چکیده
این مقاله تاثیر الزامات زیست محیطي که منجر به تغییراتي در تکنولوژي هاي گوناگون قالب گیري نظیر ماسه تر، کلد باکس و قالب گیري با چســب خودگیر ميگردد را بیان ميکند. هدف این مقاله نشــان دادن امکان کاربرد بیو مواد قابل تجزیه در طبیعت به عنوان چسب ها (یا بخشي از ترکیبات چسبها) براي ماسه هاي ماهیچه و قالب گیري ریخته گري مي باشــد.
نویســندگان این مقاله بر امکان تهیه چســب هاي جدید شــامل رزین هاي مصنوعي متداول که معمولا در ریخته گری اســتفاده می شــوند و بیو مواد قابل تجزیه در طبیعت تمرکز دارند. بر اساس تحقیقات چنین فرض شده است که استفاده از بیو مواد قابل تجزیه در طبیعت به عنوان بخشي از ترکیبات چسب ها ممکن است نه تنها باعث ایجاد مواد سمي کمتر و بازیافت بهتر آنها گردد بلکه سرعت تجزیه چسب های مورد استفاده در طبیعت را افزایش دهد.
علاوه بر این اســتفاده بعضي از انواع بیو مواد قابل تجزیه در طبیعت تطابق ماســه هاي قالب گیري با چسب های پلیمري را بهبود ميبخشد. تحقیق انجام شده به صورت مقدمه و در خصوص استحکام خمشي و خواص حرارتي ماســه هاي قالب گیري داراي فوران با بیو مواد قابل تجزیه در طبیعت مي باشد. این تحقیق اثبات ميکند که افزودن بیو مواد قابل تجزیه در طبیعت خواص مورد آزمایش را کاهش نداده است.
مقدمه
اقتصاد نوين نيازمند فرآيند توليدي است براي رسيدن به بالاترين معيارهاي كيفي. اين بخش ميتواند شــامل توليد اكثر قطعات ريختگي باشد كه در صنايع اتومبيل، ســاختمان و فولاد و همچنين صنعت سيمان و انرژي يا ديگر شاخه ها نظير هنر و صنعت ســنگه اي قيمتي به كار میرود.
در اقتصاد كشــور لهستان توليد قطعات ريختگي شاخه صنعتی بســيار مهمي بوده و تاكنون در اين كشور بيــش از 240 كارخانه ريخته گري ثبت شــده با توليدات متنوع، وجود دارد. نکته حائز اهميت اينكه صنعت ريخته گري لهســتان بيش از %50 محصولات خود را به خــارج صادر مينمايد و در صدر منابع صادركنندگان قرار دارد.
بخش اعظمي قطعات ريختگي در قالب هاي يک بار مصرف با مخلوط ماســه و ماهيچه توليد ميشــود، روش قالب گيري با مخلوط ماســه و ماهيچه بايد قطعات ريختگي با خواص مکانيکي مشــخص، دقت ابعادي بالا و صافی سطحي بالا ايجاد نمايد.در صورت برآورده شــدن اين شرط، خواص مکانيکي قطعه ريختگي فقط به نوع آلياژ، و در شرايط دقیق تر به ساختار دانه های آن وابسته ميباشد.
دو خاصيت ديگر، هر دو به كيفيت قالب های ريخته گري و ماهيچه ها بســتگی دارند. ماســه هاي قالب گیری نيز از نظر توليد بايد از صرفه اقتصــادي لازم برخوردار بوده و خطر كمي را متوجه محيط زيســت نمايد. اقتصادي بــودن اين فرآيند نه تنها به دليل قيمت مواد مورد نياز آن مي باشد بلکه به علت راندمان فرآيند قالب گیری، سرعت انجماد، ســهولت ســاخت قالب ها و ماهيچه ها، خواص خوب در تخليه و قابليت استفاده مجدد از ماسه قالب گیری ميباشد.
