Регулирование pH при изготовлении суспензии для точного литья по выплавляемым моделям

Благодарю вас за неугасающий интерес к данным коротким публикациям: В настоящей статье мы поговорим об измерении и контроле уровня pH в щелочных связующих на основе коллоидного диоксида кремния.

Что такое pH?

Если говорить об отправной точке, то по моим сведениям современная концепция кислотности и основности была введена датским ученым Сёреном Сёренсеном в 1900-х годах. Он был сотрудником университета Carlsberg. поэтому возможно, он надеялся на то, что однажды все растворы будут измеряться таким образом. (Прошу прощения, если намек на пиво Carlsberg был недостаточно явным)

pH – одно из тех свойств, о которых всем известно, но лишь немногие понимают его досконально. pH отпугивает непосвященных, поскольку позволяет начинать предложение со строчной буквы. Тем не менее, данный показатель удобен для пользователя, так как варьируется от 0 до 14: для его подсчета вполне хватит пальцев обеих рук и одной ноги. Хотя это не вполне верно – могут существовать отрицательные значения pH и pH>14, но вряд ли мы столкнемся с такими значениями в цехе по изготовлению литейных форм. Поэтому на данный момент мы будем придерживаться определения из курса средней школы. Тем не менее, чтобы досчитать до 14, действительно хватит пальцев на обеих руках и одной ноге.

pH выражает кислотность или щелочное содержание раствора, где более низкие числа характеризуют кислую среду, 7 является нейтральным раствором, а более высокие числа относятся к основным средам. рН представляет собой отрицательный логарифм, с основанием 10, активности водного иона гидрония H+, хотя чаще он упоминается в качестве меры концентрации ионов гидрония [H +].

Каким образом измеряется pH?

В мои школьные годы уровень pH измерялся с помощью спектрофотометрии. Измерение осуществлялось с использованием специального или универсального индикатора, который обеспечивал изменение цвета при определенном рН. После такого преобразования цвета образцы сравнивались с эталоном. Это был стандартный способ определения вариаций реакции с помощью рН, например, при проведении гравиметрического анализа сплавов. Замечу кстати, что больше всего мне нравился бромтимоловый синий, цвет которого изменялся с желтого на синий при pH9. Это было потрясающе!

Правда заключается в том, что за последние 30 с лишним лет никто особо не беспокоится о колориметрическом анализе рН и индикаторных полосках, поскольку, безусловно, лучшим способом определения рН является относительно небольшой и недорогой автоматический термокомпенсированный рН-метр. Как правило, такие устройства представляют собой потенциометр, в котором одно плечо мостовой схемы является электродом сравнения.

Мне известно по меньшей мере четыре типа электрода, и, вероятно, их существует еще больше, поэтому я не буду описывать принцип их работы. Отмечу только важность соответствующей лабораторной гигиены, использования качественных буферов для регулярной калибровки, а также надлежащего ухода и обслуживания самого зонда. Итак…

Зачем нам необходимо отслеживать и корректировать уровень pH

Если вы предпочитаете длинное объяснение, то я отсылаю вас к «Химии диоксида кремния» доктора Илера (Dr Iler). Но для тех из вас, кто не хочет корпеть над трудом доктора Илера, я постараюсь предоставить пояснения ниже.

Когда коллоидный диоксид кремния гидролизуется, то он обертывается подобно клубку ниток, и на внешней поверхности такого клубка образуется диоксид кремния, который формирует связь со свободными гидроксильными ионами [Si*OH]. Если мы приведем рН к более основному уровню, скажем, pH10, то обнаружим, что водород становится свободным для диссоциации, поэтому мы завершаем с [Si * O-] и [H +]. Причина состоит в том, что по мере увеличения pH концентрация [H+] снижается. Это обеспечивает нам дополнительный бонус: все отрицательно заряженные частицы диоксида кремния взаимно отталкиваются и, следовательно, никогда не приближаются друг к другу для установления связи.

По мере понижения уровня рН степень диссоциации снижается, при этом [O-] скорее будет преобразовываться в [OH]. Постепенно увеличивающаяся потеря отрицательного заряда означает, что частицы могут сближаться друг с другом до тех пор, пока они не начнут взаимодействовать, вызывая гелеобразование.

По мере того как гелеобразующая реакция набирает темп, связующее на основе коллоидного диоксида кремния начинает сгущаться, что приводит к увеличению тиксотропии суспензии.

Обычно суспензия фактически поддерживается в процессе с постоянной вязкостью, при этом происходит гелеобразующая реакция, и это достигается добавлением избыточной воды, что обеспечивает уменьшение содержания диоксида кремния. По существу, разбавление означает, что частицы диоксида кремния еще больше отделяются друг от друга и, следовательно, взаимодействуют реже, при этом поддерживается необходимый уровень стабильности. Тем не менее, постоянно уменьшающееся содержание диоксида кремния и увеличение вязкости связующего никогда не следует считать положительном фактором, так как в конечном итоге суспензия либо теряет свою связующую способность, поскольку содержание диоксида кремния значительно снижено, либо плохие характеристики потока приводит к ненадлежащему формированию оболочек, что, в свою очередь, ведет к дефектам литья.

