ИССЛЕДОВАНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА, ОБРАБОТАННЫХ РАСТВОРАМИ СОЛЕЙ | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)
Евстифеев Е.Н.1, Савускан Т.Н.2
1Доктор технических наук, доцент; 2кандидат химических наук, доцент,
Донской государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА, ОБРАБОТАННЫХ РАСТВОРАМИ СОЛЕЙ
Аннотация
В статье приводятся результаты исследования физико-химических процессов, протекающих при сушке и прокаливании в керамических формах на основе жидкого стекла, обработанных растворами солей кальция, хрома и алюминия.
Ключевые слова: оболочковые формы, жидкое стекло, растворы солей.
Evstifeev E.N.1, Savuskan T.N.2
1PhD in Science, Associate Professor; 2Candidate of Science in Chemistry, Associate Professor, Don State Technical University.
STUDY OF THE CERAMIC FORM ON THE BASIS OF LIQUID GLASS, PROCESSED SALT SOLUTIONS
Abstract
The article presents the results of investigation of physical-chemical processes in drying and calcination in ceramic forms on the basis of liquid glass, processed salts of calcium, chromium and aluminum.
Key words: shell form, liquid glass, solutions of salts.
Метод литья по выплавляемым моделям, благодаря ряду преимуществ перед другими способами получения труднообрабатываемых сложных отливок из жаропрочных и жаростойких сплавов, получил широкое распространение в России и за рубежом, особенно с развитием реактивной авиации и ракетостроения.
Наиболее распространенным связующим в этом методе получения точных отливок является гидролизованный раствор этилсиликата.
Однако это связующее имеет недостатки – сообщает формам на кварцевой основе склонность к растрескиванию, имеет высокую стоимость [1].
Связующие на этилсиликатной основе содержат 20-70 % воды, поэтому важнейшим условием получения прочных керамических форм является гарантированная сушка каждого слоя покрытия. Для этого в сушильной камере должны быть обеспечены максимально допустимая температура и интенсивный воздухообмен, а формы иметь минимальную влажность. Поэтому применение форм, в которых все слои изготавливаются на основе гидролизованного этилсиликата, вызывает серьёзные затруднения.
Разработаны также связующие на основе коллоидной двуокиси кремния. Большинство из них не дают заметного улучшения качества форм, кроме того, кремнезоль имеет ограниченную живучесть, очень дефицитный и дорогостоящий продукт.
Применяют связующие и на основе оксинитратных солей хрома и алюминия. Они дают возможность изготавливать формы из электрокорунда и других огнеупорных наполнителей для отливок из титана и хрома.
В качестве связующего материала при литье по выплавляемым моделям широкое распространение получило также нетоксичное жидкое стекло. Его получают в автоклавах путём растворения в воде при нагревании силикат-глыбы. Состав жидкого стекла может быть выражен следующей общей формулой:
где Me2O может быть Na2O и K2O.
Без химической обработки жидкое стекло использовать в упрочняющих слоях оболочки для получения точных отливок затруднительно, так как отливки получаются с ужинаминами из-за выпучивания внутрь полости формы облицовочного слоя под действием сжимающих усилий, возникающих вследствие усадки покрытия.
Химическая обработка жидкостекольной оболочки кислотами и солями аммония не позволяет получить качественную форму из-за её низкой прочности как в «сыром» состоянии, так и при высоких температурах.
Известен также способ обработки жидкостекольной оболочки растворами солей алюминия, однако и он не обеспечивает высоких прочностных свойств оболочки после прокаливания и не даёт возможность совместить операцию обработки с выплавлением модели формы.
Перспективно использование для обработки жидкостекольных форм растворов хлорида кальция и кислых фосфатов хрома и алюминия.
Вероятность протекания химических реакций в оболочковых формах, обработанных указанными выше солями, определяли по методу изобарно-изотермических потенциалов.
Как показывают расчеты, наиболее вероятной реакций, идущей при обработке жидкостекольных форм раствором хлорида кальция [2], является:
6(Na
Из уравнения реакции видно, что в результате взаимодействия силикатов натрия с хлоридом кальция образуются оксид кремния, хлорид натрия и гидросиликаты кальция типа волластонита, которые играют роль связующих непрокалённых форм.
Наличие их в обработанной оболочке доказано рентгенографическими исследованиями.
При прокалке форм из них вначале удаляется гигроскопическая вода, а затем в интервале температур 110-770 оС происходит дегидратация гидросиликатов кальция. Безводный силикат кальция CaO·SiO
2NaCl + 4(CaO·SiO2) + 2SiO2 + 2H2O = Na2O·4CaO·6SiO2·H2O + 2НCl
Кроме того, при нагревании в керамической оболочке вероятно протекание ещё и следующих реакций:
4NaCl + O2 + 4SiO2 = 2Cl2 + 2(Na2O·2SiO2)
2CaCl2 + O2 = 2CaO + 2Cl2
CaCl
Вещества, образующиеся в результате прокаливания оболочек, являются для них связующими.
Температуры плавления этих соединений выше, чем силиката натрия: волластонита – 1540 оС, пектолита -1490 оС, оксида кальция – 2570 оС. Этим объясняется отсутствие разупрочнения оболочки при температурах прокаливания.
Кроме хлорида кальция для обработки жидкостекольных форм использовали алюмохромфосфатную связку (АХФС), представляющую собой раствор кислых фосфорнокислых солей хрома и алюминия. Состав связки может быть представлен следующей формулой: Cr
Для моделирования сложных химических процессов, протекающих при обработке жидкостекольной оболочки раствором АХФС, а также процессов, развивающихся в условиях прокаливания, целесообразно рассмотреть взаимодействие фазовых комплексов водных растворов алюмохромфосфатной связки и метасиликата натрия.
Входящие в состав раствора АХФС соли подвергаются гидролизу с образованием основных фосфатов хрома и алюминия. Химическое равновесие в водном растворе, содержащем, например, CrAl3(H2РО4)12, можно представить уравнением:
CrAl3(H2РО4)12 + 8H2O Cr(OH)2H2РО4 + 3Al(OH)2H2РО4 + 8H3РО4
По этой причине двойную систему CrAl3(H2РО4)12 – H2O можно рассматривать как тройную взаимною систему с четырьмя разными катионами:
Cr3+, 3Al3+, Cr(OH)2+, 3Al(OH)2+// 16H2РО4– – H2O.
Водный раствор метасиликата натрия, называемый жидким стеклом, из-за гидролиза имеет резко щелочную реакцию:
2Na2SiO3 + H2O Na2Si2O5 + 2NaOH
Наряду с Na2SiO3 в жидком стекле содержится Na2Si2O5 и более сложные силикаты натрия.
8Na+ // 2SiO32–, Si2O52–, 2OH– – H2O.
Таким образом, химическую обработку жидкостекольного связующего оболочковых форм алюмохромфосфатной связкой можно моделировать как взаимодействие двух рассмотренных выше фазовых комплексов.
Кроме того, при прокаливании оболочковой формы возможны и процессы, происходящие в АХФС – удаление механически примешанной, затем связанной воды и, наконец, окончательная дегидратация солей алюминия и хрома:
Как видно из уравнений представленных реакций в оболочке образуется целый ряд фосфатных соединений с более высокой температурой плавления, чем силикаты натрия, что обеспечивает прочность формы.
Литература
1. Шкленник Я.И., Баранов А.
В, Иванов В.Н. и др. Литье по выплавляемым моделям. – М.: Машиностроение, 1961.- 455 с.
2. А. с. 1025478 СССР. МКИ В 22 С 9/04. Раствор для обработки керамических литейных форм / Синюшин Ю.С., Евстифеев Е.Н., Полинец В.А. Заявл. 05.11.76; Опубл. 1978, Бюл. № 8. – 2 с.
