Материалы 21 века

    Стекловолокно и стеклоткань

    Из  обычного стекла можно получить тонкие весьма гибкие нити, пригодные для  изготовления ткани. В современной технике стекловолокно из специальных марок стекла наиболее широко используется в волоконной оптике, для изготовления композиционных (фиберглас), электроизолирующих (напр. стеклолента, стеклотекстолит) и теплоизолирующих (стекловата) материалов. 

1. 5. технологии производства стекла

    Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов.

    1.  Цикл  технологии стекломассы включает операции:

  а)  подготовки сырых материалов;

  б)  смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

  в)  варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы. 

    2. Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

  а)  доведения стекломассы до температуры (и вязкости), требуемой условиями формования из неё разнообразных стеклянных изделий;

  б)  формования изделий;

  в)  постеленного охлаждения изделий до комнатной температуры с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;

  г) термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

      Сырые материалы, применяемые для стекловарения, делятся на  главные и вспомогательные.

    Вспомогательные материалы служат для улучшения качества стекла и получения стекла с особыми свойствами.

    Главные сырые материалы содержат кремнезём, борный и фосфорный гидриды, амфотерную окись алюминия, оксиды елочных и щёлочноземельных металлов, окись свинца, цинка и др. Кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и гранулометрическим (зерновым) составом. Вредными примесями являются, прежде всего, соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка для стекловарения должен находиться в пределах примерно 0,2—0,5 мм. Окись алюминия, применяемая в производстве большинства промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия или в виде чистого глинозёма. Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой либо (частично) с селитрой. Окись калия вводится в виде солей — кислой  или азотнокислой (селитра); применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол и даётся в виде содержащих литий минералов. Окись кальция вводится преимущественно в виде мела или известняка; окись магния — в виде доломита, магнезита или жжёной магнезии. Окись бария применяется в виде углекислого, азотнокислого и (реже) сернокислого бария; используется при производстве оптических стекол и хрусталя. В тех же производствах находит применение окись свинца, которая вводится в виде сурика или глёта. Окись цинка даётся как таковая или в виде цинковых белил; применяется в производство оптических, химико-лабораторных и некоторых других стекол. В стекловарении используются также материалы, содержащие одновременно соответственные горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

    К вспомогательным  сырым  материалам относятся осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, а также восстановители (углеродистые вещества). В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, трёхокись и пятиокись мышьяка в сочетании с селитрой, плавиковый шпат. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями. Химическое действие обесцвечивателей сводится к окислению в стекло соединений железа. При применении физического методов обесцвечивания в шихту вводятся в незначительных количествах вещества, окрашивающие стекломассу в дополнительный к зелёному цвет (селен, соединения кобальта, марганца и др.). В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др. Рассеивающие свет, т. е. белые, мало прозрачные стекла называются глухими или заглушенными. В зависимости от степени глушения различают молочные (наиболее заглушенные), опаловые и опалесцирующие С. В качестве глушителей применяются различные фтористые соединения, фосфаты, соединения сурьмы, олова и др.

    Подготовка  сырых материалов заключается в сушке, измельчении в дробилках, бегунах или дезинтеграторах, просеивании и смешивании в. определённых весовых отношениях. Однородная смесь сырых материалов составляет шихту. Однородность шихты, от которой в значительной мере зависит качество стекломассы, определяется гранулометрическим, составом сырых материалов, степенью их увлажнения, постоянством их химического состава, способом и продолжительностью перемешивания шихты и др. На стекольных заводах чаще всего применяют тарельчатые либо конусные барабанные смесители. На крупных заводах шихту хранят в бункерах. Наибольшая однородность шихты достигается при её брикетировании, которое исключает расслоение шихты при хранении и особенно передвижении, а также устраняет загрязнение пылью регенератора и уменьшает износ в печах огнеупоров. Расчёт шихты ведётся обычно на 100 весовых частей С., с учётом частичного улетучивания некоторых составных частей — борной кислоты, щелочей, фтора и др.

    Стекловарение ведётся при температурах порядка 1400°—1600°. В нём различают три стадии.

