книги из ГПНТБ / Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика

тельствует о том, что падение вязкости суспензии с

ростом температуры обусловлено температурной зави­ симостью вязкости воды.

Падение дилатансии с ростом температуры обуслов­ лено, видимо, следующим. Прежде всего с ростом темпе­ ратуры уменьшается плотность воды (увеличивается ее объем). Соответствующее увеличение объема дисперси­ онной среды значительно больше, чем кварцевого стекла. В связи с этим увеличивается доля кинетически свобод­ ной дисперсионной среды, участвующей в движении Сші. По расчетным данным, при росте температуры от 1 до

Ряс. 43. Зависимость вязкости от скорости и напряжения сдвига суспензии кварцевого стекла с плотностью 1,99 г/смэ при температурах-

1—ЖС-, 2—60°С

80 С для суспензии кварцевого стекла эта величина возрастает с 0,120 до 0,126, т. е. на 4,1%. Между тем даже такое незначительное увеличение-объема кинети­ чески свободной дисперсионной среды в области пре­

дельно концентрированных суспензий приводит к резко­ му падению дилатансии (рис. 37).

Возможно также, что уменьшение дилатансии связа­ но с понижением вязкости воды. Вследствие лучшей ее подвижности с ростом температуры состояние насыще­ ния образовавшихся при деформировании суспензии пустот будет происходить быстрее. Таким образом, дилатантно упрочненная структура будет релакеировать быстрее, чем и обусловливается указанный эффект.

Существенное влияние температуры оказывает и на суспензии с тиксотропным или тиксотропно-дилатант- ным характером течения. Как показано на рис. 43, мак­ симальная т] суспензии при повышении температуры с 20 до 60° С уменьшается в четыре раза, минимальная

101

(разрушенная)— в 1,9 раза. Характерно, что отмечав­

шееся первоначально при высоких Р пли у дилатантное

течение после повышения температуры суспензии от­ сутствует.

На загустеваемость суспензий, определенную на приборе Энглера, температура также оказывает суще­ ственное влияние. На рис. 44 показана температурная зависимость коэффициента загустеваемости двух раз-

1,86 г/ом3

личных по дисперсности суспензий равной плотности. Из рисунка следует, что загустеваемость увеличивается с повышением температуры в большей степени для сус­ пензии с оолее тонким зерновым составом. Известно, что тиксотропному структурообразованию благоприятст­ вует тепловое движение частиц дисперсной фазы (на­ пример, рроуновское движение). Следовательно, для суспензий с более тонким зерновым составом вследствие большей подвижности частиц с ростом температуры эф­ фект загустеваемости будет большим.

Седиментационная устойчивость суспензий

Принято считать, что суспензии как глин, так и дру­ гих керамических материалов в отличие от истинно коллоидных золей — системы кинетически неустойчивые. Кинетическая неустойчивость в данном случае является результатом осаждения частиц суспензии под влиянием силы тяжести по закону Стокса [122, 140, 141]. Осаждаемость керамической суспензии выражается в ее

расслоении по вертикали (т. е. в появлении неоднород­

ности в соотношении Т;Ж и в зерновом ооставе) вплоть

102

до выпадения слоя видимого осадка или образования осветлённого слоя дисперсионной среды и может быть связано как с агрегативной, так и кинетической неус­ тойчивостью.

Явление осаждаемости крайне нежелательно, так как может приводить к ряду неприятных технологиче­ ских последствий. С увеличением габаритных размеров и толщины отливок опасность проявления осаждаемости увеличивается. Последнее обусловлено как большей про­ должительностью литья, так и 'более крупным зерновым составом, обычно применяемым при этом.

Закономерности осаждения суспензий

■Как известно ['1-2(3, 131], скорость осаждения твердых частиц в жидкой среде описывается уравнением, выте­ кающем из закона Стокса:

р и ро — соответственно плотность дисперсной фазы и дисперсной среды;

q — ускорение силы тяжести; ті — вязкость среды.

