книги из ГПНТБ / Производство стеклянных волокон и тканей

шаться в сборном лотке, и это неизбежно будет влиять на стабиль­

ностью волокон в зоне формования, в узле замасливания, а также равномерностью диаметра волокна по его длине. Процесс фор­ мования стеклянных волокон в некоторых случаях самопроизволь­ но прекращается. В конце пятидесятых годов обрывность состав­ ляла до 50 обрывов на килограмм вырабатываемого волокна и являлась основным тормозом на пути повышения производитель­ ности установок. В настоящее время она составляет 0,5—3 обрыва на килограмм волокна и влияет не столько на производительность оборудования, сколько на производительность труда операторов, препятствуя увеличению зоны обслуживания.

Струйка стекломассы, вытекающая из фильеры, непрерывно и постепенно утоняясь и охлаждаясь, превращается в хрупкое во­ локно. Напряжения, развивающиеся в стекломассе при формова­ нии, значительно ниже предела прочности при растяжении как для вязких участков луковицы, так и для волокна. При стабильных ус­ ловиях формования процесс вытягивания может продолжаться неограниченно долго. Обрыв наступает в момент, когда напряже­ ния в силу каких-либо обстоятельств возрастают и превышают предел прочности при растяжении вязкой струи или волокна в од­ ном из сечений. В зависимости от места, где он происходит, обрыв носит либо деформационный (вязкий), либо хрупкий характер.

При деформационном разрушении струи (обгорании волокна) происходит постепенное уменьшение ее сечения вплоть до разры­ ва. Деформационное разрушение может начаться также с образо­ вания пережима в зоне максимальных температур луковицы и по­ следующего утонения сечения верхнего участка шейки. Первый вид обгорания волокна происходит в начальный момент намотки

где — радиус луковицы, при котором начинается образование пережима; остальные обозначения соответствуют принятым в уравнении (5.12).

100

Возможность обгорания снижается при уменьшении вязкости, поверхностного натяжения, скорости деформации стекломассы, кри­ визны и диаметра сечения луковицы с максимальной температурой стекломассы, а также при возрастании формующего усилия.

Изменение перечисленных параметров в нужном направлении обычно достигается снижением температуры окружающей среды и радиуса фильер и увеличением расхода стекломассы.

Хрупкое разрушение происходит в сформованном волокне при вязкостях выше 107 пз в момент, когда напряжения, развивающие­ ся в волокне, превышают предел прочности при растяжении о к р . Разрушение происходит в две стадии: образование трещины и рост

процесс формования протекает без обрывов, если же они прихо­ дятся на участки с большой вязкостью, может произойти обрыв. Основным фактором, способствующим созданию условий хрупкого разрушения, является резкое повышение скорости охлаждения стекломассы либо в результате снижения температуры или повы­ шения скорости движения воздушной среды, либо при прохождении через зону формования объема стекломассы, отличающегося вы­ сокой скоростью твердения (химически неоднородная стекломас­ са). При прохождении через зону формования инородных включе­ ний (камня, крупных газовых пузырей, свили) луковица на корот­ кий период времени удлиняется, так как утонение струи ограниче­ но размерами включения. Утонение стекломассы происходит в этом случае при более низких температурах окружающей среды. Диа­ метр волокна на короткий период резко возрастает (при сохране­ нии высоких скоростей вытягивания). Структурные дефекты, кото­ рые более или менее равномерно распределены по стекломассе, скапливаются около включений, создавая высокие местные напря­ жения, которые могут оказаться достаточными для образования

повышенной обрывности при использовании стекломассы с ино­ родными включениями. После подобных обрывов образуются кап­ ли с хвостиком, «а конце которого имеется утолщение. Для пред­ отвращения таких обрывов требуется более высокая степень хи­ мической однородности стекломассы.

Расчеты показали значительное влияние температуры среды, окружающей луковицу, на температурное поле луковицы и, сле­ довательно, на скорость деформации волокна и его обрывность.

101

При измерении температуры воздушной среды в подфильерной зо­ не было установлено, что термический режим в ней весьма неста­ билен. Температура среды, окружающей луковицу, меняется с из­ менением скорости вытягивания, при перезаправке бобин, при

Обрыву волокна предшествует резкое уменьшение или увели­ чение расхода стекломассы. Скоростной киносъемкой процесса формования волокна было показано, что изменение расхода стек­ ломассы в 1,5—2 раза, происходящее в результате пульсирующего характера истечения стекломассы из фильер, не приводит к обры­ ву волокон. Однако вполне вероятно, что колебания объема луко­ виц и расхода стекломассы в отдельных случаях могут быть более значительными. При максимальных отклонениях возможно созда­

Волокно, получаемое из стекломассы, отличается от массивного стекла гибкостью и высокой механической прочностью. Изменя­

зависит от состава стекла, способа формования и диаметра во­ локна.

