Прочность керамических форм – одна из основных проблем получения качественного художественного литья по выплавляемым моделям. Формирование кварцевой связки между зернами наполнителя и обсыпки – многостадийный процесс. Он сопровождается массообменном с окружающей средой и образованием динамических структур [1].
Факторы, влияющие на конечное состояние керамики, многочисленны. Один из них – масштаб объекта, способного менять пространственную конфигурацию. А именно, имеет ли место молекулярная вариативность структуры или изменениям подвержены только микроскопические образования. Для прояснения вопроса были подготовлены два образца геля кремниевой кислоты. Исходный золь первого образца стабилизирован щелочью до РН = 9,5 и имеет в составе ПАВ алкилбензолсульфонат. Второй образец дополнительно модифицировали водной дисперсией акрила. Отверждение происходило обезвоживанием.
Структура пленок геля представлена на рисунке 1. Толщина пленки: порядка 10 мкм. Стабилизированный золь затвердевает в виде столбчатых образований (рис. 1а). Промежутки между фрагментами заполнены силикатом натрия [2]. Модифицирование приводит к образованию структуры с более высокой степенью фрактальности (рис. 1б).
В части прикладных свойств золь, модифицированный дисперсией акрила, показывает более высокие прочностные свойства в составе литейной керамики. Механизм структурообразования геля мало изучен. Уместно было предположить различия в строении на молекулярном уровне образцов.
Исследования проводились в ресурсном центре СПбГУ. Структура образцов была изучена следующими методами: оптическая микроскопия, порошковая рентгеновская дифракция, электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия (АСМ).
Исследования образцов с помощью поляризационного (петрографического) микроскопа показали, что структура обоих образцов изотропна (рис. 2). Погасания поля зрения при повороте предметного столика не наблюдалось. Поле остается темным, что характерно для аморфных структур.
Маршалит, напротив, является кристаллическим веществом, и его изображение при изменении ориентации кристаллов в пространстве меняется (рис. 3). Изображение приведено в качестве сравнения.
Исследования, выполненные рентгенодифракционным методом, подтвердили аморфную структуру геля обоих образцов (рис. 4).
Для наглядности рентгенограммы размещены на одном графике. Признаков наличия кристаллических структур не наблюдается. Для сравнения была выполнена рентгенограмма маршалита (рис. 5). Образец представлен обломочными частицами кремнезема с примесью окатанных обломков. Размер зерен варьируется от пылевидных до 150 мкм. Химический состав соответствует кремнезему с содержанием железа до 3 %.
Из проведенных исследований следует: не зависимо от условий протекания процесса гелеобразования формируется изотропная структура.
Исследования методом электронной микроскопии и АСМ показали существенные различия в строении геля на микроскопическом уровне. Гель без модификатора представляет собой компактную структуру (рис. 6). Неровная грань соответствует границе раздела «кварцевое стекло – силикат натрия».
Изучение образцов методом АСМ выявило наличие плавного рельефа высотой в пределах 1 мкм (рис. 1а). Рельеф распределяется неравномерно в зависимости от зоны фрагмента (рис. 7, 8).
В периферической части сказывается влияние скоплений силиката натрия, и структура начинает деформироваться.
Введение в золь дисперсии акрила приводит к кардинальному изменению структуры. Степень фрактальности увеличивается. Появляется чрезвычайно развитая поверхность раздела: твердое – газ (рис. 9).
Метод АСМ свидетельствует об активном взаимодействии акриловой дисперсии с золем кремнекислоты по всему объему (рис. 10).
Использованные методики не позволяют ответить на вопрос о ликвации силиката натрия и акриловой дисперсии. На основании распределения деформаций можно предположить: если силикат натрия располагается периферийно и соответственно деформирует край фрагмента, то акриловая дисперсия образует каркас, который приводит к объемному усложнению структуры геля.
Исследования показали: силикат натрия и акриловая дисперсия оказывают близкое по направленности воздействие при гелеобразовании. Оба компонента приводят к увеличению степени фрактальности геля.
Прочность геля (и соответственно прочность керамической формы) зависит от структуры связующего в пределах 1 мкм. На молекулярном уровне формируется аморфная среда не зависимо от условий отверждения. Механизм структурообразования модифицированного кремнезоля является ключом к получению литейной керамики с заданными свойствами.
1. Мартынов, К.В. Структура и свойства керамических форм на связующем «Армосил» / К.В. Мартынов, В.О. Емельянов, А.А. Бречко // Литейщик России. – 2007. – № 6.
2. Емельянов, В.О. Водный раствор кремнезоля как альтернатива этилсиликату в ЛВМ / В.О. Емельянов, К.В. Мартынов, В.Н. Мутилов [и др.] // Литейное производство. – 2012. – № 3.