Широко распространено мнение [122], что осаждаемость частиц в керамических суспензиях подчиняется уравнению Стокса. В связи с этим для повышения еедиментационной устойчивости рекомендуется [122, 141— 143] или повышать дисперсность твердой фазы (умень­ шение г2), или повышать вязкость дисперсионной среды (увеличение т|).

Между тем указанные пути не всегда являются при­ емлемыми и технологически удобными. К примеру, при­ менительно к литью крупногабаритной кварцевой кера­ мики, как и некоторых других ее видов, содержание оп­ ределенного количества крупной фракции является жела­ тельным или необходимым. Кроме того, как правило, ■повышение дисперсности частиц ,и вязкости дисперсион­ ной среды приводит к увеличению пористости полуфаб­ риката при литье.

В противоположность указанным работам было установлено [60], что в случае полидиоперсных высококонцентрированных суспензий кварцевого стекла, содер­

103

рость осаждения последней оказалась в тысячи раз меньше, чем из расчета но Стоксу. Характерно, что с уменьшением размера частиц эта разница увеличива­ ется. Для объяснения столь большой разницы в экспе­ риментальной :и стоксовской скорости осаждения" частиц допускали, что для крупной фракции, находящейся в высококонцентрированной суспензии, последнюю можно условно считать дисперсионной средой. Принимая в уравнении (48) вместо ро и т] соответственно .плотность и вязкость суспензии, получили результаты значительно более близкие к экспериментальным. Из этого следует, что скорость осаждения крупных частиц в полидиспереной суспензии определяется ее вязкостью и плотно­ стью.

На рис. 45 показан логарифм скорости осаждения частиц в зависимости от нх гидравлически эквивалент­ ного диаметра по Стоксу, экспериментальным данным

и по предложенной трактовке уравнения Стокса [60]. Видно, что разница между экспериментальной и расчет­ ной скоростью (кривые 2 и 3) с увеличением размера частиц уменьшается. Обусловлено это, возможно, явле­ нием загустеватшя суспензии, которое в большей мере

104

сказывалось при определении скорости осаждения ча­ стиц 'Меньшего размера. Вязкость и плотность суспензии являются, таким образом, основными факторами, с по­ мощью которых можно регулировать устойчивость сус­ пензий. В качестве примера влияния этих факторов па рис. 46 показаны кривые накопления осадка в среднедиспер'Сных суспензиях различной плотности (при высо­ те столба суспензии 450 мм).

На рис. 47 показана зависимость логарифма скорости осаждения различных групп фракций в среднедисперс­

фракций 63 и 160 мкм. Видно, что в области концентра­ ций, показанных на рисунке, скорость осаждения может меняться на несколько порядков. Характерно, что умень­ шение скорости осаждения аналогично повышению вязкости суспензий с их концентрацией. Как следует из рисунка, экспериментально полученные скорости осаж­ дения крупных частиц (кривые 2—3) по сравнению с расчетными (кривые 4, 5) существенно отличаются. От­ мечающиеся при этом еще меньшие скорости осаждения, чем следует по расчету, вероятно, обусловлены следую­ щим. При стесненном падении частиц становится су­ щественным восходящий поток суспензий, вытесняемый значительным объемом оседающих частиц; частицы со­ ударяются между собой. В результате этих изменчивых и сложных воздействий извилистость пути частицы зна­ чительно возрастает. Еще -большее влияние оказывает тот факт, что суспензия но мере осаждения частиц су­ щественно сгущается и, таким образом, оказывает по­ степенно возрастающее 'Сопротивление. Кроме того, вязкость суспензии в процессе эксперимента, продол­ жающегося от 5—8 до 80—200 ч, может существенно повышаться (явление загустевяния). Частично это обусловлено и тем, что гидравлически эквивалентный диаметр зерен оказывается меньшим, чем ситовой, при­ нятый в данном случае для расчета [75].

