4.5. Волокнистые материалы
Материалы, состоящие из волокон или содержащие волокна, могут иметь объемную плотность значительно более низкую, чем плотность массивного материала. Это свойство волокнистых материалов используют для сверхтеплоизоляционных огнеупоров. Применение таких материалов в технике не только способствует уменьшению потерь тепла, но и эффективно решает задачу снижения материалоемкости.
Волокнистые материалы подразделяются по длине волокна на длинноволокнистые с непрерывным волокном и штапельные с коротким волокном. По кристаллическому состоянию волокнистые материалы подразделяются на стекло-, кристаллополокнистые, называемые также «усами» или «вискерсами», и микростеклокристаллические.
Большой класс составляют материалы из волокон и матрицы (массивного вещества), называемые композитами. В настоящее время волокнистые материалы и композиты применяют почти во всех отраслях техники (конструкционные материалы, высокотемпературные сверхтепло-изоляторы, полупроводящие волокна; волокна с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью; волокна с измененной геометрией — полой капиллярной структурой, стекло-, боро- и углепластики, оптические волокна и т.п.). Волокнистые теплоизоляционные материалы: асбест, шлаковата, минеральная силикатная шерсть, стекловолокно и большое разнообразие теплоизоляционных изделий на их основе играют важную роль в промышленности, но всегда имеют ограниченное применение — до температур не выше 800 °С. Эти ограничения недавно были сняты благодаря введению новой области волокон, базирующихся на бинарной системе глинозем — кремнезем, длительно работающих при 1260 °С, а с добавками оксидов хрома при 1400—1500 °С. Повышение температурного уровня применения теплоизоляционных волокнистых материалов создало в технике высоких температур прорыв, который сравнивается с революцией в электронной промышленности в связи с применением полупроводников.
4.5.1. Каолиновая вата и плиты
Каолиновая вата относится к огнеупорным материалам, поскольку ее производят из натуральных огнеупорных глин и каолинов или из синтетических смесей каолинового и высокоглиноземистого составов. Нормальный химический состав каолинового волокна находится в следующих пределах, %: 43—54А12О3; 43—54SiO2; 0,6—l,8Fe2O3; 0,1— 3,5ТЮ2; ОД—1,0СаО; 0,2—2,0K2O+Na2O; 0,08—1,2В2О3.
Каолиновые волокна относятся к штапельным и представляют собой затвердевшее высокотемпературное стекло. При нагревании каолинового волокна выше некоторой температуры и в широком интервале температур в течение длительного времени происходит расстекловывание, т.е. кристаллизация.
При этом волокна теряют гибкость, эластичность и прочность. Для волокон с содержанием глинозема от 43 до 54 % температура длительного применения составляет 1260 °С и температура плавления около 1780°С. Повышение содержания глинозема в пределах 43—55 % несущественно влияет на температуру и скорость расстекловыва-ния. Однако повышение содержания глинозема до 60 % обусловливает меньшую степень расстекловывания, чем расстекловывание волокон с меньшим содержанием глинозема. (Экономическая эффективность повышения содержания глинозема сверх 55 % пока не установлена).
Добавка оксидов хрома в количестве 2—5 % повышает вязкость стекла, что задерживает процесс кристаллизации. и, как следствие, повышает температуру длительного применения каолиновой ваты до 1450 °С. Добавки около 3% диоксида циркония способствуют получению более длинного волокна. Применяют также различные модифицирующие добавки: Na2O, B2O3, Fe2O3, MgO, TiO2, МпОг- Схема производства каолиновой ваты представлена ниже
Исходным сырьем служит смесь технического глинозема (99 % А12О3) и кварцевого песка (более 97,5%SiO2). в отношении по массе 1 : 1. При использовании природного сырья — обогащенного каолина, гидраргиллитов ит.п.-его предварительно обжигают на шамот и дробят до зерна размером ниже 3 мм. Модифицирующие добавки применяют в тонкоизмельченном виде.
Плавление шихты производят в 5-электродной руднопример стеклоткань, прошивают кварцевыми нитками или лриклеивают и получают так называемые прошивные маты.
Волокнистые плиты. Непрерывное производство волокнистых плит осуществляют несколькими способами. В оса-дительную камеру распыляют связующее: поливинилаце-татную эмульсию (ПВАЭ) или фенолформальдегидную смолу, или кремнезоль, или алюмогель и т. п. Связующее оседает на волокнах на приемно-формующем конвейере (расход связующего составляет 14—16 кг на 1 м3 готовых изделий). Смоченный ковер ваты на выходе уплотняется валками под давлением 10—20 кПа. По выходе из осади-тельной камеры ковер поступает в сушильно-полимериза-ционную камеру, где происходит сушка ковра при одновременной его подпрессовке и отверждении связующего. Камера полимеризации имеет длину 22 м. Она разделена на 4 равные секции, каждая из которых имеет циркуляционный вентилятор для подачи сушильного агента. Сушильным агентом обычно бывает дымовой газ от сжигания природного газа. Сушильный агент со скоростью 0,8—1,8 см/с в 1- и 3-ю секции подается снизу под ковер и отсасывается сверху, а во 2-ю секцию — сверху, а отсасывается снизу. Температуры газов в секциях соответственно 180, 160 и 150 °С. Ковер проходит между двумя сетчатыми лентами верхнего и нижнего транспортеров. Толщина ковра регулируется подъемом или опусканием верхней ленты. Давление на ковер постепенно доводят до 10 кПа. В 4-й секции ковер охлаждается холодным воздухом. После тепловой обработки он поступает на выпускной конвейер, в котором происходит и поперечный раскрой.
Производство плит методом полива связующего включает следующие операции: приготовление и дозирование связки из расчета 25—30 кг связки на 1 м3 готовых изделий, подача связки на ковер и пропитывание его, отжим излишка связки с помощью отжимного барабана и вакуум-отсоса. Насыщенный связкой ковер поступает в сушильно-полимеризационную камеру и далее идет по непрерывному технологическому потоку аналогично описанному выше.