    1. провар, или варка в собственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкой массы. Так как при нагревании из шихты обильно выделяются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков.

    2. очистка или осветление - удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре.

    2. заключительная, стадия — т. и. студка стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры (в зависимости от процесса производства и, следовательно, вязкости), при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Автоматически регулируются: давление (тяга) в печи; соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры. Каждый из них влияет на температуру в печи, поэтому, регулируя их в совокупности, можно обеспечить постоянство температурного режима варки стекломассы и, следовательно, надлежащее её качество.

    Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Так, при производстве оптического стекла, к которому предъявляются особо жёсткие требования в отношении постоянства оптических свойств, однородности, прозрачности и прочее, требуется на всех стадиях варки длительное размешивание массы. В связи с очень большой её вязкостью и применением высоких температур своеобразна техника варки кварцевого стекла. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900°—2000° индукционными токами высокой частоты, либо прямым пропусканием электрического тока (электропроводность стекла значительно возрастает при повышении температуры). В конце варки в печь впускают воздух под атмосферным или повышенным (от компрессора) давлением. Другой способ варки этого стекла— сплавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной  горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°.

    Формование (выработка) стеклянных изделий из стекломассы на протяжении тысячелетий производилось вручную. Значительно эффективнее ручного машинное формование. В зависимости от вида вырабатываемых изделий на практике используют несколько способов формования. Прессование применяется в производстве некоторых видов посудных изделий (чайные стаканы, пивные кружки, маслёнки, сахарницы и т. п.), стеклянной тары, архитектурных деталей и др. Оно может быть как ручным, так и машинным. Для ручного прессования служат пружинные или эксцентриковые прессы. Как ни разнообразны конструкции ручных и машинных прессов, все они имеют три основные формующие детали: форму (матрицу) с поддоном, пуансон и съёмное формовое кольцо. Первая деталь определяет внешнюю форму изделия, вторая внутреннюю, третья край изделия.

    Выдувание - специфический метод формования, применяемый в технике только к стеклу. Возможности этого метода весьма широки: производство сортовой (столовой) посуды, узкогорлой тары, электровакуумных изделий и т. д. При производстве немассовых изделий до сих пор применяется ручной способ выдувания. Основным инструментом рабочего выдувальщика является стеклодувная трубка. В течение долгой истории стеклоделия выдувание производилось ртом, ныне сконструированы и применяются «трубки-самодувки».

    Прессовыдувание применяется в машинном производстве широкогорлой стеклянной тары (банки различных типов). Предварительная заготовка и формование горла изделия производятся при этом способе прессованием (в черновой форме), а остальная часть изделия — выдуванием (в чистовой форме). Вытягивание изделий из стекломассы, как и выдувание, — своеобразный метод формования, применимый только к таким весьма вязким материалам, как стекло, притом с вязкостью, быстро возрастающей при понижении температуры. Методом вытягивания на различных машинах  (разными способами)  изготовляются: оконное и техническое листовое стекло, стеклянные дроты (трубки малого диаметра), трубы, стержни, стеклянное волокно. Прокатка стекла в её современном виде заключается в том, что струя стекломассы непрерывно поступает из печи в пространство между вращающимися вальцами, где и прокатывается в ленту, убираемую транспортёром. Методом непрерывной прокатки изготовляется листовое стекло различных видов, преимущественно строительное, толщиной в 3 мм и больше: армированное (стекло с закатанной в него металлической сеткой), узорчатое, волнистое (имеющее форму кровельного шифера) и др. Прокатка применяется также в производстве стеклянных труб: стекломасса непрерывно поступает на вращающийся вал и развальцовывается двумя роликами; внутренний диаметр трубы определяется диаметром формующего вала. Отливка стеклянных изделий в формы встречается на практике редко; так изготовляются, например, крупные диски для астрономических приборов. Ведутся опыты по отливке фасонных труб с раструбами и фланцами в быстро вращающиеся формы (способ центробежного литья).

    Моллирование - способ образования изделий в формах, при подаче в них стекла в виде твёрдых кусков. В результате постепенного нагревания стекла становится вязким и заполняет форму под действием либо собственного веса, либо внешнего усилия (прессование). Моллированием формуются заготовки из оптического стекла и крупная стеклянная скульптура.

