Стеклянное волокно. Состав, свойства, способы получения, применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Реферат

По предмету: «Биомедицинское материаловедение»

На тему: «Стеклянное волокно. Состав, свойства, способы получения, применение»

Выполнила студентка гр. 90-302Б

Смирнова Е.Н.

Проверила: препод. Помогайло Д.А.

Москва, 2015 год

Оглавление

Введение

1. Типы стеклянных волокон

2. Химический состав

2.1 Стекло Е

2.2 Особенности получения

2.3 Свойства

3. Химический состав

3.1 Стекло S

3.2 Особенности получения

3.3 Свойства

4. Химический состав

4.1 Стекло AR

4.2 Особенности получения

4.3 Свойства

5. Химический состав

5.1 Стекло ECR

5.2 Особенности получения

5.3 Свойства

6. Стекло D

6.1 Химический состав

6.2 Свойства

6.3 Особенности получения

7. Кварцевое стекло

7.1 Свойства

8. Технология получения стеклянного волокна

9. Стекловаренная печь

10. Применение стекловолокна

Список литературы

Введение

Первые теоретические разработки советских ученых по структуре стекла были начаты в начале 1920-х годов с работ А.А. Лебедева, а изучение стекловаты началось в конце 1930-х годов.

Первые десятилетия штапельное стекловолокно производили только по штабиковому способу. В конце 30-х на заводе в Биллимбаево начали производство минеральной ваты, которую изготавливали под давлением 10-12 атмосфер при нагреве 250-280 °С. На Зестафонском заводе в Тбилиси вату производили путём распыления струи сжатого воздуха в 6-8 атмосфер. В это время в СССР рассматривали применение стеклоткани в качестве оболочек для дирижаблей.

В 1937 году в Государственном институте стекла была лаборатория по работе со стекловолокном и молодые учёные Асланова, Иоффе и Черняк занялись исследованиями этого материала. В 1941 году был разработан новый состав стекла, а также и новое производственное оборудование для его получения. За счёт этого в скором времени в Гусь-Хрустальном открыли первый завод по производству стекловолокна.

В 1946 году стекловолокнистые материалы уже широко применялись в авиационной, оборонной и электротехнической промышленности. 12 июня 1946 на базе лаборатории был организован институт стекловолокна ("Всесоюзный научно-исследовательский институт стеклянного волокна" - ВНИИСВ). Институт занимался разработками в области формирования и переработки типовых технологических процессов, а также разработками оборудования для изготовления армирующих материалов из стеклопластиков, технологий получения новых видов стекловолокна и материалов на его основе.

За рубежом производство супертонкого волокна (меньше 1 микрона) было начато уже во второй период второй мировой войны, тогда как в СССР подобные разработки получили старт только в 50-х годах. В 1952 году начались работы по получению волокон из базальта. Помимо этого использовался вулканический дальневосточный пепел, а также вулканические продукты с Кавказа и Крыма.

Впоследствии на базе института были созданы производства кварцевых волокон, волоконной оптики, медьсодержащих лент и нетканых стекловолокнитов в промышленном масштабе.

1. Типы стеклянных волокон

Все стеклянные волокна условно можно разделить на два больших класса: дешевые волокна общего применения и дорогостоящие волокна специального применения. Почти 90 % всех стеклянных волокон, которые выпускаются сегодня в мире это стекловолокно марки Е. Подробно требования к таким волокнам изложены, например, в стандарте ASTM D578-98. Остальные 10% процентов - это волокна специального назначения. Большинство марок стекловолокна получили свое название благодаря своим специфическим свойствам:

? Е (electrical) - низкой электрической проводимости;

? S (strength) - высокой прочности;

? C (chemical) - высокой химической стойкости;

? M (modulus) - высокой упругости;

? А (alkali) -высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло;

? D (dielectric) - низкая диэлектрическая проницаемость;

? AR (alkali resistant) - высокая щелочестойкость.

В таблице 1 и 2 представлены химический состав различных марок стекол для производства стекловолокна и их физико-химические и механические свойства.

