4.5. Волокнистые материалы

Материалы, состоящие из волокон или содержащие волок­на, могут иметь объемную плотность значительно более низ­кую, чем плотность массивного материала. Это свойство волокнистых материалов используют для сверхтеплоизоля­ционных огнеупоров. Применение таких материалов в тех­нике не только способствует уменьшению потерь тепла, но и эффективно решает задачу снижения материалоемкости.

Волокнистые материалы подразделяются по длине во­локна на длинноволокнистые с непрерывным волокном и штапельные с коротким волокном. По кристаллическому состоянию волокнистые материалы подразделяются на стекло-, кристаллополокнистые, называемые также «уса­ми» или «вискерсами», и микростеклокристаллические.

Большой класс составляют материалы из волокон и матрицы (массивного вещества), называемые композитами. В настоящее время волокнистые материалы и компо­зиты применяют почти во всех отраслях техники (конст­рукционные материалы, высокотемпературные сверхтепло-изоляторы, полупроводящие волокна; волокна с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью; волокна с из­мененной геометрией — полой капиллярной структурой, стекло-, боро- и углепластики, оптические волокна и т.п.). Волокнистые теплоизоляционные материалы: асбест, шлаковата, минеральная силикатная шерсть, стекловолок­но и большое разнообразие теплоизоляционных изделий на их основе играют важную роль в промышленности, но всег­да имеют ограниченное применение — до температур не выше 800 °С. Эти ограничения недавно были сняты благо­даря введению новой области волокон, базирующихся на бинарной системе глинозем — кремнезем, длительно рабо­тающих при 1260 °С, а с добавками оксидов хрома при 1400—1500 °С. Повышение температурного уровня примене­ния теплоизоляционных волокнистых материалов создало в технике высоких температур прорыв, который сравнива­ется с революцией в электронной промышленности в связи с применением полупроводников.

4.5.1. Каолиновая вата и плиты

Каолиновая вата относится к огнеупорным материалам, поскольку ее производят из натуральных огнеупорных глин и каолинов или из синтетических смесей каолинового и вы­сокоглиноземистого составов. Нормальный химический со­став каолинового волокна находится в следующих преде­лах, %: 43—54А12О3; 43—54SiO2; 0,6—l,8Fe2O3; 0,1— 3,5ТЮ2; ОД—1,0СаО; 0,2—2,0K2O+Na2O; 0,08—1,2В2О3.

Каолиновые волокна относятся к штапельным и пред­ставляют собой затвердевшее высокотемпературное стек­ло. При нагревании каолинового волокна выше некоторой температуры и в широком интервале температур в течение длительного времени происходит расстекловывание, т.е. кристаллизация.

При этом волокна теряют гибкость, эластичность и прочность. Для волокон с содержанием глинозема от 43 до 54 % температура длительного применения составляет 1260 °С и температура плавления около 1780°С. Повыше­ние содержания глинозема в пределах 43—55 % несуще­ственно влияет на температуру и скорость расстекловыва-ния. Однако повышение содержания глинозема до 60 % обусловливает меньшую степень расстекловывания, чем расстекловывание волокон с меньшим содержанием глино­зема. (Экономическая эффективность повышения содержа­ния глинозема сверх 55 % пока не установлена).

Добавка оксидов хрома в количестве 2—5 % повышает вязкость стекла, что задерживает процесс кристаллизации. и, как следствие, повышает температуру длительного при­менения каолиновой ваты до 1450 °С. Добавки около 3% диоксида циркония способствуют получению более длинно­го волокна. Применяют также различные модифицирую­щие добавки: Na2O, B2O3, Fe2O3, MgO, TiO2, МпОг- Схема производства каолиновой ваты представлена ниже

Исходным сырьем служит смесь технического глинозе­ма (99 % А12О3) и кварцевого песка (более 97,5%SiO2). в отношении по массе 1 : 1. При использовании природно­го сырья — обогащенного каолина, гидраргиллитов ит.п.-его предварительно обжигают на шамот и дробят до зер­на размером ниже 3 мм. Модифицирующие добавки при­меняют в тонкоизмельченном виде.

Плавление шихты производят в 5-электродной руднопример стеклоткань, прошивают кварцевыми нитками или лриклеивают и получают так называемые прошивные маты.

Волокнистые плиты. Непрерывное производство волок­нистых плит осуществляют несколькими способами. В оса-дительную камеру распыляют связующее: поливинилаце-татную эмульсию (ПВАЭ) или фенолформальдегидную смолу, или кремнезоль, или алюмогель и т. п. Связующее оседает на волокнах на приемно-формующем конвейере (расход связующего составляет 14—16 кг на 1 м3 готовых изделий). Смоченный ковер ваты на выходе уплотняется валками под давлением 10—20 кПа. По выходе из осади-тельной камеры ковер поступает в сушильно-полимериза-ционную камеру, где происходит сушка ковра при одновре­менной его подпрессовке и отверждении связующего. Ка­мера полимеризации имеет длину 22 м. Она разделена на 4 равные секции, каждая из которых имеет циркуляцион­ный вентилятор для подачи сушильного агента. Сушильным агентом обычно бывает дымовой газ от сжигания природ­ного газа. Сушильный агент со скоростью 0,8—1,8 см/с в 1- и 3-ю секции подается снизу под ковер и отсасывается сверху, а во 2-ю секцию — сверху, а отсасывается снизу. Температуры газов в секциях соответственно 180, 160 и 150 °С. Ковер проходит между двумя сетчатыми лентами верхнего и нижнего транспортеров. Толщина ковра регули­руется подъемом или опусканием верхней ленты. Давление на ковер постепенно доводят до 10 кПа. В 4-й секции ковер охлаждается холодным воздухом. После тепловой обработ­ки он поступает на выпускной конвейер, в котором происхо­дит и поперечный раскрой.

Производство плит методом полива связующего вклю­чает следующие операции: приготовление и дозирование связки из расчета 25—30 кг связки на 1 м3 готовых изде­лий, подача связки на ковер и пропитывание его, отжим излишка связки с помощью отжимного барабана и вакуум-отсоса. Насыщенный связкой ковер поступает в сушильно-полимеризационную камеру и далее идет по непрерывному технологическому потоку аналогично описанному выше.