09-12-2016-13-42-28                  13. Расчет идеальной литьевой смеси

Секреты составления низкоусадочной литьевой смеси с 18% — 15% смолы.

Жирная точка

В этой статье я опишу алгоритм теоретического расчета фракций и их количества в смеси для заливки изделий из полимербетона, «полировки» теоретических расчетов при помощи физических измерений и органолептического анализа отливок.

ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПОЛИМЕРБЕТОНА

Только таким образом можно составить льющуюся смесь с содержанием в ней смолы 18-14%. Конкретный процент смолы будет зависеть от тех фракций песка, которые Вы можете реально приобрести в местности, где находится Ваше производство. Полимербетон, который мы будем здесь делать относится к самому совершенному из подобных смесей, и изделия из него носят названия кварцитовых

Реальная смесь для полимербетона, является компромиссом между тем, что нам нужно и тем, что мы можем получить в реальных условиях.

 

 

1. Начнем составление нашей смеси с определения того, что мы хотим туда замешать. Связующим будет полиэфирная смола с низкой вязкостью при замесе и малой усадкой при отверждении. При этом, она должна стоить как можно дешевле. По многочисленным проведенным опытам, таковой является смола TeddexE-15 (требует ускорителя), или E-15A (предускоренная). Я имею в виду, удовлетворение всем трем вышеперечисленным требованиям.

2015-01-28 12-14-082015-01-28 12-14-45

 

Наполнитель может быть самый различный, многие замешивают в полимербетон мел, микрокальцит, мраморную крошку. Хочется отметить, что эти материалы обладают «открытой пористостью» и поглощают смолу как губка. Кроме того, они сами имеют небольшую прочность, следовательно не придают смеси никакой дополнительной прочности, кроме прочности самой смолы. В смесь лучше добавлять гидроксид алюминия, т.к. он придает ей дополнительную прочность, антиусадочные свойства при отверждении и является антипиреном. Однако, этот компонент, также густит смесь в силу своей мелкодисперсности. Т.е. для обволакивания всех микрочастиц гидроксида алюминия тратится большое количество смолы. Применение его оправданно, когда мы готовим смесь для искусственного мрамора с разводами, или оникса. Гидроксид алюминия не желтит смесь, как, например песок, обладает просвечиваемостью. Однако, в смеси со смолой, его количество не удается увеличить более 64%. Иначе смесь не течет. Менее густит смесь обогащенный гидроксид алюминия с укрупненным зерном. Но он изготавливается только за рубежом и стоит гораздо дороже.

Лучшей, со всех стон, является смесь, приготовленная на кварцевых песках. Песок не впитывает в себя смолу, и она тратится только на окутывание его частичек, имеет большую прочность, передающуюся готовому изделию. Для приготовления смеси нужен сухой калиброванный по фракциям кварцевый песок. Естественно, в нем не должно быть глинистых включений, т.к. это дополнительный расход смолы и усадка.

Фракции

Отечественная промышленность предлагает калиброванные пески разных фракций. Проведя некоторые исследования, в частности, объемное моделирование, я установил, что для наиболее плотного заполнения воздушных пор в смеси, она должна иметь 2-3 фракции. Размеры зерен каждой из фракций должны примерно на порядок отличаться друг от друга.

Форма частиц песка отличается от круглой, но для простоты представления, примем ее за шар. Посмотрите, как располагаются гранулы  размеров 1,2 мм; 0,2 мм и 0,02 мм, в смеси. Если отобразить все гранулы в объеме, на рисунке, крупные заслонят мелкие, для наглядности я оставил лишь несколько гранул и сделал более крупные — прозрачными. Еще проще представить расположение гранул, если изобразить шарики указанных размеров на плоскости.

 

2. Начнем с выбора самой крупной фракции. Она дает наибольшую экономию смолы в смеси, придает особенную прочность изделию, но не может обходиться без соседства более мелких гранул, для поддержки смеси от расслоения. Верхним пределом величины зерна является толщина стенок изделия. Для наилучшего заполнения смеси при заливке, размер наибольших гранул не должен быть больше 1/3 этой толщины. Толщина стенок литых изделий — около 1 см. Получается, что можно использовать песок фракции: 10 мм/3 = 3,3 мм. Однако, практика заливки показала, что такие крупные гранулы дают на поверхности изделия, покрытого гелькоутом, крупную и не всегда желательную шагрень. Практика, также, показала, что при покрытии нормальным слоем (0,5 мм) гелькоута, гранулы размером до 1,2 мм не дают сильной шагреневости. Использовать гранулы размером до 2,5 мм можно при покрытии изделия полимерными декоративными гранулами методом Спрей-Гранит. При этом декоративный слой имеет толщину 1,5-2 мм и гранулы не дают заметную шагрень. А, слабо выраженная шагрень, даже придает изделию, имитирующему гранит, дополнительную «каменистость» и натуральность. Итак, из представленных отечественной промышленностью, наиболее оптимальная крупная фракция песка для наших целей: 0,8-1,2 мм.

Фракции - 2

3. Следующая фракция, для плотного заполнения, должна быть на порядок меньше крупной (что подтверждается объемным моделированием), значит это 0,1-0,3 мм.

4. И, наконец самая мелкая фракция, это 0-0,02 мм.

В общем то, это уже не песок, а кварцевая мука. Она изготовляется промышленностью для стекольного производства путем дробления кварцевого песка в специальных мельницах. Такой продукт доступен далеко не во всех регионах России и русскоязычных странах. Поскольку мелкой фракции в смесь добавляется не много,  она не особо влияет на себестоимость. Поэтому там, где достать кварцевую муку проблематично, допустимо заменять ее гидроксидом алюминия.

Путем построения объемной модели, удалось определить наиболее подходящие для плотной смеси размеры песчинок. Но сколько-же их нужно в количественном измерении?

5. На помощь приходит формула Фуллера. Поскольку размеры фракций доступные в Вашей местности, могут отличаться от расчетных, я представлю здесь формулу авторасчета количества песка по фракциям. Вот картинка расчетной таблицы, в нее введены размеры песчинок, определенные выше. На картинке находятся пояснения, куда вписывать данные, и где смотреть результат. Ниже дан для скачивания файл этой таблице, который работает в формате Ворд, при открытии на Вашем компьютере.

Формула Фуллера

Обратите внимание, что в таблицу вводятся размеры только самых крупных частиц в фракции. Так для фракции 0,8-1,2, мы вводим значение 1,2, для фракции 0,1-0,3 — 0,3 мм. Если Вы, случайно, знаете параметры рассева размеров зерен в каждой Вашей фракции, и, например, во фракции 0,1-0,3 — 78% частиц имеют размер 0,2 мм, то нужно ввести в таблицу именно значение 0,2. Тогда расчет будет точнее.

Как видим, количество крупной фракции равно 59%, средней 28%, мелкой 13%. Небольшое количество мелкой фракции, необходимой для заполнения пространств между более крупными, благоприятно сказывается на количестве смолы, необходимой для смеси. Т.к. мелкая фракция более всего густит композитную смесь в следствии большой площади смачиваемой поверхности.

Для скачивания авто-таблицы, нажмите СЮДА. Для  активации таблицы, открытой на Вашем компьютере, два раза кликните на ней левой кнопкой мыши, теперь можно вводить Ваши значения. Для авто-вычисления, кликните на свободном поле страницы.

Надо сказать, что теоретические вычисления, производимые по Фуллеру не полностью совпадают с параметрами идеальной смеси. Ну, было бы странно, если бы все столь просто вычислялось. Наверное тогда литье изделий из искусственного камня было  обыденным делом, и им занимался бы всякий, кому не лень :).

Формула оперирует с объемами вещества, и значит проценты, указанные здесь — объемные. Но, поскольку песок имеет примерно одинаковую насыпную плотность всех фракций, здесь можно приравнять эти проценты к весовым. Когда мы начинаем добавлять в смесь другой материал, например смолу, следует отмеривать количества материалов именно объемами, в соответствии с объемными процентами, указанными в таблице. Так как 1 литр смолы весит 1,1 кг, а 1 литр песка — 1,7 кг.

ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПОЛИМЕРБЕТОНА

6. Формула не дает нам ответа, сколько нужно добавить связующего (т.е. смолы) в смесь. Для примерного определения ее количества, приготовим сухую смесь из 1,3 л мелкого песка, 2,8 л — среднего и 5,9 л крупного. Это можно сделать, перемешав фракции на сухую строительной мешалкой на дрели. Теперь наберем из нее ровно 1 литр сухой смеси, предварительно взвесив тару. Отняв массу тары от общей массы, получим вес 1 литра сухой песчаной смеси. Допустим, у нас это 2 кг. Истинная плотность кварцевого песка (без пор) всегда равна 2,65 кг/л. Определяем объем пор так: 1 — (2 кг/2,65 кг) = 0,25 л Именно такой объем имеют поры в нашей смеси.