Для электрической изоляции применяется только бесщелочное (или малощелочное) алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для конструкционных стеклопластиков, как правило, используют бесщелочное магнийалюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для стеклопластиков неответственного назначения можно употреблять и щелочесодержащее стекловолокно.

Механические характеристики стекловолокон напрямую зависят от метода производства, химического состава стекла, температуры и окружающей среды. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон.

Таблица 1. Химический состав некоторых стекол для получения непрерывного волокна

Тип волокна	Состав, масс. %
	SiO2	B2O3	Al2O3	CaO	MgO	ZnO	TiO2	ZrO2	Na2O	K2O	Li2O	Fe2O3	F2
Е (с бором)	52-56	4-6	12-15	21-23	0,4-4	-	-	0,2-0,5	0-1	0-0,2	-	0,2-0,5	0,2-0,7
Е (без бора)	59-60	-	12-13	22-23	3-4	-	-	0,5-1,5	0,6-0,9	0-0,2	-	0,2	0,1
S	60-65,5	-	23-35	0-9	6-11	-	-	0-1	0-0,1	-	-	0-0,1	-
AR	58,3-60,6	-	0,2	-	-	-	0-2,8	18,1-21,2	13,0-14,1	0-2,8	-	-	-
ECR	58,2	-	11,6	21,7	2	2,9	2,5	-	1	0,2	-	0,1	-
D	72-75	21-24	0-1	0-1	0,5-0,6	-	-	-	0-4	0-4	-	0,3	-
Кварц	99,5-99,9	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Базальт	47,5-55,0	-	14,0-20,0	7,0-11,0	3,0-8,5	-	0,3-2	-	2,5-7,5	2,5-7,5	-	7,0-13,5	-

Таблица 2. Физико-механические свойства некоторых марок стеклянного волокна

Свойство	Тип волокна
	Е (с бором)	Е (без бора)	S	AR	ECR 1213-1235 880 1159-1166 2,66-2,68 5,9 3,56-3,62 3100-3500 80-81 4,5-4,9	D	Кварц	Базальт
Температура формования, °С	1160-1196	1260	1565	1260-1300			2300	1350 - 1450
Температура размягчения, °С	830-860	916	1056			770		1100 - 1200
Температура плавления, °С	1066-1077	1200	1500	1180 -1200			1670	1200 - 1300
Плотность, г/см3	2,54-2,55	2,62	2,48-2,49	2,6-2,7		2,16	2,15	2,67
Коэффициент линейного расширения, 10-6 С-1	4,9-6	6	2,9	7,5		3,1	0,54	-
Диэлектрическая постоянная (20 С, 1 МГц), Ф/м	5,86-6,6	7	4,53-4,6				3,78	-
Прочность, МПа	3100-3500	3100-3500	4380-4590	3100-3500		2410	3400	2700 - 3500
Модуль упругости, ГПа	76-78	80-81	88-91	72-74		52	69	70-90
Удлинение до разрыва, %	4,5-4,9	4,6	4,5-4,9	2-2,4			5	3

2. Химический состав

2.1 Стекло Е

На сегодняшний день в мире выпускается 2 типа стекловолокна марки Е. В большинстве случаев Е-стекло содержит 5-6 масс. % оксида бора. Современные экологические нормы в США и Европе запрещают выброс бора в атмосферу. В то же время известно, что в процессе стеклообразования, а также в последующих процессах стекловарения происходит обеднение стекломассы некоторыми компонентами за счет их улетучивания. Из компонентов шихты наибольшей летучестью обладают борная кислота и ее соли, оксид свинца, оксид сурьмы, селен и некоторые его соединения, а также хлориды. Летучесть, рассчитанная на 1% содержания оксида в обычных стеклах, составляет для отдельных оксидов в масс. %: Na2O (из Na2CO3) - 0.03, К2О (из K2CO3) - 0.12, В2О3 - 0.15, ZnO - 0.04, РbО - 0.14, CaF2 - до 0.5. Таким образом, современные предприятия вынуждены устанавливать у себя дорогие системы фильтрации.