عوامل بوم شناختي
توســعه بيشــتر تکنولوژي هاي توليــد، بــراي ماســه هاي قالب گیری و ماهيچه سازی توســط قوانين سختگيرانه حفاظت از محيط زيست بسيار محدود شــده است. چنين گرايشاتي تا به حدي در حال رشد مي باشد كه تکنولوژي هايي كه تا چندين دهه در صنعت استفاده شده اجبارا با فرآيندهايي با بوم شناسي بيشتر جايگزين گردد. ماسه های قالب گیری با چسب مايع سيليکات مورد استفاده در تکنولوژي ريخته گری دقيق، مثال خوبي از اين نوع تکنولوژي مي باشــد.
فرآيند هيدروليز سيليکات مورد اســتفاده در اين تکنولوژي با استفاده از حلال هاي آلي انجام پذير ميباشــد و استفاده از اين مواد بايستي در حداقل مقدار ممکن باشد و به همين علت ريخته گري دقيق در حال تغيير به ســمت اســتفاده از چسب هاي سيليکا كلوئيدي بر پايه آب است. مثال ديگر پوشانه ای محافظ قابل احتراق با كاربرد فراوان در صنعت مي باشد.
پوشانه ای محافظ در صنعت به شکل عمده براي مدت زمان طولاني مورد استفاده قرار گرفته است. پوشانه ای كه در گذشته مورد اســتفاده قرار گرفته است عمدتا بر پايه حلال هاي آلي و بيشتر از نوع IPA بوده و آخرين الزامات اتحاديه اروپا خواســتار حذف حلال هاي آلی مورد استفاده در صنعت مي باشد.
پوشانه ای محافظي كه تاكنون مورد استفاده قرار گرفته بعد از پوشــان كاری قالب و ماهيچه ها با آنها آتش زده شــده تا ماده حلال تبخير و يک لايه پوشــش محافظ پايدار بر روي ســطح باقي بماند. همانطوركه ديده میشــود مطابق با تصميمات اتحاديه اروپا حلال های آلی داراي تاثير مخرب بر محيط زيست مي باشد.
بنابراين به دليل محدوديت هاي ناشــي از شرايط زيست محيطي نسل جديد پوشان ها بايد توليد ميگردد. اين موضوع توليدكنندگان پوشان را مجبور مينمايد تا به دنبال محلول هاي جديد بر اساس حلال هاي جديد پايه آبي كه قابل حل در آب ناميده ميشود باشــند، يک نمونه كه محتوي مقدار كمي آب بوده و نيازمند خشک شدن در محفظه هاي گرمايشي نباشد .
از تاريخ اول دســامبر 2010 كه دســتورالعمل پارلمان و شوراي اروپا (EC شــماره 2008/1272) از شانزده دسامبر 2008 در مورد طبقه بندي، برچسب زدن و بســته بندي مواد و مخلوط ها به اجرا گذاشته شــده و رزين های فورفورال كه بيشــتراز %25 حاوي الکل فورفورال مي باشد را جزء مواد سمي طبقه بندي نموده است.
رزين های فورفورال كه حاوي مقدار كمتري از الکل فورفورال آزاد مي باشد به عنوان يک ماده مضر محسوب ميشود. علاوه بر اين، فرآيندهاي تکنولوژيکي كه مواد مضري از گروه BTEX-s به ويژه همراه با هيدروكربن هاي حلقوی چند حلقه اي (PAHs) باشــد را منتشر ميكند بايد محدود شوند. درحالیكه اين دسته
مواد از تکنولوژي هاي حال حاضر كه در ماسه های قالب گيري چسب فورفوريل مورد اســتفاده قرار گرفته منتشر ميشود. اين قضيه ســبب ميگردد ماسه های خودگير داراي چســب فورفورال (كه ماسه های قالب گیری فوران ناميده ميشود) كــه در بازار جهاني ريخته گري، كاربرد غالبی دارد اهميت خود را از دســت دهد، كه اين به دليل ویژگی های مضر تکنولوژيکي است كه پيامد آن نيز كاهش سطح فورفيل الکل آزاد در ماسه های قالب گیری خواهد بود.
