книги из ГПНТБ / Производство стеклянных волокон и тканей

ство декоративных тканей технического	и бытового назначения
и других видов изделий из стеклянного	волокна увеличивается
быстрыми темпами.

Световоды из стеклянного волокна. Световоды за короткий срок нашли широкое применение в различных областях науки и техни­ ки. По форме, механическим свойствам и назначению они делятся на три основные группы.

1. Гибкие длинные световоды для передачи световой энергии или изображения по криволинейному пути (торцы этих световодов имеют одинаковые геометрическую форму и размеры).

2. Гибкие длинные световоды для передачи световой				энергии
или изображения по криволинейному пути, одновременно				преобра­
зующие	форму изображения	и распределение	световой	энергии.
В этих	световодах волокна	уложены так, что	образуют	разные

геометрические формы и размеры входного и выходного торцов световода. При этом волокна, как и в первой группе, скрепляются между собой только на торцах, а в средней части остаются сво­ бодными.

3. Жесткие короткие световоды для передачи световой энергии или изображения, а также преобразования изображения на прямо­ линейном участке пути.

Гибкие длинные световоды для передачи изображения успешно заменяют многолинзовые системы в перископах различного наз­ начения. Они позволяют осуществлять суммирование потоков све­ товой энергии, поступающих от многочисленных изолированных источников, или разделение потока световой энергии от одного источника ко многим приемникам. В медицине с помощью гибких длинных световодов можно диагностировать заболевание внутрен­ них, недоступных глазу, полостей человеческого тела, в технике — рассматривать и контролировать труднодоступные участки различ­ ных механизмов и устройств. В этих световодах изображение передается по центральной группе волокон, а наружное кольцо используется для освещения рассматриваемого участка холодным светом.

Жесткие короткие световоды используются в оптических и электронно-оптических приборах и устройствах, например для исправления кривизны поля изображения, для создания высоко­ скоростной киносъемочной аппаратуры, для телевизионных систем с высокой разрешающей способностью, а также в различных при­ борах для спектрального анализа звезд и других научных иссле­ дований.

Изоляционные изделия из штапельного стеклянного волокна.

Изделия из штапельного стеклянного волокна вследствие высокой пористости обладают повышенными теплоизоляционными свойст­ вами. Теплоизоляционные характеристики этих изделий выше, чем минеральной ваты в 1,4 раза, асбеста — в 3 и пробки — в 10 раз. Слой стеклянного волокна толщиной 5 см оказывает такое же тер­ мическое сопротивление, как кирпичная стена толщиной 1 м.

20

Изделия из штапельного волокна вследствие сильно развитой: поверхности обладают хорошими акустическими свойствами. Пере­ городки, покрытые стекловолокнистыми матами, поглощают звук в 9 раз лучше, чем деревянные. Эти изделия устойчивы к вибрации, не слеживаются и не дают усадки при транспортировке и в процес­

се эксплуатации. Они удобны в монтаже, так как легко			режутся:
и хорошо заполняют полости различной формы.
Теплозвукоизоляционные материалы из стеклянного волокна
широко применяются:
в	жилищном	и промышленном строительстве — для	изоляции
стен,	внутренних	перегородок, межзтажных перекрытий,	кровли;

вэнергетике, химической, металлургической, нефтеперерабаты­ вающей промышленности — для теплоизоляции различных устано­ вок, теплообменников, трубопроводов, для звукоизоляции компрес­ соров, дизельных установок и т. п.;

вхолодильной технике — для изоляции рефрижераторов, холо­ дильных камер и т. д.;

всудостроении, автомобилестроении, железнодорожном транс­ порте.

В результате применения теплозвукоизоляции из штапельноговолокна снижаются вес и габаритные размеры конструкций, повы­ шается грузоподъемность и скорость движения.

Для теплозвукоизоляции при высоких температурах (до 800 °С) применяется штапельное керамическое волокно каолинового сос­ тава. Оно имеет вид ваты и состоит из тонких, беспорядочно распо­ ложенных коротких волокон. Волокно стойко к действию воды, пара, щелочей и кислот (кроме плавиковой и фосфорной), а также сред, нагретых до высокой температуры, обладает ничтожно малой гигроскопичностью, высокими электроизоляционными свойствами.

