Волокнистые наполнители

В композиционных материалах (КМ) применяют разнообразные волокнистые наполнители:
  1. керамические (стеклянные, углеродные, борные),
  2. полимерные (органические, поливинил-спиртовые и т. п.)
  3. (редко) металлические.
Основная функция наполнителя в КМ — обеспечение заданных прочностных и (частично) теплофизических свойств. Поэтому качество наполнителя оценивают его прочностными характеристиками, адгезионной способностью и термостабильностью. Эти характеристики в совокупности наиболее предпочтительны для стеклянного наполнителя (стекловолокна), прочность которого составляет 1470—4900 МПа; модуль упругости 49—123 ГПа; относительное удлинение при разрыве 1,5—5,4%; температура плавления 1710°С; допустимая температура длительной эксплуатации 350—800°С; адгезионная прочность к связующему 16—40 МПа.
C учетом низкой стоимости и относительной простоты получения стекловолокна становятся понятными причины широкого применения его в производстве КМ.Для получения КМ c повышенной упругостью используют углеродные, борные и органические волокна, а сами материалы называют соответственно угле-, боро- и органопластиками. Эти виды КМ находят пока ограниченное применение в промышленности, поэтому далее под волокнистым наполнителем понимают преимущественно стекловолокно.
Волокнистые наполнители по химическому составу различают щелочные и бесщелочные стекловолокна. Первые более дешевы, но уступают вторым по прочностным свойствам и химической стойкости при высоких тепловых нагрузках. Поэтому при изготовлении слабо нагруженных изделий применяют щелочные волокна, а для так называемых ответственных изделий (эксплуатируемых в условиях больших силовых и температурных воздействий или в коррозионных средах) — бесщелочные наполнители, получаемые из алюмосиликатных и титан- или борсодержащих стекол.Для получения наполнителя применяют непрерывные и штапельные элементарные стекловолокна диаметром 3—20 мкм. Непрерывные волокна характеризуются большой длиной (до нескольких километров) и параллельной укладкой.
Штапельные волокна короткие (несколько десятков см) и хаотически уложены. Из непрерывных волокон изготовляют нити (в каждую нить входит 2—48 волокон) и жгуты (ленты), объединяющие 20—100 нитей. Качество жгута или нити характеризуют линейной плотностью и средней прочностью (значение последней обычно заметно отличается от прочности КМ, так как полимерная матрица увеличивает запас прочности наполнителя). Нити и жгуты (ленты) используют, как правило, для производства ответственных изделий методом намотки.Другое направление переработки стекловолокна связано c получением из него рулонных наполнителей — тканых и нетканых материалов. Тканые наполнители изготавливают методами традиционной текстильной переработки стеклонитей. Нетканые наполнители (холсты) вырабатывают из короткорубленых жгутов или штапеля. Для связи волокон в холсте применяют небольшие количества связующего или прошивку нитями.Волокнистые наполнители рулонные используют в производстве слабо нагруженных изделий (дренажные трубы, кровельные листы, воздуховоды и т. п.).

Прочность и адгезионная способность стекловолокна во многом определяется сохранностью его поверхности, прошедшей своеобразную «закалку» в процессе вытяжки через фильеру. Для защиты поверхностей волокна при его хранении и переработке применяют различные замасливатели в виде эмульсий из жирных кислот и парафинов. Эти покрытия снижают адгезионную способность стеклонаполнителя, поэтому перед его использованием замасливатель удаляют.

Элементарные волокна 8 получают вытягиванием расплава стекла через фильеры (малые отверстия c насадками или без них), расположенные на дне фильерного питателя 6 установки производства стекловолокна (рис. 1.1). Жидкое стекло поступает в питатель непосредственно из стекловаренной печи 3 или образуется в корпусе питателя при плавлении стеклянных шариков (рис. 1.1,6), которые предварительно получают из стекломассы, охлаждают и хранят в бункере 2. Для плавления шариков используют электрический ток, который через токоподводы 7 пропускается через металлический корпус питателя. Первый способ производства стекловолокна называют одностадийным, второй — двухстадийным.