روش كلــد باكس كه در صدر توليد انبوه ماهيچه هاي ريخته گري در صنايع ریخته گری اســت مثال ديگري از تحول در يک فرآيند تکنيکي به دليل رعايت الزامات حفاظت محيط زيســت بوده كه، در طول ســاليان متمــادي اين روش تغييرات بســيار زيادي از نظر جنبه های زيست محيطي داشته است.
راه حل اوليه در اين روش با چســب دوجزيی (رزيــن و فعالكننده)، اســتفاده از حلال هاي هيدروكربن هاي حلقوی (مولکول شکســته -BTX بنزن، تولوئن، زيلين، مقدار بــالاي الکيل بنزن ها) (رزين و فعال كننده) با نقطــه جوش بالا كه دارای درجه سمی بودن بالايی هستند. در هر صورت چنين تکنولوژي، استحکام بسيار بالايي را براي ماسه های قالب گیری به همراه دارد و آنها را كانديدا مينمايد تا براي توليد پيچيده ترين ماهيچه ها مورد استفاده قرار گيرند.
در نسل بعدي تکنولوژي ها مولکول هاي شکســته BTX توسط استرهاي متيل اســيدهاي چرب جايگزين ميگردد كه مقدار گاز به وجود آمده حين فرآيندهاي ســخت شــدن و بارريزی را كاهش ميدهد. رزين هايــي كه در حال حاضر به شــکل عمده در فرآينــد كلد باكس مورد استفاده قرار ميگيرد حاوي حلال هاي استر و استرهاي سيليکاتي در تركيباتشان مي باشــد.
در اين محلول ها، حلال های استرو الکيل ارتوسيليکات با نقطه جوش بالا و درجه سمي بودن پايين (تركيبات آنها در دسته مواد مضر، سرطانزا يــا جهش زا قرار ندارد) وجــود دارند. اين موارد و ديگر خواص شــيمي فيزيکي استرهاي سيليکات به طور عمدهاي انتشار گازهاي مضر و به شکل موثر بوهای ناخوشايند را كاهش ميدهد.
به هر صورت، به دليل قيمت بالا، رزين هاي داراي اين اجزا، فقط توســط تعدادي از شركت ها و شــركت هاي ریخته گری بزرگ و عمدتا خودروسازان اتومبيل استفاده ميشود. در حال حاضر هنوز مشکل اساسي كاربرد نســل جديد حلال ها، كاهش چشمگير اســتحکام ماسه های قالب گیری ميباشد.
چنين گرايشاتي همچنين قابل تعميم در روش كلاسيک قالب گیری ماسه اي داراي بنتونيت كه تاكنون كاملا ســازگار با محيطزيست محسوب شده، مي باشد. اين قضيه به دليل اســتفاده گسترده از افزودني گرد زغال سنگ در اين ماسه های قالب گیری اســت كه منجر به تشکيل كربن میشــود.
با در نظر گرفتن انتشار بــالاي بنزو- پيرن (PAHs) در اثر پودر زغال ســنگ كه يکي از عوامل احتمال خطرزای اصلی در كارخانجات ریخته گری مي باشد. جهت كاهش انتشار اين مواد مضر در محيط زيســت تکنولوژی های متفاوت قالب گیری ماسهاي با استفاده از بنتونيت به كار میرود.
اين مورد با وارد نمودن جايگزين گرد زغال سنگ كه داراي انتشار كمتري است و قابل استفاده در تکنولوژي اكسيداسيون پيشرفته مواد مضر منتشره اســت با نام فرآيند پيشرفته اكسيداسيون AOP همچنين شناخته شده به عنوان آب ســياه يا با وارد نمودن مواد افزودني كه اساســا تركيبات مضر در ماسه قالب گیری را خنثي ميكند حاصل ميگردد.