Штапельное керамическое волокно применяется для поглоще­ ния шума в форсунках и двигателях внутреннего сгорания, для

тепловой изоляции	газовых	турбин,	печей,	паровых	котлов, то­
пок и т. д.
Стеклопластики. Это материалы, в состав которых в различных
сочетаниях входят стекловолокнистые			наполнители ( Е о л о к н а , нити,,
жгуты, ткани, маты	и т. д.)	и полимерные		связующие	(полиэфир­

ные, фенольные, эпоксидные, кремнийорганические и др.). Напол­ нители воспринимают основные нагрузки при работе стеклопласти­

ков. Связующее	обеспечивает склеивание отдельных волокон
в общую систему	и способствует равномерному распределению

нагрузки. В зависимости от типа наполнителя и технологии фор­

мования	стеклопластики разделяются на	следующие основные
группы	материалов.
1. С т е к л о т е к с т о л и т ы — слоистые		листовые	материалы,,
получаемые горячим прессованием предварительно			пропитанных

полотнищ стеклянной ткани. Они обладают высокими механиче­ скими и электротехническими свойствами, высокой термостой­ костью. Несмотря на более высокую стоимость стеклянных тканей

2 Г:

по сравнению со стоимостью	других стекловолокнистых наполни­
телей, они находят широкое	применение для изготовления не толь­
ко слоистых материалов, но и крупногабаритных изделий		цилиндри­
ческой и сложной формы.
2. О р и е н т и р о в а н н ы е	с т е к л о п л а с т и к и	получаются

при параллельной намотке, протяжке или укладке и одновремен­ ной пропитке смолами стеклянных волокон, нитей и жгутов. Нама­ тывая нити на барабаны, получают цилиндрические заготовки, разрезав заготовку по образующей, получают листовой материал. Свойства таких листов в разных направлениях резко различаются. При склеивании листов с регулярной укладкой волокон во взаимно перпендикулярных направлениях получают равнопрочный мате­ риал (стѳклофанеру, стеклошпон). Методом намотки получают

также стеклопластиковые трубы и цилиндры различного	диаметра
и длины. Разнообразные по форме изделия — трубки,	швеллера,

полосы, ленты и другие изготавливают методом протяжки; они устойчиво работают под нагрузками, действующими вдоль оси волокон.

3. С т е к л о в о л о к н и т ы — композиции из смол и стеклянных волокон, нитей, жгутов в виде отрезков различной длины получают главным образом непрерывной пропиткой и последующим измель­ чением нитей или жгутов. Стекловолокниты на основе фенольных смол (пресс-материалы) перерабатываются в изделия небольших размеров литьем или прессованием при высоких давлениях и тем­ пературах. Стекловолокниты на основе полиэфирных смол (пре­ миксы и препреги) применяются для получения крупногабаритных

изделий прессованием при низких	давлениях; они отверждаются
при комнатной или более высокой	температуре.

4. С т е к л о п л а с т и к и н а о с н о в е х о л с т о в и м а т о в (в том числе предварительно пропитанных) получают методом прессования при низком давлении. Механическая прочность таких стеклопластиков уступает стеклотекстолитам и ориентированным •стеклопластикам. Преимущество их заключается в простоте изго­ товления и более низкой стоимости. Применяются они при изготов­ лении крупногабаритных изделий.

5. М я г к и е р у л о н н ы е с т е к л о п л а с т и к и получают не­ прерывной пропиткой и термообработкой различных рулонных стекловолокнистых материалов при нормальном давлении. К мяг­ ким рулонным материалам относятся стеклолакоткани, стеклорезиноткани, стеклорубероид, стеклоленолеум, а также тепло- и зву­ коизоляционные стеклопластики.

