 باعث مي‌شود تا مابقي مواد نيز طبق واکنش زیر رسوب كنند.
2Al(OH)3 + na2co3 → H2O + + CO 2 NaAlO2
اگر هيدروكسيد آلومينيوم را حرارت داده (با فشار) و زمان بالايي به آن بدهيم تبديل به Al2O3 مي گردد و اگر تا 400 بالا برده و نگه داريم بخشي از آن خارج ميگردد و تخلخلهاي بسيار ريز و زيادي باقي مي‌ماند. لذا نيروي مكش فوق‌العاده‌اي خواهد داشت. درواقع كلسيناسيون غيركامل هيدروكسيدآلومينيوم تشكيل تك كريستال ميدهد و مثلاً در پالايشگاه‌ها كه باعث خوردگي قطعات ميگردد ( آب شور) ميتوان از اين قطعات براي خشك كردن و يا جذب اختياري مواد و مايعات مختلف استفاده كرد.
در استاندارد جهاني آلوميناي توليدي بايد قيمت تمام شده‌ي مناسبي داشته باشد تا مورد مصرف صنايع قرار گيرد. لذا مصرف انرژي پروسه‌هاي توليد آلومينيوم براي هر كيلو آلومينيوم بايد در محدوده mj.Kg-1 6/32-4/7 باشد.(به طور ميانگين mj.Kg-116 هر چه كارخانه بزرگتر باشد نيز راندمان بالاتر خواهد بود.)
انواع Al2O3 بدست آمده از روش باير:
1-low soda Alumina
2-reactive Alumina
3- tabular Alumina
4- fused Alumina
5- activated Alumina
6- calcined Alumina
7-high-purity alumina
8-ultra high-purity alumina
محصول پروسه آلومينا، هيدروكسيد آلوميناست كه بعد از كلسينه ، آلومينا شده است. در حالت كلسيناسيون، آب ساختاري خارج مي شود. از 300-400 درجه ، عمل خارج شدن آب ساختاري بر اثر عمليات حرارتي شروع مي شود و تا 700-800 درجه ادامه دارد. وقتي آب ساختاري خارج مي شود، در مقياس اتمي ، جاي خالي به وجود مي آيد و ناپايدار مي شود.
محصول كلسيناسين ، يك ماده پرتخلخل تقريبا آمورف است. بعد يك هيدروكسيد آلومينا بدون آب داريم، بعد از عمليات حرارتي در 1200 درجه سانتي گراد بر اثر rearrangement اتمها، كريستال يا فازهاي آلومينا ايجاد مي شود. اگر Al(OH)3 را عمليات حرارتي كرده تا 500 درجه سانيتگراد دما داده و سريع سرد شود، شبه آمورف به وجود مي آيد؛ ساختاري ناپايدار و پرتخلخل با سطح ويژه بسيار بالا كه با جذب آب پايدار مي شود.
در واقع با اينكار يك هيدروكسيد آلومينيوم پايدار را با يك عمليات حرارتي، كاري انجام داديم تا هر چيزي را كه مي تواند جذب كند. به اين هيدروكسيد آلومينيوم كه بينابين هيدروكسيد و آلوميناست activated alumina مي گويند كه از كاربردهاي آن مي توان به عنوان جاذب يا كاتاليست آن اشاره كرد.
لامپهاي بخار سديمي در ابتدا نور زرد كم سويي دارند و بعد تلالؤ آن افزايش مي يابد.اين لامپ كپسولي دارد كه حاوي بخار سديم است؛ اين كپسول بايستي با سديم واكنش ندهد و دماي بالا را هم تحمل كند و عايق الكتريكي باشد و نور هم از آن عبور كند و سديم از آن رد نشود (ضريب نفوذ كمي داشته باشد) پس ماده مورد استفاده آلوميناي translucent است.
تعريف پودر[3] : دسته اي كه از ذرات متصل به هم تشكيل شده است.(تعريف كلي)
تعريف ذره[4]: به کوچکترین اجزاي جامدی که میتوانند بطور مستقل وجود داشته باشند گفته مي‌شود. گاهی این ذرات يك توده را مي‌سازند كه به اين توده Agglomerate گفته مي‌شود و قابل جدا شدن از يكديگر هستند. اگر اين توده به سختي به يكديگر متصل شده باشند و به سختي از هم جدا شوند به آن Aggregate يا Hard-Agglomerate مي‌گويند.
آگلومره: توده كوچكي متشكل از ذرات اوليه كه از طريق نيروهاي سطحي يا پلهاي جامد (solid bridge) بهم پيوسته اند و داراي شبكه اي از تخلخلهاي بهم پيوسته اند.
گرانول: آگلوره هايي هستند كه بصورت تعمدي تشكيلي شده و داراي اندازه كنترل شده باشد.
فلاك: اگر ذرات مجزا درون سوسپانسيون بهم بچسبند و توده تشكيل دهند به اين عمليات تشكيل توده، تشكيل فلاك گويند.( خوشه يا دسته اي از ذرات كه بوسيله نيروهاي كشش سطحي يا عوامل فلوكوله كننده آلي در يك سوسپانسيون مايع تشكيل مي شود.)
اگر آگلومره اي در داخل سوسپانسيون بريزيم، نمي گوييم فلاك هستند، بلكه آگلومره هاي باز نشده اند.
كلوئيد: اگر ذرات ابعادش بين 1nm-1µm بود، سوسپانسيون حاصل را كلوئيد مي گويند.(ذرات ريزي كه هنگام پخش شدن در يك مايع بدون ته نشيني ، حركات براوني خود را حفظ نمايند.)
آگريگيت: جزء سازنده داراي اندازه بزرگتر در بچ، گاهي به آگلومره هاي سخت نيز آگريگيت مي گويند. اهميتش در فرمولاسيون نسوز، بتن و آسفالت است. در ساخت سراميكهاي پرسلاني ، مهندسي و ... آگريگيت نداريم، پودر داريم.اگر يك مخلوطي كه مي خواهيم بدنه اي با آن بسازيم و هم ذرات درشت و متراكم استفاده كنيم و هم ذرات ريز و مخلوطي از اينها داشته باشيم، به آن ذرات درشت و متراكم كهه بخش اصلي زمينه را تشكيل مي دهند آگريگيت مي گويند.
ريشه تشكيل اگلومره و چسبيدن ذرات به هم چيست؟
يك عامل نيروهاي واندروالس است[5] و عامل ديگر پيوندهاي ثانويه است كه اهميت كمتري دارند.
استحكام يك توده را چگونه اندازه مي‌گيرند؟
دو پودر را در نظر بگيريد كه يكي از ذرات سخت‌تر و ديگري از ذرات با چسبندگي ضعيف‌تر تشكيل شده است لذا ذرات با چسبندگي ضعيف‌تر ، راحتتر جدا ميشوند و ذرات با چسبندگي قويتر سخت تر جدا ميگردند يك راه اين است كه با وارد كردن فشار بر پودر (مثلاً پرس كردن) ميتوان استحكام توده را سنجيد.
اگر يك اگلومره بزرگ را كه از پودرهاي مختلف تشكيل شدهاند را تحت فشار قرار دهيم هم اتصال ميان اگلومره و اگلومره‌ها راحتتر شكسته مي‌شود و هم درون اگلومره شكسته مي‌شود و پودرها جدا ميشوند. نمودار زير نشاندهنده رابطه فشار و دانسيته پودر است. ابتدا اگلومره‌هاي ضعيف و سپس قوي شكسته ميشوند، لذا با مقايسه نمودار فشار- دانسيته در پودر هاي مختلف ميتوان استحكام اگلومره‌هاي دو پودر را نسبت به هم سنجيد كه اتصال كدام قويتر و كدام ضعيف‌تر است.
لذا از طريق اين روش تنها ميتوان استحكام را با هم مقايسه كرد آن هم به طور نسبي ولي نمي‌توان عدد خاصي براي آن يافت. راه‌هاي ديگري نيز وجودارد:
پودر را به صورت خشك يا تر بر روي الك ريخته و ويبره مي‌كنيم. مدت زماني كه طول مي‌كشد نشاندهنده استحكام پودر است، ارتعاش الك باعث خرد شدن اگلومر‌ها و رد شدن آنها از الك ميگردد. (اين روش مقايسه‌اي است.)
هر اگلومره از ذرات تشكيل شده است. به اين ذرات هم ذرات ابتدايي هم ذرات نهايي مي‌گويند. هنگامي كه پودر را سنتز مي‌نمايند ، اين ذرات اولين ذراتي هستند كه به وجود ميآيند لذا به آنها ذرات اوليه مي‌گويند و زماني كه پودر تشكيل ميشوند و آنها را ديسپرز مي‌كنيم تبديل به ذرات نهايي ميگردند بنابراين به ذرات نهايي نيز معروف‌اند.
هر كدام از ذرات از كريستاليت‌ها تشكيل شدهاند.