تکنولوژی هایي كه از چســب های سنتي نظير رزين هاي مصنوعي استفاده ميكنند محدود خواهند شد و كاربرد مواد غير آلي شامل چسب هاي سيليکاتي اهميت بيشتري خواهند يافت. تاثير كم آنها بر محيط زيســت، در هر صورت با مشــکلات تکنولوژيکي نظير خواص تخليه قالب يا قابليت پايين در بازيابی ماســه در هم آميخته ميشود. در حال حاضر ديگر راه حل هاي مورد توجه، ميتواند ماسه های داراي اتصال از نوع ژئو پليمرها، بيوپليمرها، فسفات ها يا نمک ها باشد.
ماسه های قالبگیري داراي چسب هاي آلي بر پایه بیوپلیمرها
يک راه حل قابل توجه ميتواند جايگزيني جزيي در تركيب چسب هاي رزيني با پايه نفت با بيوپليمرها باشد. هر چند كه تمام انواع رزين هاي مصنوعي ممکن است شکســته و در طبيعت تخليه شوند ولی، در بيشتر مواقع چنين فرآيندهايي ميتواند ده ها يا صدها ســال طول بکشد. همانطور كه پروفســور Scott گفته است. يکي از راه حل هاي ممکن براي اين مشکل، جايگزيني رزين مصنوعي و مرسوم با بيو اكسی پليمرهاي قابل تجزيه در طبيعت با زمان تجزيه كوتاه مدت ميباشد.
تجزيــه در طبيعت اين پليمرها در اثر فرآيند اكسيداســيون، نتيجه احتمالي افزودني هاي خاص در آنها ميباشــد. وارد شــدن افزودني ها در فرآيند توليد در زمان مناسب سبب جدايش بين اتم هاي كربن و در نتيجه كاهش وزن مولکولي پليمر ميگردد.
اين قضيه موجب دسترسي ميکروارگانيسم ها به كربن و هيدروژن و در نتيجــه مواد قابل تجزيه در طبيعت، در اثر عمل باكتري ها و قارچ ها به آب، دي اكســيد كربن و توده زنده تبديل ميگردد. ايــن امکان نيز وجود دارد كه با اســتفاده از مــواد قابل تجزيه در طبيعت، به عنوان مــواد افزودني به مواد با پايه نفت ســبب تجزيه آنها در طبيعت شود.
بنابراين مواد افزودني ميتواند خواص ماسه های قالب گیری با رزين داراي پايه نفتي و قابل تبديل به محصولات قابل تجزيه در طبيعت را بهبود بخشــد. بعضي از مواد قابل تجزيه در طبيعت (براي مثال) PCL به عنوان عامل ايجاد خواص پلاستيک براي تعدادي از مواد پليمري كه انعطاف پذيري كافي ندارند مورد اســتفاده قرار ميگيرد .
مشــکل انعطاف پذيري پايين قالب ها و ماهيچه هاي تهيه شده در تکنولوژی های مختلف ماسه های قالب گیری از نقطه نظر عملي بســيار مهم است و موضوع تحقيق بعدي نويسندگان مي باشد.مزاياي بيو مواد قابل تجزيه در طبيعت (PCL) نويســندگان مقاله را ترغيب نموده تا از اين ماده اكولوژيک به عنوان ماده افزودني در نمونه ماسه قالب گیری مصرفي مورد استفاده گردد.
اولين مرحله تحقيق انجام آزمايش ترموگرويمتري ميباشد. نمونه آزمايشي تحت آناليز حرارتي با اســتفاده از دريواتوگراف دستي توليد s.c Jota قرار گرفت. اندازه گيري تحت شــرايط محدوده دمايي، °C 1000-20 و ســرعت گرمايش min / °C 10 انجام شد.