В готовых изделиях нередко сочетаются различные типы стек­ лопластиков. Некоторые виды труб делают намоткой чередующих­ ся слоев жгута и тканей; корпус катера, изготовленный из стеклян­ ных матов, имеет облицовку из стеклянной ткани и т. д.

	Стеклопластики	используются в качестве	электроизоляционных
и	конструкционных	материалов в промышленности, на транспорте
и	в строительстве,	быстро расширяется их	использование в сель-

:22

ском	хозяйстве. На	их основе создаются новые	виды материалов,,
оборудования, аппаратов.
Стеклопластики		применяют для межфазовой изоляции обмо­
ток	электрических	двигателей, генераторов и	трансформаторов.

Из них изготавливают корпуса и различные детали машин и ап­ паратов, электроарматуру (изоляторы, щитки, коллекторы и т. п.),. трубы для скрытой электропроводки.

Втопливной и химической промышленности их используют в виде труб, контейнеров, баков, сосудов; эти изделия отличаются высокой коррозионной стойкостью, малой массой и высокой проч­ ностью.

Врезультате применения стеклопластиков обеспечивается чис­

тота жидкостей и газов, исключается биологическое изменение воды. Баллоны из стеклопластиков выдерживают высокие давле­ ния.

Стеклопластики широко применяются в строительстве в ка ­ честве кровельных, облицовочных и гидро- и звукоизоляционных материалов, а также материалов для изготовления различных на­ весов, панелей, отдельных элементов несущих строительных кон­ струкций, архитектурно-строительных и санитарно-технических деталей и изделий. Особый интерес представляют трехслойные панели сотовой конструкции, светопрозрачные кровли и стеклопластиковая арматура для стеклобетонных конструкций, работаю­ щих в агрессивной среде. При использовании стеклопластиков значительно снижается вес стеновых и потолочных панелей, что позволяет облегчать фундамент и несущий каркас зданий. Стекло­

пластики	резко	увеличивают звуконепроницаемость		перегородок,,
делают возможным крупноблочное строительство зданий.
Из стеклопластиков изготовляют кабины, кузова, двери и сту­
пеньки автомобилей, автобусов			и троллейбусов, крыши, оконные-
и дверные	рамы, сиденья, двери и многие элементы вагонов и
электровозов.
Детали	из	стеклопластиков	благодаря клеевым	соединениям

производят меньше шума, обладают большей ударной вязкостью. Вследствие низкой теплопроводности этих материалов салоны и кузова из стеклопластиков хорошо сохраняют тепло зимой и мень­ ше нагреваются летом, они пригодны для эксплуатации в аркти­ ческих и тропических условиях.

Стеклопластики применяют для изготовления корпусов неболь­ ших гребных, парусных и моторных морских и речных судов. Для крупных судов корпус конструируется с каркасом из металла или древесины. Корпуса судов из стеклопластиков лишены недостат­ ков, присущих корпусам из древесины или металлов: они не гниют,, не корродируют, мало поглощают влагу и хорошо противостоят действию морской воды.

На судах широко используются стеклопластиковые воздухово­ ды и трубопроводы для морской воды, крышки люков, двери, пере­ городки и т. д.

23,

Д ля научно-исследовательских судов большое значение приоб­ ретают немагнитные свойства стеклопластиков.

Стеклопластики применяются и в других отраслях промышлен­ ности и народного хозяйства для изготовления технологической оснастки, шаблонов и кондукторов сложной формы. Из них делают

макеты	и формы для литья цветных металлов и	сплавов и т. д.
Из стеклопластиков изготавливают лыжи, лыжные палки,
шлемы,	удочки и другой спортивный инвентарь, географические
глобусы,	упаковочные контейнеры, госпитальное	оборудование.
В сельском хозяйстве стеклопластики используются при строи­
тельстве	легких навесов,, животноводческих и подсобных помеще­
ний различного типа, а также теплиц и парников.

