Вспомним забытые технологии: Жидкостекольным смесям - новую жизнь! Часть 2. Взаимодействие жидкого стекла с органическими технологическими добавками

В нашей предыдущей публикации [1]  мы подробно остановились на общих вопросах жидкостекольных технологий  литейного формообразования, а также слегка коснулись неорганических технологических добавок (далее ТД) в виде боксита как более универсального и как более широкого по своим технологическим возможностям  средства улучшения выбиваемости жидкостекольной смеси (далее ЖС). С использованием боксита можно изготавливать сравнительно крупные стальные и чугунные отливки единичной массой до нескольких тонн и при толщинах стенок 50-80 мм и иногда более.

Применение органических ТД основано на термодеструкции и выгорании этих добавок с образованием в межзерновых порах коксика, ослабляющего жидкостекольные связующие пленки, за счет чего обеспечивается разрушение подвергшейся нагреву ЖС преимущественно в виде стержней, образующих в разной степени закрытые полости в отливках.

Две широкораспространенные разновидности этих ТД мы описали ранее [2]. Это ощелаченная патока и ощелаченный лигносульфонат технический Причина необходимости ощелачивания – в слабокислом характере этих ТД, которые без их предварительной обработки щелочью вызывают коагуляцию (сворачивание) жидкого стекла (далее ЖСт).

При выборе того или иного материала в качестве ТД и смеси на основе ЖСт необходимо знать, как он будет взаимодействовать с ЖС, какое влияние окажет на его физико-химические характеристики.

Воздействуя на ЖСт, добавка, в свою очередь, влияет на технологические характеристики форм и стержней: прочность, формуемость, выбиваемость и др.

Предварительное изучение указанного взаимодействия дает возможность сузить  и тем самым ограничить круг материалов, отобрать из них те, которые можно рекомендовать для практического применения.

              Ниже описаны результаты микроскопического исследования взаимодействия ряда материалов с ЖСт.

             Для исследований использовали следующие материалы:

- поверхностно-активные вещества (далее ПАВ);

- эфиры;

- жиры;

-сахаристо-крахмалистые материалы;

- белковые материалы;

- спирты, органические полимеры и другие материалы.

Исследования выполнены с использованием микроскопа Мин-9 при общем увеличении (в том числе с учетом увеличения при печатании фотографий) в 150 раз.

При рассмотрении ЖСт под микроскопом оно представляется прозрачной, светло-серой массой, в которой изредка встречаются посторонние включения (взвешенные частицы) или пузырьки воздуха. В этом отношении оно представляет из себя своего рода фон, на котором при микроскопических исследованиях хорошо рассматриваются добавки и продукты их взаимодействия с ЖСт.

1. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Изучали главным образом ПАВ с низкими пенообразующей способностью и пеноустойчивостью. Выбор ПАВ с такими характеристиками обусловлен необходимостью снижения вязкости ЖСт без перехода его содержащей смеси в текучее состояние.

Некоторые ПАВ, например моющее средство «Сосенка», хорошо совмещается с ЖСт, образуя однородный раствор. Другие же ПАВ («Золушка», амидоспирты, анионовое ПАВ и др.) образуют с ЖСт эмульсии. При рассмотрении их под микроскопом четко видны округленные включения ПАВ. Лишь скрубберная паста образует включения в виде рельефных узоров, напоминающих очертаниями листья растительности.

Среди ПАВ определенные интерес представляет углещелочной реагент (далее УЩР) и полифенольный лесохимический понизитесь вязкости (далее ПФЛХ). УЩР хорошо растворим в воде. В экспериментах использовали его 40%-ный водный раствор. УЩР располагается в ЖСт в виде кристаллов желто-коричневого цвета. Аналогично ведет себя также ПФЛХ.

2. ЭФИРЫ И ЖИРЫ

Дибутилфталат. Дибутилфталат образует с ЖСт включения округленной формы. Предварительная механическая обработка эмульсии в размельчителе тканей РТ-2 дает хорошие результаты.

3. КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА (далее КМЦ)

В экспериментах использовали КМЦ по ТУ 0-15-692-72. Растворяли КМЦ в воде в соответствии с приложенной инструкцией. Раствор КМЦ при рассмотрении под микроскопом представляется в виде расплывчатой, бесформенной прозрачной массы.

Включения КМЦ в ЖСт также имеют рваную форму.

4. ОКСИЭТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА (далее ОЭЦ)

Собственно раствор ОЭЦ при его рассмотрении под микроскопом напоминает КМЦ и отличается желтоватой окраской. Включения ОЭЦ в ЖСт имеют желтоватую окраску и рваную форму. При последующей выдержке ОЭЦ отделяется от ЖСт (всплывает), что с технологической точки зрения нежелательно.

5. ФОСФОЛИПИДЫ

В исходном состоянии фосфолипиды представляют собой порошок желтого цвета. В эксперименте использовали 30%-ный раствор фосфолипидов в однопроцентном водном растворе едкого натра. Фосфолипид плохо размешивается с ЖСт, хлопьями всплывает на поверхность. Бесперспективен

6. САХАРИСТО-КРАХМАЛИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В некоторых из них содержатся сахаристые вещества, хорошо растворимые в ЖСт.

ГИДРОЛ. Под микроскопом в смеси ЖСт с гидролом и оттеками не видно каких-либо включений. При хранении ЖСт, обработанных этими материалами, расслаивания не наблюдалось.

Гидрол – побочный продукт при производстве кристаллической глюкозы из кукурузного крахмала. При концентрации NaCl 10-14% в технологии этот продукт стал называться соленым гидролом. Предыдущая концентрация NaCl составляла 2-4%.

ПРЕСНЫЕ ОТТЕКИ. Пресные оттеки – это тоже один из побочных продуктов крахмалопаточного производства. Пресные оттеки хорошо смешиваются с ЖСт, придавая ему желто-коричневую окраску с красноватым оттенком.

С увеличением содержания пресных оттеков увеличивается количество кристаллов и растут их размеры. Размеры кристаллов достигают 0,8 мм.

СОРБИТ. Сорбит отлично растворяется в ЖСт. Мелкие капли-шарики светло-желтого цвета хорошо видны на светло-сером фоне ЖСт. Размеры включений – от 0,008 до 0,06 мм.

ДЕКСТРИН. Использовали декстрин, растворенный в горячей воде. Дестрин отлично распределяется в ЖСт в виде очень мелких включений.

7. БЕЛКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Костный клей. В экспериментах использовали 30%-ный водный раствор костного клея (его рН – 5,5). Костный клей плохо смешивается с ЖСт. При низком содержании клея в ЖСт его мелкие включения имеют округленную форму. С увеличением содержания ЖСт форма и размеры включений изменяются. Они становятся крупнее, форма включений становится более разнообразной.

Аналогично ведет себя казеиновый клей. Размеры включений – от 0,008 до 0,064 мм.

АЛЬБУМИН. В экспериментах использовали 10%-ный раствор альбумина в однопроцентном растворе едкого натра. Под микроскопом на фоне ЖСт видны включения альбумина в виде полупрозрачной студнеобразной массы. Раствор альбумина плохо смешивается с ЖСт.

АКТИВНЫЙ ИЛ. Активный ил – это микробная биомасса, получаемая при очистке промышленных стоков, которые образуются при производстве кормовых дрожжей из очищенных жидких парафинов. Активный ил используют в производстве бактериальных препаратов и аминокислот.

Активный ил подвергали предварительной обработке однопроцентным водным раствором едкого натрат. Активный ил, будучи белковым веществом, в щелочной среде набухает и переходит в состояние, наиболее пригодное для обработки им ЖСт. Соотношение между активным илом и щелочным раствором выбрано из соображения, чтобы его вязкость была примерно равной вязкости ЖСт плотность 1470-1500 кг/м³ (модуль – 2,7-2,9).

Активный ил, обработанный щелочным раствором, хорошо смешивается с ЖСТ, образуя однородную массу желтого цвета (такую окраску имеет активный ил).. При рассмотрении под микроскопом смеси ЖСт и активного или видны грубодисперсные включения круглой формы. Соответственно активный ил представляется в виде грубодисперсной системы, причем края частиц (вероятно, разрывы оболочек) имеют более светлый цвет и рваную форму. Размеры включений – от 0,04 до 0,3 мм. Смесь ЖСт с активным илом – также грубодисперсная стстема. Включения имеют светло-коричневый цвет, внутри включений – темные пятна. Размеры включений – от 0,06 до 0,04 мм, в количественном отношении преобладают мелкие и средние частицы.