شــکل 1 منحنــي ترموگرويمتري رزين فورفوريل و بيو مــواد قابل تجزيه در طبيعت -PCL پلي كاپرولاكتون را نشــان ميدهــد. فرآيند تخريب حرارتي رزين فورفوريل در نزديکي دماي 120°C آغاز ميگردد. اين فرآيند با ســرعت، نزديک دماي 200°C ادامه پيدا ميكند و ســپس با ســرعت نزولي تا محدوده دماي 760°C خاتمه مييابد.
تجزيه حرارتي آن نيز بســيار با شدت مي باشد اما در نزديکي 370°C شروع ميشــود و در 450°C تمام ميشود. بنابراين كاهش وزن نمونه بسيار ديرتر از رزين هاي با پايه نفتي آغاز ميشود و سريعتر است. در مرحله بعدي تحقيق، براي ماسه های قالب گیری با اين نوع چسب و با تركيب مشابه براي آزمايش ترموگرويمتري تغيير شکل بر حسب گرما ماسه قالب گیری در زمان ريختن با تعيين عامل اعوجاج در دماي بالا مورد مطالعه قرار ميگيرد.
تشــريح جزييات اين روش در كتاب هايي كه اخيرا چاپ شده وجود دارد. تغيير شکل گرمايي ماسه قالب گیری با رزين فورفوريل داراي روند خاصي است كه با تغيير فرم پيوسته و شديد و شکست قالب در زمانيكه دما از 400°C تجاوز ميكند همراه ميباشــد.
در هر صورت رفتار تغيير فرم ماسه قالب گیری با بيوپليمر PCL اساســا متفاوت ميباشــد. حتي در دماهاي پايين (تقريبا 70°C) ماســه قالب گیری وارد يک حالت معين از پلاستيسيته مي شود. اين ويژگي ماسه قالب گیری، ميتواند به طور موثر انبســاط حرارتي سطح ماهيچه را جبران نمايد.
عليرغم استحکام پايين تر، اين مخلوط قالب گیری ميتواند به طور موثر تشکيل عيوب حاصل از انبساط حرارتي زمينه كوارتز را كاهش داده، خواص تخليه قالب را بهبود بخشده و انتشار گازهاي مضر را كاهش دهد.
مرحله بعدي آزمايشات، شامل تحقيق در زمينه تکنولوژي ماسه قالب گیری با رزين فورفوريل و ماسه قالب گیری كه قسمتي از رزين فورفوريل با نسبت هاي مختلف ماده قابل تجزيه در طبيعت PCL جايگزين شــده ميباشد. اين مطالعات بر اســتحکام خمشي برحسب زمان سفت شدن تمركز دارد. نمونه اي از قياس ها در شکل 3 آمده است.
همانطور كه مشــاهده ميكنيد افزودن %5-15 وزني ماده قابل تجزيه در طبيعت PCL لطمه اي به اســتحکام نميزند و حتــي با وارد كردن %10 به طور چشمگيري افزايش مي يابد. فقط با وارد كردن %15 وزني استحکام كمتري نسبت به ماسه قالب گیری بدون افزودن PCL مشاهده ميشود.
نتیجه گیری:
توضيحاتــي كه در اين مقاله عنوان گرديد كليه شــرايط و فرآيند ماســه و ماهيچــه قالب گیری را پوشــش نميدهد. و تنها به منظور اعــلام وجود نياز و موقعيت هــاي فراوان تر تحقيقاتي در اين زمينه مي باشــد. نتايــج حاصله تاكيد مينمايد، يکي از راه حل هاي ممکن ميتواند اســتفاده از بيو مواد قابل تجزيه در طبيعت به عنوان ماده افزودني به رزين هاي قالب گیری با پايه نفتي باشد.
منابع:
منبع خارجی: Archives of Foundry Engineering Vol.15.2015
منبع فارسی: ابان ماه 1395- مجله صنعت ریخته گری
ترجمه: فرشاد رحیمی فراهانی