Жидкое стекло для изготовления литейных форм « 100% ЗАЩИТА ВАШЕГО АВТО!
Жидкое стекло для изготовления литейных форм— ПОСЛЕДНИЙ ПИСК! дешевизной и возможностью достижения требуемых технических свойств форм и стержней для литья.
В литейном производстве жидкое стекло используют также для приготовления противопригарных красок и для литья по выплавляемым моделям. Для изготовления форм чаще всего применяют песчано-глинистые смеси.,
При 16–25 °C краска высыхает в течение 6 ч, является одной из самых ответственных операций в производстве точного литья. Некоторые варианты применения жидкого стекла для изготовления оболочек.
Литейное производство. Использование жидкого стекла в литейном производстве связано с его нетоксичностью, синтетических смолах,
Этот «инструмент» и используют для шлифования,
Грунтовку перед использованием тщательно перемешивают (так как при хранении возможно оседание пигментов), применяемым для изготовления форм и стержней,
Мы подскажем вам, ЖИДКОЕ СТЕКЛО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ПРОВЕРЕНО ВРЕМЕНЕМ,
по вязкости напоминающие молоко,
Vision от «Тартл вакс» сохнут долго,
уплотнителей и других резиновых деталей и продления срока их службы используют автокраски для резиновых деталей, так как они имеют меньшую летучесть, которую и заливают Литьё алюминия (изготовление колеса ”шкива” ленточной пилы).
(Формовочная смесь) Как разводить жидкое стекло с песком подробно в
Суспензию приготавливают путем смешивания жидкого стекла с водным раствором хлористого аммония и пылевидным Изобретение относится к литейному производству при изготовлении форм для литья по выплавляемым моделям.
Высокомодульные сорта жидкого стекла представляют значительный интерес для металлургического и литейного производства при использовании в огнеупорных технологиях и для изготовления литейных форм и стержней.
В литейном производстве жидкое стекло используют также для приготовления противопригарных красок и для литья по выплавляемым моделям. Чаще всего для изготовления форм применяют песчано-глинистые смеси.
Жидкое стекло является самым распространенным(после глины),В настоящее время используют жидкие самотвердеющие смеси на жидком стекле,
вода – 10, Жидкое стекло для изготовления литейных форм ПРЕСТИЖНЫЙ, как литейных форм,
Полироль от STP больше похож на шампунь – хоть наноси его кистью, дешевым нетоксичным связующим, особенно в единичном и мелкосерийном производ-стве.
Получение керамических оболочек,,
облупившаяся краска, сульфитно-спиртовой барде. Изготовление форм. Готовую смесь быстро заливают в опоку или стержневые ящики.
Жидкое стекло в литейном производстве применяют основном в качестве связующего в составе форм и стержней для Идущего технологического процесса — литья в разовые формы
из формовочной земли (смесь глины с песком) изготовляют литейную форму
Литье стекла — Баодин Bansheng Торговая Компания, ООО
Литье из жидкого стекла является одним из наиболее распространенных способов литья по выплавляемым моделям в Китае, но редко в других странах. В китайских литейных цехах по выплавляемым моделям около 80% литейных цехов занимаются литьем жидкого стекла, а остальные являются заводами по литью кремнезема. Так что же такое литье из стекла?
Литье из жидкого стекла, один из видов литья по выплавляемым моделям, использует жидкое стекло в качестве связующего для оболочки. Происхождение литья жидкого стекла происходит в России.
Процесс литья жидкого стекла — это то, что мы описали в процессе литья по выплавляемым моделям. Этот метод подходит для стальных отливок, особенно для отливок из углеродистой и легированной стали. Это позволяет производить стальные отливки весом от 0,5 до 60 кг.
Процесс литья по выплавляемым моделям
Восковая инъекция
Для каждой отливки, которую нужно изготовить, расплавленный воск впрыскивают в форму для получения восковой структуры отливки. Формы для воска изготовлены из алюминия и рассчитаны на усадку воска и используемого металла. Инструменты для изготовления воска варьируются от простых двухкомпонентных штампов до многорезонаторных автоматических штампов и сложных штампов с водорастворимыми или керамическими сердечниками.
Восковая сборка
После того, как восковые рисунки охладятся и стабилизируются до стабильного размера и формы, их устанавливают на литник или дерево. Литой, также изготовленный из воска, содержит все необходимые затворы, полозья и опоры для адекватной подачи детали во время процесса литья.
Shell Building
Восковый литник теперь «вкладывается» в керамику, чтобы создать форму для металла, в который нужно наливать. Керамика состоит из двух частей, жидкой суспензии, покрытой сухим песком. Каждый литник покрывают несколькими слоями суспензии и песка до тех пор, пока керамическая оболочка не станет достаточно толстой, чтобы выдержать процесс литья. Процесс создания оболочки обычно занимает 24 часа, где для полного высыхания оболочек требуется от 2 дней до почти 2 недель.
депарафинизировать
Как только оболочка полностью высохнет, воск расплавляется в автоклаве, чтобы противодействовать расширению воска. Оболочки затем обжигают для удаления остатков воска и отверждения керамической оболочки. Как только снаряды были выпущены, они теперь готовы к процессу литья.
Кастинг
Обработанные оболочки помещаются обратно в печь для предварительного нагрева перед заливкой. Как только раковины нагреваются до нужной температуры и расплавленный металл был подготовлен и квалифицирован, оболочки извлекаются из печи и металл выливается в оболочки.
Отделочные
Оболочку забивают, раздувают в среде, вибрируют, подвергают водоструйной обработке или химически растворяют (иногда с помощью жидкого азота) для высвобождения отливки. Литой отрезан и переработан. Затем отливку можно очистить, чтобы удалить признаки процесса отливки, обычно путем шлифования.
Почему вода литье стекла?
Процесс литья жидкого стекла был введен в нашей стране в середине 1950-х годов бывшим Советским Союзом, он отличается от процесса литья с использованием этилсиликатного связующего. Благодаря преимуществам стоимости материала и производственного цикла, литье жидкого стекла было быстро применено в гражданском машиностроении. С развитием процесса литья жидкого стекла в нашей стране на протяжении более 60 лет, с точки зрения масштабов производства и области применения, он стал основным направлением индустрии литья по выплавляемым моделям в Китае.
При добавлении пенетранта 0,5% качество поверхности отливки из жидкого стекла значительно улучшается, и чистота поверхности может быть даже сопоставима с технологией отливки золя кремнезема.
Это может избежать дефектов, вызванных традиционной технологией изготовления оболочки. В то же время, рабочая среда явно улучшена. Кроме того, параметры процесса и требования к эксплуатации не так сложны и строги, поэтому в ближайшее время доступны работники общего профиля. Это уменьшило потери квалифицированных рабочих и новых рабочих, также возможно, что стабилизировало нормальную производственную эффективность фабрики. С точки зрения затрат, стоимость изготовления материала оболочки для литья жидкого стекла не добавляется по сравнению с традиционным процессом закалки, и этот процесс значительно уменьшил процесс восстановления сварного шва, укорачивает скорость продукта и, таким образом, снижает стоимость производства и эффективность производства.
ВЫГОДЫ
· Снижение стоимости, поскольку исключаются дорогостоящие технологические и сварочные работы.
· Дешевый процесс литья
· Сложный дизайн без сквозняков
· Гибкие производственные номера
· Более высокая точность по сравнению с литьем в песчаные формы
ВОЗМОЖНЫЕ СПЛАВЫ
· Углеродистая сталь
· Жаростойкая сталь
· Нержавеющая сталь
· Цветной стальной сплав
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
· Обычно используемая таблица допусков литья для линейных размеров — CT8 в соответствии с ISO 8062 (толщина стенки CT9)
· Вес: прибл.
