CC BY
87
УДК 666.151:666.1.053.2
ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОЦЕНКИ РАСКЛИНИВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ РЕЗКИ СТЕКЛА
И. И. ЗЛОТНИКОВ, П. А. ХИЛО
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
В современной стекольной промышленности основным способом раскроя листового стекла является нанесение на его поверхность линии реза с последующим разделением листа по этой линии. Для ускорения процесса резки и повышения качества разлома применяют специальные расклинивающие жидкости [1], [2]. Механизм действия расклинивающих жидкостей заключается в следующем. Проникая в магистральную трещину, наносимую режущим инструментом (твердосплавным роликом) на поверхность стекла, жидкость создает в ней расклинивающее давление - эффект Ребиндера [3]. Суть этого явления заключается в первую очередь в том, что молекулы жидкости, достигая зон, где ширина микротрещины примерно равна размеру молекулы, своим давлением стремятся расклинить эту трещину для дальнейшего продвижения. Давление на стенки микротрещины у ее вершины может достигать огромных значений - до 10 ГПа [4]. Все это значительно облегчает разлом стекла по линии реза. Кроме того, применение расклинивающей жидкости улучшает качество торца и кромки стеклоизделий, уменьшая образование микроосколков, и обеспечивает надежность и долговечность режущего узла за счет его смазывания. В связи с этим создание новых поколений расклинивающих жидкостей для резки стекла является актуальной научно-технической проблемой.
При разработке и исследовании расклинивающих жидкостей определяющую роль играет способ оценки расклинивающих свойств данной жидкости. Обычно в лабораторных условиях эффективность расклинивающей жидкости оценивают по усилию разлома образца стекла по линии реза при поперечном изгибе. Такой способ оценки расклинивающих жидкостей полностью совпадает с процессом резки стекла в промышленных условиях и применялся авторами при выполнении данного исследования. Для этого на поверхность прямоугольного образца стекла размером 20 х 60 мм и толщиной 4 мм наносили поперечную линию реза твердосплавным роликом с углом заточки 140° при нагрузке на ролик 10-60 Н. Дорожку, вдоль которой наносился надрез, предварительно смазывали исследуемой жидкостью. Линию реза на образец стекла наносили с помощью специально изготовленного лабораторного устройства, обеспечивающего регулирование и постоянство нагрузки на режущий ролик. Образец с нанесенным надрезом подвергали испытанию на двухупорный изгиб. Параметры испытания: расстояние между опорами - 40 мм, скорость нагружения 5 мм/мин, нагружающий индентор располагался со стороны, обратной линии надреза.
Однако описанный выше процесс длителен и трудоемок, так как требует изготовления большого количества одинаковых стеклянных образцов, тщательного нанесения на них линий реза при фиксированной нагрузке и их последующий разлом при изгибе с точной фиксацией разрушающего напряжения. Для определения разрушающего напряжения при изгибе образцов требуется наличие соответствующего
оборудования. Чтобы добиться удовлетворительной погрешности получаемых результатов, необходимо для получения одного экспериментального значения испытывать 5-7 образцов. Такой метод оправдан при оценке свойств готовой жидкости, а при выборе компонентов и модификаторов разрабатываемой жидкости необходим более быстрый, хотя и менее точный экспресс-метод.
Цель работы - разработать простой и быстрый экспресс-метод для лабораторной оценки расклинивающего действия различных жидкостей. Такой метод должен позволять быстро производить сравнительную оценку расклинивающих свойств большого ряда жидкостей и выбирать наилучшие для дальнейшего исследования и усовершенствования.
Объекты и методы исследования
Эффективность расклинивающего действия жидкости было предложено оценивать по степени растворения в исследуемой жидкости (перехода в стабильный золь) аморфного диоксида кремния (кремнезема). Возможность осуществления такого способа и его применимость базируется на следующих предпосылках.
Промышленный процесс получения осажденного аморфного кремнезема (силикагеля) состоит из приготовления водного золя кремниевой кислоты, ее поликонденсации, промывки и сушки [5]. Золь кремниевой кислоты получают путем нейтрализации растворов силиката натрия минеральными кислотами. Первой стадией этого процесса является образование истинного раствора кремниевой кислоты, которая затем полимеризуется по схеме: п ■ Б1(0Н)4 ^ (БЮ2)п + 2п ■ Н20, с образованием плотных шарообразных первичных частиц (глобул) аморфного диоксида кремния размером 2-3 нм, построенных из кремнекислородных тетраэдров. Поверхность этих частиц покрыта гидроксильными группами. Водный силиказоль не является равновесной системой и стремится к уменьшению свободной поверхности, что приводит к дальнейшему укрупнению и срастанию первичных частиц. Первичные частицы беспорядочно агрегируются в ассоциации глобулярной и фибриллярной формы размером до 50 нм, которые в свою очередь образуют крупные ассоциации размером 3-5 мкм из которых и формируется пористая структурная решетка силикагеля при последующем удалении воды.