Р А З Д Е Л I

ТЕХНОЛОГИЯ СТЕКЛА Д Л Я ПРОИЗВОДСТВА НЕПРЕРЫВНОГО СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА

Г Л А В А 1

СТЕКЛО И ЕГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ И СТРУКТУРА СТЕКЛА

По определению, данному комиссией по терминологии Акаде­ мии наук СССР, «стеклом называются все аморфные тела, полу­ чаемые путем переохлаждения расплава независимо от их хими­ ческого состава и температурной области затвердевания и обла­ дающие в результате постепенного увеличения вязкости механи­ ческими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жид­ кого состояния в стеклообразное должен быть обратимым».

Характерной особенностью любого стеклообразного расплава является отсутствие определенной температуры плавления, т. е. отсутствие точки перехода из жидкого состояния в твердое и об­ ратно. При понижении температуры расплава постепенно увели­ чивается его вязкость, он приобретает способность сохранять при­ данную ему форму, а затем превращается в твердое тело. Темпе­ ратурная область превращения стеклообразного расплава в твер­

дое тело (затвердевания) растягивается	на десятки и сотни гра­
дусов, в то время как кристаллические	вещества	переходят из
жидкого состояния в твердое и обратно	при строго	определенной
для каждого вещества температуре.

Процесс плавления и затвердевания для стекол обратим. Если стекло расплавить, а затем охладить по заданному для этого стек­ ла режиму, оно вновь приобретет первоначальные свойства.

Стекла, как и все аморфные тела, изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Изотропность стекол объясняется тем, что они имеют в среднем однородную структуру.

До второй половины XIX в. считали, что стекло — это химиче­ ское соединение, которое можно выразить химической формулой.

Впервые представление о стекле как о сложной системе вы­ двинул Д. И. Менделеев, который считал стекло сплавом окислов, подобным металлическим сплавам переменного состава. Впослед­

ствии представления о стекле как о переохлажденной		жидкости
были развиты	в работах Таммана. Гипотеза Таммана справедлива
и в настоящее	время, и изучение строения стекла ведется	с позиций

современных представлений о строении жидкостей.

25

Рис. 1.1. Структура стекла:

а — в соответствии с кристаллитной гипо­ тезой; б — в соответствии с гипотезой не­ прерывной сетки; / — кристаллит; 2 — S i 0 2 в кристаллическом состоянии; 3 — SiOi в

^стеклообразном состоянии; 4 — система ЭЮг — Na 2 Ö в стеклообразном состоянии.

Ранее предполагалось, что жидкость по многим свойствам близ­ ка к газам. Изучение ряда свойств жидкостей, особенно вблизи тем­ ператур кристаллизации, показало, что соответствие жидкого и твердого состояния вещества больше, чем жидкого и газообраз­ ного состояния.

Наиболее убедительным подтверждением структурного подобия жидкого и твердого состояния являются рентгеноструктурные исследования веществ в обоих этих состояниях. Для объяснения результатов исследований пред­ ложено две теории. Одна рас­ сматривает структуру жидкости как скопление большого числа чрезвычайно малых сильно де­ формированных кристалликов (микрокристаллическая структу­ ра). Согласно второй теории ча­ стицы жидкости образуют непре­ рывную трехмерную сетку, в ко­ торой структурный порядок огра­ ничивается только соседними ча­ стицами, а по мере увеличения расстояния между частицами этот порядок нарушается. Обе теории приводят к результатам, одинако­ во хорошо согласующимися с

данными опытов.

Как и для жидкостей, для стекла существуют две основные гипотезы строения. Это кристаллитная гипотеза А. А. Лебедева (микрокристаллики в стекле на­ зываются кристаллитами) и гипо­ теза непрерывной сетки Захариасена (рис. 1.1). Следует отметить, что кристаллиты в стекле-—это

не обломки правильной кристаллической решетки, а чрезвычайно мелкие структурные образования, которые только в центре имеют структуру, близкую к нормальной кристаллической. По мере уда­ ления от центра кристаллита эта структура все более и более иска­ жается, и на границе соприкосновения двух кристаллитов она со­ вершенно беспорядочна.