Прочность стеклянного волокна. В соответствии с существую­ щими представлениями прочность стеклянного волокна определя­ ется степенью дефектности его поверхностного слоя. Дефекты в виде трещин образуются на поверхности волокна в результате концентрации дефектов структуры стекла — «трещин Гриффита». Основным фактором, определяющим прочность волокна, является частота и распределение трещин, а не их относительная «серьез­ ность». Главную роль в образовании и распределении трещин иг­ рает «термическая история» стеклянного волокна, которая охваты­ вает условия варки стекла и изготовления стеклянных шариков и формования волокна. Режимы варки стекла и выработки стеклян­ ных шариков определяют степень его микронеоднородности, на­ личие структурных образований кристаллического типа, инород-

102

ных включений, которые могут явиться причиной возникновения трещин.

Высокая степень химической однородности стекломассы— необходимое требование для получения высокопрочного стеклянно­ го волокна.

Прочность стеклянного волокна в значительной степени за­ висит от способа его производства. Наибольшая прочность полу­ чена для волокон, вытянутых из расплавленного стекла фильерным способом и охлажденных с большой скоростью. Волокна, вытяну­ тые при помощи сжатого воздуха, менее прочны, чем вытянутые механическим путем. Более низкая прочность характерна для во­ локон, вытянутых из стеклянных штабиков (так же как и из кварце­ вых), что можно объяснить особенностями нагрева штабиков, при котором происходит кристаллизация стекла.

Быстрое охлаждение способствует получению волокна со сво­ бодной от напряжений однородной структурой и, следовательно, высокой прочностью.

Ряд исследователей допускают, что при формовании волокна в первую очередь охлаждается поверхностный слой луковицы, поэ­ тому он прежде, чем остальная масса луковицы, может достигнуть хрупкого состояния. Напряжения, которые испытывает стекломасса при формовании, концентрируются преимущественно в этом по­ верхностном слое. Во внутренней части луковицы стекломасса бо­ лее пластична, и напряжения в ней рассасываются быстрее. Возни­ кающие при вытягивании волокна напряжения достаточны для разрушения тончайшего поверхностного слоя в ослабленных мес­ тах. Таким образом, поверхностные дефекты возникают в процес­ се формования волокна в результате воздействия вытягивающих усилий.

Факторы, способствующие повышению скорости охлаждения волокна и получению однородной структуры,—уменьшение диа­ метра волокна, увеличение скорости твердения стекла, разность

103

100—120 мкм прочность снижается до 150 кгс/мм2. Следует отме­ тить, что максимальная для каждого диаметра волокна прочность может быть достигнута только при оптимальных технологических параметрах. Например, для волокон большего диаметра необхо­ димо обеспечить больший расход стекломассы. При увеличении диаметра волокна только за счет снижения скорости его вытяги­ вания получаются волокна пониженной прочности.

Интересные данные были получены при определении прочности волокон, отобранных между фильерами и замасливающим устрой­ ством и испытанных через несколько минут после выработки. Во­

выработки, диаметра волокна и длины образцов. Объясняется это отсутствием повреждений на поверхности отобранных таким обра­ зов волокон; при наличии дефектов структуры трещины образуют­ ся только при последующем абразивном воздействии волокон друг на друга во время намотки их на бобины или при воздействии дру­

ная при температуре ниже температуры отжига стекла, способст­ вует увеличению плотности стеклянного волокна до плотности мас­ сивного стекла. Этот процесс сопровождается сокращением объема волокна в одинаковом соотношении как по длине, так и по диа­ метру.

Коэффициент преломления стеклянных волокон. При изменении диаметра волокна от 36 до 4 мкм коэффициент преломления сни­ жается для волокон из алюмоборосиликатного стекла на 0,3%>

адля волокон из известково-натриевого стекла на 0,1%.

Модуль упругости стеклянного волокна. Этот показатель для

для волокон из известково-натриевого стекла. Термообработкой во­ локна можно увеличить модуль упругости волокна до значений, ха­

характеристик от диаметра волокна, сопоставленные с характери­ стиками массивного стекла, указывают на то, что структура стек­ лянного волокна отличается от структуры массивного стекла. Это*

104

объясняется особенностями процесса формования стеклянного во­ локна, способствующими фиксации в волокне высокотемпературной структуры расплава стекла.

Диаметр волокна устанавливается в зоне его формования; на всех дальнейших стадиях переработки стеклянного волокна он сохраняется постоянным.