В качестве альтернативы возможно получение Е-стекол, не содержащих бора. Такие продукты уже существуют на рынке, например волокно Advantex (Owens Corning Corp.). В России такие стекла под марками Т-273А и Кт разработал НПО СТЕКЛОПЛАСТИК. Стекловолокно Е, не содержащее бора, получают на основе системы SiO2-Al2O3-CaO-MgO.

Коммерческое стекловолокно марки Е получают на основе системы SiO2-Al2O3-CaO-MgO-B2O3 или системы SiO2-Al2O3-CaO-B2O3. Продукты, полученные на основе последней системы, как правило, все-таки содержат небольшое количество оксида магния (до 0,6 масс.%), что связано с особенностями сырья, которое использую для получения стекол.

Важно отметить, что точный состав стекловолокна Е может отличаться друг от друга не только для разных производителей, но даже и для разных заводов одной компании. Это обусловлено прежде всего географическим расположением предприятия и, как следствие, доступностью сырья. Кроме того на разных предприятиях осуществляется разный контроль за технологическим процессом и методы его оптимизации.

Состав борсодержащего стекловолокна и стекловолокна без оксида бора значительно отличается друг от друга. Содержание оксида кремния в борсодержащих стеклах марки Е составляет 52-56 %. Для стекловолокна без оксида бора содержание оксида кремния несколько выше и лежит в интервале 59-61 %. Содержание оксида алюминия для обоих типов стекла Е близко и составляет 12-15 %. Содержание оксида кальция также отличается незначительно - 21-23 %. Содержание оксида магния в стекле варьируется в широких пределах. Для стекол, полученных на основе тройных систем, оно составляет менее 1%, и является следствием неоднородности сырья. В случае если в состав шихты входит доломит содержание оксида магния может достигать 3,5 %.

Отличительной особенностью Е-стекол, не содержащих бор, является повышенное содержание в них оксида титана - от 0,5 до 1,5 %, в то время как в классическом Е стекле его содержание находится в пределах 0,4-0,6 %.

2.2 Особенности получения

Температура получения волокон из борсодержащего Е-стекла составляет 1140-1185 °С. Температура плавления составляет 1050-1064 °С. Таким образом, температура получения волокон на основе Е-стекла лежит на 80-90 °С выше температуры плавления. В отличие от своего экологически чистого аналога борсодержащие волокна из Е-стекла имеют более низкую на 110 °С температуру получения, которая составляет 1250-1264 °С, а температуру плавления 1146-1180 °С.

Температуры размягчения для волокон на основе борсодержащих Е-стекол и Е-стекол без оксида бора составляют 830-860 °С и около 916 °С соответственно. Более высокая температура получения экологически чистых стеклянных волокон на основе Е-стекла приводит к росту потребления энергоресурсов для их получения, и, как следствие, увеличению стоимости.

2.3 Свойства

Механические свойства обоих видов волокон на основе Е-стекла почти одинаковы. Прочность на разрыв составляет 3100-3800 МПа. Однако модуль упругости у волокон без оксида бора несколько выше (80-81 ГПа), чем у обычных волокон (76-78 ГПа). Основным отличием стекловолокна марки Е без бора является более чем в 7 раз большая кислотостойкость (выдержка при комнатной температуре в течение 24 часов в 10% растворе серной кислоты). По своей кислотостойкости эти волокна приближаются к химически стойким волокнам на основе ECR стекла.

Плотность борсодержащих стеклянных волокон несколько ниже (2,55 г/см3) по сравнению со своим экологически чистым аналогом (2,62 г/см3). Плотность Е-стекла выше, чем у стекол других типов (за исключением ECR стекла).

С увеличением содержания бора в таких стеклах уменьшается коэффициент преломления и коэффициент линейного расширения. Не содержащие бор Е-стекла имеют более высокую диэлектрическую постоянную, которая при комнатной температуре и частоте 1 МГц составляет 7. Поэтому борсодержащие волокна чаще используют при производстве электронных плат и в аэрокосмической промышленности. В широком производстве композитов эта разница не имеет такого критического значения.