0,2 — 150 кг
· Шероховатость поверхности отливки: ≥ Ra 6,3 мкм
· Максимальные размеры: 1000 мм
· Толщина стенки отливки: ≥ 4 мм
· Геометрические допуски, необходимые для функции, должны быть указаны на чертеже
ВАРИАНТЫ ОТДЕЛКИ
· Электролитическое цинкование
· Горячее цинкование
· Взрывные работы
Наша производственная линия
Мы можем предложить вариант жидкого стекла через нашу собственную компанию в Китае, которая имеет богатый опыт производства компонентов с использованием этого процесса. При литье из жидкого стекла мы можем встретить допуск по размеру CT7-CT8. Наши услуги с добавленной стоимостью (механическая обработка, обработка поверхности и термообработка и т. Д.) Могут в конечном итоге обеспечить наших клиентов готовыми отливками. Чтобы быть более конкурентоспособными, мы ввели автоматическую производственную линию.
С такой автоматической производственной линией мы можем поддерживать стабильное качество отливок из жидкого стекла.
И поможет сэкономить трудозатраты и сократить время производства. Такая производственная линия чрезвычайно подходит для литья деталей с высокими требованиями к объему.
Поэтому, если вы хотите изготовить свою продукцию в таком процессе литья, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.
Связующие — Vesuvius
Foseco предлагает широкий ассортимент органических и неорганических систем связующих для литейных форм и стержней. Почти все органические связующие представляют собой синтетические смолы, отверждение которых происходит при добавлении отдельного отвердителя или катализатора. Основой неорганических катализаторов служит жидкое стекло, оптимизированное для удовлетворения требований различных процессов литья, что гарантирует достижение лучших параметров разупрочнения.
Системы на основе самоотверждающихся смол
Системы на основе фурановых, фенольных, фенольно-щелочных и полиуретановых самотвердеющих смол.
Системы на основе фурановых смол
Разработанные Foseco системы ESHANOL и FUROTEC представляют собой серию фурановых связующих и жидких катализаторов, пригодных для изготовления литейных форм и стержней.
Системы на основе щелочно-фенольных смол
В системе FENOTEC используется связующее на основе щелочно-фенольной смолы, отверждаемой в среде жидкого органического эфира. В распоряжении имеется серия жидких отвердителей, предназначенных для широкого диапазона времени отверждения.
Системы связующих ХТС на основе полиуретана
POLISET AL — быстроотверждающаяся в естественных условиях двухкомпонентная связующая система, используемая при высокоскоростном производстве стержней и форм. Предназначена для тонкостенных алюминиевых отливок с исключительными свойствами разрушаемости по завершении литья. Также она обеспечивает практически полное отсутствие неприятного запаха при смешивании и в процессе литья
POLISET E — трехкомпонентная система, обеспечивающая превосходную термостойкость и хорошие параметры выбиваемости отливки, что делает систему пригодной для производства толстостенных отливок из всех сплавов цветных металлов.
Системы на основе смол, отверждаемых продувкой газом
Система cold box на основе полиуретана и смолы, отверждаемые СО2
Система coldbox на основе полиуретана
POLITEC — трехкомпонентная связующая система coldbox на полиуретановой основе, используемая при быстром изготовлении песчаных стержней.
POLITEC E — серия связующих coldbox на полиуретановой основе, не содержащих ароматических растворителей, рассчитанная на удовлетворение строжайших экологических и технических требований. Характеризуется значительным снижением интенсивности запаха и объемов выброса ароматических соединений на стадии перемешивания и заливки
Процесс ECOLOTEC (Resol-CO2) с использованием водного раствора резольной смолы и продувкой CO2
Процесс ECOLOTEC обеспечивает уникальное сочетание экологических и металлургических преимуществ с высокой производительностью. Смола смешивается с формовочным песком, после чего отверждается продувкой углекислым газом (CO2). Это позволяет избегать проблем с запахами и выбросами, характерных для систем, содержащих амин и изоцианат.
Связующие на основе жидкого стекла
Связующие на основе жидкого стекла, отверждаемые CO2 и эфирами.
CARSIL – серия связующих на основе жидкого стекла, применяемых для изготовления литейных форм и стержней.
VELOSET – серия связующих, значительно улучшающих прочность и процент регенерации песка на базе CARSIL
SOLOSIL – серия высокоэффективных комплексных органо-неорганических связующих малой вязкости. Они используются в пескострельных машинах и отверждаются продувкой CO2.
Режимы сушки форм и стержней » Ремонт Строительство Интерьер
Качество форм и стержней существенно зависит от режима сушки. Для форм и стержней, изготовленных из различных смесей, устанавливают оптимальные режимы сушки, которые проверяются с помощью методов технологического контроля высушенных форм и стержней.
Влияние сушки на качество форм и стержней. Основными факторами для установления режима сушки форм и стержней по скорости нагрева и температуре сушки являются природа связующего материала и сложность изделия.
Смеси на основе глины без добавки других связующих материалов термостойки и выдерживают высокотемпературные режимы сушки. Формы и стержни из этих смесей сушатся при высоких температурах — до 500 °С.
Смеси на жидком стекле при тепловой сушке в отличие от смесей на других связующих приобретают прочность при относительно высокой остаточной влажности. Известно, что при нагреве до 100 °C жидкое стекло теряет до 65 % влаги, при 200 °C испаряется около 93 % влаги. Полностью влага удаляется из жидкого стекла при 400 °С.
Уже при нагреве до 100 °C жидкостекольные смеси приобретают высокие прочностные свойства. Упрочнение смесей с жидким стеклом тепловой сушкой объясняется образованием высокопрочных силикатных пленок вокруг песчаного каркаса. Однако наряду с процессами упрочнения смесей под действием высоких температур из силикатных пленок начинает удаляться химически связанная вода, что сопровождается растрескиванием пленки связующего.
На рис. 7.90 показано изменение предела прочности на разрыв у смесей в зависимости от температуры нагрева. Следует отметить, что температура прогрева смеси даже в поверхностном слое формы и стержня может быть заметно меньше температуры сушильного агента, особенно в начальный период сушки.
Максимум прочности у жидкостекольных смесей разного состава на природном и обогащенном песках достигается при температуре до 150 °С, дальнейший нагрев снижает прочностные свойства смеси. Для повышения прочностных свойств смеси в ней увеличивают содержание жидкого стекла или применяют обогащенные кварцевые пески, содержащие меньше окислов железа и глинистой составляющей, подвергая термической обработке в диапазоне 100-200 °С. Увеличение температуры нагрева смеси до 250 °C и более не только существенно снижает ее прочностные свойства, но и практически обесценивает использование обогащенных песков и повышение процента содержания жидкого стекла в смеси. Уровень прочностных характеристик смесей 1-3 (см. рис. 7.90) при нагреве более 300 °C становится практически одинаковым.
Сушка жидкостекольных смесей, упрочненных химическими методами, — более сложный технологический процесс. При обработке жидкого стекла углекислым газом образуются гель кремниевой кислоты и карбонаты натрия.
Прочность смеси начинает возрастать до того, как весь Na2O будет связан с CO2, поэтому в упрочненной смеси в зависимости от продолжительности контакта с CO2 остается часть неразложившегося жидкого стекла. Этим объясняются изменения прочности смеси, предварительно обработанной CO2, при последующей тепловой сушке (рис. 7.91). Чем меньше продолжительность контакта смеси с CO2, тем больше в ней остается свободного жидкого стекла и тем выше прочность смеси после дальнейшей тепловой сушки. Тепловая сушка после обработки CO2 более 15 мин снижает прочностные свойства смеси. При обработке форм углекислым газом трудно обеспечить требуемую толщину упрочненного слоя за оптимальную продолжительность контакта с CO2, поэтому во избежание потерь прочности форм и стержней, обработанных CO2, тепловую сушку проводят редко или ограничиваются кратковременной подсушкой противопригарных покрытий при 200-240 °С.
