Волокнистые материалы из силикатных расплавов
|
В данную группу материалов входят минеральное и стекловолокно и изделия на их основе. Как разновидности минеральных и стеклянных волокон, представленных сравнительно короткими (от 2 до 20 мм) отрезками стекловидных волокон, можно рассматривать минеральную и стеклянную вату. Минеральное волокно получают из расплавленных горных пород и шлаков, стеклянное - из расплавленной стекломассы. Волокна, полученные из силикатных расплавов, обладают по сравнению с другими волокнистыми материалами более высокими физико-механическими свойствами. Они не горят, не гниют, химически стойки, малотеплопроводны и достаточно прочны. Например, величина предела прочности при разрыве, в МПа для стекловолокон диаметром 3-4 мкм составляет 200-400 МПа, льна - 47-73 МПа, капрона - 50-70 МПа. Стекловолокнистые материалы. Для получения стекляного волокна используют шихту, состоящую из кварцевого песка, соды или сульфата натрия, полевого шпата с добавками мела и др. Стекловолокно разделяют на непрерывное и штапельное (длиной до 50 см). В зависимости от диаметра стекловолокно бывает: ультратонким (<1), супертонким - 1-2, тонким 3-10, утолщенным 11-20, толстым - более 20 мкм. Стекловолокно разделяют также в зависимости от области применения на текстильное (диаметр 3-7 мкм) и штапельное (1-30 мкм). Из горных пород для получения минерального волокна наибольшее применение нашли базальты. Непрерывное и штапельное стекловолокно получают штабиковым или фильерным способами. Штабиковый способ основан на подогревании и расплавлении стеклянных палочек - штабиков и вытягивании из них стеклянного волокна, наматываемого на барабан, филъерный - на вытягивании волокон из стекломассы через фильеры (рис. 8.15).  Свойства стекловолокна зависят от химического состава стекла и способа его получения. Ho химическому составу стеклянные волокна делят на три группы: бесщелочные (содержание щелочных оксидов не более 1-2% по массе), малощелочные (от 2 до 10%) и щелочные (более 10% по массе щелочных оксидов. Прочность при растяжении стекловолокна намного выше прочности массивного стекла, что объясняется его меньшей неоднородностью, наличием упрочненного поверхностного слоя. Увеличение прочности с уменьшением диаметра волокон (рис. 8.16) объясняется меньшими температурными градиентами, возникающими при охлаждении стекла и соответственно меньшей интенсивностью образования трещин.  Средняя прочность элементарного стекловолокна составляет 3500 МПа. Атмосферная влага уменьшает прочность стекла. После нескольких месяцев хранения прочность стекловолокон уменьшается на 10-15% по сравнению с первоначальной. Для предотвращения снижения прочности волокна под действием атмосферной влаги его при вытягивании защищают гидрофобными веществами. Наибольшей прочностью обладает волокно из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла. Щелочные оксиды снижают прочность стекловолокна. Наименьшей прочностью обладают волокна из фосфатного и боратного стекол. В щелочной среде твердеющего цементного камня относительно высокой стойкостью обладают стекла в системе Na2O-MgO-Al2O3-SiO2 составов (мол.%): Na2O 0,14-0,3; MgO 10-30; Al2O3 0-15; SiO2 50-70. Увеличение прочности стекловолокна достигается воздействием на его поверхность с целью уменьшения количества микродефектов при термообработке. Промышленные волокна выпускают в виде коротких (до 60 см) образцов одиночных волокон (штапельное волокно) и непрерывных длиной сотни и тыс. м. Из базальтовых расплавов, так же как из стеклянных, получают штапельные и непрерывные базальтовые волокна. Стекловолокно и базальтовое волокно используется для получения электроизоляционных лент и тканей, тканей для конструкционных стеклотекстолитов. фильтровальных тканей и др. К нетканым материалам относятся стекловолокнистый холст, маты, теплоизоляционные плиты из ультратонкого волокна и др. Минеральная вата. Минеральная вата представлена преимущественно (на 80...90%) стекловидными волокнами диаметром менее 7 мкм с длиной от 2 до 10 мм (рис. 8.17). В состав ваты входят также частички застывшего расплава, не сформировавшиеся в волокна - т.