تعريف اگلومره: توده‌اي از ذرات است كه ذرات (particle) آن قابل جدا شدن هستند. اما خود ذرات به كريستاليت تبديل نمي‌شوند.
بنابراين هنگام اعمال فشار ، ابتدا اتصالات ضعيف‌تر مي‌شكنند و با افزايش فشار اتصالات قويتر نيز شكسته ميشوند و دانسيته رفته رفته افزايش مي‌يابد. آخرين مرحله افزايش دانسيته مربوط به اتصالات بين ذرات است و شكسته شدن آنهاست كه اتصالات قويتر دارند.(نمودار قبل در مراحل اوليه رسم شده است، لذا پس از مدتي ثابت ميگردد و روند افزايش دانسيته رسم ميگردد و بسيار كم مي‌شود. در مراحل اوليه افزايش استحكام مرتب شدن[6] داريم ولي به خاطر اينكه ذرات با يكديگر اصطكاك زيادي دارند اين مرتب شدن خوب صورت نمي‌گيرد لذا ذرات را اسپري دراير ميكنند تا اين كار به خوبي صورت پذيرد.)
پس هر عاملي كه بتواند با اعمال نيرو ذرات پودر را از هم جدا گرداند و اتصالات آنها را بشكند و سپس ميزان ريز و درشتي پودر را بسنجد ميتواند معياري براي سنجش استحكام پودر باشد.
چرا ذرات و پودرها در سراميك مهم هستند؟
چون بجز موارد بسيار اندك (در ذوب و ريخته‌گري) روش شكل‌دهي سراميكها توسط پودر است. و در آنها بايد به شكلي پودر را سر هم كرده و شكل داد و سپسس آنها را سنتز نمود.
سراميك assamble شده را بايد زينتر نمود. در زينتر كردن عامل بسيار مهم انرژي سطحي پودر است. هرچه پودر ريزتر باشد ، انرژي سطحي بالاتري دارد لذا در هنگام زينتر كردن در درجه حرارت و زمان كمتري ميتوان به دانسيته بالاتري دست يافت. هرچه پودر ريزتر باشد انرژي سطحي بالاتر است و نيرو محركه بالاتري دارد و لذا قابليت زينتر شدنش بيشتر خواهد بود.
قابليت زينتر شدن از اين جهت اهميت دارد كه هرچه بالاتر باشد ، پودر در دماي پايين تر و زمان كمتري زينتر ميگردد و چون هرچه زينتر شدن در دماي بالاتري صورت گيرد دانه‌ها درشت‌تري ايجاد ميشوند (رشد دانه) و كنترل بر روي ريزساختار كمتر ميگردد. حال اگر قابليت زينتر شدن بالا باشد، زينتر در دماي پايين تر صورت مي‌گيرد و چون انرژي ذرات براي رشد در دماي پايينتر كمتر است لذا رشد دانه كمتر صورت مي‌گيرد و خواص قطعه نهايي كمتر دچار مشكل ميگردد لذا قابليت زينتر شدن بر روي ريزساختار اثر مي‌گذارد.
بنابراين هرچه پودر ريزتر باشد انرژي سطحي بالاتر است پس قابليت زينتر بالاتر است و دماي كمتري براي زينترينگ لازم است (قابليت زينتر در مسائل اقتصادي و زماني نيز حائز اهميت است.)
اما آيا روند افزايش قابليت زينترينگ و انرژي سطحي همواره باعث افزايش دانسيته ميگردد؟
منحنی نشان می دهد که (fig. 4.6) هرچه سطح ویژه زیادتر می گردد، انرژی سطحی سیستم نیز زیادتر می گردد (رابطه خطی است) اما دانسیته خام با افزایش سطح ویژه پودر افزایش می یابد. زیرا هرچه سطح ویژه زیاد می گردد، اتصالات ذرات و اگلومره ها قوی تر می گردد و اگلومره بیشتر و بزرگتری تولید می گردد. و هرچه اگلومره بیشتری تولید شود، فضای بیشتری بین آنها خالی می ماند و دانسیته خام کاهش می یابد. پس ریزدانه کردن ذرات و افزایش سطح ویژه به دلیل بالابردن قابلیت زینترینگ مطلوب است اما دانسیته خام را کاهش میدهد و هرچه دانسیته خام کاهش یابد، دانسیته نهایی نیز کم می شود.
هرچه پودر درشت تر باشد، تشکیل اگلومره کمتر خواهد شد. یکی از دلایل اسپری درایر کردن این است که ما خود پودر را به صورت اگلومره در بیاوریم تا دیگر پودر در هنگام پروسه، تشکیل اگلومره ندهد تا packing factor افزایش یابد.
یکی دیگر از پروسه هایی که به استحکام اگلومره ها منجر می شود با استفاده از انواع آلتراسونیک است . التروسونیک در واقع امواج ما فوق صوت است که با استفاده از ارتعاش ایجاد شده توسط امواج مافوق صوت پودر ها را به ارتعاش در آورده و در نتیجه آن پیوند میان اگلومره ها و ذرات می شکند . در این روش باید یک سوسپانسیون از پودر درست کرد ( بدون سوسپانسیون این روش کاربرد ندارد) و سوسپانسیون را تحت آلتراسونیک قرار داد تا در نتیجه آن ذرات شکسته شوند. لذا اگر به یک روش بتوان اندازه ذرات را سنجید، می توان مشاهده کرد که پس از آلتراسونیک اندازه ذرات کاهش می یابد. طبق منحنی بعد از ده دقیقه روند کاهش میانگین اندازه ذرات متوقف می گردد. این روند نزولی به این دلیل است که امواچ مافوق صوت اتصالات میان ذرات را می شکند. در ابتدا چون اگلومره های بزرگ داریم، با امواج شکسته میشوند و به ابعاد ریزتر می رسند ( با لیزر یا x-ray میتوان اندازه ذرات را دید و سنجید). لذا پس از مدتی به اندازه ذرات ریز دست پیدا می کنیم. روش آلتراسونیک دارای efficiency بالایی است، اما قدرت نفوذ کمی دارد، یعنی زود اثر می کند.
آیا اندازه ذرات نشان داده شده در منحنی ثابت شده است؟، اندازه واقعی ذرات و اندازه نهایی ذرات چقدر است؟ خیر، زیرا در این روش، اندازه ذرات به اندازه نهایی نمی رسد، خصوصاً اگر پیوند بین ذرات محکم باشد، لذا در آلتراسونیک بخشی از ذرات پیوندشان با هم باقی می ماند و نمی شکند.
در XRD برای آنالیز از پودر استفاده می شود. هرچه پودر ریزتر باشد، پهنای پیکهایی که از XRD بدست می آید، زیادتر می گردد تا یک حدی این پهنا خیلی اهمیت ندارد، اما در اندازه دانه های مایکرو و خیلی ریز، این پیکها دارای پهنای بیشتری می گردند، لذا از طریق اندازه پهنای پیک می توان تا حدودی به اندازه ذرات پی برد. این روش هم روشی مقایسه ای است. به این روش، روش پهن شدن کمی پیک می گویند.(این ها روشهای آنالیزی هستند)
با استفاده از میکروسکوپ اندازه ذرات را بررسی کرد، که این روش یک روش آنالیتیک نیست بلکه یک روش کوآلیتیک است. پودر را برای دیدن در زیر میکروسکوپ باید خشک نمود. برای این کار مثلاً یک قطر از سوسپانسیون را بر روی سطح می ریزند و در زیر میکروسکوپ مشاهده می کنند، لذا اگر سوسپانسیون غلیظ باشد، ذرات در هنگام خشک شدن، دوباره تشکیل اگلومره می دهد. برای جلوگیری از این عمل از سوسپانسیونهایی بسیار بسیار رقیق استفاده کرد و سرعت خشک شدن را زیاد نمود تا درنتیجه سطح ویژه ذرات زیاد به هم نچسبد.
روشهایی متفاوتی برای اندازه گیری اندازه ذرات وجود دارد. قدیمی ترین و مهمترین دستگاه ها، دستگاه سدی گراف است که با X-Ray کار می کند و محدوده قابل اندازه گیری، اندازه ذرات مشخصی دارد. باید یک رابطه interaction میان طول موج Xray و اندازه ذرات وجود داشته باشد. یعنی X-ray میتواند ذرات را با اندازه مشخص detect کند.