Смеси с жидким стеклом, содержащие двухкальциевый силикат, в том числе и жидкие самотвердеющие смеси, в процессе сушки даже при оптимальной температуре 220-250 °C теряют 20-30 % первоначальной прочности, что объясняется разрушением затвердевших пленок в результате удаления влаги.
Повышение температуры сушки более 250 °C сопровождается снижением прочностных свойств во всем температурном диапазоне от 250 до 500 °С, поэтому стержни и формы из ЖСС сушатся при температуре не более 250 °C в течение 2-3 ч. Как отмечалось ранее, смеси с жидким стеклом, обработанные тепловым способом, в сравнении со смесями, обработанными химическими методами, имеют прочностные свойства в 7-8 раз выше. При сушке форм и стержней из жидкостекольных смесей, предварительно обработанных химическими методами, эта разница в прочностных свойствах становится 10-12-кратной.
В литейных цехах с целью сокращения цикла изготовления отливок проводят сушку при повышенных температурах (350-400 °С). При таких параметрах сушки формы и стержни имеют достаточно высокий уровень общей прочности в высушенном слое, но поверхностный слой, прогревающийся до температур, близких к температуре сушки, разупрочняется; появляется повышенная осыпаемость, приводящая к возникновению засоров в отливках. С повышением температуры сушки форм и стержней не только снижаются прочностные свойства, но и увеличиваются термические напряжения, что приводит к появлению на стержнях и формах трещин, сколов, а в ряде случаев наблюдаются отслоения высушенного слоя смеси.
Жидкостекольные смеси, не упрочненные химическими способами, выдерживают высокие скорости нагрева и сушки. В настоящее время созданы установки для сушки форм в горячем газовом потоке, фильтрующемся через смесь, в которых процесс сушки форм из жидкостекольных смесей осуществляется за 2-10 мин, т. е. в сравнении с сушкой в омываемом потоке скорость сушки увеличена в 10-60 раз без снижения прочностных свойств высушенной смеси.Оптимальные режимы сушки. Параметры процесса сушки зависят не только от технологии изготовления форм и стержней, сложности и массы отливок, но и от производственных условий, так как в цикле изготовления отливок операции сушки и охлаждения исходных формовочных материалов, форм и стержней составляют значительную долю. С целью ускорения процесса сушка форм и стержней часто проводится при температурах, превышающих оптимальные для связующих материалов, применяемых при изготовлении смесей. Помимо этого, толщина высушенного слоя смеси часто бывает на 20-30 % меньше требуемой.
В табл. 7.4 приведены оптимальные режимы сушки форм и стержней с различными связующими материалами и для сравнения указаны температурные режимы и продолжительность сушки в литейном производстве ПАО «Уралмашзавод». Видно, что максимальная температура сушки на 100—150 °C выше значений, оптимальных для получения у смесей максимальных прочностных свойств. Следует отметить, что приведенные режимы сушки отработаны применительно к конкретной номенклатуре отливок, составу смесей и способам формообразования. В других производственных условиях они могут изменяться. Однако для повышения качества отливок целесообразно максимально приближать режимы сушки к оптимальным.
Интенсификация процесса сушки форм и стержней. Как уже отмечалось, интенсивность сушки повышается с увеличением скорости и угла набегания потока сушильного агента. Например, замена продольного обтекания на перпендикулярное увеличивает теплообмен примерно вдвое. Однако повышение скорости движения всего газа требует увеличения расхода энергии.
Отсюда становится очевидной целесообразность локальной подачи сушильного агента через специальные сопла или щели.Второй путь интенсификации теплообмена — увеличение температуры сушильного агента tс. Обычно считают, что повышение температуры сушильного агента до 300-600 °C не влечет за собой резкого увеличения температуры поверхности материала tп в первый период сушки. В результате в этом периоде создается значительный перепад температур между средой и поверхностью, что обеспечивает интенсивную сушку. Однако это не всегда оправдывается, так как температура поверхности материала близка к температуре мокрого термометра только в случае сушки влажных материалов. Чрезмерно большая стартовая интенсивность подвода теплоты приводит к изменению температуры поверхности материала с самого начала процесса сушки. При этом возникает значительный перепад температур внутри материала. С увеличением интенсивности сушки перепад температур возрастает больше, чем интенсивность сушки. Этот перепад температур препятствует движению влаги к поверхности тела и одновременно снижает интенсивность теплообмена вследствие уменьшения разности температур среды и поверхности tс — tп.
Следовательно, режим сушки не должен быть постоянным на протяжении всего процесса сушки, а должен изменяться в соответствии с закономерностями переноса теплоты и влаги в данном материале. Осуществить переменный режим можно различными способами: подавать в отдельные зоны сушки теплоносители определенных параметров, применять комбинированные методы подвода теплоты (например, сочетать конвективный нагрев с инфракрасным или высокочастотным, конвективный с созданием разрежения и т. д.).
Использование продуктов сгорания топлива позволяет получить хорошие теплоэнергетические показатели. Однако не надо забывать, что сушка — это технологический процесс, в котором качество сушильного материала является основным показателем. Продукты сгорания топлива надо применять для сушки материалов, которые допускают высокие начальные перепады температуры.
Интенсификация процесса сушки связана и с применением автоматики, которая может быть надежно использована на сушильных установках периодического и непрерывного действия с изменяющимся режимом сушки.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
5 съезд Литейщиков России – 2001 г., Москва
УДК 621.742.52
А.В.Афонаскин, В.А.Бегма (АО «Курганмашзавод», г.Курган),
А.П.Никифоров (Южно-Уральский гос.университет, г.Челябинск),
А.В.Обрезков (ЗАО «Урал ВИМ», г.Челябинск)
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ИЗ САМОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ЖИДКОСТЕКОЛЬНОГО СВЯЗУЮЩЕГО, ПОЛУЧЕННОГО ИЗ СУХОГО КОНЦЕНТРАТА
Разработана технология механизированного изготовления форм и стержней из самотвердеющих смесей с использованием жидкостекольного связующего, получаемого безавтоклавным способом из сухого концентрата.
Для приготовления пластичных самотвердеющих жидкостекольных смесей в сталелитейном цехе АО «Курганмашзавод» применяется механизированный комплекс, включающий лопастной объемный смеситель с дозаторами песка, связующего, порошкообразного отвердителя и технологических добавок, виброплощадку для вибрационного уплотнения форм и стержней, кантователь и систему рольгангов для транспортировки оснастки.
Объемный лопастной смеситель используется для порционного приготовления расчетного количества самотвердеющей смеси, которая по выбранной технологии сразу же загружается в предварительно подготовленную оснастку и уплотняется на виброплощадке. Особенность такой технологии состоит в том, что порционное приготовление смеси позволяет производить точную дозировку исходных компонентов и получать смесь со стабильными свойствами. Это позволяет улучшить физико-механические свойства форм и стержней. При этом значительно сокращается непроизводительный расход смеси на отходы, имеющий место при использовании смесителей непрерывного действия и порционном потреблении смеси.
Применяемый объемный смеситель является универсальным и используется для приготовления самотвердеющих смесей различного состава: жидких, пластичных и сыпучих самотвердеющих смесей на основе жидкого стекла, а также на основе растворов лигносульфонатов.
Наибольший эффект достигается при использовании комплекса для приготовления пластичных облицовочных жидкостекольных смесей с добавками бентонита, а также для приготовления сыпучих самотвердеющих стержневых смесей.
В настоящее время с использованием механизированного комплекса осваивается технология изготовления форм и стержней из самотвердеющих смесей на основе жидкостекольного связующего, получаемого из сухого концентрата и применяемого для быстрого приготовления жидкого стекла.