ния волокна и (с точностью до 2—3%), связь между этими величи­ нами имеет вид

характер влияния технологических параметров на расход стекло­ массы с влиянием их на диаметр волокна.

Измерениями толщины стеклянных волокон было установлено, что диаметр волокна, вытянутого из одной фильеры, не остается по­ стоянным. Разнотолщинность стеклянного волокна наблюдалась во всех без исключения опытах и изменялась от 4 до 25%. Количест­ венно разнотолщинность волокна оценивалась величиной коэффи­ циента вариации С показателей, полученных при измерении диа­ метра волокон (см. главу 20).

Особенно интересными оказались результаты измерений диамет­ ра волокна по его длине, представленные на рис. 6.1, а и 6.1, б. Точки на рис. 6.1, а получены при измерении диаметра волокна через каждые 7,5 см. На рис. 6.1, б каждая точка — среднее из пяти значений диаметра, измеренного через 7,5 см. Полученные данные позволяют проследить за измерением диаметра волокна на большой длине; разнотолщинность волокна, по этим данным, со­ ставила 15%.

оба метода подтверждают пульсирующий характер процесса фор­ мования волокна, частота и амплитуда колебаний объема лукови­ цы в процессе формования совпадают с частотой (0,5—1 гц) мак­ симальных по амплитуде колебаний диаметра волокна по его дли­ не, т. е. колебания объема луковицы являются причиной колеба­ ний диаметра волокон.

Чтобы определить, как влияют колебания диаметра волокон на толщину нити, изучалась структура нити.

Структура стеклянной нити. Стеклянная нить представляет со­ бой пучок волокон, состоящий из отдельных непрерывных волокон.

105

Толщину нити выражают в тексах. Толщина в системе текс харак­ теризуется величиной массы m (в г), приходящейся на единицу длины Li (в км).

^Длина болокна, м

Толщина Т определяется по формуле

где L — длина, м.

Толщина нити зависит от среднего диаметра и количества не­ прерывных волокон в нити, от плотности стекла и содержания влаги и замасливателя.

106

Эта зависимость выражается уравнением

где Т — толщина нити, текс; г — средний радиус волокна, см; р — плотность волокна, г/см3; п — число волокон; k — коэффициент, учитывающий содержа­ ние замасливателя и влаги.

Из уравнения следует, что одинаковые по толщине нити могут состоять из волокон разного диаметра, если число волокон раз­ лично.

На кривых изменения массы 100-метровых отрезков нитей в ряде случаев были обнаружены плавные колебания массы с частотой менее 0,03 гц и амплитудой, достигающей 20% от средней массы. Такие колебания встречаются сравнительно редко (в 5—10% бо­

В ряде случаев составляющие колебаний с частотой 25—33 гц отсутствовали.

Сравнение спектра частот периодических колебаний массы от­ резков нитей и диаметра волокна показало их практически полное совпадение. Причина подобного совпадения была выявлена при изучении характера распределения волокна по диаметру в различ­ ных сечениях одной и той же нити. Установлено, что форма кривых распределения диаметра волокна значительно различается для различных сечений этой нити. На рис. 6.3 приведены кривые рас­ пределения волокна по диаметру для трех из одиннадцати проме­ ренных сечений нити (кривые с минимальной, средней и макси­ мальной ординатой). Разность наибольшего и наименьшего диа­ метров волокна в отдельных сечениях изменялась от 3,4 до 9,7 мкм при среднем диаметре волокна 6 мкм, а коэффициент вариации из­ менялся от 12 до 24%. Интересно то, что порядок величин коэффи­ циентов вариации диаметра одного волокна по его длине и раз­ ных волокон в сечении нити один и тот же, и, следовательно, разброс величин диаметров волокон в сечении нити, а также изме­

представляющей собой пучок волокон, диаметр каждого волокна периодически колеблется по его длине, независимо от других во­ локон, при этом колебания диаметра отдельных групп волокон сдвинуты по фазе.

107

взвешиваемых отрезков было проведено на двух паковках, от каж­

Исследовалось влияние числа волокон нити на ее неровноту. Для этого использовались нити, выработанные из одного стекло­

с увеличением числа волокон неровнота нити снижается. По харак­

Неровнота нитей, выработанных на различных заводах стек­ лянного волокна из сосудов одинаковой конструкции, примерно

и внешнюю неровноту нитей (с различных паковок). Все приве­ денные выше показатели относятся к внутренней неровноте нитей. Внешняя неровнота, как правило, несколько выше внутренней.

окружающей среды и значительном повышении температуры (выше

108

Рис, 6.2. Изменение массы ЮСКметровых отрезков по длине нити: