15. Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet

Transkriptio

1 15. Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet Raimo Keskinen Pekka Niemi - Tampereen ammattiopisto 15.1 Vesilasi Vesilasihiekkoja käytetään sekä muottien että keernojen valmistukseen. Niitä voidaan käyttää kaikkia metalleja valettaessa. Aikaisemmin niitä on käytetty erittäin paljon Suomessa. Nykyäänkin niitä käytetään vielä jonkin verran, vaikka Cold-box menetelmä on nykyisin yleisin keernojen valmistustapa (cold-boxilla tehdään % keernoista, katso Cold-box eli ns. kaasuharstimenetelmä)) Vesilasi on väritön ja hyytelömäinen sideaine, joka valmistetaan kvartsin ja soodan seosta sulattamalla. Sen kemiallinen koostumus on Na 2 SiO 3 * nh 2 O. Kuva. Na 2 SiO 3 * nh 2 O - näyte Kuva. Hyytelömäistä vesilasia Vesilasin kovettuminen perustuu sen viskositeetin kasvattamiseen. Tämä tapahtuu joko sitomalla siinä oleva vesi kemiallisen reaktion avulla tai haihduttamalla vesi fysikaalisesti. Kemiallinen reaktio saadaan aikaan tavallisesti hiilidioksidi- eli CO2-kaasun tai jonkin muun reaktiokykyisen Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet - 1

2 aineen avulla. Veden haihduttaminen voi tapahtua kuivaussuunnissa tai käyttämällä kuumapuhallusta. Käytetyn raakahiekan puhtaudella on suuri vaikutus hiekkaseoksen loppulujuuteen. Suuri savi-, pöly- tai lietepitoisuus lisää hiekan ominaispinta-alaa ja huonontavat sen lujuutta. Vesilasi lisätään mieluiten kuivaan hiekkaan, jonka lämpötila on C. Kylmä hiekka kasvattaa vesilasin viskositeettia ja sekoittuminen on epätasaista. Myös liian kuuma hiekka johtaa viskositeetin kasvamiseen; se johtuu veden voimakkaasta haihtumisesta. Kuva. Lämpötilan vaikutus vesilasin viskositeettiin Kuvasta ilmenee lämpötilan vaikutus erään vesilasin viskositeettiin. Kostea hiekka heikentää hiekkaseoksen loppu lujuutta. Lieteainepitoisuudella on vaikutusta hiekkaseoksiin, sillä sen nousu alentaa huomattavasti puristuslujuutta. Vesilasihiekkoja käytetään sekä muottien että keernojen valmistukseen. Niitä voidaan käyttää kaikkia metalleja valettaessa. Vesilasihiekkojen tyhjennettävyydessä on ongelmia. Se on hyvin kovaa, eikä siinä olevat sidokset murru helposti valulämpötilan vaikutuksesta. Vesilasin määrällä voidaan vaikuttaa tyhjennettävyyteen. Suuret määrät parantavat keerna lujuutta, mutta heikentävät tyhjennettävyyttä. Vettä voidaan käyttää apuna tyhjennyksen yhteydessä kastelemalla vesilasihiekka esim. keerna, sillä se pehmentää keernaa, mutta toisaalta kastelee hiekan joka täytyy kuivattaa uudestaan käytettäessä Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet - 2

3 Hiilidioksidi Vesilasin kovettuminen tapahtuu yleisimmin hiilidioksidi- eli CO 2- kaasun avulla. Kaasu ei ole hengitettyä vaarallista, ellei sitä ole ilmassa niin paljoa, että se syrjäyttää hapen. Ilmaa raskaampana kaasuna sitä saattaa kerääntyä esimerkiksi lattiasyvennyksiin Kemiallinen reaktio saadaan siis aikaan tavallisesti hiilidioksidi- eli CO2-kaasun tai jonkin muun reaktiokykyisen aineen avulla. Kaasu ei ole hengitettyä vaarallista, ellei sitä ole ilmassa niin paljoa, että se syrjäyttää hapen. Ilmaa raskaampana kaasuna sitä saattaa kerääntyä esimerkiksi lattiasyvennyksiin Hiilidioksidia nimitetään usein virheellisesti hiilihapoksi. Hiilihappo, joka ei ole pysyvä yhdiste, muodostuu hiilidioksidin liuetessa veteen. Kaikki vesilasit ovat voimakkaasti emäksisiä ja niiden ph-arvo vaihtelee välillä 12 13, jolloin sitä käsiteltäessä on syytä käyttää suojavälineitä kuten suojalaseja ja käsineitä Vesilasi on myrkytön, hajuton ja suhteellisen halpa sideaine. Siitä ei hiekan sekoituksen eikä valun yhteydessä kehity haitallisia kaasuja. Jätehiekalla ei myöskään ole ympäristöä saastuttavaa vaikutusta Kuva. CO 2- kaasupullot kuljetuskärryissä Kuva. Vesilasin ph Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet - 3