 Для смачивания такого количества Вашей смеси, смолы потребуется несколько больше указанного объема, т.к. она имеет вязкость большую чем воздух, или вода. Откровенно говоря, песчинки, смоченные водой, не прикасаются друг к другу в плотную, а — через молекулярную пленку воды. Поскольку молекулы полиэфирной смолы гораздо больше молекул воды, то и молекулярный слой смолы, в которую «обернуты» песчинки будет толще. А это значит, что вещества смолы пойдет несколько больше, чем вещества воды для смачивания такого же количества песка. Но данный тест позволяет Нам определить, с какого количества начинать свои практические опыты.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ СМЕСИ

7. Композитная смесь готовится для того, чтобы быть залитой в какую-либо форму. А форма эта имеет определенный объем. Допустим, мы хотим залить форму (матрицу) кухонной раковины. Для начала, нанесем на нее разделитель, покроем гелькоутом изделия, соберем с пуансоном, установим на вибростол.  Матрицы моек  средних размеров, обычно имеют объем заливки 7-9 литров. Для первой заливки матрицы, придется приготовить заведомо большее количество смеси.

Возьмите пластиковое 20 литровое ведро, наливайте туда по 1 литру воды и делайте отметки уровня на борте острием ножа. Так мы от тарируем ведро. Выльем воду, вытрем ведро насухо. Высыплем перемешанную смесь песков и 1л лабораторный образец, использованный в прошлом опыте в это ведро, выравниваем поверхность постукиванием. Посмотрим, сколько получилось литров смухой смеси. Получим, например, 9 литров. Пересыплем песок в другое ведро. Произведем расчеты: 1 литр песка имеет 250 мл пор, значит на смачивание 9 л песка понадобится 9 л Х 0,25 л = 2,25 литра воды, а в нашем случае — смолы. Смесь, конечно, получится слишком густая, но миксер с ней справится. Наливаем в тарированное ведро 2,25 литра смолы, добавляем в нее 20 мл отвердителя. Непрерывно перемешивая, начинаем досыпать песчаную смесь. Когда весь песок будет перемешан со смолой, станет понятно, что смесь самостоятельно не будет литься в матрицу, она слишком густа. Размешиваем в литровой таре 0,5 литра смолы с 5 мл отвердителя, и вливаем в смесь, непрерывно перемешивая. Если смесь все еще слишком вязкая, готовим и начинаем вливать еще 0,5 литров смолы. Когда смесь перестанет рваться лопастями миксера, и начнет становиться гомогенной, попробуйте наклонить ведро, оцените, сможет ли она литься в матрицу.  Допустим, Вы достигли нужной текучести при количестве смолы 3 литра. Теперь заметьте, какой объем занимает готовая смесь в тарированном ведре. Допустим, готовая смесь занимает объем 10 литров. Взвесьте ведро со смесью на весах, вычтите тару, запишите вес и объем смеси. Вес 10 литров смеси может быть около 21 кг. Это дает нам пару важных данных. Объемный вес полученной смеси равен: 21/10 = 2,1 кг/л.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ СМЕСИ

8. Во первых, теперь, зная объем заливки конкретной матрицы, Вы можете прогнозировать

конечный вес изделия. Например, матрица с объемом заливки 7 л даст нам изделие: 7 х 2,1 = 14,7 кг.

9. Во вторых, можем вычислить коэффициент совмещения объемов: При смешивании разных фракций песка и смолы, воздушные поры между гранулами заполняются более мелким материалом. При этом, итоговый объем смеси получается меньше, чем объемы добавленных компонентов. Зная величину уменьшения объема, мы можем прогнозировать объем первоначально необходимых компонентов. Так, мы смешали пески: 1,3 + 2,8 + 5,9 литров со смолой + 3 л = 13 литров. А реальный объем смеси получился 10 литров.

Теперь, мы можем узнать, что для получения, например 7 литров готовой смеси, нам нужно взять 13/10 Х 7 = 1,3 Х 7 = 9,1 литр ингредиентов, в частности, по фракциям: смолы 3/10 Х 7 = 2,1 л; аналогично, мелкого песка: 0,91 л; среднего:  1,96 л; крупного: 4,13 л.