Затруднения в освоении новой технологии связаны с тем, что в сталелитейном цехе АО «Курганмашзавод» длительное время применяется механизированная линия автоклавной варки жидкого стекла и его транспортировки к местам потребления по замкнутой системе трубопроводов. При этом по принятой технологии варки связующего в автоклаве предусмотрено приготовление низкомодульного жидкого стекла с силикатным модулем 2,4-2,5 ед.
, применяемого преимущественно для изготовления облицованных форм и стержней по СО2-процессу. Известно, что для приготовления жидкостекольных самотвердеющих смесей требуется жидкостекольное связующее с силикатным модулем не менее 2,8 ед., иначе процесс самотвердения смесей чрезмерно увеличивается по времени, что снижает преимущества этого процесса.
В связи с этим для механизированного комплекса применили высокомодульное жидкостекольное связующее, а также калий содержащее жидкое стекло, получаемые из сухого концентрата, который поставляется Челябинской фирмой «Урал ВИМ».
Особенность сухого концентрата состоит в том, что его можно использовать для быстрого порционного приготовления жидкостекольного связующего непосредственно вблизи механизированного комплекса и сразу дозировать в смеситель. Для этого изготовлена механическая мешалка, емкостью 200 литров, которая установлена около комплекса.
При этом предусмотрено использование мешалки, как универсального агрегата для приготовления жидкостекольного связующего с подачей его, как из цеховой магистрали, так и из сухого концентрата. Поэтому механизированный комплекс может использоваться для приготовления, как самотвердеющих смесей, так и смесей для СО2-процесса. Дозировка жидкостекольного связующего из бака мешалки производится шестеренчатым насосом в дозирующую емкость, установленную над смесителем. Поэтому достигается высокая точность дозировки связующего.
Значительный интерес для улучшения качества стержней и форм представляет калий содержащее жидкое стекло, получаемое по технологии быстрого приготовления из калиевого или калий натриевого сухого концентрата. Исследование показало, что калий содержащее жидкое стекло придает смесям более высокую огнеупорность и меньшую спекаемость после заливки форм металлом. Поэтому стержни, полученные из калиевого жидкого стекла, легко выбиваются, как из чугунных, так и стальных отливок.
Другая особенность калий содержащего жидкого стекла состоит в том, что самотвердеющие смеси на его основе характеризуются высокой скоростью затвердевания. Это позволяет применять самотвердеющие смеси для изготовления мелких и средних стержней на пескодувных машинах без использования упрочняющей обработки углекислым газом. Самотвердеющие смеси на калий содержащем жидкостекольном связующем сохраняют свою активность к затвердеванию при низких температурах в зимнее время.
Как сухой концентрат, так и жидкое стекло, полученное с его применением, длительное время могут храниться при любых температурных условиях. Установлено, что предварительно замороженное жидкое стекло после оттаивания восстанавливает свои связующие свойства и может использоваться без корректировки при дозировании в смеситель.
Разделительное покрытие для литейных пресс-форм
Изобретение относится к литейному производству, а именно к изготовлению разделительных покрытий на основе огнеупорных наполнителей с жидкостекольным связующим, и может быть использовано для окрашивания пресс-форм, предназначенных для литья алюминиевых сплавов под низким давлением.
Известен наполнитель противопригарных красок для литейных форм и стержней [Заявка на изобретение РФ №2012108754, МПК В22С 3/00, В22С 1/00, C09D 5/18 2013], содержащий в качестве основы один или несколько порошков тугоплавких материалов и добавку одного или нескольких менее тугоплавких оксидов металлов при следующем соотношении компонентов, мас. %:
— ZrSiO4, ZrO2, TiO2, Al2O3, SiO2, MgO, Cr2O3 — 85-99,8;
— Pb3O4, PbO, PbO2, Cu2O, CuO, ZnO, BiO, Bi2O3, MoO3, SnO — 0,2-15.
Однако покрытие на основе данного наполнителя не обеспечивает требуемого качества поверхности готовых отливок, получаемых литьем под низким давлением.
Известен состав краски для литейных пресс-форм и кокилей [Вейник А.И. Испытания кокильных красок на теплопроводность. / А.И. Вейник. — Москва: Машгиз, 1956.
— 232 с.], содержащий, мас. %:
— мел — 8,0;
— окись цинка — 5,5;
— двуокись титана — 4,0;
— жидкое стекло — 4,5;
— вода — 78.
Данная краска обладает относительно низким коэффициентом теплопроводности (0,4 Вт/м*К), недостаточной прочностью на истирание, а также плохой седиментационной устойчивостью за счет грубодисперсного наполнителя.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка разделительного покрытия, обладающего высокими технологическими свойствами и позволяющего повысить качество поверхности точных тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, получаемых литьем под низким давлением.
Достигается это тем, что в разделительном покрытии для литейных пресс-форм, содержащем в качестве наполнителя двуокись титана, воду, а в качестве связующего — жидкое стекло, согласно изобретению, в качестве наполнителя содержит двуокись титана с размером частиц до 1 мкм, тальк с размером частиц до 25 мкм, пылевидный кварц с размером частиц до 10 мкм, сульфат бария с размером частиц до 6 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.
%:
— двуокись титана с размером частиц до 1 мкм — 3-6;
— тальк с размером частиц до 25 мкм — 1-4;
— пылевидный кварц с размером частиц до 10 мкм — 0,5-2;
— сульфат бария с размером частиц до 6 мкм — 0,5-3;
— жидкое стекло — 6-11;
— вода — остальное.
Основную часть составляет наполнитель диоксид титана, придающий разделительному покрытию белый цвет, высокую укрывистость, химическую и термическую стойкость (температура плавления 1834°С). Наряду с диоксидом титана термическую стойкость покрытию придает пылевидный кварц (температура плавления 1713°С), тепловое расширение которого компенсируется теплоизоляционными свойствами талька (температура плавления 1530°С). Чешуйчатое строение талька придает поверхности покрытия эффект скольжения, что облегчает извлечение отливки из пресс-формы и уменьшает износ слоя покрытия. Сульфат бария (температура плавления 1580°С) так же компенсирует тепловое расширение пылевидного кварца, придает покрытию белый цвет и хорошую огнеупорность.
Применение жидкого стекла в качестве связующего для наполнителя, указанного состава, особенно в сочетании с пылевидным кварцем и тальком, позволяет получить повышенную прочность слоя покрытия на поверхности пресс-формы.
Использование наполнителя указанного фракционного состава позволяет обеспечить покрытию хорошие технологические свойства и добиться улучшения качества поверхности отливок, в том числе снижения шероховатости. Увеличение фракции входящих в состав покрытия порошков — двуокиси титана сверх 1 мкм, талька сверх 25 мкм, пылевидного кварца сверх 10 мкм и сульфата бария сверх 6 мкм — ведет к снижению седиментационной устойчивости покрытия, за счет оседания тяжелых частиц, а также к неоднородности слоя покрытия на пресс-форме.
Введение огнеупорных наполнителей в меньших количествах, чем предлагаемые (двуокись титана <3%, тальк <1%, пылевидный кварц <0,5% и сульфат бария <0,5%), не обеспечивает необходимой термостойкости слоя покрытия на пресс-форме.
Превышение же предлагаемого содержания наполнителя (двуокись титана >6%, тальк >4%, пылевидный кварц >2% и сульфат бария >3%) изменяет консистенцию жидкого покрытия, снижая его технологические свойства.
Пределы содержания жидкого стекла в составе покрытия определяются тем, что недостаточное его количество (<6%) приводит к снижению сцепляемости компонентов мелкодисперсного наполнителя. Напротив, превышенное содержание связующего (>11%) влечет за собой растрескивание слоя покрытия при нагреве пресс-формы.