4 Veden haihduttaminen voi tapahtua kuivaussuunnissa tai käyttämällä kuumapuhallusta; Kaasupulloista erottuva kaasu ei ole hiilihappo vaan hiilidioksidia. Yksittäistuotannossa CO2 - kaasu otetaan tavallisesti kaasupulloista paineen alennusventtiilin kautta. Kuva. Paineenalennusventtiili Pullosta voidaan ottaa tunnissa 5-10 % kaasua sen kokonaistilavuudesta; nopeampi kaasun otto aiheuttaa paineenalennusventtiilin jäätymisten, joka hankaloittaa kaasutusta esim. hidastamalla työskentelyä. Kaasutuspaine on tavallisesti 3 baria. Käytännössä hiilidioksidia tarvitaan 1,5 3,0 % hiekan painosta. Pullossa tai säiliössä oleva kaasupaine on riippuvainen lämpötilasta. Onkin muistettava, että kylmässä ympäristössä voi kaasupaine pudota melkoisesti ja lämpimässä taas nousta. Kovettumisreaktiot riippuvat paitsi vesilasin moolisuhteesta (mooli = ainemäärän mitta atomitasolla) myös käytetystä hiilidioksidimäärästä. Ylikaasutusta tulee välttää sillä hiekan lujuus putoaa sen seurauksena. Kovettuneen hiekan lujuusarvot säilyvät periaatteessa muuttumattomina pitkiäkin aikoja. Mutta kosteassa ympäristössä hiekalla on taipumus imeä kosteutta itseensä, jolloin sen lujuus laskee. Tämän takia vesilasikeernojen ja -muottien varastointikestävyys on huono. Keernanvalmistukseen tarkoitettuun hiekkaan riittää tavallisesti 3,0 3,5 %:n vesilasilisäys sekä tyhjennettävyyttä parantavia aineita enintään 0,8 1,8 %. Muottihiekoissa voidaan tyytyä vähän pienempiin määriin. Parhaimmat tulokset saavutetaan vesilasilla, jonka moolisuhde on 2,4 2, Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet - 4

5 Sen edut verrattuna pienemmän moolisuhteen omaavaan vesilasiin ovat: hyvä reaktiivisuus CO2:n kanssa pienempi CO2:n kulutus halvempi hinta. Haittapuolia ovat: suurempi ylikaasutuksen vaara lyhyempi sekoitetun hiekan käyttöikä (penkkiaika) huonompi varastoitavuus CO2-hiekka ja sideainetaustaa Vesilasi on kvartsin (SiO 2 ) ja soodan (eli natriumkarbonaatti Na 2 CO 3 ) seos, joka on liuotettu veteen. Suhdetta SiO 2 /Na 2 O kutsutaan moduuliksi eli painosuhteeksi. Kun se kerrotaan luvulla 1,03 saadaan moolisuhde. Vesilasin moolisuhdetta muuttamalla voidaan sen ja vesilasihiekkojen omaisuuksia muuttaa. Hiekan puristuslujuuksissa voidaan päästä jopa arvoihin N/cm². Vesilasikeernojen poisto valun jälkeen on ongelmallista keernan lujuuden ollessa valun jälkeenkin vielä suuri. Hiekan luhistuvuuden parantamiseksi käytetään erilaisia lisäaineita.. Vesilasihiekkojen kierrättämien on ongelmallista ne vaativat joko märkä tai termisen elvytyksen Esterikovetus CO2 - hiekalla. Vesilasihiekkojen kovettuminen saadaan aikaan sekoittamalla hiekanvalmistuksen yhteydessä sen joukkoon esteriä. Esterit Esterit ovat orgaanisia tai epäorgaanisia yhdisteitä, jotka ovat muodostuneet epäorgaanisesta tai orgaanisesta haposta ja voidaan todeta muodostuvan happojen alkoholien välisissä reaktioissa. Estereitä on etyyli- ja hedelmäesterit sekä rasavat. Voidaan sanoa myös että esterit ovat makuja ja hajuja. Sana "epäorgaaninen" tarkoittaa elotonta ja sana "orgaaninen" taas elollista Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet - 5