Или, наоборот, можем узнать, что при смешивании, например 20 литров исходных компонентов, готовой смеси получим: 10/13 Х 20 = 0,77 Х 20 = 15,4 литра.

ПРАВИЛЬНАЯ СМЕСЬ

Конечно, эти расчеты Вы сделаете позднее, а сейчас выливайте смесь в матрицу при включенном вибростоле. Остатки смеси со стенок удобно собирать шпателем. Если остались излишки, замерьте по тарированному ведру, сколько литров смеси лишние. Например, у Вас в тарированном ведре осталось 2 литра смеси. Теперь вы знаете, что объем заливки данной матрицы: 10-2 = 8 литров. Этот показатель следует записать, а матрицу промаркировать, чтобы в будущем готовить для нее именно такое количество смеси.

Вибрируйте смесь, пока не перестанут подниматься пузыри. Осмотрите открытую поверхность изделия. Если самые крупные песчинки погрузились в глубину, а на поверхности выступила чистая смола, значит смесь не идеальна, она дает расслоение.

При следующих заливках мы будем «ПОЛИРОВАТЬ» состав смеси, меняя количество ее компонентов.

СМЕСЬ С БОЛЬШОЙ УСАДКОЙ

СМЕСЬ С БОЛЬШОЙ УСАДКОЙ

10. Для начала такой «полировки», попробуем добавить с ледующую отливку около 100 мл пироксида кремния (аэросила 200) на литр смолы. Т.е. для 3 литров Вам нужно перед добавлением песка, замешать в смолу 300 мл этого вещества. Количество определено экспериментально. При добавлении большего количества смесь густеет, и смолы требуется больше. Рекомендуемое количество аэросила должно придать смеси достаточную тиксотропность для поддержания крупного песка на поверхности и в массе смеси при вибрации. Кроме того, этот компонент является молекулярно дисперсным силикатом и придает смеси дополнительное сопротивление растрескиванию при отверждении.

11. Следующий этап «полировки» — смещение количества мелкий-средний песок в сторону мелкого, и наоборот.

Дело в том, что истинный гранулометрический состав в пределах фракции песка нам не известен. В фракции, например 0,1-0,3 мм количество песчинок 0,1 мм может преобладать, или наоборот, быть меньше, чем количество песчинок другого размера. Это сдвигает реальный необходимый процент данной фракции в сторону ее уменьшения, или увеличения.

ХОРОШАЯ СМЕСЬ

ХОРОШАЯ СМЕСЬ :)


ПЛОХАЯ СМЕСЬ :(

ПЛОХАЯ СМЕСЬ :(

Поскольку крупный песок является основой полимербетона, придающей ему прочность, антиусадочные свойства и малое потребление смолы, регулировать количество этой фракции не следует. Просто, уменьшив ее, мы получим большее потребление смолы, а увеличив — не сможем удержать смесь от расслоения. Остальные фракции стоят «на службе» этого главного компонента. Регулировать нужно их количество.

Не забывайте, что если, например, Вы сыплете в смесь 2,3 л мелкого песка, вместо 1,3 л, то содержание среднего песка нужно уменьшить на 1 л, чтобы сохранить общую пропорцию.  В моем случае для оптимизации смеси, помогло именно увеличение количества песка мелкой фракции. Конечно, нужно снова делать тестовый замес и, возможно, добавлять некоторое количество смолы, как это описано выше (п.7). Записывать все указанные выше параметры, как мы это делали в первый раз. Только порядок смешивания теперь можно сделать более комфортным. Вам не нужно готовить сухую смесь песков. Для приготовления смеси, налейте в ведро расчетное количество смолы, замешайте (если нужно) ускоритель, затем — тиксотропизатор (аэросил). Затем замешайте все необходимое количество мелкого и среднего песка. Смесь все еще остается достаточно жидкой. Теперь добавляйте отвердитель, перемешивайте. Добавляйте и перемешивайте весь крупный песок. И, если надо, добавочную смолу с отвердителем. Залейте полученную смесь в матрицу.