3. Химический состав

3.1 Стекло S

Впервые химический состав стекла под маркой S-glass был запатентован компанией Owens Corning в 1968 (патент 3402055). В состав этого стекла входило 55-79,9 % SiO2, 12,6-32 % Al2O3, 4-20 % MgO. Создание стекловолокна марки S было вызвано бурным развитием композиционных материалов в США в то время и, как следствие, необходимостью созданию стекловолокна с высокими прочностью и модулем упругости. В настоящее время стекло под этой маркой получают на основе систем SiO2-Al2O3-MgO или SiO2-A2O3-MgO-CaO. В исключительных случаях в S-стекло добавляют BeO2, TiO2, ZrO2.

Интересно отметить, что сейчас достаточно много наименований стекловолокон получают на основе указанных систем. Например, компания Sinoma выпускает стекловолокно под маркой HS4 (55-60 % SiO2, 24-27 % Al2O3, 11-16 % MgO), компанией Nittobo под маркой T-glass (64-66 % SiO2, 24-26 % Al2O3, 9-11 % MgO), S-2 glass компании Aiken (65 % SiO2, 25 % Al2O3, 10 % MgO). В СССР в НПО СТЕКЛОПЛАСТИК были разработаны составы стекол под маркой ВМП, содержащих 57-73 % SiO2. Несмотря на такое разнообразие торговых марок всех их можно объединить термином S-стекло.

3.2 Особенности получения

Благодаря высокому содержанию тугоплавких оксидов S-стекло имеет очень высокую температуру размягчения 1015-1050 °С. Соответственно высокими являются и температура получения волокон - около 1200 °С, что сопоставимо со стекловолокном марки AR.

3.3 Свойства

Стекловолокно марки S обладает рекордными значениями прочности и модуля упругости для данного класса материалов. Лучшая продукция из S-стекла ничем не уступает по своему качеству углеродному волокну и также как и последнее применяется в основном в аэрокосмической области. Прочность волокон при комнатной температуре составляет 4500-4800 МПа, модуль упругости - 86-87 ГПа, прочность лучших образцов волокна марки ВМП- до 7000 МПа.

стеклянный волокно химический кварцевый

4. Химический состав

4.1 Стекло AR

В начале 70-х годов английская фирма «Pilkington Brothers» разработала и стала выпускать в промышленных масштабах высокоциркониевое стеклянное волокно Cemfil для армирования цемента. Впоследствии эта марка перешла компании Saint-gobain, в настоящее время основным производителем стекловолокна на основе стекла AR является компания Owens Coning.

Второе место занимает японская компания Nippon electric glass. Щелочестойкие стекла выпускают на основе системы ZrO2-SiO2-Na2O. Содержание дорогого оксида циркония в них варьируется в пределах 15-23 %. Поскольку температура плавления чистого оксида циркония достаточно высока (2715 С), в стекло добавляют значительное количество щелочных металлов, чаще всего Na2O 18-21 %.

4.2 Особенности получения

Тугоплавкие составы значительно усложняют технологию производства волокна, кроме того, цирконийсодержащее сырье дефицитно и дорого для изготовления массовой продукции. Поэтому вопрос совершенствования составов стекол для армирования цемента продолжает оставаться актуальным. Температура получения волокон из AR-стекла составляет 1280-1320 °С, температура плавления - 1180-1200 °С.

4.3 Свойства

Прочность на разрыв волокон на основе AR-стекла довольно низка и составляет около 1500-1700 МПа. Модуль упругости 72-74 ГПа. Такие волокна самые тяжелые среди всех видов стекловолокна, их плотность составляет около 2,7 г/см3.

Поскольку основной областью применения волокон на основе AR-стекла является армирование цементов и бетонов, то основной характеристикой таких волокон является их устойчивость в щелочной среде. Потеря массы после кипячения в насыщенном растворе NaOH для волокон на основе AR-стекла составляет 2-3 %. Для сравнения эта же характеристика для базальтовых волокон составляет 6-7 %.

