Файл: УП Наполнители.doc

Влияние состава стекла на его свойства.

Свойства стекол определяются, прежде всего, составом стекломассы. Кремнезем (диоксид кремния) является одним из важнейших компонентов любого стекла. Он плавится при очень высокой температуре и его расплав имеет высокую вязкость, вследствие чего возникают оп­ределенные технологические трудности при получении стекол, в частности, затруднено удаление пузырьков воздуха. Для сни­жения температуры плавления и вязкости расплава диоксида кремния в состав стекломассы вводят ряд других оксидов (плавней).

Сочетание 75% диоксида кремния и 25% оксида натрия дает стекло, которое обладает низкой влагостойкостью. Введение СаО или СаО—MgO позволяет повысить влагостойкость стекла, но при этом повышается склонность его к расстекловыванию. При добавлении небольшого количества глинозема (А1₂0₃) склонность к расстекловыванию можно свести к минимуму, но при этом увели­чится вязкость расплава.

Модификация стекол различными оксидами, хорошо раствори­мыми в расплаве, дает возможность направленно регулировать их свойства, что широко используется на практике. К настоящему моменту накоплена обширная информация о влиянии различных оксидов и их сочетаний с другими ингредиентами на свойства сте­кол. Тщательно изучены процессы окисления и восстановления в стеклах, а также степень их кислотности. Эмпирический метод создания рецептур стекол ушел в прошлое. В настоящее время в распоряжении исследователей находится первоклассная аппара­тура для проведения анализа состава, структуры и оценки свойств стекол.

В таблице 15.2 перечислены оксиды, используемые в производ­стве стекол, и их влияние на свойства стекол в расплаве и в ус­ловиях эксплуатации.

Таблица 15.2 - Влияние оксидов, используемых в производстве стекла, на их свойства [1].

Для получения стекол с заданными свойствами можно использовать не только отдельные оксиды, но и их комбинации [1].

15.3 Характеристика стекловолокон

Стеклянные волокна в зависимости от их назначения и способа производства изготавливают из стекол различного химического со­става (таблица 15.1).

Комплексную нить получают главным образом из безщелочного алюмоборосиликатного стекла. Волокна, работающие при температурах около 1000°С, получают из кварцевого стекла, расплавов каолина и щелочесодержащих стекол, в которых после выщелачивания содержание SiO₂ достигает 96-97%. Комплексную нить, предназначенную для защиты от рентгеновских и радиоактивных излучений, получают из свинцово- и боросодержащих стекол. Полупроводящие волокна - из стекол, содержащих одновалентные оксиды меди и серебра.

Свойства стеклянных волокон зависят не только от состава стекла, но и от способа производства, диаметра нити, состояния и температуры окружающей среды.

Свойства стеклянных волокон во многом определяются их составом, воздействием окружающей среды (особенно влаги), тем­пературой испытания, условиями текстильной переработки.

Для изготовления стеклопластиков конструкционного и электротехнического назначения широко применяются стеклянные волокна алюмоборосиликатного состава с низким содержанием ок­сидов щелочных элементов, обладающие одновременно высокой прочностью и высокими показателями объемного поверхностного электрического сопротивления (стекло Е). Для изготовления стек­лопластиков и конструкций, где требуется повышенная прочность и жесткость, применяют волокна из стекла магнезиального алюмо-силикатного состава (стекло ВМ-1, ВМП, за рубежом — S-994). Для изготовления пластиков с повышенной стойкостью к действию кислот применяют щелочные составы (стекло 7А, С), для радиа­ционной защиты — свинцовое стекло (состав L). Для изготовления высокотемпературной изоляции и пластиков теплозащитного на­значения освоено производство тугоплавких волокон (кварцевых, кремнеземных, базальтовых).

Свойства наиболее широко применяемых стеклян­ных волокон приведены в таблице 15.3.

Таблица 15.3 – Свойства стеклянных волокон и стекол различного состава [3].

Продолжение таблицы 1.3

Чистый оксид кремния SiО₂ в стеклообразном состоянии (кварцевое стекло) прозрачен в диапазоне длин волн от 200 до 5000 нм, устойчив к действию минеральных кислот (кроме HF и Н₃Р0₄ при нагревании), отличается радиационной стойкостью, тер­мостойкостью, огнеупорностью (Т_раб=1000°C — длительно и 1900°С — кратковременно), практически не имеет диэлектрических потерь в широком диапазоне частот. Для изготовления непрерыв­ных кварцевых волокон применяется штабиковый способ — вытяж­ка волокон из кварцевых штабиков или трубок диаметром 3 — 4 мм, концы которых расплавляются пламенем газовых горелок (Т~2150°С). Этот способ малопроизводительный и в значительной степени ограничивает применение кварцевых волокон.

Промыш­ленные кварцевые волокна всегда содержат примеси других окис­лов, которые создают микронеоднородности и резко снижают прочность промышленных волокон по сравнению с чистыми волок­нами или с теоретической прочностью кварца.

Кремнеземное или кварцоидное волокно изготавливают вы­щелачиванием стеклянных (натрий-силикатных, натрий-циркон-си­ликатных) волокон в растворах кислот до содержания оксида кремния 96 — 99%. Этот процесс сопровождается появлением пор, снижением прочности до 500 — 1000 МПа и ростом влагоемкости. Нагрев кремнеземных волокон приводит к их усадке (до 6%) и по­явлению остаточных напряжений. Кремнеземные волокна устойчи­вы к действию интенсивного гамма-нейтронного облучения и аг­рессивных сред — кислот и щелочей.

Боратные стекловолокна, основной компонент которых В₂О₃, способны эффективно поглощать медленные нейтроны.

Физико-механические свойства. Основными механическими характеристиками стеклянных во­локон являются прочность при растяжении и модуль упругости. Высокая прочность стеклянных волокон заложена в самой природе стекла: теоретически рассчитанное разрушающее напряжение при растяжении стекла составляет 10 — 14 ГПа в случае многокомпо­нентных составов и 25 ГПа для плавленого кварца.

Прочность технических волокон лежит в пределах 1 — 6 ГПа и зависит, помимо их состава и условий вытяжки (температуры, влажности окружающей среды), от степени дефектности волокон (поверхностные микротрещины, внутренние пустоты и различные включения), взаимодействия поверхности волокна с влагой, струк­турной неоднородности (микрообъемы с несколько отличной структурой, плотностью, химическим составом), температурного воздействия. Прочность стеклянных волокон возрастает с увеличением содержания в них оксидов кремния и алюминия.