книги из ГПНТБ / Производство стеклянных волокон и тканей

110

Г Л А В А 7

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТЕКЛА НА ПРОЦЕСС ФОРМОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО

СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА

Физико-химические свойства стекла (характер изменения вяз­ кости, поверхностное натяжение, кристаллизационная способность, однородность и др.) определяют принципиальную возможность формования стеклянного волокна, аппаратурное оформление про­ цесса и показатели его производства.

Свободная струя любой жидкости, в том числе и стекломассы, сохраняет свею форму при определенных соотношениях вязкости и поверхностного натяжения. Под действием сил поверхностного натяжения свободная струя маловязкой жидкости распадается на отдельные утолщения, связанные перемычками. А затем, если вяз­ кость жидкости остается малой, утолщения превращаются в от­ дельные шарообразные капли. С увеличением вязкости распад жидкой струи затрудняется, и она приобретает способность растя­ гиваться в тонкие нити. Показателем способности жидкости к вытя­ гиванию в волокно может служить отношение ее вязкости г) к по­ верхностному натяжению у .

Ниже сопоставляются значения вязкости, поверхностного натя­ жения и способность некоторых веществ к вытягиванию в нить:

к волокнообразованию зависит от вязкости стекломассы. При малой вязкости стекломассы (высокой температуре фильерной пластины) наблюдается только капельное истечение стекломассы и процесс формования осуществить не представляется возможным. При повы­ шении вязкости наступает момент, когда вытягивание волокна ста­ новится осуществимым, но при этом наблюдаются «проскоки» стек­ л а (заметные на глаз утолщения волокна). Вязкость и температура стекломассы на выходе из фильеры, соответствующие этим явле­ ниям, рассматриваются как нижний предел рабочего интервала вязкости и верхний предел рабочего интервала температур. При дальнейшем увеличении вязкости вместе с ростом отношения г\/у повышается и способность стекломассы к волокнообразованию.

112

Однако возрастание вязкости сопровождается увеличением напря­ жений, которые развиваются в стекломассе в процессе ее формова­ ния и при достижении определенной величины препятствуют про­ должению процесса вытягивания. Вязкость и температура, соответ­ ствующие этим явлениям, рассматриваются как верхний предел рабочего интервала вязкости и нижний предел рабочего интервала температур. Значения вязкости и температуры, характеризующие рабочие интервалы выработки волокна, определяются для стекло­ массы на выходе из фильеры; их величина зависит от условий охлаждения стекломассы в подфильерной зоне.

В отсутствие охлаждающих устройств рабочий интервал вязко­ сти составляет примерно 103'2—103'8 пз. Такая вязкость должна быть достигнута при сравнительно низкой температуре (менее 1250°С) для увеличения срока службы платинородиевого сплава, используемого в качестве материала для стеклоплавильных сосу­ дов.

Рабочий интервал температур, соответствующий рабочему интер­ валу вязкостей, должен быть сравнительно широким (50—100 °С), так как это позволяет более тонко регулировать расход стекло­ массы.

Температура, при которой в стекле начинают появляться види­ мые под микроскопом кристаллы, должна быть ниже рабочего ин­ тервала температур, по крайней мере той температуры, при кото­ рой происходит формование волокна. В противном случае в стек­ лоплавильном сосуде могут образоваться кристаллы, вызывающие обрыв волокон и снижение их прочности. Желательна также малая скорость кристаллизации стекла, так как это дает возможность изменять температуру в стеклоплавильном сосуде в более широких пределах.

Существенное влияние на процесс формования непрерывного стеклянного волокна оказывает скорость твердения стекла. Для массивного стекла установлено следующее: 1) чем круче кривая зависимости вязкости стекла от температуры, тем выше скорость твердения стекла; 2) скорость твердения стекол, не содержащих красящих окислов (за исключением М п 2 0 3 ) , мало зависит от их химического состава и определяется главным образом их тепло­ проводностью и теплоемкостью; 3) добавка красителей, вызываю­ щих поглощение инфракрасных лучей, значительно увеличивает скорость твердения внешних слоев стекла при одновременном сни­ жении скорости твердения внутренних слоев; 4) скорость тверде­ ния стекла зависит от его массы, величины отношения поверхно­ сти стекла к его массе, а также от температуры и скорости движе­ ния окружающей среды.

Скорость твердения стекломассы в процессе формования волок­ на определяется характером изменения вязкости с температурой (рис. 7.1) и продолжительностью охлаждения стекломассы (про­ должительностью формования волокна). Для стандартных про­ мышленных сосудов продолжительность формования волокна опре-

деляется главным образом диаметром фильер и расходом стекло­ массы. При постоянном расходе стекломассы и одинаковых усло­ виях ее охлаждения в подфильерной зоне сравнительная скорость твердения стекломассы может характеризоваться только кривой

дения. Чем круче кривая, тем больше скорость твердения и расход стекломассы для данного стекла, и для получения одинаковой по толщине нити потребуется меньший диаметр фильер.