دستگاههایی نیز هستند که با لیزر و یا با پراکندگی نور کار می کنند. این دستگاه ها هم با توجه به طول موج نور مورد استفاده، ابعاد متفاوتی از ذرات را می توانند شناسایی کنند. هر دستگاهی که استفاده گردد، میتواند نتایج حاصله از آن را توسط روش هایی مانند میکروسکوپی و یا اندزاه گیری سطح ویژه، چک کرد. این کار برای کاربردهای دقیق لازم است، اندازه ذره، اندازه کوچکترین اجزایی است که در سوسپانسیون وجود دارد. لذا اگر اگلومره به ذرات نهایی شکسته شده باشند، آنچه اندازه گیری می شود توزیع اندازه ذرات نهایی خواهد بود، اما اگر اگلومره را نشکسته باشیم، اندازه گیری انجام شده،اندازه کوچکترین جزیی است که به طور مستقل حرکت می کند. زیرا این دستگاه ها چیزی را که به صورت واحد و یکپارچه حرکت می کند را دیده و اندازه می گیرند. پس دستگاه ها، اندازه اجسامی را که به صورت توده حرکت می کنند را اندازه می گیرد، حال چه این ذرات به صورت ذرات نهایی و یا به صورت اگلومره باشند.
شکل 3-5 یک روش اندازه گیری اندازه ذره: روش به این صورت است که تعداد ذراتی را که در یک محدوده ابعادی دارند، را می سنجد لذا اگر هرکدام از ستونها را با ستونهای قبل از آن جمع ببندیم، cumulative بدست می آید. Cumulative یعنی انباشته شدن روی هم که همان منحنی خط چین است. اگر همه را با هم جمع کنیم، برابر 100 درصد می شود.
شکل 4-5:
توسط روش Sedimentation اندازه گیری شده است. این روش به روش سدی گرافی و یا روشهایی که با نور های مختلف کار می کنند، به این صورت است که سوسپانسیون را اجازه می دهند تا ته نشین شود، چون ذرات درشت زودتر از ذرات ریز ته نشین می گردند، لذا دستگاه ذراتی را که زود ته نشین می شوند و سرعت بیشتری دارند، را یک معیاری از آنها بدست می آورد و همین طور بقیه ذرات را. و سپس با استفاده از سرعت رسوب و ربط دادن آن با اندازه ذرات، میتواند اندازه ذرات را بدست آورد. یعنی اگر سرعت سقوط یک ذره را در یک مایع با ویسکوزیته مشخص داشته باشیم، می توانیم اندازه آن را نیز بدست آوریم.
در بیشتر پروسه های شکل دهی، پودرها را در یک مایع و در یک محیط disperse می نمایند. لذا در اکثر روشها به یک مایع نیاز داریم زیرا با ورود مایع پودر قابلیت شکل گیری می یابد که بعد از فرم گرفتن باید به نوعی مایع را از سیستم خارج کرد. در انواع روشهای فرم دهی، به غیر از پرس خشک، بقیه روشها نیازمند درصدی رطوبت هستند، تا به صورت خمیری یا دوغاب در آیند.
بسته به نوع مایع مورد استفاده، دمای محیط و کاربرد و نوع پودر و غیره مخلوط پودر و مایع می توانند دارای ویسکوزیته های مختلفی باشند.
ویسکوزیته: نسبت تنش برشی به سرعت برشی در بین صفحات (لایه ها) مایع. (میزان اصطکاک میان لایه های سیال)
هرچه ویسکزیته بیشتر باشد، به ازای تنش ثابت، سرعت برش کمتر خواهد بود. نحوه ی اندازه گیری تنش برشی و سرعت برشی در شکل نشان داده شده است. که یک مایع در میان دوصفحه ثابت در حالت ثابت است. به دلیل ثبات دو صفحه مایعی که بلافاصله بعد از دو صفحه قرار دارد نیز ثابت است و رفته رفته هرچه از دو صفحه دورتر می شویم، مایع حرکت کرده و به سرعت حرکت آن افزوده می شود، تا در وسط به حداکثر میزان خود برسد. ویسکوزیته به دما، اندازه ذرات دوغاب، بار ذرات دوغاب، شکل ذرات دوغاب، نوع توزیع ذرات دوغاب، محیط سیال یا نوع مایع (قطبی یا غیرقطبی بودن و...) بستگی دارد. (انتخاب مایع بستگی به نوع پروسه دارد. مثلاً برای روشی که نیاز به ویسکوزیته نسبتاً بالا دارد، باید از مایعی با ویسکوزیته نسبتاً بالا استفاده کرد.) عوامل پایدار کننده سوسپانسیونها نیز در ویسکوزیته موثرند.
چرا تیکسوتروپی رخ می دهد؟
ذرات در دوغاب به علت عدم خنثی ای الکتریکی واینکه در سطح خود به علت پیوندهای شکسته دارای بارهای الکتریکی هستند و نیز به دلیل نزدیک شدن به هم و برقراری نیروی واندروالس می توانند به یکدیگر متصل شوند (مانند ساختار لبه به سطح یا سطح به سطح توسط ذرات کروی، بشقابی یا سوزنی شکل)
در نتیجه ی این اتصال و سکون سیال، ذرات توسط نیروی های واندروالس به یکدیگر می چسبند و چنین مایعی از رفتار سیال به سمت رفتار ویسکوز با سیالیت کمتر می رود اما اگر در اثر هم زدن، این اتصالات را از بین ببریم، مایع سیال می شود که در صورت سکون دوباره این پیوندها و اتصالات به وجود می آیند. این رفتار را تیکسوتروپی می گویند.
ریشه های اهمیت فرآوری پودرها:
1-که علت اصلی آن بارهای سطحی ذرات دوغاب است.
2-برای افزایش قابلیت سینترینگ مواد، باید ذرات را ریزتر کنیم (ریزتر شدن ذرات تا یک مقدار باعث افزایش دانسیته شده و از آن به بعد باعث کاهش آن می گرد و داری یک مقدار اپتیمم است).
اما وقتی ذرات را ریزتر کنیم، ذرات مستعد این هستند که به یکدیگر بچسبند و دوباره توده های بزرگتری را تشکیل دهند. بنابراین باید به نحوی از این کار جلوگیری کرد و پایدارسازی را انجام داد و ذرات را همچنان جدا نگه داشت.
پایدار سازی به دو روش امکان پذیر است:
1- فضایی (Steric)
2- الکترواستاتیکی (Electrostatis) که با استفاده از نیروهای الکترواستاتیک سیستم را پایدار می کندو با استفاده از عواملی که بر روی سطح ذرات بار ایجاد می کند. بر روی ذرات بار همنام ایجاد می کند تا ذرات همدیگر را دفع نمایند.
در بسیاری از ذرات ( به خصوص سرامیک های سنتی) ذرات دارای بار هستند.
ریشه های بارداری ذرات:
1-رهایی و خروج بارهای سطحی.
2-واکنش با مایع (با آب = هیدرولیز) که تابع PH است.
3-جذب یون های خاص.
مثلا رس ها در هنگام تشکیل، در میان لایه های خود تعدادی یون های قلیایی جذب می کنند. حال اگر این ذره در مایعی مانند آب قرار بگیرد و بعضی از این یون ها آزاد میگردند و به جای آنها یک بار منفی روی ذره قرار می گیرد.
با انتخاب پودر و مایع برای تشکیل دوغاب (سوسپانسیون) دو عامل اول به صورت خود به خود ( و بدون کنترل) رخ خواهد داد. اما عامل سوم را می توان برای ایجاد یا تقویت پایدارسازی به وجود آورد. برای مثال در پایدارسازی الکترواستاتیکی ذراتی را وارد مایع می کنند که دارای بار مخالف ذرات سوسپانسیون است. این یون های جدید دور ذرات قرار گرفته و یک لایه را تشکیل می دهند و لذا از نزدیک شدن ذرات به هم جلوگیری می کنند و باعث دفع یکدیگر میگردند و د ر نتیجه یک پتانسیل دافع (Vvep) به وجود می آورند.
پتانسیل زتا: پتانسیل در لایه هیدروداینامیک را گویند.
پس کاری می کنند که بار سطحی ذرات صفر شود. لذا نتیجه و نشانه این که بار ذرات صفر نشده است این است که اگر ذرات را در میدان الکتریکی قرار دهند ذرات به سمت دو قطب حرکت نکنند. اگر این خنثی ای رخ دهد، به آن نقطه و به آن PH، نقطه ایزوالکتریک گویند.
کنترل کردن پایداری:
کنترل کردن پایداری به نوعی کنترل کردن ویسکوزیته و نیز پروسه فرم دهی می باشد. و نیز پایدارسازی باعث می شود که عمل عکس آن و چسبیدن ذرات به یکدیگر صورت نگیرد.
پایدارسازی فضایی:
در روش قبل باید ذرات باردار باشند، لذا برای ذرات غیر باردار خیلی کارآیی ندارد، (البته تمام ذرات به دلیل پیوندهای شکسته سطحی دارای بار بر روی سطح خود هستند، که بعضی دارای بار زیاد و بعضی بار کم هستند). یک راه فیزیکی برای پایدارسازی استفاده مولکول های زنجیرهای بلند پلیمری است که با اتصال آن به ذرات، از نزدیک شدن ذرات به یکدیگر جلوگیری به عمل می آید.