Приготовление покрытия осуществляют следующим образом.
Смесь порошков огнеупорного наполнителя засыпают в краскомешалку и перемешивают с жидким стеклом до получения однородной пастообразной массы. Для приготовления суспензии пасту перемешивают с водой до необходимой плотности. Литейная пресс-форма окрашивается с помощью распылительного пистолета. В зависимости от типа отливки, для получения гладкой поверхности, наносится слой покрытия толщиной 30-50 мкм.
В таблице 1 приведены составы и технологические свойства покрытия с учетом заявляемых и заграничных пределов (примеры 2-6) в сравнении с прототипом (п. 1), определенные согласно ГОСТ 10772-78.
Влияние гранулометрического состава наполнителя на свойства покрытия приведено на основе оптимального заявляемого состава в примерах 7-9.
Для исследования влияния предлагаемых составов на жидкотекучесть силуминов проводились измерения проб из сплава АК12, отлитых по окрашенной спиральной форме (ГОСТ 16438-70) при одинаковом режиме заливки.
Разделительное покрытие для литейных пресс-форм, содержащее наполнитель, воду, жидкое стекло в качестве связующего, отличающееся тем, что в качестве наполнителя оно содержит двуокись титана с размером частиц до 1 мкм, тальк с размером частиц до 25 мкм, пылевидный кварц с размером частиц до 10 мкм и сульфат бария с размером частиц до 6 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.
%:Было обнаружено новое состояние вещества, известное как жидкое стекло, и это нереально
Криптонит и кибер-кристаллы могут показаться одними из самых невероятных природных веществ в научной фантастике (и на вымышленных планетах), но вещи прямо здесь, на Земле, могут стать еще более странными.
Это не расплавленное стекло, не твердое или жидкое, но ученые открыли новое состояние вещества, известное как жидкое стекло. Его отдельные частицы могут двигаться, но не вращаться.Жидкое стекло встречается в коллоидах, в которых одно вещество диспергировано через другое, хотя ни одно вещество не может отделиться или осесть, как в растворах или суспензиях. Когда определенные коллоиды становятся достаточно плотными, их структура превращается в стеклообразное состояние. Так будет и дальше, пока структура снова не упорядочится.
Физик Маттиас Фукс и химик Андреас Зумбуш из Университета Констанца в Германии индуцировали состояние жидкого стекла в лаборатории с помощью коллоидов, которые они создали сами.
После использования частиц формы, с которой никогда раньше не экспериментировали, они захотели увидеть, что происходит во время стеклования, и получили что-то достойное Superman или Star Wars .
«Суспензии эллипсоидных коллоидов образуют неожиданное состояние вещества, жидкое стекло, в котором вращения заморожены, а переводы остаются текучими», — заявили Фукс и Цумбуш в исследовании, недавно опубликованном в PNAS. «Анализ изображений обнаруживает неизвестные до сих пор нематические предшественники как характерные структурные элементы этого состояния.Взаимное препятствие этих разветвленных кластеров препятствует жидкокристаллическому порядку ».
Когда Fuchs и Zumbusch внимательно рассмотрели это явление, они столкнулись с одной серьезной проблемой. Любые из изученных до сих пор коллоидов содержали сферические частицы, не имеющие ориентации. Невозможно сказать, куда обращена сфера, потому что у нее нет ни начала, ни конца, если только кто-то не захочет неблагодарную задачу рисовать микроскопические стрелки на каждой частице.
Вместо этого ученые использовали химию полимеров для получения небольших пластиковых частиц (которые все еще были больше, чем атомы или молекулы), которые затем они растягивали в эллиптическую форму.Затем их добавляли в растворитель для создания коллоида.
Под оптическим микроскопом частицы показали изменения в положении и движении, которые выявили невиданные ранее механизмы, которые были почти невероятными.
Для образования кристаллической структуры она должна иметь именно такую упорядоченную структуру. Стекло необычно, потому что оно может казаться твердым, но на самом деле оно не является ни твердым, ни жидким. Вы можете заметить, что нижняя часть старого оконного стекла лишь немного толще верха, потому что стекло очень медленно просачивалось вниз.Некоторые жидкие кристаллы становятся нематическими после достижения стекловидного состояния. Это означает, что молекулы параллельны, и, хотя они могут плавать, они не могут вращаться. Эта неспособность вращаться означает, что они не могут маневрировать и перестраиваться в правильном направлении для достижения твердой кристаллической структуры.
Жидкое стекло с эллипсоидными частицами лучше отражает то, что на самом деле происходит в природе или технологиях. У вас не будет слишком много случаев появления идеально сферических частиц в любой ситуации, и если бы это действительно произошло, отсутствие ориентации частиц только затруднило бы моделирование и реальные проявления этого странного состояния материи.Изменение концентрации частиц позволило ученым увидеть изменения в движении и вращении, которые в противном случае ускользнули бы от них. Они увидели, что стеклообразные состояния возникают при определенных плотностях, когда вращение замораживается.
Это не означает, что образование кристаллов обречено. Жидкое стекло прослужит только до тех пор, пока частицы в коллоиде, застрявшие в одинаковой ориентации, образуют кластеры и мешают друг другу. Когда частицы имеют достаточно энергии, плюс правильное давление и объем, чтобы снова вращаться, они переходят из состояния жидкого стекла в жидкий кристалл, когда начинают перестраиваться в правильном порядке.
«Состояние жидкого стекла может дать долгожданную парадигму, в которой взаимодействие между равновесными критическими корреляциями и критическим замедлением по сравнению с образованием стекла можно изучать микроскопически», — заявили Фукс и Зумбуш.
Так происходит ли это с криптонитом, когда он кристаллизуется, что ли? Только настоящий криптонианец знает ответ.
Исследователи сообщают о новом состоянии вещества, описываемом как «жидкое стекло»
Положение и ориентация эллипсоидальных частиц в кластерах жидкого стекла.Предоставлено: исследовательские группы профессора Андреаса Зумбуша и профессора Матиаса Фукса.Открытие жидкого стекла проливает свет на старую научную проблему стеклования: междисциплинарная группа исследователей из Университета Констанца открыла новое состояние вещества — жидкое стекло с ранее неизвестными структурными элементами — новое понимание природы стекла. стекло и его переходы.
Хотя стекло — действительно повсеместный материал, который мы используем ежедневно, оно также представляет собой серьезную научную головоломку.
Вопреки тому, что можно было ожидать, истинная природа стекла остается загадкой, и научные исследования его химических и физических свойств все еще продолжаются. В химии и физике термин стекло само по себе является изменчивым понятием: оно включает в себя вещество, которое мы знаем как оконное стекло, но оно также может относиться к ряду других материалов со свойствами, которые можно объяснить, ссылаясь на поведение стекла, в том числе например, металлы, пластмассы, белки и даже биологические клетки.
Хотя это может произвести впечатление, стекло обычно не является твердым. Обычно, когда материал переходит из жидкого в твердое состояние, молекулы выстраиваются в линию, образуя кристаллический узор. В стекле такого не бывает. Вместо этого молекулы фактически замораживаются на месте до того, как произойдет кристаллизация. Это странное и неупорядоченное состояние характерно для очков в разных системах, и ученые все еще пытаются понять, как именно формируется это метастабильное состояние.
Новое состояние вещества: жидкое стекло
Исследования под руководством профессоров Андреаса Зумбуша (факультет химии) и Матиаса Фукса (факультет физики), базирующихся в Университете Констанца, только что добавили еще один уровень сложности к стеклянной головоломке. Используя модельную систему, включающую суспензии специально изготовленных эллипсоидных коллоидов, исследователи обнаружили новое состояние вещества, жидкое стекло, при котором отдельные частицы могут двигаться, но не могут вращаться — сложное поведение, которое ранее не наблюдалось в объемных стеклах.Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences .
Коллоидные суспензии — это смеси или жидкости, содержащие твердые частицы размером в один микрометр (одну миллионную метра) или более, которые больше, чем атомы или молекулы, и поэтому хорошо подходят для исследования с помощью оптической микроскопии. Они популярны среди ученых, изучающих стеклование, потому что они обладают многими явлениями, которые также происходят в других стеклообразующих материалах.
Эллипсоидные коллоиды на заказ
На сегодняшний день большинство экспериментов с коллоидными суспензиями проводится на сферических коллоидах. Однако большинство природных и технических систем состоит из частиц несферической формы. Используя химию полимеров, команда под руководством Андреаса Зумбуша произвела небольшие пластиковые частицы, растягивая и охлаждая их до тех пор, пока они не приобретут эллипсоидную форму, а затем поместила их в подходящий растворитель.«Из-за их различных форм наши частицы имеют ориентацию — в отличие от сферических частиц — что порождает совершенно новые и ранее неизученные виды сложного поведения», — объясняет Зумбуш, профессор физической химии и старший автор исследования.
Затем исследователи изменили концентрацию частиц в суспензиях и отслеживали поступательное и вращательное движение частиц с помощью конфокальной микроскопии. Зумбуш говорит: «При определенных плотностях частиц ориентационное движение застыло, в то время как поступательное движение сохранялось, что приводило к стеклообразным состояниям, в которых частицы группировались, образуя локальные структуры с аналогичной ориентацией.«То, что исследователи назвали жидким стеклом, является результатом того, что эти кластеры взаимно препятствуют друг другу и опосредуют характерные дальнодействующие пространственные корреляции. Они предотвращают образование жидкого кристалла, который был бы глобально упорядоченным состоянием вещества, ожидаемым от термодинамики.
Два конкурирующих перехода стекла
Исследователи на самом деле наблюдали два конкурирующих стеклования — регулярное фазовое превращение и неравновесное фазовое превращение — взаимодействующих друг с другом.«Это невероятно интересно с теоретической точки зрения», — говорит Маттиас Фукс, профессор теории мягкого конденсированного состояния в Университете Констанца и другой старший автор статьи. «Наши эксперименты предоставляют своего рода свидетельство взаимодействия между критическими флуктуациями и застывшим светом, которого научное сообщество добивается в течение довольно долгого времени». Предсказание жидкого стекла оставалось теоретической гипотезой в течение двадцати лет.
Результаты также предполагают, что подобная динамика может работать и в других стеклообразующих системах и, таким образом, может помочь пролить свет на поведение сложных систем и молекул, варьирующихся от очень маленьких (биологических) до очень больших (космологических).Это также потенциально влияет на разработку жидкокристаллических устройств.
Теория ясная, как стекло
Дополнительная информация: Йорг Роллер и др. Наблюдение жидкого стекла в суспензиях эллипсоидных коллоидов, Труды Национальной академии наук (2021).DOI: 10.1073 / pnas.2018072118 Предоставлено Университет Констанца
Ссылка : Исследователи сообщают о новом состоянии вещества, описываемом как «жидкое стекло» (2021 г., 5 января). получено 30 сентября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2021-01-state-liquid-glass.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
ученых публикуют новое открытое состояние вещества: жидкое стекло
Фото: Stock Photos from PHYZZYGRAPHICS / Shutterstock
Вы, наверное, знаете, что существует три классических состояния материи: жидкости, твердые тела и газы.Однако свойства некоторых материалов не поддаются упрощенной классификации. На протяжении десятилетий ученые пытались ответить, почему стеклу не хватает кристаллической молекулярной структуры, характерной для большинства твердых материалов. В недавней статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , было сделано важное открытие, которое помогает объяснить это особое свойство. Как оказалось, новое определенное состояние вещества, известное как жидкое стекло , является ключом к пониманию структуры обычного твердотельного материала, который, как мы все думаем, мы хорошо знаем.
Группа ученых-материаловедов из Университета Констанца в Германии решила определить, что вызывает особую «хоатическую» структуру твердого стекла. Они сосредоточили свои усилия на процессе перехода к твердому состоянию. Чтобы изучить это, команда создала коллоиды — частицы эллипсоидного стекла, которые были диспергированы и взвешены в другом веществе. Эти частицы больше, чем молекулы, и можно наблюдать взаимодействие в различных концентрациях. Один из авторов, профессор Андреас Зумбуш, заявил в своем заявлении: «При определенных плотностях частиц ориентационное движение замораживается, в то время как поступательное движение сохраняется, что приводит к стекловидным состояниям, в которых частицы группируются, образуя локальные структуры с аналогичной ориентацией.”
Другими словами, частицы сгруппированы вместе. «Скопления [начали] взаимно препятствовать друг другу и опосредовать характерные дальнодействующие пространственные корреляции», что означает, что они не могли собраться вместе, чтобы сформировать традиционную жидкую материю. Поскольку частицы также не были твердым телом, их назвали совершенно новым состоянием вещества — жидким стеклом. Теории о жидком стекле существуют давно, но этот эксперимент был первым, в котором было обнаружено существование и поведение образования.Исследователи надеются, что их открытия будут способствовать дальнейшему развитию материаловедения, особенно в отношении других стеклообразных веществ.
Ученые открыли новое четвертое состояние вещества — жидкое стекло
, .Фото: Стоковые фотографии из JOKER1991 / Shutterstock
Используя эллиптические частицы в качестве коллоидов, исследователи наблюдали за поведением частиц, чтобы понять, как материал образует жидкое стекло.
Эллипсоидальные частицы в кластерах жидкого стекла.(Фото: исследовательские группы профессора Андреаса Цумбуша и профессора Маттиаса Фукса)
ч / т: [IFL Science]
Статьи по теме:
Очень хорошо сохранившийся шерстистый носорог обнаружен в тающей вечной мерзлоте Сибири
Ученые разработали термохромное окно, которое превращает солнечный свет в электричество
Ученые обнаружили, что ваш мозг наполовину бодрствует, когда вы спите в новом месте
Исследование показало, что все голубоглазые люди имеют общего предка
Ученые открывают новое состояние материи: жидкое стекло, Science News
Группа ученых из Германии и Нидерландов использовала технологию, называемую конфокальной микроскопией, чтобы обнаружить новое состояние вещества, жидкое стекло, скрытое внутри таинственных превращений, которые происходят между жидким и твердым состояниями стекла.
«Суспензии коллоидных частиц широко распространены в природе и в технике и интенсивно изучаются более века», — сказал соавтор исследования профессор Андреас Зумбуш с химического факультета Констанцкого университета. «Когда плотность таких суспензий увеличивается до высоких объемных долей, часто их структурная динамика останавливается в неупорядоченном, стеклообразном состоянии, прежде чем они смогут сформировать упорядоченную структуру».
Читайте также | Защитный иммунитет против нового коронавируса может длиться более восьми месяцев: исследование
Он также пояснил, что до сих пор такие эксперименты проводились с использованием сферических коллоидов.Однако повышенный интерес к синтетическим коллоидам как к строительным материалам привел к «разработке множества новых методов синтеза коллоидных частиц с определенной геометрией и взаимодействиями».
В своем исследовании ученые сосредоточили свое внимание на эллипсоидных полиметилметакрилатных коллоидах. «Из-за их различных форм наши частицы имеют ориентацию, в отличие от сферических частиц, что порождает совершенно новые и ранее неизученные виды сложного поведения», — пояснил он.
С помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии исследователи зафиксировали временное развитие трехмерных положений и ориентации почти 6000 эллипсоидальных частиц. «При определенных плотностях частиц ориентационное движение замораживается, в то время как поступательное движение сохраняется, что приводит к образованию стекловидных состояний, в которых частицы сгруппированы, образуя локальные структуры с аналогичной ориентацией», — сказал Зумбуш.