При введении в составы стекол красящих окислов, например 1—3% СоО, достигнуто уівел-ичениэ скорости твердения и расхода стекломассы.

Из рисунка видно, что неровнота нити, выработанной из бесщелоч­ ного стекла, значительно ниже, чем для нити из нейтрального стекла. Обрывность также ниже в 1,5 раза. Таким образом, при повышении скорости твердения стекла расход стекломассы увели­ чивается, а разнотолщинность и обрывность волокон уменьшаются, т. е. устойчивость процесса формования возрастает.

Заметное влияние на процесс формования непрерывного стек­ лянного волокна оказывает поверхностное натяжение стекла, вели­ чина которого определяет работу, затрачиваемую на образование

114

При понижении температуры поверхностное натяжение медленно

Поверхностное натяжение различных по составу стекол при темпе­ ратуре 1250 °С изменяется в пределах 270—360 дин/см.

ТВердое тело

Рис. 7.3. Краевой угол смачивания Ѳ жидкостью твер дой подложки.

Влияние поверхностного натяжения стекла на процесс формо­ вания волокна изучалось для двух нейтральных стекол, близких по составу и вязкостным характеристикам и различающихся на 11% по величине поверхностного натяжения (в одно из стекол до­ бавлялось поверхностно-активное вещество V2O5). Данные о неровноте нитей, выработанных в одинаковых условиях из этих стекол (см. рис. 7.2, кривые 1 и 2), свидетельствуют о том, что снижение поверхностного натяжения стекла уменьшает разнотолщинность волокна. Обрывность волокон, вырабатываемых из стекла с мень­ шим поверхностным натяжением, также оказалась почти вдвое ниже.

С понижением поверхностного натяжения стекла существеннс усиливается смачиваемость стекломассой металлических подложек. Согласно теории смачивания жидкость растекается, если взаимо­ действие между частицами жидкости на поверхности капли меньше сил взаимодействия частиц жидкости и твердого тела, на котором смачивание происходит, и наоборот. Степень смачивания может быть описана величиной угла смачивания, образующегося между твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкости в точ­ ке пересечения (рис. 7.3).

Смачивание платины бесщелочным и нейтральным стеклами при нагреве их плавно увеличивается. При температуре 850 °С для бес­ щелочного стекла и 900 °С — для нейтрального степень смачивания резко возрастает (cos Ѳ меняет знак плюс на минус); при даль­ нейшем нагреве стекол до 1200°С смачиваемость снова медленно увеличивается. Для бесщелочного стекла угол смачивания умень­ шается от 40 градусов при температуре 950 °С до 18 градусов при температуре 1200 °С. Для нейтрального стекла уюл смачива-

ния соответственно снижается от 56 градусов до 31 градуса. Сма­ чивающая способность стекла в значительной степени зависит от среды, в которой происходит смачивание, и материала подложки. В атмосфере азота, водорода, двуокиси углерода и водяных паров силикатные и борные стекла вообще не смачивают поверхности пла­ тины. В присутствии следов кислорода расплавленное стекло не­ медленно растекается по всей поверхности металла. Полагают, что на платине в атмосфере кислорода образуется пленка, способствую­ щая растеканию стекла. Влияние металлической подложки и соста­ ва стекла на смачиваемость фильерной пластины расплавленной стекломассой учитывается при разработке новых составов стекол для стеклянного волокна и новых материалов для стеклоплавиль­ ных сосудов.

При сильном смачивании на нижнем срезе фильер не образуют­ ся капли, стекломасса ползет вверх по фильерам и растекается между ними по пластине, происходит затекание фильерной пла­ стины стекломассой, в результате чего возрастает время, затрачи­ ваемое оператором на заправку волокон, и усложняется обслу­ живание установки. Фильерная пластина, затекшая однажды, значительно легче затекает повторно. Кроме того, фильера, покры­

сы через фильеры уменьшается. Для снижения смачиваемости в процессе формования волокон необходимо снижать температуру стекломассы и фильерной пластины и регулировать температуру воздушной среды, окружающей фильеру и луковицу. Это дости­ гается удалением керамической изоляции сосуда на расстояние 5—10 мм от фильерной пластины, а также применением дополни­ тельных охлаждающих устройств.

Качество стекломассы •— постоянство химического состава, сте­ пень осветления, однородность, наличие или отсутствие включений (свиль, кристаллы, воздушные и газовые пузыри) — во многом определяет характер процесса формования и свойства стеклянного волокна.

