Стеклянное волокно
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Вулканологам и геологам давно известна легенда о царице Пеле. Потеряв при извержении вулкана единственного сына, она в отчаянии стала рвать свои поседевшие от горя волосы. Ветер подхватил их и разнес по склонам гор. И с тех пор как символ вечной скорби матерей люди находят у кратеров потухших вулканов длинные серебристые пряди. Это — стеклянные волокна, которые раскаленные газы извержения выдули из жидкой стеклообразной лавы. Так сама природа создала материал, который сегодня по праву считается одним из перспективнейших.
«Gluck und Glas — wie leicht bricht das!» — говорят немцы.— «Счастье и стекло — как легко они разбиваются!» Но то, что можно было сказать о стекле, уже не применимо к полученному из него волокну: там, где еще недавно мы вынуждены были ставить эпитет
«хрупкое», сегодня появились понятия «эластичное», «стойкое», «прочное». По многим своим свойствам стеклянное волокно значительно превосходит всех своих натуральных, искусственных и синтетических «собратьев». Оно не горит и выдерживает температуры до 500—600 градусов, стойко «отражает» воздействия большинства кислот и щелочей, не гниет и не боится воды. Наконец, оно очень прочно: тонкая стеклянная нить выдерживает на разрыв нагрузки в 5—6 раз большие, чем одно из лучших синтетических волокон — нейлоновое. Все эти свойства делают стекловолокно желанным материалом в самых различных областях нашей жизни — начиная с техники и кончая медициной. И, преображенное в волокно, стекло сегодня переживает свою «вторую молодость».
Стекло — древний спутник человека. Римский историк Плиний приводит легенду о финикийских купцах, которых буря прибила к пустынному песчаному берегу. Из-за отсутствия камней они вынуждены были сложить очаг из кусков соды, которую везли с собой. А когда перед отплытием захотели взять соду обратно, то обнаружили в золе слитки твердого прозрачного материала — «сырое» стекло.
Так повествует об открытии стекла легенда, достоверность которой сомнительна: для того, чтобы превратить песок и соду в стекло, нужен жар намного сильнее, чем от обычного костра. Однако достоверно известно, что уже за два тысячелетия до нашей эры секрет приготовления стекла был известен египтянам — об этом свидетельствуют надписи и изображения, высеченные на каменных плитах гробницы Бени-Гассана в древних Фивах. Египтяне изготовляли из стекла вазы и сосуды, чаши и цветные бусы. Уже тогда древние стеклоделы обратили внимание, что размягченное стекло вытягивается в длинные нити. Ими они украшали свои изделия.
И, тем не менее, стеклянное волокно на протяжении многих веков продолжало оставаться диковинкой. Секрет его изготовления, как величайшую тайну, хранили венецианские стеклоделы эпохи Возрождения, украшавшие цветными нитями драгоценные вазы. В восемнадцатом веке Реомюр поразил «бессмертных» Французской Академии, показав им кусок стеклоткани, изготовленной венецианцем Карлом Рива. Наконец, одной из сенсаций конца позапрошлого века было появление на сцене американского театра актрисы в платье из стеклоткани, изготовленной фирмой Либби-Глас.
Но даже это событие не стало «отправным пунктом» современной истории стекловолокна: ткань была тяжелой, ломкой, и «подопытная» актриса, видимо, чувствовала себя в рекламном платье не лучше, чем в средневековых рыцарских доспехах. Для того, чтобы придать стеклянному волокну эластичность и прочность, нужно было научиться делать его тонким; чтобы превратить дешевое сырье — песок, мел, горные породы — в дешевые стекловолокнистые изделия, необходимо было создать простые и высокопроизводительные методы получения волокна.
Где драгоценностей больше, чем в банках
Первая попытка наладить промышленное производство стеклянного волокна была предпринята в Германии в период первой мировой войны. Лишенные канадского и русского асбеста, немцы решили заменить его стекловолокном. Для получения волокна был разработан так называемый штабиковый способ. У немцев этот способ сохранился и по сей день, конечно, в более совершенном виде.