1111

Рис. 1.1. Схема получения стекловолокна двухстадийным (а) и одностадийным (б) способами: 1 — загрузчик шихты; 2 — бункер шихты или стеклошариков; 3 — стекловаренная печь; 4 — расплавленная стекломасса; 5 — фидер; 6 — фильерный питатель; 7 — токоподводы; 8 — элементарные стекловолокна

Первоначально стекловолокно диаметром 2—9 мкм, используемое для выработки стеклотканей, производили двухстадийным способом. Однако для изготовления стекловолокна диаметром 9—20 мкм, которое широко используют в КМ, этот способ оказался экономически неэффективным из-за больших затрат энергии на охлаждение и повторное плавление стекло-шариков. Поэтому большее распространение начинает получать одностадийный способ выработки стекловолокна диаметром 9—20 мкм, хотя в этом случае требования к конструктивному оформлению технологического процесса и системе автоматизации более жесткие.

Стекловолокно получают преимущественно из бесщелочного стекла «Е», которое вырабатывают в стеклоплавильных печах. Эти небольшие по размерам ванные печи соотношением длины к ширине не менее 3:1, отапливаемые пламенными горелками, в которых сжигают газ, мазут, керосин (некоторые печи оборудованы электрическими нагревателями). Используемый для сжигания топлива воздух подогревается в рекуператорах или (реже) регенераторах. Плавильная печь (рис. l.l,c) оборудована c одного конца несколькими загрузочными отверстиями, через которые в нее из бункера 2 шнеком, подается шихта и отходы стекловолокна; сваренная стекломасса 4 вытекает c противоположного конца печи в раздаточный фидер (распределитель) 5.

Качество стекла зависит от состава и однородности шихты и наличия различных примесей в стекломассе. В частности, неоднородность шихты вызывает местные изменения вязкости стекломассы, которые влияют на ее расход через фильеры и могут приводить к обрыву элементарных волокон. Твердые даже субмикронные включения в непрерывном волокне действуют как концентраторы напряжений и также способствуют обрыву элементарных волокон.

Сваренное стекло поступает из печи по раздаточным фидерам либо к автоматам для получения стеклянных шариков, либо к питателям, установленным в дне фидерных каналов. В обоих случаях фидер обеспечивает «доводку» температуры и вязкости стекломассы до требуемых значений.

Фидеры для производства стеклошариков имеют небольшую длину и поэтому стабилизация температуры, а, следовательно и вязкости, стекломассы не вызывает затруднений. Длина фидеров одностадийной установки значительна (до 50 м); конструкция всей фидерной системы может быть различной для установок разной производительности. Наибольшее распространение получили так называемые Т-образные и Н-образные конструкции фидеров для установок малой и средней производительности. Для печей большой производительности фидерная система может иметь вид гребенки. Стабилизация температуры и вязкости движущейся стекломассы в таких фидерах требует применения отопительных газовых горелок или электрических нагревателей.При газовом отоплении в основном используют газовоздушную смесь c требуемым соотношением «газ — воздух», подаваемую на горелки фидера. Эта схема отопления экономически выгоднее той, в
которой топливо смешивается c воздухом непосредственно в каждой горелке.

Фильерные питатели, из которых вытягивают стеклянные волокна, представляют собой нагревательную печь, изготовленную из платинового сплава и обогреваемую пропускаемым через нее переменным током от «печных» трансформаторов. При одностадийном способе получения волокна необходимо лишь точно поддерживать заданную температуру расплава стекла в фильерном питателе, поэтому применяют маломощные «печные» трансформаторы. Для двухстадийного способа, в котором значительная часть мощности расходуется на плавление стеклянных шариков, требуются весьма мощные трансформаторы. Разные функции фильерных питателей определили и различие в их конструкции (см. рис. 1.1). Если конструкция питателя для одностадийного способа относительно проста, то фильерный питатель для двухстадийного способа содержит ряд дополнительных конструктивных элементов для обеспечения плавления холодных стеклянных шариков c требуемой скоростью и предотвращения попадания их в нижнюю зону питателя и нарушения температурного режима расплава. Число фильер в дне питателя колеблется от 200 до 6000 и зависит от требуемых диаметра элементарных волокон и их линейной плотности. Под фильер-ной пластиной между рядами фильер располагают ребра или трубки, служащие для быстрого охлаждения стеклянных волокон и стабилизации процесса их вытягивания.

Волокнистые наполнители (Элементарные волокна) после фильер собираются в комплексную нить, которая проходит через замасливающее устройство в виде смоченного определенным составом валка (ленты), и далее, пройдя через нитесборник и раскладчик, наматывается на вращающуюся бобину, установленную на наматывающем аппарате.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Город: Пермь

Год: 2007