От технологических режимов варки стекла в стекловаренной печи и выработки стеклянных шариков зависит количество газов, растворенных в шариках, и та температура, при которой растворен­ ные газы начинают выделяться из стекла. Так как максимальная температура в стеклоплавильном сосуде близка к температуре вы­ работки шариков, в случае выработки волокна при повышенной тем­ пературе или из плохо осветленной стекломассы наблюдается вспе­

Газовые включения в виде «мошки», содержащиеся в стеклян­ ных шариках, почти не увеличивают обрывности волокна. Они вытягиваются вдоль оси волокна, образуя микрокапилляры.

116

Г Л А В А 8

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ

НЕПРЕРЫВНОГО СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА

•

ПЛАВЛЕНИЕ СТЕКЛА И ПОДГОТОВКА ЕГО К ФОРМОВАНИЮ В СТЕКЛОПЛАВИЛЬНОМ СОСУДЕ

Плавление стекла и подготовка его ік формованию происходят в стеклоплавильных сосудах. Стандартный промышленный стекло­ плавильный сосуд (рис. 8.1) представляет собой малогабаритную

г

(емкостью 2—5 л) электрическую печь сопротивления, изготовлен­ ную из сплава драгоценных металлов, главным образом из плати­ ны и родия. Корпус сосуда состоит из боковых 1 и торцевых стенок, крышки 2 с загрузочными трубками 3 и уровнемерной трубкой 4. Снизу сосуд ограничен фильерной пластиной 7 с фильерами 8. Внутри сосуда имеются экраны 5 и фильтрующая сетка 9. Про­

обеспечивать: 1) достаточную механическую прочность элементов, особенно фильерной пластины, в течение предусмотренного срока службы сосуда (до одного года); 2) равномерность разогрева фильерной пластины; 3) необходимое распределение температур стекломассы по высоте сосуда; 4) устранение влияния загрузки хо­

Стеклоплавильный сосуд разогревается электрическим током си­ лой 1500—5500 а при напряжении 2—5 в. Наиболее высокую тем­ пературу имеет крышка сосуда— 1300—1450 °С, а наименьшую фильерная пластина— 1150—1250°С.

118

В рабочем состоянии сосуд почти полностью заполнен стекло­ массой (расстояние до верхней крышки 10—20 мм). Максимальная температура стекломассы наблюдается в верхней части сосуда, кроме тех мест, где происходит плавление стеклянных шариков. В зоне плавления шариков температура стекломассы составляет

кфильерной пластине, — наоборот.

Врезультате исследования температурного поля стеклоплавиль­ ного сосуда с помощью термопар установлено, что отсутствует сим­

метрия распределения температур в поперечных сечениях сосуда и наблюдается значительная неустойчивость температур для каж­ дой точки сосуда во времени. Колебания температуры стекломассы внутри сосуда вызываются главным образом движением холодных участков стекломассы из зоны загрузки стеклянных шариков. Коле­ бания температуры максимальны в зоне загрузки и затухают по высоте сосуда. Кроме основного выработочного потока стекломас­ сы, направленного сверху вниз, существуют конвекционные потоки, вызываемые перепадами температуры как внутри стекломассы, так

ного потока. Исследование потоков стекломассы в стеклоплавиль­ ном сосуде проводилось с применением интенсивно окрашенных окисью кобальта стеклянных шариков и с использованием в каче­ стве индикаторов шариков из стекла, меченного радиоактивными изотопами окиси урана и кальция. Первые следы радиоактивности появились в волокне через 30 мин после опускания в сосуд радио­ активных шариков, которые по плотности не отличались от осталь­ ных. Средняя вертикальная составляющая скорости движения хо­ лодных слоев стекломассы составила примерно 0,05 мм/сек. Мак­ симум радиоактивности был зафиксирован через 40 мин после за­ грузки стеклянных шариков. В последующем наблюдалась опреде­ ленная цикличность появления максимумов радиоактивности (при­ мерно через 30—40 мин), что дало основание предполагать наличие циркуляционных потоков стекломассы в стеклоплавильном сосуде между сеткой и фильерной пластиной. Схематичное изображение потоков представлено на рис. 8.2. Общее время нахождения стек­ лянных шариков с радиоактивными изотопами в сосуде после одно­ кратной загрузки составило примерно 3 ч.

Периодическая загрузка холодных стеклянных шариков, неод­ нородность температурного поля сосуда и сложная картина пото­ ков стекломассы в сосуде вызывают термическую неоднородность стекломассы, поступающей в фильеры, и это способствует возник­ новению обрывов волокон в зоне формования.

119