5. Химический состав

5.1 Стекло ECR

Впервые стекловолокно под маркой ECR-glass (в некоторых источниках оно указано как химически стойкое Е-стекло) стали выпускать в 1974 г. Это стекло имеет в своем составе до 3 % TiO2 и до 3 % ZnO. Совершенно некорректно называть это стекло разновидностью Е- стекла, поскольку, согласно требованиям международных стандартов, Е-стекло вообще не должно содержать оксида циркония, и к тому же содержание TiO2 в ECR стеклах превышает положенные 1,5 %. Стекловолокно на основе ECR стекла не содержит в своем составе оксида бора, что положительно сказывается на экологичности производства. Зачастую в состав стекловолокна ECR вводят до 3 % Li2O.

5.2 Особенности получения

Оксид титана является плавнем, его значительное содержание приводит к заметному уменьшению вязкости стекла и, как следствие, температуры получения волокон. Оксид циркония положительно влияет на химическую стойкость стекла.

Температура формования волокон на основе ECR стекла составляет около 1218 °С, что меньше, чем у стекловолокна на основе Е-стекла. В то же время для стекол с высоким содержанием оксида лития температура получения волокон выше, чем у стекловолокна Е и составляет около 1235 °С. Фактически это означает, что оксид цинка является более эффективным плавнем, чем оксид бора, к тому же более экологичен и придает дополнительно полезные свойства стекловолокну.

5.3 Свойства

Стекловолокно ECR было разработано специально для использования в агрессивных средах, например устойчивость в кислых средах в 4-5 раз выше. При этом прочность этих волокон остается на уровне стекловолокна Е и составляет порядка 2800-3000 МПа, модуль упругости около 80-83 ГПа. Несмотря на то, что плавление и выработка волокна из ECR проводят при более низких температурах его стоимость превышает стоимость стекловолокна Е из-за наличия дорогих компонентов.

6. Стекло D

В настоящее время волокна из D-стекла являются больше экзотикой, чем реальным продуктом на рынке стекловолокна, поскольку многие производители плат предпочитают использовать вместо них альтернативные виды стекловолокна. Например, сверхчистые кварцевые волокна, полые волокна из Е-стекла также обладают более низкими диэлектрическими характеристиками, чем широко распространенное стекловолокно Е. Однако, у кварцевых волокон меньше модуль упругости, что важно при изготовлении печатных плат, а полые волокна теряют свои диэлектрические свойства в условиях высокой влажности.

6.1 Химический состав

Зачастую в электронной промышленности требуются материалы с очень низкими показателями диэлектрической проницаемости. Электрические свойства волокон определяются такими свойствами как удельное объемное сопротивление, поверхностная проводимость, диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлектрических потерь.

В большинстве случаев при производстве плат в качестве армирующего наполнителя используют Е-стекло, однако уменьшение размеров печатных плат предъявляет повышенные требования к стекловолокну. Для решения этой проблемы было разработаны составы стекол марки D. Такие стекла и волокна получают на основе системы SiO2-B2O3-R2O. Содержание в стеклах с низкими диэлектрическими характеристиками оксида кремния достигает 74-75 %, оксида бора - до 20-26 %. Для уменьшения температуры выработки в эту систему добавляют оксиды щелочных металлов (до 3%). Иногда оксид кремния частично замещают на оксид алюминия (до 15 %).

6.2 Свойства

Высокое содержание оксида бора приводит к значительному снижению в D-стеклах диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь по сравнению с Е- стеклом.

6.3 Особенности получения

Из-за высокой стоимости волокна из D-стекла в настоящее время получают только мелкосерийными партиями. Кроме того, высокое содержание в них оксида бора делает их процесс изготовления очень трудным, что связано с высокой летучестью этого компонента в процессе плавления шихты. Температура размягчения D-стекол составляет 770 °С.

7. Кварцевое стекло

Кварцевые волокна используют в тех случаях, когда требуется значительная термическая стойкость. Кварцевые волокна с содержанием SiO2 менее 95 % (как правило их называют кремнеземные волокна) получают путем путем кислотной обработки волокна алюмоборосиликатного состава, широко применяемого для изготовления бесщелочного волокна, и из силиката натрия с различными добавками. Кремнеземные волокна, полученные выщелачиванием волокон из горных пород, не уступают кремнеземным волокнам, выпускаемым промышленностью. Температура применения кремнеземных волокон 1200 °С.

