Kontrola pH gęstwy/masy ceramicznej do odlewów metodą traconego wosku

Bob Brown – Dyrektor ds. Sprzedaży i Marketingu

Dziękuję za nieustanne zainteresowanie tymi krótkimi wpisami. Dziś omówimy tematykę pomiaru i kontroli pH w alkalicznych spoiwach z krzemionki koloidalnej.

Co to jest pH?

Słowem wstępu, o ile mi wiadomo, współczesną koncepcję kwasowości i zasadowości opracował duński naukowiec Soeren Soerensen na początku XX w. Jako pracownik naukowy Uniwersytetu Carlsberga miał pewnie nadzieję, że wszystkie roztwory będą poddawane takim samym testom. (Z góry przepraszam za piwny żart).

pH to wartość, którą wszyscy znają, lecz rzadko kto rozumie. Niepokoi ona niewtajemniczonych, ponieważ pozwala zacząć zdanie od małej litery. Jest jednak łatwa do pojęcia, bo do poradzenia sobie ze skalą – od 0 do 14 – wystarczy zdjąć tylko jedną skarpetkę. Nie jest to tak do końca prawda – można uzyskać ujemne pH, jak i pH ponad 14, jednak w warunkach panujących w odlewniach prawdopodobieństwo ich wystąpienia jest niewielkie. Dlatego też na obecną chwilę zostaniemy przy definicji szkolnej. Prawdą jest natomiast, że aby policzyć do 14 wystarczy zdjąć jedną skarpetkę.

pH określa kwasowość lub zasadowość roztworu. Wartości od 0 do 6 oznaczają odczyn kwasowy, 7 – neutralny, a od 8 do 14 – zasadowy. pH to ujemny logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych H+, choć częściej mówi się o nim jako o mierze stężenia jonów hydroniowych [H+].

Jak mierzymy pH?

Gdy byłem jeszcze w szkole, pH oznaczaliśmy metodą spektrofotometryczną. W tym celu używaliśmy konkretnego lub uniwersalnego wskaźnika. Przy określonym pH zabarwiał się on na określony kolor, który porównywaliśmy ze wzornikiem. To była standardowa metoda pomiaru pH podczas określania poziomu skażenia w ramach analiz grawimetrycznych stopów. Moim ulubionym kolorem był błękit bromotymolowy, który zmieniał kolor z żółtego na niebieski przy pH9. Fascynujące!

Prawda jest jednak taka, że od jakiś 30 lat nikt nie stosuje kolorometrycznej analizy pH ani pasków testowych, ponieważ zdecydowanie najlepszą metodę określania pH oferuje relatywnie mały i niedrogi automatyczny pehametr z funkcją kompensacji temperatury. W uproszczeniu, jest to potencjometr, w którym jedno ramię mostka jest elektrodą wskaźnikową, a drugie – elektrodą odniesienia.

Wiem, że występują co najmniej 4 typy elektrod, choć może być ich więcej. Nie będę jednak opisywał jego zasady działania. Chciałbym tylko podkreślić znaczenie właściwej higieny laboratoryjnej, potrzebę stosowania właściwych buforów do regularnej kalibracji oraz istotę odpowiedniej pielęgnacji i konserwacji samego urządzenia. A zatem…

Dlaczego musimy monitorować i korygować pH?

Osobom zainteresowanym wersją długą polecam lekturę artykułu „Chemistry of Silica” autorstwa dr. Ilera. Tym, którzy nie chcą zagłębiać się w te wszystkie szczegóły, postaram się wyjaśnić temat poniżej.

W wyniku hydrolizy krzemionka koloidalna zwija się w kulkę, jak włóczka, a na powierzchni tej kulki znajduje się krzemionka tworząca wiązania z wolnymi jonami hydroksylu [ Si*OH]. Jeśli pH będzie bardziej zasadowe, np. pH10, będzie następować dysocjacja wodoru, co spowoduje powstawanie [Si*O-] i [H+]. Zjawisko to wynika z faktu, że wzrost pH powoduje spadek stężenia jonów hydroniowych [H+]. Dodatkową zaletą tego jest fakt, że te wszystkie ujemnie naładowane cząstki krzemionki odpychają się od siebie, dzięki czemu nigdy nie zbliżają się na tyle, aby powstało wiązanie.

Wraz ze spadkiem pH, spada też poziom dysocjacji i [O-] będą przekształcać się w [OH]. Postępująca strata ładunków ujemnych powoduje, że poszczególne cząsteczki będą zbliżać się do siebie, aż zaczną wchodzić w interakcje, co spowoduje żelowanie się substancji.

Wraz z postępującym żelowaniem krzemionki koloidalnej zaczyna ona gęstnieć, co przekłada się na wyższą tiksotropię gęstwy.

Zazwyczaj jednak gęstwę utrzymuje się w stanie stałej lepkości pomimo zjawiska żelowania. W tym celu dodaje się nadwyżkę wody, tak aby ograniczyć stężenie krzemionki. Rozcieńczenie spowoduje odsunięcie się od siebie cząsteczek krzemionki, dzięki czemu rzadziej wchodzą w reakcję, co pozwala utrzymać pewną stabilność. Jednak ciągłe ograniczanie stężenia krzemionki i zwiększanie lepkości spoiwa nigdy nie jest dobrym pomysłem, ponieważ ostatecznie powoduje, że w wyniku niskiej zawartości krzemionki gęstwa traci właściwości spajające. Słabe parametry przepływu mogą też negatywnie wpływać na kształtowanie się formy, co będzie prowadzić do wad odlewniczych.