عاملی که سبب می شود نگذاریم ذرات به یکدیگر نزدیک شوند نیروی واندروالس است. نیروی واندروالس یک نیروی همواره جاذبه است که در فاصله های کم عمل می کند، لذا در پایدارسازی نمی گذارند تا ذرات به هم نزدیک شده و این نیرو عمل کند.
اگر بتوان به روشی حرکت ذرات را در میدان الکتریکی مشخص نمود، می توان نوع بار ذرات را نیز تعیین کرد.
روش "Barton Tube":
پس از اینکه سوسپانسیون به درون لوله رفت یک زمان کوتاهی به مایع فرصت داده می شود تا کمی ته نشین گردد، قبل از اعمال بار به الکترودها نحوه ی ته نشینی ذرات در دو طرف به صورت متقارن است اما پس از اتصال الکترودها در نحوه ی ته نشین شدن ذرات تغییر ایجاد می شود و اختلاف سطحی در دو طرف ایجاد می گردد که نشان دهنده ی نوع ذرات باردار سوسپانسیون است.
محاسبات خرد کردن (Pulvarization):
یک مکعب با اضلاع a داریم که مساحت سطحی آن برابر 6a2 است. حال اگر آن را به n قسمت مساوی تقسیم کنیم داریم:
که عدد به دست آمده برابر سطح اضافه شده است.
حال اگر ذرات کروی با شعاع r داشته باشیم سطح اضافه شده برابر است با:
برای خرد کردن ذرات، انرژی صرف می نماییم، این انرژی صرف ایجاد سطوح جدید می گردد و لذا :
میزان انرژی مصرف شده متناسب است با ایجاد سطوح جدید.
چون سطح بیشتری ایجاد می کنیم لذا باید انرژی بیشتری مصرف کنیم، زیرا در سطوح جدید پیوندهای ناکامل وجود دارد و لذا انرژی سطحی زیادی داریم. که این همان انرژی ای است که صرف خرد شدن ذرات شده است.
در هر صورت میزان اضافه شدن مضربی از (n-1) است.
مثال: برای خرد کردن سنگ معدنی با ابعاد متوسط mm 50 حدود 20 اسب بخار (HP) نیرو لازم است تا به ابعاد ریزتر تا mm 4 برسیم، مطلوب است نیروی لازم برای خرد کردن همان سنگ تا ابعاد mm 0.75 .(هر دو پروسه به ازای یک زمان خاص و برابر انجام می گیرد).
n= نسبت ابعاد اولیه به ثانویه.
سطح 1:
سطح 2:
|
HP 20 |
2258 |
|
114.21=x |
128942 |
راه دوم:
خرد کردن (Crushig):
خرد کردن در مقیاس بزرگ را ریز کردن گویند. از سنگ شکن ها (crushers) استفاده می کنند و هدف رسیدن ذرات به ابعاد 4-6 cm است. (در اینجا ابعاد اولیه می تواند بسیار بزرگ باشد)
آسیاب کردن (Griding/milling):
در مقیاس (اندازه) کوچکتری ذرات را ریز کردن گویند. از 4-6 cm به ریزتر تبدیل می کنند که از دستگاههای Grinders یا Mills (آسیاب ها) استفاده میکنند.
Crushers: (a) jaw, (b) gyratory
Jaw crushers (سنگ شکن های فکی):
سنگ شکن های فکی از همه متداول تر و مهم تر هستند. دارای یک فک ثابت و یک فک متحرک هستند و بین این دو سنگ ها گیر می کنند و خرد می شوند، جنس فک ها از فولادهای منیزیمی است.
انواع سنگ شکن های فکی از نظر مکانیزم کار سه دسته اند:
برای سنگ شکن های فکی نسبت دهانه(D)به گلوییd))برابر است با:
محدوده ی تغییرات 4-5 =D/d
ضریب خرد کردن (R): نسبت اندازه ی بزگ ترین قطعات در خوراک به اندازه ی کوچکترین قطعات در محصولات را گویند.
T= ظرفیت تولید (هر چه d یا L کوچکتر باشد ظرفیت تولید کمتر است)
K= ثابت است و مقدار آن برابر 0.6 است.
جنس فک ها از فولاد منیزیم دار است و میزان سایش بستگی به نوع سنگ دارد. اگر سنگ نرمی داشته باشیم، میزان سایش فک ها کم است و به عکس. معمولاَ بیشتر سایش در نیمه ی پایینی فک ها (از وسط به پایین) رخ می دهد. بین 10-1 gr به ازای هر تن سنگ عبوری از سنگ شکن از فک ها خورده می شود.چون فک ها قطعات بزرگی هستند عوض کردن آنها به دلیل سایش های شدید کار سختی است. برای همین فک ها را به صورت تکه تکه می سازند، که برای عوض کردن فک به دلیل سایش و خوردگی تنها بخش رویی آن قابل تعویض باشد.
مکانیزم گیر انداختن ( Arresting Mechanism):
وقتی سنگ ها را به درون crusher می ریزیم این سنگ ها را باید به نوعی بین فک متحرک و فک ثابت گیر انداخت تا سنگ خورد شود و لذا بر روی فک ها شیارهایی ایجاد می کنند تا ضریب اصطکاک سطح بالا برود و سنگ بین سطوح به دام بیافتد.
سنگ شکن های ژیراتوری (Vibrating or cone crushers):
در بعضی مدل ها علاوه بر گردش مخروط، مخروط بالا پایین هم می رود (توسط حرکت لنگ)
سنگ شکن ضربه ای:
Size reduction: 1.5 m - 20 cm; production rate:1500 tph
با ورود مواد، مواد اولیه به چکش هایی که روی یک چرخ بزگ قرار دارد برخورد می کند و با شتاب به دیواره برخورد کرده و خرد می گردد و به پایین افتاده و از آن خارج می گردد.
ضریب خرد کردن بین 6-4 است.
مقایسه ی سه نوع سنگ شکن:
مدت زمانی که کار مفید در سنگ شکن انجام می شود، در ژیراتوری از دو نوع دیگر بیشتر است. سنگ شکن فکی فقط در زمان ضربه زدن کار مفید انجام می دهد و چکشی هم در هنگام ضزبه زدن کار مفید انجام می انجام می دهد اما در ژیراتوری همواره کار مفید انجام می شود و در ژیراتوری دائماَ کار مفید انجام می گیرد لذا ظرفیت بیشتری دارد.
در ژیراتوری با ابعاد خروجی و ورودی برابر با بقیه، ظرفیت 2.5 برابر دو نوع دیگر است. لذا سایش بیشتری هم از دو نوع دیگر دارد. از نظر وزن کلی سیستم ژیراتوری سبک تر از دو نوع دیگر است اما به علت مکانیزم پیچیده تر هزینه نگهداری بیشتری دارد.
لذا به طور کلی می توان گفت راندمان آن بالاتر است.
if
که در آن T ظرفیت به تن و D قطر خوراک بر حسب in است.
اگر مواد نرم یا نیمه سخت باشند از ضربه ای استفاده می شود.
بعد از آنکه ماده از سنگ شکن خارج شد باید تست شود که آیا برای مراحل بعدی دارای ابعاد مناسبی است یا خیر.
پروسه ی مدار باز (Open Circuit):
Feed ← Primary Crusher ← الک کردن (screen) ← اگر کوچکتر از اندازه ی غربال باشد رد شده و مورد تائید می گردد. در غیر این صورت اگر بزرگتر از اندازه ی غربال باشد دوباره باید خرد شود پس وارد Secondery Crusher می شود و بعد از خرد شدن ثانویه به صورت محصول وارد می شود و دیگر غربال نمی گردد.
پروسه ی مدار بسته (Close Circuit):
Feed ← Primary Crusher ← الک کردن (screen) ← اگر کوچکتر از اندازه ی غربال باشد رد شده و مورد تائید می گردد. در غیر این صورت اگر بزرگتر از اندازه ی غربال باشد دوباره باید خرد شود پس وارد Secondery Crusher می شود و بعد از خرد شدن ثانویه حتماَ باید از غربال رد شود، حتی پس از خردکن ثانویه.
بسته به اینکه ماده ی ورودی و محصول چه نوعی است از سنگ شکن های ثانویه متفاوتی استفاده می شود.
سنگ شکن های ثانویه:
Grinders: (a) hammer mill, (b) plate mill
1- فکی کوچک.
2- ضربه ای کوچکتر: در این سنگ شکن ها چون کوچکترند علاوه بر اینکه ضربه می زند در قسمت پایین نیز به علت اصطکاک بین فک ها و سطح زیرین خردایش بیشتری صورت می گیرد.
3- ژیراتوری ( دو استوانه ی درون هم و غیر هم محور با ضریب خرد کردن 2.5-1.5)
4- غلطکی (Rolls):غلطک های فلزی هستند که عکس یکدیگر می گردند و ذرات را بین خود گیر انداخته و خرد می کنند. دندانه های روی غلطک سبب اصطکاک بیشتر و خرد شدن بیشتر، سنگ ها می شود .