Гипотеза непрерывной сетки не допускает наличия в стекле каких-либо кристаллитов. В соответствии с этой гипотезой струк­ тура стекла представляет собой непрерывную трехмерную сетку, подобную кристаллической, в узлах которой расположены ионы, атомы или группы атомов. Однако здесь расположение структур­ ных элементов в отличие от кристаллической решетки не упоря­ дочено, уже во взаимной ориентации ближайших соседей наблю-

26

даются некоторые искажения, а далеко отстоящие структурные элементы оказываются расположенными произвольно.

Структура стекла изучается электронно-микроскопическими и другими тонкими методами. Электронно-микроскопическими мето­ дами удалось обнаружить в стекле структурные образования раз­ мером 2—20 Â (10~7 мм), которые отличаются от остальной одно­ родной массы. Эти неоднородные включения могут быть как кри­ сталлитами, так и упорядоченными участками, наличие которых допускает теория непрерывной сетки.

Таким образом, пока еще нет достаточных данных, чтобы от­ дать предпочтение одной из гипотез.

Вероятность существования в стекле чрезвычайно мелких, раз­ личных по структуре областей (микрогетерогенная структура) подтверждается результатами исследований ряда свойств — элект­ ропроводности, вязкости и др. Микрогетерогенность структуры некоторых стекол используется в промышленности для получения высококремнеземистых стекол и волокон. Так, в натрийборосилнкатных стеклах можно растворить боронатриевую со­

ставляющую и получить стекло, содержащее	95—96%	Si0 2	(стек­
ла типа «викор»). При этом форма, размеры	и внешний вид ис­
ходного образца не изменяются. Изучение структуры такого			стекла
показывает, что оно пронизано мельчайшими	порами	(диаметром

2—4 нм), в которых и располагается боронатриевая составляющая. Так же получается -и кремнеземное волокно. После удаления из стеклянного волокна растворимой составляющей волокна нагрева­ ют до высокой температуры, лоры закрываются и получаются однородные волокна с большим содержанием Si02 .

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТЕКОЛ ДЛЯ СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА

Состав стекла нельзя выразить химической формулой. Стекло представляет собой сплав различных окислов, взятых в различных

соотношениях.	Поэтому	химический состав стекла	выражают
обычно процентным содержанием входящих в него окислов.
По химическому составу стекла делятся на две большие груп­
пы — бесщелочные и щелочные стекла. Бесщелочные стекла				содер­
жат не больше	1—2% окислов щелочных металлов, а в		щелочных
стеклах их содержится		10—15% и более. Такое деление связано
с электрическими свойствами стекол: бесщелочные стекла				харак­

теризуются очень высоким электрическим сопротивлением и при­ меняются в качестве изоляционных материалов; сопротивление щелочных стекол в несколько сот раз меньше и с повышением температуры снижается еще больше. Так как значительные ко­ личества стеклянных волокон используются для производства электроизоляционных материалов, основным видом стекла для про­ изводства стеклянного волокна является бесщелочное стекло типа «Е». Щелочные стекла применяют для изготовления фильтроваль­ ных тканей, в качестве химически стойких материалов, для произ-

27

іводства стеклопластиков и других целей. Химические составы стекол, применяемых в производстве стеклянного волокна, пред­ ставлены в табл. 1.1.

	Т а б л и ц а	1.1. Химический состав					стекол	для	производства
				стеклянных		волокон
					Содержание, вес. %						к2 о+
Стекло		Si02	А12 03	в 2 0 3	СаО	MgO	ZnO	Z r 0 2		МП3О4		BaO
											+ N a 2 0
	Б е с щ е л о ч н ы е				с т е к л а		( т и п а		«Е»)
Бесщелочное алюмо-
боросиликатное				10		4	—	—		—
10% В 2 0 3		54	14,5		16,5						0,5	Z
8%	В 2 0 3	54	14,5	8	18	4,5					0,5
			Щ е л о ч н ы е			с т е к л а
Нейтральное		71	3	—	8,5	2,5					15
№	65-М	61,5	5		8	3	4,5	6			12
№	7-А	64,0	6,5		12,0	2,0		2,0		1,7	10	2
Допустимое отклоне­ ± 0 , 7			± 0 , 5	± 0 , 5	± 0 , 5	± 0 , 5	± 0 , 7	± 0 , 2		± 0 , 3	± 0 , 5 *	± 0 , 3
ние в	содержании
компонентов, %

* Д л я щелочных стекол

Кроме указанных в табл. 1.1 окислов почти все стекла содер­ жат 0,2—1,0% фтора, так как в шихту добавляют плавиковый шпат.

Выдержать точно заданный состав стекла очень трудно. Хими­ ческий состав сырья для варки стекла непостоянен. Некоторые компоненты стекла уносятся с пылью и улетучиваются при варке; потери колеблются в зависимости от условий варки. Поэтому для каждого состава стекла в определенных пределах допускаются отклонения от заданного (см. табл. 1.1).

СВОЙСТВА СТЕКОЛ в жидком состоянии

Кристаллизационная способность. Склонность стекла к крис­ таллизации называется кристаллизационной способностью. Стек­ ломасса при охлаждении в определенных условиях может закристаллизовываться. Появление кристаллов в стекломассе нарушает процесс выработки изделий, а попадание их в изделия приводит к появлению брака. Для -каждого стекла существует определенный температурный интервал, в пределах которого стекло нельзя дол­ го выдерживать, если хотят избежать его кристаллизации. Поэтому при выработке изделий нужно, чтобы стекломасса в процессе фор­ мования быстро охлаждалась до температуры ниже опасной зоны кристаллизации.

28

S a

Температура (-~-t)

Рис. 1.2. Зависимость скорости роста кристаллов и скорости образования центров кристаллизации от темпера­ туры:

/ — изменение скорости роста кристаллов: 2 — изменение скорости образования цент­ ров кристаллизации; 3 — область кристал­ лизации .

Кристаллизация расплавов начинается с образования центров («зародышей») кристаллизации, которые затем вырастают в крис­ таллы. Кристаллизационная способность вещества зависит от ско­ рости образования центров кристаллизации (СОЦК) и от скорости роста зародышей в кристаллы (СРК). Скоростью образования центров кристаллизации называется количество кристаллических зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема. Скоростью роста кристаллов называется линейное увеличение раз­ меров кристаллов в единицу времени; она выражается в микро­ метрах в минуту (мкм/мин).

Для стекол скорости образо­ вания зародышей и роста кри­ сталлов изменяются с температу­ рой (рис. 1.2). Каждая из этих скоростей достигает своего наи­ большего значения при опреде­ ленной температуре. Наибольшие значения СОЦК и СРК и соот­ ветствующие им температуры зависят от химического состава стекол и для разных стекол раз­ личны.

Для одного и того же стекла СОЦК и СРК достигают наиболь­ ших значений при различных температурах. Максимум СОЦК

всегда наблюдается при более низкой температуре, чем максимум СРК, так как более холодный расплав пересыщается отдельными компонентами, а это облегчает образование центров кристаллиза­ ции. Однако с понижением температуры сильно увеличивается вяз­ кость стекла. Высокая вязкость при низких температурах препят­ ствует-как росту кристаллов, так и образованию кристаллических зародышей.

О кристаллизационной способности стекол можно судить по характеру изменения кривых СОЦК и СРК в зависимости от тем­ пературы (см. рис. 1.2). Чем ближе расположены максимумы обеих кривых, т. е. чем большая площадь охватывается одновременно кривыми СОЦК и СРК, тем легче кристаллизуется стекло, так как в этом случае образуется достаточное количество кристаллических зародышей, которые вырастают в кристаллы.

	Кристаллизационная	способность стекол	характеризуется дву­
мя	температурами. Это	так называемые температуры верхнего
и	нижнего предела кристаллизации. Температура верхнего преде­
ла	кристаллизации — это	температура, при	которой появляются

в стекле первые видимые под микроскопом кристаллы при охлаж­

дении стекломассы. Температура		нижнего предела кристаллиза­
ции— это температура, при	которой появляются первые		видимые
под микроскопом кристаллы	при	нагревании холодного	образца

29