Пирогенный аморфный диоксид кремния (аэросил), получаемый гидролизом тетрахлорида кремния, имеет аналогичное строение, но первичные частицы проявляют меньшую склонность к агрегатированю, что облегчает его последующее диспергирование (растворение).
Аморфный диоксид кремния достаточно близок по химическому строению, агрегатному состоянию и поверхностным свойствам к техническому силикатному стеклу, что позволяет обобщать полученные закономерности. Растворение (диспергирование) аморфного кремнезема (силикагеля) в жидкости, как и расклинивающее действие технологической жидкости при резке стекла основано на одном и том же физико-химическом явлении - возникновении расклинивающего давления вследствие стремления жидкости с низкой поверхностной энергией смочить поверхность твердого тела с более высокой энергией [6]. При резке стекла жидкость стремится расклинить образующуюся под режущим роликом магистральную трещину для дальнейшего продвижения, что и облегчает разлом стекла по трещине. В случае растворения аморфного кремнезема - жидкость стремится проникнуть в капиллярные пространства между первичными частицами, из которых сформирован пористый каркас аморфного кремнезема, что приводит к диспергированию кремнезема в жидкости при приложении небольших механических усилий (например, при перемешивании).
Осуществление экспресс-метода оценки эффективности расклинивающего действия жидкостей проводили следующим образом. Аморфный диоксид кремния марок БС-100 или Аэросил А-300 с удельной поверхностью 100-300 м2/г растворяли в исследуемых жидкостях и определяли его растворимость (массу БЮ2 в граммах, на 100 граммов растворителя). Стабильные золи диоксида кремния представляли собой прозрачные опалесцирующие жидкости, нерастворенный диоксид кремния осаждался на дне. В качестве эталона сравнения была испытана стандартная жидкость для резки стекла Ацекат 5503 (Германия).
При осуществлении экспресс-метода оценки расклинивающего действия различных жидкостей в большинстве случаев не обязательно отделять нерастворившийся осадок и проводить его точное взвешивание. Часто вполне достаточно визуально оценить качественно степень растворимости аморфного кремнезема в исследуемой жидкости.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Сравнительные результаты определения растворимости аморфного диоксида кремния в различных жидкостях и усилия разлома стеклянных образцов при использовании данных жидкостей при резке приведены в табл. 1. Для испытаний были выбраны в первую очередь те жидкости, перспективность которых в качестве компонентов расклинивающих жидкостей была исследована ранее [7].
Таблица 1
Растворимость аморфного диоксида кремния в различных жидкостях
и усилие разлома стекла
Жидкость Растворимость 8Ю2 Усилие разлома стекла, Н
Керосин незначительный осадок 26
Сольвент незначительный осадок 24
Скипидар около половины 31
Изопропиловый спирт менее половины 35
Масло И-12А почти нерастворим 34
Жидкость ПМС-100 слабая 24
Ацекат 5503 практически полная 18
При проведении данных экспериментов навеску 1 г аморфного диоксида кремния, предварительно высушенного при температуре 160-170 °С и тщательно растертого в ступке, засыпали в жидкость, взятую в количестве 9 г (для получения 10 % раствора), и интенсивно перемешивали.
Из сравнения полученных данных следует, что между степенью растворимости диоксида кремния в данной жидкости и эффективностью ее расклинивающего действия существует корреляция - чем лучше растворимость, тем эффективнее данная жидкость при использовании ее в качестве расклинивающей жидкости при резке стекла. Исключение составляет полисилоксановая жидкость ПМС-100, которая обладает расклинивающим эффектом одинаковым с сольвентом, но плохо растворяет диоксид кремния. На основании этого факта следует предположить, что эффективность расклинивания зависит не только от смачивающей способности жидкости (ее поверхностной энергии), но и от характеристик ее молекул (размер, подвижность, характер взаимодействия со стеклом). Полисилоксановая (кремнийорганиче-ская) жидкость имеет молекулярное строение, наиболее близкое к строению стекла из всех исследуемых жидкостей, что, по-видимому, и является определяющим в данном случае. Известно [6], что при наличии специфического сродства адсорбата к
адсорбенту адсорбция, обусловленная самопроизвольным уменьшением энергии Гиббса всей системы, может протекать даже с увеличением поверхностной энергии.
Для некоторых, наиболее перспективных жидкостей была определена предельная растворимость диоксида кремния. При этом было обнаружено, что добавление изопропилового спирта в исследуемые жидкости значительно повышает растворимость диоксида кремния, хотя в чистом изопропиловом спирте растворимость невысокая. На рис. 1 и 2 приведены зависимости растворимости аморфного диоксида кремния в различных растворителях от процентного содержания в них изопропилового спирта.
Как следует из приведенных на рисунках данных, для каждой из исследованных жидкостей существует оптимальная концентрация изопропилового спирта, обеспечивающая максимальную величину растворимости.
