Wpływ nanocząstek tlenków metali w rozpuszczalnikach organicznych na
stan powierzchni modelu woskowego w technologii wytapianych modeli
W części kompilacyjnej przedstawiono zasadę klasycznej metody technologii modeli wytapianych (TMW), umożliwiającej otrzymywanie odlewów o dużej dokładności wymiarowej oraz gładkiej i czystej powierzchni. W metodzie tej komponentami masy ceramicznej jest osnowa ogniotrwała jak np. cyrkon, mulit, stopiona krzemionka zaś spoiwem zhydrolizowany krzemian etylu. Jednakże pomimo dobrych własności odlewów z udziałem tego materiału ten jako źródło emisji szkodliwych związków organicznych zgodnie z zaleceniami unijnymi jest od 1997 roku eliminowany z odlewni. Obecnie w TWM najczęściej stosowane są spoiwa zawierające krzemionkę koloidalną stabilizowaną jonami Na+. Jednakże poważną wadą mas wiązanych tym spoiwem (obok niskiej wytrzymałości mechanicznej) jest słaba zwilżalność modelu woskowego. Powszechnie stosowaną metodą poprawy zwilżalności modelu woskowego przez ciekłe masy ceramiczne (CMC) jest dodatek surfaktantów. W pracy przedstawiono wpływ stężenia krzemionki koloidalnej jak również wpływ parametrów fizykochemicznych surfaktanta tj.: rodzaju, stężenia i pH roztworu na zdolność do zwilżania modelu woskowego jak również właściwości mechaniczne surowej oraz wygrzewanej masy ceramicznej. Analiza źródłowa wskazuje na niedogodność stosowania dodatków surfaktantów do CMC. Podjęto więc próbę opracowania modyfikatora powierzchni wosku nadając mu właściwości hydrofitowe. Badania przeprowadzone w niniejszej pracy dowodzą, że koloidalne roztwory nanocząstek tlenków metali (ZnO, Al2O3, MgO) w rozpuszczalnikach organicznych bardzo dobrze zwilżają powierzchnię wosku. W pierwszym etapie części doświadczalnej przeprowadzono badanie wpływu parametrów modyfikatora: rodzaju nanocząstek i rozpuszczalnika organicznego, wielkości nanocząstek i stężenia rozpuszczalnika na jego zdolność do zwilżania powierzchni modelu woskowego. Wykazano, że najlepszą zwilżalność powierzchni wosku osiągnięto (nadając mu właściwości hydrofitowe) stosując stężenie 0,3M koloidalnej zawiesiny nanocząstek ZnO o wielkości około 10nmw octanie butylu. W drugim etapie badań przeprowadzono badania zwilżalności wosku o zmodyfikowanej powierzchni przez ciekłe masy ceramiczne. Wykazano, że modyfikacja powierzchni modelu woskowego przez wytypowany modyfikator poprawia jego zwilżalność przez ciekłą masę ceramiczną. Badania strukturalne w układzie: wosk - ciekła masa ceramiczna, przeprowadzone metodą: SEM, EDS, FTIR wykazały, że zwilżalność zmodyfikowanej powierzchni wosku uwarunkowana jest obecnością grup funkcyjnych rozpuszczalnika oraz długością jego łańcucha węglowodorowego (SEM, EDS). Natomiast zwilżalność zmodyfikowanej powierzchni wosku przez ciekłą masę ceramiczną jest efektem reakcji chemicznej nanocząstek ZnO zarówno z powierzchnią wosku jak i z masą ceramiczną. Powyższe badania strukturalne są podstawą do zaprezentowania trójetapowego mechanizmu wiązania wosku z ciekłą masą ceramiczną.
In the compilation, the lost-wax casting (cire perdue) process, which enables obtaining casts of great dimensional accuracy and clean surface is presented. In this method, the ceramic slurry components are the refractory matrix material (made of e.g. zirconium, mullite, fused silica) and the binder (hydrolised ethyl silicate). However, despite the satisfactory properties of castings made using this material, due to its harmful organic compound emissivity properties, in accordance with EU recommendations, since 1997, it is being eliminated from foundries. Currently, in the rendered model technology, matrices containing Na+ ion stabilised colloidal silica are used. However, a serious flaw of materials made with this matrix (apart from low mechanical strength) is the low wettability of the wax pattern. A commonly used method of improving the wetting of the wax model by liquid ceramic slurries is the addition of surfactants. In this work, the influence of the concentration of colloidal silica, along with other physicochemical properties of the surfactant, i.e. the type, concentration and pH of the solution, on the ability to wetten the wax pattern, as well as the mechanical properties of the raw and annealed ceramic slurry, are presented. Source analysis indicates the inconvenience of using surfactant additives for liquid ceramic slurries. As a result, an attempt to develop an inoculant which would modify the surface of the wax so that it achieves hydrophilic properties, has been made. Research done in this work proves that colloidal solutions of metal oxide nanoparticles (ZnO, Al2O3, MgO), dissolved in organic solvents, successfully wetten the wax surface. In the first stage of the experimental part, a study of the impact of the inoculant’s parameters (the type of nanoparticles and organic solvent, the size of nanoparticles and the solvent concentration) on its ability to wetten the surface of the wax pattern has been conducted. The results show that the best wetting of the wax surface was reached (thus granting it hydrophilic properties) using 0.3M suspensoid of approximately 10nm ZnO nanoparticles in butyl acetate. In the second stage of research, studies on the modified wax pattern surface wetting by liquid ceramic slurries were carried out. It has shown, that the modification of the surface of the wax pattern by the chosen inoculant improves its wetting by the liquid ceramic slurry. Structural tests in the system: wax - liquid ceramic slurry, carried out by
methods: SEM, EDS, FTIR, have shown that the wetting of the modified wax pattern surface is contingent on the presence of function groups of the solvent and the length of its hydrocarbon chain (SEM, EDS). The wetting of the modified wax pattern surface by the liquid ceramic slurry is the effect of the chemical reaction between the ZnO nanoparticles with both the wax surface and the ceramic slurry. The above mentioned structural tests are the basis to presenting a three stage mechanism of bonding wax with ceramic slurry.
