Скляне волокно
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Вулканологам і геологам давно відома легенда про царицю Пеле. Втративши при виверженні вулкана єдиного сина, вона в розпачі стала рвати свої посивілі від горя волосся. Вітер підхопив їх і розніс по схилах гір. І з тих пір, як символ вічної скорботи матерів люди знаходять у кратерів згаслих вулканів довгі сріблясті пасма. Це — скляні волокна, які розпечені гази виверження видули з рідкої склоподібної лави. Так сама природа створила матеріал, який сьогодні по праву вважається одним з найперспективніших.
«Gluck und Glas — wie leicht bricht das!» — кажуть німці.— «Щастя і скло — як легко вони розбиваються!» Але те, що можна було сказати про скло, вже не застосовне до отриманого з нього волокна: там, де ще недавно ми змушені були ставити епітет «крихке», сьогодні з’явилося поняття «еластичне», «стійке», «міцне». За багатьма своїми властивостями скляне волокно значно перевершує всіх своїх натуральних, штучних і синтетичних «побратимів». Воно не горить і витримує температури до 500-600 градусів, стійко «відображає» вплив більшості кислот і лугів, не гниє і не боїться води. Нарешті, воно дуже міцне: тонка скляна нитка витримує навантаження на розрив у 5-6 разів більші, ніж одне з кращих синтетичних волокон — штучне. Всі ці властивості роблять скловолокно бажаним матеріалом в самих різних сферах нашого життя — починаючи з техніки і закінчуючи медициною. І, преображене у волокно, скло сьогодні переживає свою «другу молодість».
Скло — давній супутник людини. Римський історик Пліній наводить легенду про фінікійських купців, яких буря прибила до пустельного піщаного берега. З-за відсутності каменів вони змушені були скласти вогнище із шматків соди, яку везли з собою. А коли перед відплиттям захотіли взяти соду назад, то виявили в золі злитки твердого прозорого матеріалу — «сире» скло.
Так оповідає про відкриття скла легенда, достовірність якої сумнівна: для того, щоб перетворити пісок і соду в скло, потрібен жар набагато сильніше, ніж від звичайного багаття. Проте достовірно відомо, що вже за два тисячоліття до нашої ери секрет приготування скла був відомий єгиптянам — про це свідчать написи і зображення, висічені на кам’яних плитах гробниці Бені-Гассана в стародавніх Фівах. Єгиптяни виготовляли вази зі скла і судини, чаші і кольорові намиста. Вже тоді стародавні склороби звернули увагу, що розм’якшене скло витягується в довгі нитки. Ними вони прикрашали свої вироби.
І, тим не менш, скляне волокно протягом багатьох століть продовжувало залишатися дивиною. Секрет його виготовлення, як найбільшу таємницю, зберігали венеціанські скляні вироби епохи Відродження, прикрашали кольоровими нитками дорогоцінні вази. У вісімнадцятому столітті Реомюр вразив «безсмертних» Французької Академії, показавши їм шматок склотканини, виготовленої венеціанцем Карлом Ріва. Нарешті, однією з сенсацій кінця позаминулого століття була поява на сцені американського театру актриси в сукні з склотканини, виготовленої фірмою Ліббі-Глас.
Але навіть ця подія не стала «відправним пунктом» сучасної історії скловолокна: тканина була важкою, ламкою, і «піддослідна» актриса, мабуть, відчувала себе в рекламному платті не краще, ніж у середньовічних лицарських обладунках. Для того, щоб надати скляному волокну еластичність і міцність, потрібно було навчитися робити його тонким; щоб перетворити дешеву сировину — пісок, крейду, гірські породи — дешеві скловолокнисті вироби, необхідно було створити прості і високопродуктивні методи одержання волокна.
Де коштовностей більше, ніж у банках
Перша спроба налагодити промислове виробництво скляного волокна була зроблена в Німеччині в період першої світової війни. Позбавлені канадського і російського азбесту, німці вирішили замінити його скловолокном. Для одержання волокна був розроблений так званий штабіковий спосіб. У німців цей спосіб зберігся і донині, звичайно, в більш досконалому вигляді.