Р, %
45
40
35
30
25
20
15
10 X
5
0 0
10
20
30
40
50
60 70
С, мас. %
Рис. 1. Растворимость аморфного диоксида кремния в скипидаре (1) и четыреххлористом углероде (2) в зависимости от содержания в них изопропилового спирта
Р, %
10
20
30
40
50
60 70
С, мас. %
Рис. 2. Растворимость аморфного диоксида кремния в нефрасе (1) и сольвенте (2) в зависимости от содержания в них изопропилового спирта
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что изопропиловый спирт является универсальной добавкой для всех расклинивающих жидкостей на углеводородной основе.
0
Разработанный экспресс-метод оценки расклинивающих свойств жидкостей был применен при исследовании возможности получения расклинивающей жидкости для резки стекла на водной основе.
Основным препятствием для использования воды в качестве расклинивающей жидкости является ее высокая поверхностная энергия (73 Дж/м2). Для снижения поверхностной энергии воды были применены поверхностно-активные вещества (ПАВ) различной природы: изопропиловый спирт, олеат натрия, натриевая соль кар-боксиметилцеллюлозы (№-КМЦ), препараты ОП-7 - смесь оксиэтилированных ал-килфенолов, синтамид - смесь оксиэтилированных моноэтаноламидов и эмульфор -продукт реакции олеиновой кислоты и триэтаноламина. Как и в случае органических жидкостей, для испытаний в первую очередь были выбраны те жидкости, для которых усилие разлома стекла определялось ранее [8].
Результаты качественного определения степени растворимости аморфного диоксида кремния и усилия разлома стеклянных образцов при использовании различных водных растворов приведены в табл. 2. Эксперименты по растворению проводили также как и с неводными жидкостями. Концентрация всех испытанных растворов ПАВ, кроме изопропилового спирта, составляла 0,5 %. Для приготовления растворов использовали дистиллированную воду.
Таблица 2
Растворимость аморфного диоксида кремния в водных растворах и усилие разлома стекла
Водный раствор Растворимость 8Ю2 Усилие разлома стекла, Н
Вода без ПАВ нерастворим 42
Изопропиловый спирт, 0,5 % около четверти 35
Изопропиловый спирт, 5 % менее половины 32
Изопропиловый спирт, 10 % более половины 30
№-КМЦ почти нерастворим 40
Олеат натрия слабая 37
Эмульфор слабая 34
Синтамид слабая 32
ОП-7 заметная 32
Полученные данные свидетельствуют о том, что в случае использования водных растворов также существует корреляция между способностью жидкостей к растворению аморфного диоксида кремния и их расклинивающим действием при резке стекла. При этом очевидно, что и эффективность расклинивания и способность к растворению диоксида кремния у водных растворов ниже, чем у углеводородных жидкостей. Однако применимость разработанного экспресс-метода оценки расклинивающих свойств жидкостей и в этом случае не вызывает сомнений.
Заключение
Разработанный экспресс-метод оценки расклинивающего действия жидкостей, основанный на определении степени растворимости аморфного диоксида кремния в исследуемой жидкости, позволяет быстро и эффективно прогнозировать перспективность использования данной жидкости в качестве технологической жидкости для резки стекла.
Литература
1. Влияние расклинивающей жидкости на процесс резки стекла / В. И. Кондрашов [и др.] // Стекло и керамика. - 2001. - № 10. - С. 6-8.
2. Овчинникова, Е. И. Оптимальные параметры резки стекла твердосплавным роликом / Е. И. Овчинникова, В. А. Литвинов, Т. А. Хазова // Стекло и керамика. -
1984. - № 1. - С. 12-13.
3. Ребиндер, П. А. Поверхностные явления в твердых телах в процессах из деформации и разрушения / П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин // УФН. - 1972. - Т. 108, вып. 1. -С. 3-42.
4. Гаркунов, Д. Н. Триботехника / Д. Н. Гаркунов. - Москва : Машиностроение,
1985. - 424 с.
5. Неймарк, И. Е. Силикагель, его свойства и применение / И. Е. Неймарк, Р. Ю. Шейнфайн. - Киев : Наукова думка, 1973. - 202 с.
6. Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю. Г. Фролов. - Москва : Химия, 1988. - 464 с.
7. Хило, П. А. Физико-химические аспекты разработки новых технологических жидкостей для резки стекла / П. А. Хило, И. И. Злотников, Ю. П. Петрашенко // Полимерные композиты и трибология : тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., Гомель, 16-19 июля 2007 г. / ИММС НАН Беларуси. - Гомель, 2007. - С. 194-195.
8. Хило, П. А. Эффективность использования водных растворов ПАВ в качестве расклинивающих жидкостей / П. А. Хило, И. И. Злотников, П. Д. Петрашенко // Современные проблемы машиноведения : тез. докл. VI Междунар. науч.-техн. конф., 19-20 октября 2006 г. / Гомел. гос. техн. ун-т им. П. О. Сухого. - Гомель, 2006. -С. 56-57.
Получено 23.10.2008 г.