W ostatecznym rozrachunku podjęta zostaje decyzja o wyrzuceniu gęstwy i jej wymianie. Osobiście uważam, że decyzja o utylizacji gęstwy jest zawsze trudna i niemal zawsze zapada zbyt późno.

Jest takie powiedzenie: „kto późno przychodzi, ten sam sobie szkodzi” i myślę, że ma ono zastosowanie także w przypadku monitorowania i kontroli pH spoiw na bazie krzemionki koloidalnej. Zawsze lepiej jest robić po trochu, ale często, niż czekać na katastrofę…

Teraz omówię kwestię utrzymywania pH w spoiwie REMASOL® na bazie krzemionki koloidalnej.

pH gęstwy można zwiększać przez dodanie wody amoniakalnej (wodorotlenek amonowy (NH4OH)) lub wodorotlenku potasu (KOH). Oba rozwiązania mają swoje wady i zalety.

O ile zastosuje się właściwe procedury, obie substancje są jednak skuteczne.

Wodorotlenek amonowy rozkłada się z czasem i wymaga częstszej regulacji pH. Charakteryzuje się też silnym, nieprzyjemnym zapachem, który wszystkim zawsze przeszkadza. Jednak jego relatywnie niskie pH oznacza, że łatwiej miesza się on z gęstwą niż KOH.

Wodorotlenek potasu można dodawać rzadziej, ale w jego przypadku należy zachować dodatkową ostrożność, ponieważ jest on silnie zasadowy. Niewielkie ilości roztworu KOH nie powinny wpływać na ogniotrwałość formy. W przypadku obu produktów zaleca się następującą procedurę:

Przygotuj roztwór 2–2,5% KOH (ok. 0,1 mola) z użyciem wody destylowanej i granulek lub płatków KOH. (KOH jest substancją silnie żrącą, dlatego też podczas przygotowywania i przelewania roztworu KOH należy stosować odpowiedni sprzęt).

Aby uzyskać odpowiedni roztwór można także dodać 50 ml dostępnego w sprzedaży roztworu KOH 45% do 950 ml wody destylowanej. Po wymieszaniu i uzyskaniu jednolitego roztworu należy dodać właściwą ilość rozcieńczonego wodorotlenku potasu do gęstwy, cały czas mocno mieszając. Mieszaninę należy mocno mieszać, aby roztwór szybko się wymieszał. Na początku trzeba będzie poeksperymentować z ilością KOH.

Wodorotlenek amonowy klasy odczynnika (28–30% NH3) należy rozcieńczyć w proporcji 50/50 z destylowaną lub dejonizowaną wodą. Tak powstały roztwór należy powoli dodawać do gęstwy i stale mieszać. Ponieważ amoniak szybko traci właściwości, należy przygotowywać roztwór potrzebny na najbliższy dzień lub dwa. Aby zapobiec spadkowi stężenia amoniaku, pokrywę pojemnika należy jak najszybciej zamknąć.

Odczekaj 30 minut, aż roztwór się wymiesza, a następnie wykonaj test standardowym pehametrem.

Optymalne pH gęstwy to 9,6–9,8.

Niektóre odlewnie preferują gęstwę o wyższym pH – 9,5–10,0. Jeśli pH gęstwy spadnie do poziomu 9,0–9,2, należy zachować ostrożność, aby uniknąć szoku substancji.

Podwyższanie pH należy przeprowadzać co najmniej w dwóch krokach, a nie jednym dużym. Łatwiej jest jednak utrzymywać właściwy zakres pH gęstwy poprzez dodawanie wybranego roztworu, zanim odczyn zbytnio spadnie. W przypadku zbyt dużego spadku pH (9,0 lub niżej) przywrócenie i utrzymanie właściwej wartości może okazać się niemożliwe.

Aby uzyskać więcej informacji o kontrolowaniu pH, napisz lub zadzwoń do lokalnego przedstawiciela handlowego lub sprzedawcy REMET.

Obecnie dostępne są wygodniejsze rozwiązania. REMET produkuje spoiwa o obniżonej wrażliwości na pH oraz spoiwa zupełnie niewrażliwe na pH. Jeśli tego typu rozwiązanie Cię interesuje, skontaktuj się z lokalnym przedstawicielem handlowym REMET.

Typowe zastrzeżenia:

ŚRODKI OSTROŻNOŚCI: Przed użyciem produktu należy zapoznać się z kartą charakterystyki bezpieczeństwa materiału

UWAGA: Podane powyżej wartości chemiczne, fizyczne i dotyczące składu granulometrycznego to parametry typowe, chyba że wyraźnie określono je jako parametry specyfikacyjne. Nie są one parametrami specyfikacyjnymi.

W kwestii parametrów technicznych należy kontaktować się z najbliższym biurem sprzedaży REMET.

Jeśli masz pytania lub potrzebujesz dodatkowych informacji, skontaktuj się z lokalnym przedstawicielem handlowym REMET lub wejdź na stronę www.remet.com.

Podane informacje i zalecenia oparto na badaniach naukowych i danych technicznych uznawanych za wiarygodne. Dokument ten jest oferowany bezpłatnie osobom o odpowiednich umiejętnościach technicznych bez gwarancji dokładności, a zawarte w nim porady należy stosować na własne ryzyko. REMET nie udziela gwarancji, wyraźnych ani dorozumianych, ani nie ponosi odpowiedzialności za wykorzystanie swoich produktów ani jakichkolwiek informacji z nimi powiązanych. Żadna część niniejszego dokumentu nie stanowi zalecenia naruszenia jakiegokolwiek patentu.