علم سرامیک

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 (V_vep) 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:

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 v_t 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).