Принципова схема одержання скловолокна за штабіковим способом досить проста. В спеціальну касету набирається пакет довгих скляних паличок — штабіків (від них і походить сама назва способу). Під цією касетою розміщені газові пальники, полум’я яких розм’якшує кінці штабіків. А з розм’якшеної скломаси витягають безперервне волокно, намотуючи його на обертовий барабан. По мірі того як штабіки оплавляються, касета опускається вниз, утримуючи кінці штабіків в полум’ї пальників.
Цей спосіб простий, але разом з тим йому властиві такі «фатальні недоліки, як мала продуктивність і низька якість одержуваного волокна; з допомогою системи газових пальників важко витримати необхідний температурний режим плавлення. Тому вже в тридцятих роках почалися пошуки нових, більш досконалих і високопродуктивних способів переробки скла у волокно, що призвели до створення сучасної промисловості скляного волокна.
Якщо кому-небудь доведеться потрапити в цех сучасного заводу скловолокна, то перше, що кинеться йому в очі,— це нескінченні вервечки склопрядильних агрегатів. Прямокутна форма кожного з цих пристроїв «несе» на собі від трьох до шести електропічек кожна з яких має свій бункер для вихідної «сировини» і бобіну, на яку намотується готова нитку з волокон. Вихідною «сировиною» в цих установках служать скляні кульки діаметром близько 20 міліметрів, попередньо виготовлені на спеціальних автоматах. З кожної такої кульки можна отримати скляне волокно довжиною в 150 кілометрів.
Бункери і електропечі агрегатів пов’язані між собою гнучкими «струмочками» — виконаними у вигляді пружин шлангами, по яким кульки потрапляють в електропіч. У кожної печі є свій дозуючий пристрій — так званий завантажувач, який регулює подавання кульок. Сама електропіч являє собою плавильну посудину, обрамлену навколо керамічним захисним облицюванням. За формою ця посудина нагадує іграшковий кораблик, і тому виробничники нерідко називають його «човником». Це, власне кажучи, основна частина печі: тут змінний електрострум низької напруги створює температуру близько 1 400-1500 градусів, перетворюючи вихідні кульки в рідку скломасу.
«Човники» печей — дорогоцінні деталі, дорогоцінні і в переносному, і в буквальному сенсі слова, Їх виготовляють із платино-родієвого сплаву, де самої платини близько 93 відсотків. З усіх відомих на сьогоднішній день матеріалів тільки цей сплав в змозі витримати спільний вплив хімічно агресивного розплавленого скла і високих температур. Вага кожного «човника» становить 2-3 кілограми, і на великих підприємствах їх по кілька сотень. Тому цех скляного волокна є свого роду сховищами дорогоцінного металу, якого в них більше, ніж в багатьох банках.
Дно кожного «човника» пронизують від 200 до 400 фільєр — каліброваних отворів з діаметром від півтора до двох міліметрів. Через ці фільєри розплавлена маса витікає з печі і повисає на дні «човники» помаранчевими краплями. Для того, щоб повідомити процесу волокноутворення «початковий хід», потрібно по черзі доторкнутися до кожної краплі скляною паличкою і швидко потягнути її на себе — за паличкою потягнеться скляне волокно. Потім волокна з усіх фільєр «човники» швидко збирають в одну нитку і заправляють її в бобіну. Цей обертовий швидкохідний «приймач» і буде здійснювати весь подальший процес витяжки безперервного волокна. По дорозі від «човників» спеціальний пристрій покриває волокна мастилом, який склеює їх в єдину нитку і запобігає взаємному стиранню.
Таким способом можна одержувати скляне волокно з діаметром від 3 до 11 мікрон. Це волокно переробляється в пряжу якої на звичайних текстильним машинах виготовляють тканини і стрічки. З більш грубого волокна, недостатня гнучкість якого не дозволяє «пропустити» його через ткацькі верстати, роблять теплоізоляційні мати і неткані тканини для промисловості склопластиків.
Автор: Е. Кочаров, Е. Нігин.