در عمل e کوچک است لذا می توان از جمله ی اخر صرف نظر کرد، پس:
f ضریب اصطکاک بین سنگ و رولر است و مقدار آن از نظر عددی بزرگتر محاسبه شده است.
θ زاویه بین خط عمود بر مماس های بین سنگ و رولر است.
θباید بزرگتر از 25 درجه باشد تا قطعه بین دو غلطک گیر بیفتد (بسته به نوع ذره و فاصله ی غلطک ها دارد).
برای فولاد (جنس رولرها) می توان 0.3 = f فرض نمود. یعنی برای خرد کردن قطعات کوچک باید از غلطک های بزرگ استفاده نمود، که این یک عیب است. این غلطک ها از لحاظ اندازه ی خوراک نیز دارای محدودیت هستند. (عیب دیگر)
برای مثال رولر با قطر 1.4 متر برای سنگ هایی با قطر متوسط 2.6 سانتی متر مناسب است و محصول دارای قطر 0.43 سانتی متر است. در نتیجه این روش دارای محدودیت هایی از لحاظ اندازه ی خوراک و اندازه ی رولرها است که یک عیب محسوب می گردد.
اگر بر روی غلطک ها شیار ایجاد کنیم، ضریب اصطکاک را بالا می بریم و راندمان افزایش می یابد.
Nتعداد دور غلطک (دور در دقیقه rpm)
D قطر غلطک(in)
d قطر متوسط خوراک
W پهنای غلطک(in)
ρ وزن مخصوص سنگ (lb.in-3)
Feed ← آسیاب ← Screen ← موادی که از غربال عبور کنند محصولات ما هستند و هر چه عبور نکند مجدداَ به آسیاب باز می گردد.
بار ورودی به آسیاب = A
مقدار محصول عبوری از غربال = P
مقدار بازگشتی در ساعت اول = A(1-P)
مقدار بازگشتی در ساعت دوم = [A+A(1-P)](1-P)
مقدار بازگشتی در ساعت سوم = {A+[A+A(1-P)](1-P)}(1-P)
ظرفیت =
الک کردن (Screening) :
عوامل مهم در عبور و حرکت ذره از الک:
1- ضخامت الک که هر چه کمتر باشد احتمال عبور بیشتر است.
2- زاویه حرکت ذره نسبت به الک. اگر ذره به صورت عمودی بیاید می تواند عبور کند ولی اگر به صورت مایل بیاید امکان دارد از الک عبور نکند.
3- اختلاف اندازه ذره با محفظه ( اختلاف D,d) که هر چه بیشتر باشد احتمال عبور بیشتر است.
خواص سوسپانسيونها
رئولوژي: علم مطالعه جريان سيال
در روشهاي فرآوري سراميكها از ويسكوزيته هاي مختلفي استفاده مي شود .(طبق جدول بالا)
اساس اندازه گيري ويسكوزيته اينست كه مقاومت به جريان را اندازه گيري كنيم. براي مثال مي توان از يكي از روشهاي زير استفاده كرد.
با استفاده از روشهاي بالا به نمودارهايي ميرسيم كه نشاندهنده رفتارهاي متفاوت است.
ويسكومتر لوله موئين:
در يك ويسكومتر لوله موئين زمان حركت سيال از ميان يك لوله موئين تحت يك اختلاف فشار معين اندازه گيري مي شود.
يك نوع مشخص و تجاري از اين نوع ويسكومترها، ويسكومتر OSTWALD مي باشد.
در اين دستگاه زمان حركت سيال از A تا B اندازه گيري شده و ويسكوزيته سينماتيك را از معادله Poiseuilleبدست آورند.
ويسكومتر چرخشي:
- استوانه هاي هم محور:
ساده ترين نوع از اين ويسكومترها مي باشد. مايع مورد نظر در بين دو استوانه هم محور تحت برش قرار مي گيرد.
ويسكومتر :Couette
در اين نوع ويسكومتر استوانه خارجي با سرعت مشخص چرخانده مي شود و گشتاور ايجاد شده اندازه گيري ميگردد.
ويسكومتر :stormer
در اين نوع دستگاه ها استوانه خارجي ثابت بوده و استوانه داخلي چرخانده مي شود.
“The Rule of additives in processing of Ceramic”
Anti foam Agent : کاهش و از بین بردن کف در پروسه.
Foam stabilizer : ایجاد و پایدار کردن کف در پروسه.
Fungicide and bactericide : ضد باکتری و ضد قارچ هستند. در بعضی از مواد ریشه هایی وجود دارد که مکن است ایجاد باکتری و قارچ کنند و خواص را تغییر دهند.
Chelating or sequestering agent : عواملی که یون های نا خواسته را خنثی می کنند و یا بعضی از یون ها را فعال تر می نماید.
مایع سیستم:
ذرات جامد + مایع( که جزء اصلی سیستم است) + افزودنی ها (Addetives) سیستم را تشکیل می دهند.
آب مهمترین مایع است. آب مایعی قطبی با کشش سطحی و ضریب دی الکتریک نسبی بالایی است. برای افزودن افزودنی به هر مایع باید در نظر داشت که آن افزودنی در مایع حل شود. فرمول کلی این است که مواد قطبی در قطبی و مواد غیر قطبی در غیر قطبی حل می شود.
در آب یون های مختلفی ممکن است وجود داشته باشد. برای اندازه گیری میزان سختی آب یا میزان یون های مختلف در آب، با اندازه گیری هدایت الکتریکی آب می توان این کار را انجام داد. این کار توسط رابطه تجربی TDS انجام می گیرد.
که در آن 0.055= ρ برای آب خالص و c مقاومت ویژه ی آب است.
وجود یون ها ممکن است باعث تغییر در خواص گردد. مثلاَ Ca باعث ناپایداری دوغاب می گردد و یا بعضی از یون ها باعث زودگدازی بدنه ی نهایی می گردد و... لذا باید آب را از این یون ها تصفیه نمود.
تصفیه آب:
1- نیتراسیون صنعتی + حرارت دهی: آب را از الکترودهایی عبور می دهند و در یون ها در اکترودها تغییر می کنند و آب خارج شده بدون یون خواهد بود.
2- مواد کربن اکتیو.
3- رزین های با قابلیت تعویض یونی: این مواد سطح فعال زیادی دارند و این سطح جاذب یون است لذا با عبور آب یون های محلول در آب را جذب می کنند.
بعد از آب مهمترین مایع، الکل ها هستند.
بین مایع و ذرات یک سطح تماس وجود دارد (interface) لذا مایع، سطح ذرات را خیس می کند. میزان تر کنندگی مایع مهم است. اگر مایع سطح ذرات را خیس کند یعنی از نظر انرژی سطحی مناسب است و ترکیب مناسبی داریم. اما اگر تر نکند باید ازافزودنی ها استفاده کنیم زیرا در غیر این صوورت مایع و ذرات از هم فرار می کنند و جدا می شوند.
سطح جامد در برابر مایع دو نوع برخورد دارد:
1- مایع گریز lyophobe (آب گریز hydrophobe) ← ترکنندگی نداریم ← افزودنی اضافه می کنیم ← wetting agent که فقط به ترکنندگی کمک می کند اما surfutant علاوه بر ترکنندگی در dispertion نیز موثر است.
2- مایع دوست lyophile (آب دوست hydrophile) ← ترکنندگی داریم ←در اینجا مایع کمک می کند تا ذرات از هم و گرانوله ها از هم جدا شوند و لذا به جدایش این ذرات از هم کمک می کند.
با افزودن افزودنی و ترکننده، سطح آب گریز به سطح آب دوست تبدیل می گردد. مولکول های این عوامل دارای یک بخش آب دوست و یک بخش آب گریز هستند. لذا از سمت آب گریز خود به سطح ذرات می چسبند و چون سطح آب دوست آنها آزاد است، می توانند به مولکول های آب بچسبند و عمل تر کنندگی را انجام دهند. در هر دو حالت ترکنندگی و عدم ترکنندگی سیستم به حداقل انرژی خود می رسد، قبل از ریختن مایع بر روی سطح، یک انرژی سطحی بین جامد و گاز و یک انرژی سطحی بین مایع و گاز داریم. سطح که زیاد می شود یعنی پارامتر انرژی سطحی مایع و جامد به قدری کوچک است که مایع تمایل دارد تا سطح زیادتری با مایع داشته باشد. (همینطور انرژی سطحی مایع و گاز هم کم است) این حالت در مورد ترکنندگی رخ می دهد (سیسستم به سمت حداقل انرژی می رود) یعنی:
γ > > γ + γ
=
γ < γ + γ
دراینجا چون انرژی سطحی مایع و جامد زیاد است سیستم تمایل دارد تا حداقل سطح بین مایع و جامد راداشته باشد.
اگر θ>90 درجه باشد عدم ترکنندگی داریم واگر θ<90 درجه باشد ترکنندگی داریم.
اگر ترکنندگی ذرات توسط مایع خوب باشد مایع تمایل دارد ذرات را جذب نماید و لذا بخشی ازذرات و گرانوله ها را ازهم جدا می کند و به جدا سازی ذرات کمک می کند وذرات ماده را جذب می کند.(تر کنندگی به جدایش ذرات کمک می کند)
اگر مثلا آب باشد ،به دو صورت فیزیکی (الکتروستاتیکی) و شیمیایی مولکول های آب به ذرات جذب می شوند در حالت شیمیایی مولکل های آب می شکنند و جذب ذره می گردند به این حالت هیدرولیز آب می گویند.
اگر ترکنند گی صورت بگیرد یک لایه و غشایی از مایع دور ذرات را می گیرد و هر ذره ای دردرون مایع سیستم ،مقداری از آب به دور خود جذب می کند.لذا این آب به ذره می چسبد و با آن حرکت می کند و همزمان با حرکت ذره ، لایه آب دور آن نیز با آن حرکت می کند.به این لایه آب جذب شده می گویند.
این لایه دارای ضخامتی است که به طور معمول 0A 20ضخامت دارد.
حال وقتی که مقداری ذرا ت در مایع داریم ،این ذرات در درون مایع پراکنده می گردند وهر ذره نیز دارای یک لایه آب به دور خود می باشد. مایع نیز دارای ویسکوزیته مشخصی است که رفتار مایع را با آن می سنجند.
حرکت کلی مایع عبارت است از حرکت ذرات و حرکت مایع به طور همزمان و نسبت به هم .اگرغلظت ذرا ت در مایع کم باشد چون ذرات دارای فاصله زیادی نسبت به هم هستند، لذا می توانند به راحتی حرکت کنند.حرکت ذرات نسبت به هم معادل است با حرکت ذرات نسبت به هم (همراه با لایه ی مایع اطراف هر ذره)و حرکت مایع از بین ذرات وقتی غلظت ذرات کم است ،فاصله بین آنها زیاد است و مایع به راحتی از بین دو ذره عبور می کند.
هنگام حرکت مایع اطراف سطح ذره جامد ،لایه مرزی ایجاد می شود ، که در درون لایه مرزی سرعت حرکت کم است ولی خارج از لایه مرزی ،حرکت سیال سریع خواهد بود .اگر ذرات نسبت به هم فاصله کمی داشته باشند و خیلی به هم نزدیک باشند،لایه های مایع اطراف آنها همدیگر را قطع می کنند و لایه های مرزی آنها با هم تداخل می کنند و لذا حرکت مایع بین این دو ذره به کندی و با زحمت صورت می گیرد و ویسکوزیته مایع افزایش می یابد . چون کانال عبور مایع کاهش یافته است .
اگر دو ذره بیش از این به هم نزدیک شوند ،لایه های مایع جذبی آنها با یکدیگر مشترک می گردند و این لایه های مایع جذبی ،خود مانند جسم جامد عمل می کنند
در این حالت حرکت مایع به شدت کند می شود و ویسکوزیته شدیداَ بالا می رود.
اگر همین درصد ذرات را به ذرات و دانه های ریزتر تبدیل کنیم ،سطح ذرات افزایش می یابد و لایه ی آب اطراف ذرات هم افزایش می یابد (به علت افزایش سطح ذرات ) لذا کانال های عبوری مایع از بین ذرات کوچکتر می گردد.وحرکت سیال سخت تر می گردد، و ویسکوزیته مایع افزایش می یابد.
به ازای یک اندازه دانه خاص ،یک Max درصد جامدی وجود دارد که بیش تر از آن لایه های آب اطراف ذرات با هم مشترک می شوند. هر چه اندازه ذرات درشت تر باشد، این Max درصد، بیش تر خواهد بود و هر چه اندازه ذرات ریزتر باشد اینMax بسیار کمتر خواهد بود .فقط ممکن است برای دانه های درشت این میزان به 40% حجمی برسد ولی در حالت ریز دانه تنها 20%حجمی باشد.
حجم موثر = حجم ذره +حجم آب اطراف ذره
درحالت ریز دانه حجم موثر بسیار بیش تر از حالت درشت دانه ،مقدار بیش تری از ذرات برای پرکردن حجم مایع نیاز داریم .
دفلوکولانت Deflocculants :
:Flocجمع شدن چند ذره کنار هم را گویند (تجمع ذراتی که از هم جدا هستند ) سیستمی که این اتفاق در آن بیافتد را Flocculanted system نامند. اگر جلوی این عمل گرفته شود به آن عمل Deflocculation گویند و به آن عامل دفلوکولانت گویند.
ریشه های باردار شدن ذرات :
1-خارج شدن یون ها از سطح ذرات (مثلا در رس ها)
2- پیوند های ذرات و پیوند های شکسته
3-الکترولیز و جدایش ذرات در دوغاب
عامل مهم در جداسازی ذرات از هم توجه به نیروی واندروالس است.این نیرو همواره جاذبه است و ازایجاد دی پل های موقت در سیستم بو جود می آید و کوتاه برد است ( زیرا در مقیاس مولکولی است لذا ذرات باید به هم بسیار نزدیک شوند تا نیروی واندروالس عمل کند) در نتیجه Stabilization مقابله با نیروی واندروالس است و در واقع جلو گیری از نزدیک شدن ذرات و جلو گیری از اثر نیروی واندروالس است.
icStabilization Electrostat
Steric
فرض : ذره ای داریم که به دلایلی دارای سطح باردار است . اگراین ذره در محیط مثلاَ آبی قرار گیرد یون های با بار مخالف را جذب می کند و در نزدیکی سطح ذره ،لایه جذب شده متراکم تر است و هر چه از سطح ذره دور می شویم تراکم لایه ذرات جذب شده (با بار مخالف )کمتر خواهد بود. می توان نمودار پتانسیل الکتریکی را به ازای فاصله از ذره رسم نمود.
پتانسیل در سطح ذره Max است و بیش ترین جذب یون های مخالف در سطح ذره صورت می گیرد.با فاصله گرفتن از سطح پتانسیل کاهش می یابد.
صفحه ای را که از آن جا به بعد یون های جذب شده به ذره خیلی مقید نیستند و می توانند حرکت کنند این صفحه را، صفحه لغزش گویند و پتانسیل این صفحه را پتانسیل زتا می نامند.
اهمیت و اثر rε بر پتا نسیل زتا و ضخامت لایه موثر چیست؟
- به علت وجود نیروی واندروالس اگر ذرات به هم نزدیک شوند ،به یکدیگرمی چسبند و آگلومره تشکیل می دهند و سنگین شده و ته نشین می گردند برای جلوگیری از آن باید پایدار سازی صورت بگیرد .
پایدارسازی الکترواستاتیک بدین صورت است که با ایجاد ابریونی در دور ذره، چون ذرات در اطراف خود دارای ابر یونی با بارهم نام می شوند،خیلی نمی توانند به هم نزدیک شوند لذا یکدیگر را دفع می کنند و در نتیجه نیروی واندروالس نمی تواند اثر کند.
پتانسیلی که باعث جدا شدن ذرات از هم می گردد باید حتما دافعه ای باشد تا از نیروی جاذبه ای واندروالس جلو گیری کند.
مکانیزم پا یدارسازی steric نیز باید به صورت دافعه ای باشد ولی دافعه در این جا از نوع دافعه الکترواستاتیکی نخواهد بود بلکه از نوع دافعه فیزیکی است (یا مکانیکی ) به این صورت که اگر پلیمرهای زنجیره ای را به صورتی به ذرات متصل کنیم که ازسر به ذره بچسبد لذا این رشته ها دراطراف ذرات قرار می گیرند و مانع نزدیک شدن ذرات به هم می شوند.
جمع جبری پتانسیل ها در سیستم نشان دهنده ی این است که پتانسیل و سیستم جذبی است و یا دفعی و آیا سیستم پایدار است یا خیر؟
اگر میزان دافعه بیش از جاذبه باشد لذا vt دافعه ای خواهد بود و در نتیجه سیستم می تواند پایدار شود وبالعکس
عوامل مهم و موثر در پایدار سازی :
1-غلظت
2-دما
3- نوع مایع
4-PH
-5 ظرفیت ونوع یون عامل (یونی که پایدار سازی انجام می دهد)
هر چه ضخامت لایه موثر بیشتر باشد، دافعه ی بیش تری نیز دارد و لذا پایداری بیش تری نیز خواهد داشت.
(استفاده از یون Na باعث افزایش ضخامت لایه مضاعف می شود و آن را کم می کند زیرا یون Ca بار کمتری دارد وباید به مقدار بیش تری برای خنثی کردن بار ذره به ذره بچسبد.)
ویسکوزیته یک مایع با تعداد ذرات یکسان ،در حالت دی فلوکولانت با حالت فلو کولانت متفاوت است.چرا؟
با توجه به بحث های جلسه ی قبل ،می دانیم که ذرات در مایع ،مقداری از مایع را به خود جذب می کنند، لذا هر چه ذره ریزتر باشد ،چون سطح بیش تری دارند ،در کل مقدار مایع بیش تری را جذب می کند و لذا ذرات ریز تر،حجم مایع را سریع تر و زود تر نسبت به ذرات درشت تر پر می کنند حال اگر ذرات ریز تری داشته باشیم که دی فلو کولانت شده اند، این ذرات تمام فضای مایع را پر می کنند،در نتیجه کانال های بین ذرات کوچک خواهد شد و گرانروی زیاد می شود ولی اگر به هم جذب شوند درشت تر می گردند و کانال های بین ذرات باز تر می گرددو لذا گرانروی کم می شود.
عکس این مطلب هم می تواند صادق باشد ،پس به نظر شما جواب چیست؟
کاربردهای مهم افزودنی های پليمری در پروسسينگ سراميکها
بايندر -
پلاستی سايزر -
ديسپرزانت -
حلال -
Binders:
: Inorganicانواع رس ها
1-کلوئیدی:
:Organic سلو لز مایکروکریستالین، Vinyl
Inorganic :سیلیکات سدیم ،آلومینات سدیم
2-مولکلی :
:organicدر Advanced ceramic ها مهم هستند . (نوع سنتزی گران تر و دارای
پسماند کمتری است)
خواص مورد نياز بايندرها
-راحت بسوزد و خارج شود.
-استحکام خام بالا بدهد.
-قابل حل در حلال مناسب و پايداری در محلول.
-ارزان باشد.
سوختن بايندر
با افزايش حرارت،پليمر تجزيه شده و در دمای خاصی از سيستم خارج شود.
بعد از سوختن پسماند کمی به جا بگذارد.
گاهی ممکن است با سطح ذرات ريز واکنش کرده و ديرتر از سيستم خارج شود.
در عمل جهت جلوگيری از خروج ناگهانی گازها و ايجاد ترک،سعی می کنند تا از بايندرهای گوناگون استفاده کنند. (پلی اتيل متااکريليت:محدوده تبخير600 – 150 )
در قطعات بزرگ مشکل سوختن را داريم.راه حل؟
چند راه حل
استفاده از هوای فشرده)البته سرعت سوختن نبايد خيلی بالا باشد تا قطعه ترک نخورد(
استفاده از منگنز يا پالاديم در حد 100 ppm تا فرآيند اکسيد شدن را تسريع کنند.
استفاده از بايندرهای خود اکسيد شونده)نيترات سلولز محلول در اتيل استات يا متانول (
استحکام
ذرات را به خوبی بهم بچسباند.
بين خود چسب،چسبندگی بالالايی وجود داشته باشد.
با افزايش بايندر،استحکام و چسبندگی افزايش می يابد.
بهترين چسبندگی از پيوند هيدروژنی حاصل می شود.
حل کردن بايندرها
حل کردن بايندر،يعنی غلبه بر پيوند قطبی يا غير قطبی بين مولکولها
برخی از بايندرها جهت افزايش قابليت انحلالال تحت عمليات سطحی قرار می گيرند.
عموما بايندرهای قطبی در حلالال های قطبی و بايندرهای غيرقطبی در حلال های غير قطبی حل می شوند.
جهت انحلالال بايستی مولکول حلالال توانايی گسستن پيوندهای بين مولکولهای بايندر را داشته باشد.
در تمامی پروسه ها بجز قالب گيری تزريقی و ريخته گری تحت فشار،بايندر در يک مايع محلول و ديسپرز می شود.
آشنايی با چند نوع بايندر پليمری
نوع وينيلی
پيوند درون زنجيره ها c-c است و گروههای شاخه ای H و OHوجود دارند پس حلاليت در آب داريم . OH با سطح ذرات پيوند هيدروژنی می دهد و چسبندگی بالالا می رود.
نوع سلولز
-نسبت به نوع وينيلی انعطاف کمتری دارند پس مولکول پيچ نمی خورد و بزرگتر است.
-نشاسته:چسب طبيعی و نامحلول در آب سرد
-سديم کربوکسی متيل سلولز:يک چسب آنيونی جهت افزايش ويسکوزيته و کنترل خواص فيلتراسيون سراميکهای سنتی
-صمغ های طبيعی:مشتق شده از گياهان و دارای شاخه های پليمری پيچيده
-ليگنوسولفانات ها:در پروسه های سولفاتی استفاده می شوند.به عنوان ديسپرزانت های ارزان قيمت هستند.
واکس ها و گليکل ها
واکس های معمولی مثل پارافين مشتق شده از نفت هستند.
پارافين ها:مخلوطی از هيدروکربن های اشباع شده هستند که تمايل به تبلور صفحه ای يا سوزنی شکل دارند.
استرها،اسيدها و الکل ها:نسبتا سخت هستند و نقطه ذوب نسبتا بالالايی دارند)حدود 90 درجه سانتی گراد(
موم:مخلوط پيچيده استری که نسبت به واکس های گياهی نقطه ذوب پايين تری دارد.
PEG : نوع وزن مولکولی پايين دارای ويسکوزيته مايعی پايدار با گرما و نوع وزن مولکولی بالا ،واکس های جامدی هستند که به عنوان بايندر و روانساز استفاده می شوند.
عوامل موثر برTg بايندر
هر چه شاخه های پليمری بايندر سفت تر باشند،در اثرحرکت زنجيره ها مقاومت کرده و باعث افزايش Tg می گردند.
هر چه شاخه های پليمری بايندرقطبی تر و استحکام پيوند بين آنها بيشتر ، Tg بیشتر
هر چه وزن مولکولی بايندر بيشتر ، Tg بیشتر
هر چه ميزان شبکه سه بعدی بهم پيوسته بيشتر ، Tg بیشتر
پلاستی سايزر
مواد آلی دارای وزن مولکولی کمتر از بايندر هستند و با نفوذ بين مولکول های بايندر و شکستن آنها باعث نرم شدن و کاهشTg بايندر می شوند.
معمولا در همان حلالی حل می شوند که بايندر در آن حل می شود.
عموما سه برابر چسب استفاده می شود.
در بسياری موارد دارای توان بالايی برای حل کردن پليمر ها هستند.
فراريت آنها کمتر از حلال های آلی است.
پلاستی سايزری انتخاب می شود تاTg بايندر را هنگام کار به زير دمای اتاق ببرد.
چند نکته
در ريخته گری نواری نقش مهمی دارند.
هر چه وزن مولکولی پلاستی سايزر بالاتر،توانايی کاهشTg بايندر بيشتر.
عموما از دو پلاستی سايزر استفاده می کنند تا فضای بين مولکول های بايندر را پر کنند.
برخی اوقات عمل مخلوط بايندر و پلاستی سايزر در خلا انجام می شود تا از حبس هوا جلوگيری شود.
پلاستی سايزر،سوختن بايندر را تسهيل می کند.
پلاستی سايزرعموما باعث کاهش استحکام نيز می شود.
چند مثال از پلاستی سايزرها
از پلاستی سايزرهای محلول در آب می توان به گليسرين ، PEG، پلی پروپيلن گليکل و پروپيلون گليکل اشاره کرد که برای چسب های خاصی مناسبند مثلPVA ، متیل سلولز ، هيدروکسی اتيل سلولز و پلی اکريل آميد
بسياری از پلاستی سايزرها نه تنها برای مولکول های بايندر که برای بايندرهايی با ذرات کلوئيدی نيز استفاده می شوند.مثلا گليسرين واتيلن گليکل در بدنه های رسی نقش پلاستی سايزر را بازی می کنند.
ديسپرزانت
وظيفه اصلی جلوگيری از تشکيل آگلومره هاست.
ديسپرزانت با جداسازی ذرات در سوسپانسيون سراميکی،ميزان ماده جامد و رفتار جريانی را افزايش می دهد.
هر چه ذرات ريزتر،سطح بيشتر،جاذبه بين ذرات بيشتر،ديسپرزانت بيشتر
عملکرد ديسپرزانت ها
اگر ديسپرزانت بهتر عمل کند:
1) رسوب کمتر
2) کاهش ويسکوزيته
3) ماده جامد بيشتر
4) دانسيته خام بيشتر
پليمرهای دارای وزن مولکولی کم معمولا به عنوان ديسپرزانت عمل می کنند.