Отвердитель является пероксидом, активно взаимодействующим с воздухом и пылью, которые в него попадают, при этом его реакционная способность снижается. Известно, что старый отвердитель вызывает усиленную усадку смеси при полимеризации. Поэтому следите, чтобы покупаемый Вами отвердитель был свежим, не храните его в открытой таре более 1 дня. Удобно отливать его небольшие количества в отдельную тару, из расчета, потратить его в этот же день. Дозировать отвердитель удобно 20 кубовым медицинским шприцем.

В ходе экспериментов по регулированию состава смеси, Вы придете к окончательному составу смеси, идеальному для данного наполнителя и смолы. Смесь должна получиться настолько плотная, что крупный песок вообще не покрывается слоем смолы на открытой части матрицы при вибрации. Он как-бы висит в плотной смеси. Сама смесь не растрескивается и дает минимальную усадку. Отвердевшие изделия легко выходят из матрицы под собственным весом. Теперь этим рецептом можно пользоваться до тех пор, пока Вы не решите изменить состав наполнителя.

ИНГРИДИЕНТЫ

12. Переведем объемные проценты в весовые. Для производственных условий, Вам будет удобнее отвешивать компоненты смеси на весах. Для этого, наберите ровно по 1 литру каждой фракции песка, а также, 1 л смолы, предварительно взвесив тару. Отняв вес тары, получим, например, что 1 л смолы весит 1,1 кг; 1 л мелкого песка — 1,9 кг; среднего — 1,8 кг; крупного — 1,7 кг.

Теперь переведем объемные проценты в смеси, определенные в п. 6, в весовые. Получим, что для приготовления 10 литров смеси весом 21 кг нам нужно смешать смолы: 3 л Х 1,1 кг/л = 3,3 кг; мелкого песка: 1,3 Х 1,9 = 2,47 кг; среднего песка: 2,8 Х 1,8 = 5,04 кг; крупного: 5,9 х 1,7 = 10,03 кг.  Это и есть расчетные данные в кг на 10 литров готовой смеси, которые можно применять для составления любого необходимого Вам количества смеси.

Ради интереса, оценим, какого процента смолы в смеси нам удалось добиться: 3,3 кг смолы Х 100% / 21 кг готовой смеси = 15,7%. Ну чтоже, это отличная смесь, редко кому без подготовки, сходной с той, что произвели здесь мы, удается добиться смеси приемлемого качества с количеством смолы, хотя бы 18%!  Считается, что для технологии литья в принципе невозможно добиться содержания смолы ниже 14%. И для приближения к этому «абсолютному» минимуму используют химические добавки, увеличивающие смачиваемость наполнителя, и снижающие вязкость смолы. А это значительно удорожает себестоимость.

Более низкий процент смолы (5-7%) возможен только при производстве кварцевого агломерата. Процесс идет на промышленном оборудовании при повышенной температуре и давлении, конечный продукт — слябы (листы). Ни о каком разнообразии форм там не может быть и речи, только — лист, и все что можно из него вырезать.

В заключение, хочу отметить, что данный метод составления литьевой смеси лучше всего работает при заливке открытого типа. Т.е., когда смесь подается из ведра в отверстие пуансона, при этом матрица стоит на вибростоле.

Для качества смеси, немаловажную роль играет качество самого наполнителя. Он должен быть правильно фракционированным, сами гранулы наполнителя должны быть не пористыми. Форма гранул под микроскопом должна быть похожа на картофелину, а не на наконечники стрел. Спешиальная высокотемпературная обработка таких гранул позволяет получить поверхностные трещинки без увеличения пористости, что благотворно влияет на прочность готовой смеси. Но, насколько мне известно, такая обработка песка производится только за рубежом. Поэтому стоимость его гораздо выше.

При заливке изделий на автокастере по безгелькоутной технологии, формула Фуллера играет второстепенную роль, т.к. смесь не подвергается активному сепарированию из-за вибраций. На первое место здесь выступают параметры смеси, позволяющие получать лицевую поверхность без пор. Это достигается подбором наполнителей с хорошей смачиваемостью, размером фракций наполнителей не более 0,4 мм, содержанием смолы св смеси 22-25%.

Подробнее о приготовлении смесей для автокастеров, получения матовой поверхности на глянцевых матрицах, применении специализированных разделителей, способных противостоять абразивному износу от смеси, будет рассказано в отдельной статье.

 

Получить живую консультацию, или приобрести композитные материалы для приготовления литьевых смесей, можно здесь:

НИЗКИЕ ЦЕНЫ

 

Это конец статьи. Удачи!

.

.