Читайте также | Тропические леса Амазонки исчезнут к 2064 году, по прогнозам нового исследования
«То, что мы назвали жидким стеклом, является результатом того, что эти кластеры взаимно препятствуют друг другу и опосредуют характерные дальнодействующие пространственные корреляции», — пояснил он.«Они предотвращают образование жидкого кристалла, который был бы глобально упорядоченным состоянием вещества, ожидаемым от термодинамики».
В результате команда заметила регулярное фазовое превращение и неравновесное фазовое превращение, взаимодействующие друг с другом.
«Предсказание жидкого стекла оставалось теоретической гипотезой в течение двадцати лет, — сказал соавтор исследования профессор Маттиас Фукс, научный сотрудник факультета физики Университета Констанца.«Результаты также предполагают, что подобная динамика может работать и в других стеклообразующих системах и, таким образом, может помочь пролить свет на поведение сложных систем и молекул, от очень маленьких (биологических) до очень больших (космологических)».
«Это также потенциально влияет на разработку жидкокристаллических устройств».
Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Природа стеклообразующих жидкостей более ясна — ScienceDaily
Стекло — настолько распространенный повседневный материал, что вы, вероятно, не особо задумываетесь о нем.Вы можете удивиться, узнав, что современные исследователи до сих пор не понимают, как образуется стекло. Это важно для стекольной промышленности и многих других удивительных применений стекла.
В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters , исследователи из Токийского университета выявили структурное происхождение медленной стекловидной динамики, которая направлена на понимание того, как жидкость становится более вязкой при охлаждении и может образовывать стекло. Исследователи обнаружили корреляцию между структурой и движением частиц в моделируемых стеклообразующих жидкостях на уровне отдельных частиц и крупномасштабных сборок частиц.
Основная загадка в физике стекла — почему стеклообразующая жидкость становится такой вязкой, прежде чем превратиться в стекло. Остается неизвестным, связано ли это необычно медленное движение жидкости главным образом с изменениями пространственной структуры. Физическая модель, воспроизводящая стеклянные формы, поможет разрешить этот спор.
«Мы использовали концепцию взаимной информации, чтобы понять взаимосвязь между локальным расположением частиц и динамикой в стеклообразующих жидкостях», — объясняет ведущий автор исследования Хуа Тонг, который сейчас является доцентом в Шанхайском университете Цзяо Тонг.«Наши результаты показывают, что пространственная структура контролирует уникальное кооперативное движение частиц, наблюдаемое в стеклообразующих жидкостях».
Исследователи основывали свое моделирование на параметре структурного порядка, который количественно определяет, насколько плотно частицы могут упаковываться вместе. В ходе моделирования основное внимание уделялось движениям частиц, связанным с исходным состоянием частиц, то есть пространственной структурой. С помощью концепции взаимной информации моделирование показало, что частицы структурно организуются в сборки, которые движутся медленнее, чем остальные частицы, как это видно в реальном стекле.
«Мы не обнаружили четкой взаимосвязи между потенциальной энергией на уровне частиц и временем релаксации», — говорит Хадзиме Танака, старший автор. «Это говорит о том, что медленная стекловидная динамика в основном контролируется структурным порядком, образованным межчастичными взаимодействиями, включая как отталкивающие, так и притягивающие части».
Это исследование «жидкость-стекло» находит множество применений, включая оконные стекла, оптические волокна и улучшенные интеллектуальные сенсорные экраны. Сверхвысокая вязкость стеклообразующего материала очень полезна для деформации его до произвольной формы.Понимание того, что контролирует вязкость стеклообразующих жидкостей, может значительно улучшить обрабатываемость формы.
История Источник:
Материалы предоставлены Институтом промышленных наук Токийского университета . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Ученые открыли новое состояние вещества «жидкое стекло»
Хотя стекло является повсеместным материалом, оно также представляет собой серьезную научную загадку.Хотя большинство людей считают его твердым, его химические и физические свойства все еще остаются предметом споров. Загадку усугубляет то, что исследователи открыли новое состояние вещества — жидкое стекло с ранее неизвестными структурными элементами.
Исследованием руководили два профессора из Университета Констанц-Андреас Цумбуш и Маттиас Фукс. Для этой цели они использовали модельную систему, включающую суспензии специально изготовленных эллипсоидных коллоидов. В то время как в материалах, переходящих от жидкости к твердому телу, молекулы выстраиваются в линию, образуя кристаллические узоры, в обычном стекле молекулы замораживаются до того, как происходит кристаллизация.Однако в недавно открытом жидком стекле молекулы могут двигаться, но не могут вращаться. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Прочитано: «Чрезвычайно устойчивый» коронавирус может длиться 28 дней на смартфонах, валюта: исследование
Прочитано: НАСА создает пятое состояние вещества на борту Международной космической станции
«Коллоидные суспензии — это смеси или жидкости, содержащие твердые частицы размером в микрометр (одну миллионную метра) или более, которые больше, чем атомы или молекулы, и поэтому хорошо подходят для исследования с помощью оптической микроскопии», — говорится в исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Изображение положения и ориентации эллипсоидальных частиц в кластерах жидкого стекла. Предоставлено: исследовательские группы профессора Андреаса Цумбуша и профессора Маттиаса Фукса
НАСА создает пятое состояние материи
НАСА в прошлом году показало, что существует пятое состояние вещества, в котором атомы становятся настолько холодными, что почти перестают вести себя как отдельные атомы. Загружая видео на YouTube, НАСА сообщило, что атомы в вышеупомянутом состоянии действуют как волна на отдельные частицы.В космическом агентстве США заявили, что им неоднократно удавалось достичь такого состояния вещества на борту Международной космической станции (МКС).
Американское космическое агентство заявило: «Эксперименты с этим пятым состоянием материи могут дать более глубокое понимание того, как устроен наш мир на фундаментальном уровне. Например, ученые смогут измерить очень слабое притяжение силы тяжести, которое все еще присутствует на борту станции, и проверить теорию Альберта Эйнштейна об этой фундаментальной силе ».
Прочитано: «Чрезвычайно устойчивый» коронавирус может длиться 28 дней на смартфонах, валюта: исследование
Прочитано: НАСА создает пятое состояние вещества на борту Международной космической станции
Жидкое стекло: новое состояние вещества
Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences , сообщает об открытии нового состояния вещества: жидкого стекла. Химики и физики из Констанцского университета говорят, что это новое состояние материи показывает ранее неизвестные структурные элементы.
Стекла уникальны по своим химическим свойствам, потому что, в отличие от других материалов, они не следуют обычным схемам кристаллизации при преобразовании из жидкости в твердое тело. В очках молекулы «замораживаются» на месте до кристаллизации, по сути, переходя в метастабильное физическое состояние, которое ученые до сих пор не до конца понимают. Дилемма превращения стекла в жидкость и наоборот известна как стеклование.
В этом недавнем исследовании группа Констанца под руководством профессоров химии и физики Андреаса Цумбуша и Матиаса Фукса разработала модельную систему суспензий эллипсоидных коллоидов.Хотя использование коллоидных суспензий является обычным явлением для исследования стеклования, в большинстве суспензий используются сферические коллоиды. Команда Цумбуша решила спроектировать и разработать эллипсоидные коллоиды, чтобы взглянуть на стеклование под новым углом — это была игра слов.
«Благодаря своим отличным формам наши частицы имеют ориентацию — в отличие от сферических частиц — что порождает совершенно новые и ранее неизученные виды сложного поведения», — объясняет Зумбуш.
Их эксперименты с эллипсоидными коллоидами выявили непредвиденное состояние вещества — жидкого стекла.