حلال ها
خواصی که حلال ها بايد داشته باشند:
توانايی حل کردن افزودنی های ديگر
در ميزان ماده جامد بالا،ويسکوزيته کمتر
تمايل کم به تشکيل حباب ها حين آسياب
سرعت تبخير بالا
مسائل امنيتی(عدم شعله وری-غير سمی بودن)
هزينه پايين
فقدان حمله شيميايی به پودر سراميکی
در بسياری موارد جلوگيری از تشکيل آگلومره
پلی وينيل پيروليدون( PVA )
پليمری شامل گروههای آميدی
محلول در آب
پايدار حرارتی
پسماند بسيار کم بعد از سوختن
با توجه به وزن مولکولی پايين در رطوبت های بالا به عنوان پلاستی سايزر عمل می کند.
کاربردها
در تشکيل فيلم های نازک بدون ترک مثل BaTiO3 ، TiO2 ، CeO2
به عنوان ديسپرزانت در تشکيل ممبران های رشته ای باريک آلومينا و هيدروکسی آپاتيت
به عنوان بايندر در ريخته گری نواری محلول آبی پايه آلومينايی
مثال
در تحقيقی که از PVA به عنوان بايندر در کامپوزيت آلومينا/زيرکونيا استفاده شد،در مقايسه با ديگر بايندرها بالاترين استحکام (634MPa)و بالاترین دانسیته (99.7%) حاصل شد .
پلی اورتان
در تحقيقی ديگر اثر بايندر پلی اورتان بر خواص آلومينای پرس خشک شده بررسی و نتايج زير حاصل شد:
افزايش استحکام
بسته به غلظت بايندر ( 5-1 ) درصد وزنی،استحکام کششی (7-1.6) و خمشی ( 12.2-2 (MPa
عامل کنترل کننده استحکام خام بالا،پيوند هيدروژنی بين اتم های اکسيژن آلومينا و گروههای اورتان بايندر
اين بايندر به تدريج می سوزد و کربن باقی مانده کمی به جا می گذارد.
مورد ديگر
در تحقيقی اثر افزودنی های آلی بر ويسکوزيته دوغاب آبی AIN در روش ريخته گری نواری بررسی شد. نتايج نشان دادند که افزودنی های آلی تاثيرات شگرفی بر ويسکوزيته دوغاب دارند.بايندر PVA تمايل به افزايش ويسکوزيته دوغاب و پلاستی سايزر(PEG+FBP) تمايل به کاهش ويسکوزيته دوغاب نشان دادند.
ذرات ماده مانند ذرات رس، به علل مختلف بر روی سطح خود دارای بار هستند لذا اگر از چسبیدن ذرات به هم جلوگیری نکنیم ذرات از قسمت های مختلف با بار مخالف به هم می چسبند و تشکیل یک ساختار لبه به سطح می دهند. به این مکانیزمHetropolar attraction می گویند.(اگر در سیستم رس داشته باشیم ،این مکانیزم رخ می دهد و باعث افزایش استحکام بدنه می گردد، در بدنه های غیررسی هم می توان از رس به عنوان چسب استفاده کرد.)
اما در حالتی که دوغاب را پایدار کرده ایم، ذرات از هم جدا هستند، لذا برای اینکه این مکانیزم رخ دهد ،با ید آب سیستم را کاهش دهیم تا ذرات به هم نزدیک شوند و به هم بچسبند.(پس مکانیزم چسبیدن رس ها به هم مکانیزم هتروپلار است)
مکانیزم هتروپلار یکی از مکانیزم هایی است که اگر دوغاب (رسی) پایدار نشده باشد رخ می دهد و دوغاب را ناپایدار می کند.
1- پلیمریزاسیون
مکانیزم های اثر چسب ها:
2- تشکیل فیلم
در پلیمریزاسیون ، با کم شدن حلال، غلظت مولکل های پلیمری زیاد می گردد.در نتیجه مولکول های پلیمری زنجیره های طولانی از یک سری مولکول ها می دهند و به هم می چسبند.
ایجاد فیلم: در اطراف ذره تشکیل فیلمی از پلیمر می دهند ، با کاهش آب ذرات به هم نزدیک می شوند ودر نتیجه ی این نزدیک شدن، فیلم های اطراف ذرات با هم هم پوشانی می کنند و ذرات به هم می چسبند.
بعضی از binder ها علاوه بر اینکه چسب هستند، مایع بدنه را تشکیل می دهند مانند رزین ها و بعضی ها علاوه بر چسب، جزء ماده بدنه نیز هستند مانند کلوئیدی ها.مانند رس کلوئیدی هم چسب است وهم جزء بدنه.
در روش injection molding ، مایع و چسب یکی است.(ازجنس پلیمر های دمای بالا) و پلیمر در این جا هم چسب است و هم مایع وهم امکان فرم دهی به ما می دهد.
تکنیک های فرم دهی:
ریخته گری نواری Tape casting :
با این روش هم می توان سرامیک های نواری ساخت هم سرامیک های چند لایه.
Spin coating :
در این روش دو عامل روی ضخامت تاثیرگذار است:
1- سرعت چرخش که هرچه زیادتر باشد، ضخامت کمتر است.
2- زمان خشک شدن که هر چه زمان بیشتر باشد ضخامت بیشتر می شود.
سرامیک های متخلخل Porous Ceramic :
کاربرد این سرامیک ها عبارتند از:
1- عایق حرارتی.
2- فیلتر برای مذاب ها یا مواد شیمیایی خورنده.
3- پایه ی کاتالیست.
در این مواد باید اندازه و تعداد و پخش تخلخل ها را کنترل کرد.
در مواد پایه کاتالیست باید بتوان مثلاَ مایع را از گاز جدا کرد.
ساخت این سرامیک ها چند تکنیک کلی دارد:
1- Direct Formong : ایجاد حباب با استفاده از مواد حباب زا یا موادی با انرژی سطحی کم که ایجاد حباب می کنند یا با انجام یک واکنش می توان حباب در قطعه ایجاد کرد که اگر قبل از خروج حباب قطعه را پایدار کنیم قطعه ای با تخلخل بالا داریم.
2- Secrificial tempale : اگر موادی داخل قطعه بریزیم که فدا شوند مثل خاک اره یا کک که بعد از شکل دهی جای آنها تخلخل بماند.
3- Replica : این روش همانند شکل دهی دوغاب با استفاده از اسفنج و سپس از بین بردن اسفنج است.
مقایسه روش Solid Free Forming با روش های متداول شکل دهی:
روش های معمولی: طراحی ← ساخت مدل ← ساخت قالب ← شکل دهی.
S.F.F : طراحی ← شکل دهی. (روش الگوسازی سریع).
[1] - محفظه اي است كه با فشار خاص و اتمسفر خاص براي انجام واكنش خاص استفاده ميگردد.
[2] با افزودن ذرات ريز گيبسيت ( نوعي پودر هيدروكسيد آلومينيوم) همراه با عبور دادن گاز co2
[5] نيروهاي واندروالس هميشه نيرويي جاذبه‌اي و كوتاه برد است.
سرامیک های پیشرفته به دلیل برخورداری از ویژگی هایی چون پایداری در دماهای بالا، استحکام زیاد و مقاومت بالا در برابر خوردگی، خواص مغناطیسی و الکتریکی خاص و منحصر به فرد (چون پیزوالکتریسیته، ابررسانایی، عایق بودن یا نیمه هادی بودن و …) و سایر خواص در بسیاری از صنایع در لیست اجزای بسیار مهم و استراتژیک قرار گرفته اند. مثلا در ماشین سازی و ساخت قطعات صنعتی، خواصی چون استحکام و مقاومت در برابر سایش و خوردگی آنها، بسیار اهمیت دارد.
به مواد معمولاً جامدی که بخش عمده تشکیل دهنده آنها غیر فلزی و غیرآلی باشد، سرامیک گفته می شود. این تعریف نه تنها سفالینه ها، پرسلان (چینی)، دیرگدازها، محصولات رسی سازه ای، ساینده ها، سیمان و شیشه را در بر می گیرد، بلکه شامل آهن رباهای سرامیکی، لعاب ها، فروالکتریک ها، شیشه-سرامیک ها، سوخت های هسته ای و... نیز می شود.
سرامیک مشتق از کلمه keramos یونانی است که به معنی سفالینه یا شئی پخته شده است. در واقع منشا پیدایش این علم همان سفالینههای ساخته شده توسط انسانهای اولیه هستند. در واقع قبل از کشف و استفاده فلزات، بشر از گلهای رس به علت وفور و فراوانی آنها و همچنین شکل‌گیری بسیار خوب آنها در در صورت مخلوط شدن با آب و درجه حرارت نسبتاً پایین پخت آنها استفاده می‌کرد. آلومینوسیلیکاتها که خاکهای رسی خود آنها به حساب می‌آیند، از عناصر آلومینیوم، سیلیسم و اکسیژن ساخته میشوند که این سه عنصر بر روی هم حدود 85 درصد پوسته جامد کره زمین را تشکیل می‌دهند. این سه عنصر فراوانترین عناصر پوسته زمین هستند.