    Отжиг отформованных, еще горячих изделий служит для предотвращения возникновения в них внутренних неравномерных напряжении, появляющихся при быстром охлаждении на воздухе и вызывающих самопроизвольное растрескивание стекла. Отжиг сводится к выдерживанию изделий в течение некоторого времени при температуре, близкой к температуре размягчения стекла, и к последующему медленному охлаждению их по определённому режиму. Отжиг производится в отжигательных печах непрерывного или периодич. действия. Длительность отжига определяется толщиной (массивностью) изделий до нескольких месяцев (астрономич, объективы). Не требуют отжига только некоторые тонкостенные изделия, например дроты, колбы (оболочки) для электрич, ламп и т. п.

    Закалка стекла— операция, обратная отжигу. Её назначение — создать в изделиях сильные равномерно распределённые напряжения. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны, чем отожжённые. В результате закалки получается небьющееся стекло, применяемое для остекления окон вагонов, автомобилей, самолётов и т. п. Чтобы закалить листовое стекло, его предварительно разогревают до 600°—650°, затем быстро охлаждают в обдувочной решётке путём равномерного обдувания воздухом.

    Обработка (отделка) отформованных стеклянных изделий может быть разделена на горячую (огневую), холодную (механическую) и химическую, которые применяются в отдельности либо во взаимном сочетании.

Горячая обработка стекла включает отколку, отопку, огневую полировку и другие операции, требующие нагревания изделий. Отколка колпачков («набелей»), образующихся на выдувных изделиях после выработки в форме, производится посредством надреза алмазом и последующего прогрева изделия у надреза узким пламенем горелки; колпачок отскакивает , по линии надреза, после чего острые края шлифуются или подвергаются оплавлению ручную, с помощью горелки, или на машинах периодического либо непрерывного действия. Огневая полировка (оплавление поверхности изделий) обычно производится вручную.

    К холодной обработке стекла  относятся  его резка, (сверление, шлифовка и полировка. Последние две  операции придают стеклу ровную и гладкую поверхность. {Шлифовка—сначала грубая (обдирка), затем тонкая (дистировка) — осуществляется с помощью (абразивов и даёт матовую поверхность изделий. Полировка (обычно крокусом) сглаживает микро неровности поверхности, остающиеся после шлифовки, и придаёт стеклу прозрачность и блеск. В производство листового стекла шлифовка и полировка выполняются на одинаковых станках (ручных или конвейерных), только при шлифовке применяется {металлический плоский диск, а при полировке — {мягкий (например, суконный) полировальник. При массовом поточном производстве автоматические шлифовка и полировка осуществляются на конвейерных линиях, производительность которых определяется сотнями тысяч квадратных метров листового стекла в год. Шлифовка применяется также для нанесения матовых узоров на поверхность стеклянных изделий с помощью пескоструйных аппаратов и для образования на изделиях алмазных граней. Химическая обработка применяется для получения при кислотной полировке, клеймении, художественно-декоративной отделке стеклянных изделий. Распространённым методом химической обработки является травление стекла азотобразным фтористым водородом или растворами плавиковой кислоты и её солей. Взаимодейтвие фтористых соединений со стеклом приводит к образованию нерастворимых и малорастворимых химических соединений, и поверхность изделия становится матовой. При травлении слабыми растворами плавиковой кислоты в смеси с концентрированной серной кислотой на поверхности стекла происходит равномерное образование растворимых соединений, и она становится гладкой и блестящей (кислотная полировка). Для нанесения на изделия методом травления рисунков применяют специальные машины — пантографы, резец которых вычерчивает рисунок на предварительно нанесённом на изделие защитном кислотоупорном слое, снимая его; после этого изделие погружают в ванну с раствором кислоты, которая протравливает стекло в местах, где оно обнажено резцом. Обработкой парами хлористого олова в сочетании с другими солями получают ирризирующие стекла, поверхность которых похожа на перламутр; при комбинированном прогреве слабо окрашенного стекла с молочным стеклом и последующем травлении плавиковой кислотой получают атласные стекла и т.д.