н. “корольки”. Воздушные пустоты, заключенные между волокнами ваты и определяющие ее теплоизоляционные свойства, составляют 95...96% от общего объема ваты. Корольки увеличивают плотность и теплопроводность ваты. Основным показателем химического состава минеральной ваты является модуль кислотности:  где SiOz, А12О3, CaO и MgO - содержание соответствующих оксидов по массе. При промышленном изготовлении минеральной ваты ее химический состав находится в диапазоне: SiO2 - 35-50%, Al2O3 - 5-18%, CaO - 20-40%, MgO - 2-10%. В сравнительно небольшом количестве могут входить оксиды железа, марганца, серы и др. Для изготовления минеральной ваты применяют как природное сырье (диабазы, базальты, сиениты, порфириты, граниты, известняки, мергели и др), так и побочные продукты промышленности (металлургические шлаки, золы тепловых электростанций и др). Обычно составляют шихту, состоящую из двух или более компонентов, обеспечивающую необходимый модуль основности.  Производство ваты включает два основных процесса: 1) расплавления шихты до образования расплава с необходимыми показателями вязкости и поверхностного натяжения; 2) переработки расплава с получением волокна. Расплав, вытекающий из плавильной установки, имеет обычно вязкость 0,2-1,5 Па*с. Наряду с абсолютным значением вязкости расплава важным является также учет скорости нарастания вязкости при снижении температуры. Для производства минеральной ваты желательно использовать т.н. “длинные” расплавы, т.е. расплавы, медленно затвердевающие и имеющие большой интервал вязкости. Температура расплава, поступающего на переработку, должна быть выше температуры его кристаллизации. Образующиеся в плавильной печи силикатные расплавы имеют температуру верхнего предела кристаллизации 1150-1300 °С. Одним из важных показателей способности вытягивания минерального расплава в волокна является отношение его вязкости к поверхностному натяжению, т.е силам свободной энергии его поверхности. На вязкость расплавов существенно влияет их химический состав. С повышением содержания SiO2 и Al2O3 вязкость возрастает. Увеличение до определенного предела количества CaO приводит к снижению вязкости расплава, лишь при высоком его содержании (более 45%) вязкость может несколько повысится. Содержание MgO снижает вязкость расплава в большей степени, чем CaO. Понижает вязкость расплава также содержание щелочных оксидов, оксидов марганца и железа. Для понижения поверхностного натяжения расплавов используют поверхностно-активные вещества, оксиды хрома. Из множества видов плавильных установок наиболее распространены в производстве минеральной ваты вагранки. Применяют также ванные, шлакоприемные, электродуговые и другие печи. Способы переработки силикатного расплава на вату подразделяют на дутьевые, центробежные, комбинированные (рис. 8.15). При дутьевом способе на струю расплава, вытекающего из печи, воздействует струя водяного пара или сжатого газа. Центробежный способ основан на использовании центробежной силы и имеет ряд разновидностей в зависимости от конструктивных особенностей центрифуг. Наиболее широко применяют центробежно-дутьевой способ, основанный на применении центробежной силы и дутья для формирования струи расплава и вытягивания волокна. В соответствии с ГОСТ 4640-93 вату в зависимости от диаметра волокна подразделяют на три вида: BMCT - вата минеральная из супертонкого волокна диаметром от 0,5 до 3 мкм; BMT - вата минеральная из тонкого волокна диаметром от 3 до 6 мкм; BM - вата минеральная диаметром волокна от 6 до 12 мкм. Вату вида BM в зависимости от значения модуля кислотности подразделяют на типы: А-Мк≥1,6; Б-Мк=1,4-1,6; В-Мк=1,2-1,4. Основные нормируемые требования к минеральной вате приведены в табл. 8.7.  На основе минеральной и стеклянной ваты изготавливают изделия различной формы с использованием в качестве связующих синтетических полимеров, битумов, эмульсий и паст. Основными видами изделий являются мягкие, полужесткие и жесткие плиты, цилиндры, полуцилиндры (рис. 8.18).  Физико-механические свойства изделий из минеральной и стеклянной ваты приведены в табл. 8.8. Основная масса изделий применяется для тепловой изоляции ограждающих конструкций, трубопроводов, звукоизоляции. Из каолинового и кремнеземистого сырья выпускают высокотемпературную вату и изделия с температурой применения до 1250°С. К эффективным материалам относятся базальто-волокнистые изделия, имеющие улучшенные теплоизоляционные свойства, температуростойкость (до 750 °С) и долговечность.  |