Аналогичный характер имеют включения биомассы в ЖСт.

8. СПИРТЫ, ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ И ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ: ФУРИЛОВЫЙ СПИРТ, ФУРФУРОЛ И ИХ СМЕСИ

 При обработке ЖСт фуриловым спиртом образуется эмульсия. Включения фурилового спирта имеют округлую форму. Цвет включений ярко-желтый, размеры - 0,016-0,09 мм.

Фурфурол, так же как и фуриловый спирт, образует в ЖСт эмульсию.

Предварительная механическая обработка смеси этих материалов в размельчителе тканей РТ-1 (n = 4000 об/мин, продолжительность размельчения 30 с) резко увеличивает количество мелкодисперсных включений и, таким образом, должна дать лучшие технологические результаты в макромасштабе.

Смесь фурилового спирта и фурфурола брали в массовом отношении 5:5; 4:6; 3:7; 2:8. Наиболее мелкое зерно получается при использовании смеси фурилового спирта и фурфурола взятых в отношении 5:5. Принципиального различия в форме зерен не обнаружено.

9. ГЛИЦИРИН

Глицерин при смешивании с ЖСт образует включения шаровидной формы размерами 0,016-0,02 мм.

10. ПОЛИВИНИЛОВЫЙ СПИРТ (далее ПВС)

ПВС растворяли в теплой воде на водяной бане. Использовали раствор 5%-ной концентрации. При смешивании водного раствора ПВС с ЖСт образуются цепочки включений серого цвета.

11. СМОЛА ФУРИТОЛ 107

При смешивании ЖСт со смолой Фуритол 107 образуется плотный сгусток, который потом размешивается, однако остаются мелкие, плотные шарики загустевшего ЖСт. Характер загустевшей массы мало изменяется с изменением соотношения смолы и ЖСт (содержание Фуритола 107 изменялось от 10 до 23% от массы ЖСт). Из сказанного следует, что пытаться совместить смолу Фуритол 107 с ЖСт нет смысла.

12. ПОЛИВИНИЛАЦЕТАТНАЯ ЭМУЛЬСИЯП (далее ПВАЭ)

ПВАЭ (рН – 9,9) образует с ЖСт цепочные включения светло-серого цвета с рваными краями.

13. ЛАТЕКС

 Латекс, так же как и ПВАЭ, хорошо растворяется в ЖСт,, образуя однородную массу. Включения имеют рваную форму, размеры включений – от сотых долей миллиметра до сплошных агломератов вытянутой формы.

14. ЛИГНИН

Лигнин, будучи твердым веществом, практически не претерпивает изменений при смешивании его с ЖСт.

15. КРЕМНЕФТОРИСТОВОДОРОДНАЯ КИСЛОТА (водный раствор плотностью 1140 кг/м³)

Эта кислота хорошо смешивается с ЖСт, однако при этом происходит его быстрая, практически мгновенная коагуляция. Сгустки затвердевшего ЖСт прозрачны на внешний вид.

Кроме вышеизложенного, под микроскопом изучали взаимодействие также других материалов с ЖСт.

Таким образом, в результате взаимодействия технологических добавок с ЖСт образуются следующие основные типы композиций:

- растворы (сахаристые вещества, некоторые ПАВ);

- эмульсии (фуриловый спирт, фурфурол и их смеси, дибутилфталат, глицерин, смола Фуритол 107 и др.);

- суспензии (лигнин и др.).

ЖСт образует с большей частью изученных материало композиции, приемлемые для приготовления формовочных смесей.

Для выхода на практические составы смесей с конкретными соотношениями ЖСт и ТД требуются дополнительные проработки, которые мы готовы выполнить по конкретным договоренностям с заинтересованными предприятиями, располагающими конкретными материалами. Органические ТД в ЖС приемлемы при производстве мелкого стального и чугунного литья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е.Л. Вспомним забытые технологии: Жидкостекольным смесям – новую жизнь. «Литьё Украины», 2020, № 8.
2. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е.Л. Вспомним забытые технологии: о выбиваемости жидкостекольных смесей из отливок. «Литье Украины», 2018, № 6.

Авторы:

Канд.техн.наук, почетный литейщик Украины Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е. Л.

КНПП «Формовочные материалы Украины», г. Краматорск

«Литьё Украины», 2020, № 9, с.37-41