В конце концов, кто-то может принять решение выбросить суспензию и заменить ее на новую. ИМХО (по моему скромному разумению, как теперь принято говорить в интернет-текстах), решение выбросить суспензию всегда болезненно и почти всегда принимается слишком поздно.

Можно вспомнить английскую пословицу, начинающуюся так: «Не было гвоздя – подкова пропала. Не было подковы –

лошадь захромала», и т. д. и т. п. Данная пословица оказывается абсолютно уместной в отношении ухода и поддержания уровня рН в связующих на основе коллоидного диоксида кремния! Всегда лучше что-то делать понемногу, но часто, чем ждать, пока разразится катастрофа…

Итак, ниже приведены рекомендации относительно поддержания pH в связующем на основе коллоидного диоксида кремния REMASOL®.

pH суспензии может быть увеличен путем использования аммиачной воды (гидроксид аммония (NH4OH) или гидроксида калия (KOH). Оба вещества имеют как преимущества, так и недостатки.

При надлежащем обращении может быть использован любой материал.

Гидроксид аммония со временем разлагается и увеличивает частоту регулирования рН. Это вещество имеет сильный резкий запах, который всегда ощущается как неприятный. Тем не менее, благодаря относительно более низкому содержанию pH, гидроксид аммония гораздо легче усваивается в суспензии по сравнению с гидроксидом калия (KOH).

Использование KOH уменьшит частоту регулирования, но следует соблюдать дополнительную осторожность (из-за сильного основного характера вещества) при использовании KOH для этой цели. Добавление небольшого количества раствора KOH не должно понизить огнеупорные характеристики оболочки. Далее представлена рекомендованная процедура использования обоих продуктов.

Подготовьте 2-2,5%-ный раствор КОН (примерно 0,1 моль вещества в растворе) с использованием дистиллированной воды и гранул или хлопьев KOH. (KOH является очень едким, поэтому при подготовке или обращении с раствором KOH следует использовать надлежащее оборудование.)

В качестве альтернативного варианта, для получения желаемой концентрации раствора можно добавить 50 мл имеющегося в продаже 45%-ного раствора КОН к 950 мл дистиллированной воды. После смешивания, достаточного для получения однородного раствора, добавьте необходимое количество разбавленного раствора КОН в суспензию, выполняя активное перемешивание. Такое активное перемешивание необходимо для обеспечения быстрого смешивания раствора. Вначале необходимо провести некоторые опыты, чтобы определить, какое количество раствора KOH следует добавить.

Чистый для анализа гидроксид аммония (28–30% NH3) должен быть разбавлен в пропорции 50/50 дистиллированной или деионизированной водой. Полученный раствор необходимо влить в суспензию при активном перемешивании. Поскольку аммоний быстро теряет свою устойчивость, необходимо использовать только количество, необходимое для присоединения в течение от одного до двух дней. Крышку контейнера следует немедленно закрыть, чтобы предотвратить потерю концентрации аммиака.

Выждите тридцать минут, пока смешивается раствор, затем проверьте содержание рН с помощью стандартного рН-метра.

Хорошим уровнем содержания pH в суспензии является 9,6-9,8.

Некоторые литейные компании предпочитают поддерживать уровень pH суспензии на более высоком уровне: 9,5-10,0. Если было допущено падение pH суспензии до уровня 9,0-9,2, то следует избегать сотрясения суспензии.

Регулирование pH суспензии до более высокого уровня должно производиться за два или три шага, а не за один большой шаг. Легче удерживать pH в желаемом диапазоне, выполняя регулирование до того, как уровень pH упадет слишком низко. Если уровень pH суспензии упадет ниже допустимого значения (9,0), то может оказаться невозможным вернуть его обратно и удерживать на приемлемом высоком уровне.

Если вам потребуется дальнейшая помощь по регулированию pH, то вы всегда можете связаться по электронной почте или телефону с вашим местным агентом или региональным менеджером REMET.

В настоящее время существуют более изящные решения для данной программы обслуживания: компания REMET производит связующие с более низкой чувствительностью к pH, а также выпускает некоторые связующие, которые совершенно нечувствительны к рН. Если вы заинтересованы в таких решениях, то вы можете обратиться к вашему местному региональному менеджеру REMET.

Обычный отказ от ответственности:

МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ Ознакомьтесь с Паспортом безопасности материала (MSDS) перед использованием данного продукта.

ПРИМЕЧАНИЕ: За исключением специально заданного показателя в качестве значения спецификации, представленные выше химические, физические значения, а также значения распределения по размерам частиц, являются типичными свойствами. Они не являются значениями спецификации.

Свяжитесь с ближайшим отделом продаж REMET для получения спецификаций по продукту.

При возникновении любых вопросов, или если вам потребуется дополнительная информация, вы можете связаться с вашим территориальным менеджером REMET или посетить веб-сайт www.remet.com.

Приведенная информация и/или рекомендации основываются на исследованиях и технических данных, которые считаются надежными. Сведения предлагаются бесплатно для использования лицами, обладающими техническими навыками, по своему усмотрению и на собственный риск, при этом гарантия точности сведений не предоставляется. REMET не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, и не несет никакой ответственности за использование своих продуктов или любой относящейся к ним информации. Ничто в настоящем документе не может рассматриваться в качестве рекомендации по нарушению каких-либо патентных прав.