Сверхчистые кварцевые волокна (содержание SiO2 более 99 %) получают методом сухого формования из водного раствора жидкого стекла. Такие волокна выпускаются под торговой маркой Silfa и используются для теплозащиты. В СССР кварцевые волокна получали по штабиковому способу: вытягиванием нити из капли разогретого конца штабика или путем раздува образующейся капли ацителено-кислородным или кислородно- водородным пламенем. Производство кварцевого волокна может также осуществляться в два приема: получение волокон диаметром 100-200 мк, а затем их раздув потоком раскаленных газов. Волокна собираются на конвейере и формуются либо в виде матов, либо в виде ровницы. Температура плавления таких волокон 1750 °С. При Т = 1450-1500 °С происходит спекание (деформация в твердой фазе), но без размягчения. В условиях длительной эксплуатации и теплосмен, изделия из кварцевого волокна являются стойкими до Т = 1200 °С, выше которой у них снижается прочность вследствие кристаллизации.. В настоящее время такие волокна выпускаются под маркой quartztel и astroquartz.

7.1 Свойства

Сверхчистые кварцевые волокна в основном применяются в аэрокосмической промышленности в тех областях, где требуется высокая термостойкость. Сочетая высокую термическую стойкость, прочность и радиопрозрачность для ультрафиолетового излучения и излучения с большей длиной волны такие волокна используют для производства обтекателей самолетов.

8. Технология получения стеклянного волокна

Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов.

Цикл технологии стекломассы включает операции:

* подготовки сырых материалов;

* смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

* варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

* доведения стекломассы до температуры (и вязкости);

* формования изделий;

* постеленного охлаждения изделий с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;

* термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

Сырые - кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и зерновым составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка примерно 0,2-0,5 мм.

Окись алюминия, применяемая в производстве промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия.

Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой.

Окись калия вводится в виде солей; применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол.

Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол.

Окись кальция вводится преимущественно в виде мела.

Окись бария используется при производстве оптических стекол и хрусталя.

Окись цинка применяется в производство оптических, химико-лабораторных стекол.

В стекловарении используются материалы, содержащие одновременно горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

К вспомогательным сырым материалам относятся осветлители. В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, и др. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями.

В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др.

Белые, мало прозрачные стекла молочные (наиболее заглушенные), опаловые применяются различные фосфаты, соединения сурьмы, олова и др.

Стекловарение ведётся при температурах 1400°-1600°. В нём различают три стадии.

Первая стадия - варка, когда происходит химическое взаимодействие и образование вязкой массы. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Автоматически регулируются: давление, соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры.

Другой способ варки этого стекла- сплавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°.

Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900°-2000° индукционными токами высокой частоты, либо прямым пропусканием электрического тока. В конце варки в печь впускают воздух под давлением.

Вторая стадия - осветление, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре.

Третья стадия - охлаждение стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия.

Формование стеклянных изделий. Метод прессования служат ручных и машинных прессов пружинные формы или эксцентриковые прессы.

Метод выдувание-специфический метод формования. При производстве немассовых изделий до сих пор применяется ручной способ выдувания. Основным инструментом рабочего выдувальщика является стеклодувная трубка. В течение долгой истории стеклоделия выдувание производилось ртом, ныне сконструированы и применяются «трубки-самодувки».

Методом непрерывной прокатки изготовляется листовое стекло, медод заключается в том, что струя стекломассы непрерывно поступает из печи в пространство между вращающимися вальцами, где и прокатывается в ленту, изготовляется листовое стекло, различных видов.

Отливка стеклянных изделий в формы встречается на практике редко; так изготовляются, например, крупные диски для астрономических приборов.

Способ центробежного литья метод по отливке фасонных труб с раструбами и фланцами в быстро вращающиеся формы.

Моллирование- способ образования изделий в формах, при подаче в них стекла в виде твёрдых кусков из оптического стекла и получаем крупную стеклянную скульптуру.