Характерно, что разница между экспериментальной и расчетной скоростью осаждения частиц увеличивается по мере роста плотности суспензии. Так, если в области малых значений ре эта .разница составляет около поряд­ ка. то при повышении о(. до 1.90—1,95 г/см3 достигает двух порядков. В случае дальнейшего повышения рс эта

105

h, мм

Рис. -IG. Кривые накопления толщины слоя осадка для сірсд недисперсных суспензий кварцевого стекла различной плот- поста: /—1,65 г/см3; 2—1,77 г/см3; .7—1,88 г/сыа; 4—1,90 г/ом3

Рс, г /см3

Рис. 47. Зависимость логарифма скорости осаждения чаістиц

.различного размера от плотности суспензии:

/—315 мим; 2—160 мим; 3—63 мкм; 4,— данные, рассчитанные для частиц 160 мкм; 5 — то же. для чаіетиц 63 мим

106

осаждение окажется существенным, так как по мере уменьшения /гос уменьшается доля внедряющейся ори осаждении крупной фракции и материал отливки явля­ ется более равиоплотным.

Осаждаемость суспензии в процессе литья может быть оценена [71] посредством определения коэффици­ ента седпментационного расслоения /гср. Последний оп-

Рнс. 48. Зависимость коэффициента осадкообразования (/), дополнительной удельной концентрации твердой фазы (2) и плотности осадка (3) от плотности суспензии

ределяется относительным уменьшением уделиной кон­ центрации твердой фазы в суспензии, остающейся в литниковой прибыли Qкон в конце литья, по сравнению с исходной Qo по формуле [71]:

Осаждаемость определяется, прежде всего той величи­ ной вязкости, которая присуща системе при минималь­ ных напряжениях сдвига. Последнее обусловлено тем, что даже самые крупные частицы (до нескольких милли­ метров) развивают в суспензии при осаждении незначи­ тельные сдвигающие напряжения. И поэтому суспензии с ньютоновским или дилатантным характером новеде-

108

ния при прочих равных условиях будут менее седиментационно устойчивыми, чем тиксотропные. К примеру, те же суспензии на основе кварцевого стекла, но с тиксотропным характером поведения, что достигалось или более тонким зерновым составом, или коагуляцией,

мических суспензий.

Было предположено, что полная седиментационная устойчивость достигается в том случае, если сдвигаю­ щие напряжения, развиваемые максимальной по разме­ ру частицей, не превосходят статический предел текуче­ сти суспензии — Pkr Расчет величины Я*,, необходи­ мый для удержания частицы во взвешенном состоянии, производится следующим образом.

Представим, что максимальная по размеру частица шарообразной формы диаметром dmax и плотностью рі находится в суспензии с плотностью р0. Если рі>ро. то под влиянием силы тяжести частица движется вниз. Если же система структурирована и обладает пределом текучести, то движение частицы начнется лишь после превышения Pk, суспензии. Касательные напряжения т, возникающие под влиянием сил тяжести на поверх­

109

В действительности, при распределении напряжений, возникающих вокруг шарообразной частицы, взвешен­ ной в суспензии, в последней 'возникают, кроме касатель­ ных, еще и нормальные напряжения. В связи с этим действительные касательные напряжения на поверхно­ сти частицы будут меньше, чем рассчитанные по форму­ ле (40). И поэтому движение частицы в суспензии начнется тогда, когда напряжения, отнесенные к его поверхности, достигнут некоторой величины, большей, чем т, т. е. оно должно равняться

от кривизны обтекающих частицу струй.

В работе [144] при решении аналогичной задачи по изучению устойчивости породы в глиняном растворе при

но развиваемые напряжения в суспензии и необходимый

По этому же уравнению может быть определен диа­ метр газового пузыря, не всплывающего в суспензии с известным значением ее Ркі■