Принципиальная схема получения стекловолокна по штабиковому способу довольно проста. В специальную кассету набирается пакет длинных стеклянных палочек — штабиков (от них и пошло само название способа). Под этой кассетой размещены газовые горелки, пламя которых размягчает концы штабиков. А из размягченной стекломассы вытягивают непрерывное волокно, наматывая его на вращающийся барабан. По мере того как штабики оплавляются, кассета опускается вниз, удерживая концы штабиков в пламени горелок.
Способ этот прост, но вместе с тем ему свойственны такие «роковые» недостатки, как малая производительность и низкое качество получаемого волокна; с помощью системы газовых горелок трудно выдержать необходимый температурный режим плавления. Поэтому уже в тридцатых годах начались поиски новых, более совершенных и высокопроизводительных способов переработки стекла в волокно, приведшие к созданию современной промышленности стеклянного волокна.
Если кому-нибудь доведется попасть в цех современного завода стекловолокна, то первое, что ему бросится в глаза,— это нескончаемые вереницы стеклопрядильных агрегатов. Прямоугольная форма каждого из этих устройств «несет» на себе от трех до шести электропечек каждая из которых имеет свой бункер для исходного «сырья» и бобину, на которую наматывается готовая нить из волокон. Исходным «сырьем» в этих установках служат стеклянные шарики диаметром около 20 миллиметров, предварительно изготовленные на специальных автоматах. Из каждого такого шарика можно получить стеклянное волокно длиною в 150 километров.
Бункеры и электропечи агрегатов связаны между собой гибкими «ручейками» — выполненными в виде пружин шлангами, по которым шарики попадают в электропечь. У каждой печи есть свое дозирующее устройство — так называемый загрузчик,— которое регулирует подачу шариков. Сама электропечь представляет собой плавильный сосуд, обрамленный вокруг керамической защитной облицовкой. По форме этот сосуд напоминает игрушечный кораблик, и поэтому производственники нередко называют его «лодочкой». Это, собственно говоря, основная часть печи: здесь переменный электроток низкого напряжения создает температуру порядка 1 400—1 500 градусов, превращая исходные шарики в жидкую стекломассу.
«Лодочки» печей — драгоценные детали, драгоценные и в переносном и в буквальном смысле слова, Их изготовляют из платино-родиевого сплава, где самой платины около 93 процентов. Из всех известных на сегодняшний день материалов только этот сплав в состоянии выдержать совместное воздействие химически агрессивного расплавленного стекла и высоких температур. Вес каждой «лодочки» составляет 2—3 килограмма, и на крупных предприятиях их по нескольку сотен. Поэтому цеха стеклянного волокна являются своего рода хранилищами драгоценного металла, которого в них больше, чем во многих банках.
Дно каждой «лодочки» пронизывают от 200 до 400 фильер — калиброванных отверстий с диаметром от полутора до двух миллиметров. Через эти фильеры расплавленная масса вытекает из печи и повисает на дне «лодочки» оранжевыми каплями. Для того, чтобы сообщить процессу волокнообразования «начальный ход», нужно поочередно прикоснуться к каждой капле стеклянной палочкой и быстро потянуть ее на себя — за палочкой потянется стеклянное волокно. Затем волокна из всех фильер «лодочки» быстро собирают в одну нить и заправляют ее в бобину. Этот вращающийся быстроходный «приемник» и будет осуществлять весь дальнейший процесс вытяжки непрерывного волокна. По пути от «лодочки» специальное замасливающее устройство покрывает волокна смазкой, которая склеивает их в единую нить и предотвращает взаимное истирание.
Таким способом можно получать стеклянное волокно с диаметром от 3 до 11 микрон. Это волокно перерабатывается в пряжу которой на обычных текстильным машинах изготовляют ткани и ленты. Из более грубого волокна, недостаточная гибкость которого не позволяет «пропустить» его через ткацкие станки, делают теплоизоляционные маты и нетканые ткани для промышленности стеклопластиков.
Автор: Э. Кочаров, Э. Нигин.