6 Orgaaniset aineet muodostuu kuolleiden kasvien ja eläinten jäänteistä ja karikkeena maan pinnalla sekä maanpinnan alle juuristokerrokseen sekoittuu mekaanisesti ja muodostaa humusta. Orgaaniset aineet sisältävät sekä hiiltä että vetyä, epäorgaaniset aineet voivat tällöin sisältää jompaakumpaa ainetta. Tavallisimpia estereitä muodostavia happoja ovat mm. fosforihappo, rikkihappo, typpihappo ja boorihappo. Karboksyylihappojen estereitä on luonnossa melko runsaasti. Luonnosta saatavat vahat ja rasvat ovat estereitä. Kuva. Jäätelö = rasvaa, eli sisältää estereitä Kuva. Estereitä käytetään ravinto- ja nautintoaineiden sekä kosmeettisten aineiden maustamiseen ja hajustamiseen Hedelmissä on pieniä määriä hedelmäestereitä. Monien hedelmien ja kukkien tuoksu johtuukin osittain niiden sisältämistä estereistä (eteerisistä öljyistä). Esteriä valmistetaan alkoholista ja karboksyylihapoista. Kun alkoholi reagoi hapon kanssa, syntyy esteriä ja vettä. Reaktio on yleensä tavattoman hidas, ja sen nopeuttamiseksi joudutaan usein käyttämään katalyyttiä. Käytännössä estereitä valmistetaan kuumentamalla karboksyylihappoa hapon (katalyytti) läsnä ollessa ja alkoholin ollessa liuottimena. Kovettaminen Esterikovetusta käytetään erityisesti muoteille ja isoille keernoille. Kovettuminen perustuu esterin kykyyn sitoa vettä. Esterillä kovetettavien vesilasihiekkojen parhaimmat tulokset saavutetaan vesilasilla, jonka moolisuhde on 2,6 2,8. Pienempi moolisuhde aiheuttaa hitaan kovettumisen kun taas liian suuri nopeuttaa kovettumista, jolloin sitten loppulujuus on huonompi Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet - 6

7 Vesilasin sopiva määrä on 2 4 % hiekan määrästä ja esterin määrä % vesilasin määrästä). Taulukko. Sekoitussuhdetaulukko kuvaan: Vesilasin moolisuhteen kaasutusajan vaikutus hiekan lujuuden kehitykseen Diasetiini% Triasetiini % A B C D E F Kuva. Vesilasin moolisuhteen kaasutusajan vaikutus hiekan lujuuden kehitykseen: 1. moolisuhde 2,0 2. moolisuhde 2,5 3. moolisuhde 3,0. Kovetemäärällä ei juurikaan voida vaikuttaa kovettumisnopeuteen. Kovettumisnopeuteen voidaan vaikuttaa esterin tyypillä: diasetiinilla saadaan nopea kovettuminen (hiekan käyttöaika muutama minuutti) ja triasetiinilla hidas kovettuminen (hiekan käyttöaika min). Näitä kahta esterityyppiä voidaan myös sekoittaa keskenään, jolloin kovettumisnopeus riippuu em. esterien suhteesta. (Taulukko. Sekoitussuhdetaulukko).Vesilasi esterihiekat ovat herkkiä kosteudelle. Sateisina päivinä hiekkojen lujuus voi pudota jopa puoleen verrattuna lämpimiin päiviin Raimo Keskinen, Pekka Niemi Kemiallisesti kovettuvat epäorgaaniset sideaineet - 7