Отжиг отформованных, еще горячих изделий служит для предотвращения возникновения в них внутренних неравномерных напряжении.

Закалка стекла- операция, обратная отжигу. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны. В результате закалки получается небьющееся стекло, применяемое для остекления окон вагонов, самолётов. Чтобы закалить стекло, его разогревают до 600°-650°, затем быстро остужают.

Горячая обработка стекла включает отколку, отопку, огневую полировку и другие операции. К холодной обработке стекла относятся его резка, сверление, шлифовка и полировка. Старинным способом украшения посуды является живопись по стеклу. Серебрение, а также алюминирование широко применяются в производстве зеркал.



Рис. 5. Схема установки для получения непрерывного стеклянного волокна

9. Стекловаренная печь

Ванная печь непрерывного действия. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком. Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя загрузочными карманами, расположенными по ее боковым сторонам. Варочный бассейн печи отапливается газообразным или жидким топливом. Для отопления газообразным топливом варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части. Удаление дымовых газов из стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, трубой и дымососом. Стекловаренная печь проточная. Производительность печи-70 тонн в сутки.

10. Применение стекловолокна

Стеклянные волокна служат конструкционными, электро-, звуко- и теплоизоляционными материалами. Их используют в производстве фильтровальных материалов, стеклопластиков, стеклянной бумаги и др. Как правило, А-стекло перерабатывают в штапельные волокна и используют в виде матов и плит для звуко- и теплоизоляции. Стекловолокнистые материалы благодаря высокой пористости имеют малый коэффициент теплопроводности [0,03-0,036 Вт/(м·К)]. Ткани из С-стекла применяют в хим. промышленности для фильтрации кислотных и щелочных р-ров, для очистки воздуха и горячих газов. Срок службы фильтров из стеклянного волокна значительно выше, чем фильтров из обычных текстильных материалов. Ткани из стекла А и E используют в производстве стеклотекстолитов.

Из высокопрочных волокон S-стекла получают композиты для самолето- и аппаратостроения. Кварцевые волокна являются высокотемпературными диэлектриками и жаростойкими материалами.

Для защиты от действия рентгеновского и радиоактивного излучения используют т. наз. многосвинцовые и многоборные стеклянные волокна. Оптические (светопрозрачные) стеклянные волокна применяются в производстве световодов и стекловолокнистых кабелей.

Список литературы

1. Brian S. Mitchell An introduction to materials engineering and science for chemical and materials engineers. Wiley-IEEE. 2004. 954 p.

2. Wallenberger F. T., Bingham P. A. Fiberglass and Glass Technology: Energy-Friendly Compositions and Applications. Springer. 2009. 474 p.

3. Jawitz M. W., Jawitz M. J. Materials for rigid and flexible printed wiring boards. CRC Press. 2006. 169 p.

4. Джигирис Д.Д., Махова М.Ф. Основы производства базальтовых изделий. М.: Теплоэнергетика. 2002. 412 с.

5. Аппен А.А. Химия стекла. М.: Мир. 1985. 300 с.

6. Черняк М.Г. Непрерывное стеклянное волокно. Основы технологии и свойства. М.: Химия. 1965. 320 с.

7. Зак А.Ф. Физико-химические свойства стеклянного волокна. М.: Ростехиздат. 1962. 224 c.

8. Асланова М.С., Колесов Ю.И., Хазанов В.Е., Ходаковский М.Д., Шейко В.Е. Стеклянные волокна. М.: Химия. 1979. 256 с.

9. Новицкий А.Г. Базальтовое сырьё. Технология выбора для производства волокон различного назначения. // Хімічна промисловість України. 2003. №2 с.47-52

10. Минерально-сырьевая база горных пород Украины для производства волокон. / Под. общ ред. к.т.н. М.Ф. Маховой. ВНИИТИЭПСМ аналитический обзор. Сер. 6. Вып. 2. 1992. С. 79-80.

11. Пащенко А.А., Сербин В.П., Паславская А.П. Армирование вяжущих веществ минеральными волокнами. М.: Стройиздат, 1988. 197 с.

Размещено на Allbest.ru

...