Сырье для производства стекловолокна

 

Применяемое в производстве стекла сырье подразделяют на основное и вспомогательное. Основным сырьем являются стеклообразующие материалы; вспомогательным – материалы, применяемые для осветления, обесцвечивания, окрашивания стекла и регулирования режима варки.
К основным материалам относятся кварцевый песок, борный ангидрид, сода, сульфат натрия, поташ, известняк, доломит, магнезит, глинозем, окислы свинца и др.

 

Кварцевый песок — основной материал для производства стекла. Содержит 99-99,5% кремнезема и около 1% примесей окислов железа, хрома, ванадия и др. Чем меньше примесей в песке, тем выше его качество.

Окислы железа придают стеклу желто-зеленоватый оттенок, снижают его светопрозрачность. Поэтому в песке для стекломассы, используемой в производстве столовой посуды, допускается не более 0,025% окислов железа, а для хрусталя – не более 0,012%. Неравномерный по величине зерен песок также способствует появлению дефектов.

 

Борный ангидрид повышает термическую и химическую устойчивость стекла, его оптические и механические свойства, ускоряет варку, улучшает осветление стекла. Борные соединения применяют при изготовлении специальных термостойких стекол, химической и лабораторной посуды, а также для посуды, изготовляемой механизированным способом.

 

Соду (углекислый натрий) Na2CO3 природную или искусственную применяют для введения в стекломассу окиси натрия. В основном используют кальцинированную (безводную) соду. Содержание окиси натрия в стекле ускоряет стеклообразование, но снижает термостойкость и повышает коэффициент расширения стекла.

 

Сульфат натрия Na2SO4 способствует осветлению стекла. Его получают из природных сульфатов (мирабилитов, тенардитов, астраханитов, глауберитов) и как побочный продукт при производстве соляной кислоты. Варка сульфатной шихты сложнее, чем содовой, и проходит дольше.

 

Поташ K2СО3 используют для введения в стекло окиси калия, которая улучшает оптические свойства стекла, придает ему повышенный блеск, прозрачность и чистоту.Поташ получают из золы подсолнечника, свеклы и соломы, а также из минералов сильвинита и карналлита.

 

Известняк, реже мел и мрамор обогащают стекло окисью кальция, которая повышает его химическую стойкость, способствует осветлению и ускоряет варку.
Для производства столовой посуды допускаются известняки с содержанием окиси железа не более 0,03%.

 

Доломит CaCO3MgCO3 – природная двойная соль кальция и магния, которую добавляют для введения в состав стекла окиси кальция вместе с окисью магния, повышающей химическую устойчивость и механическую прочность стекла и улучшающей его структуру (снижает тенденцию стекла к кристаллизации).

 

Магнезит MgCO3 – природный или искусственный карбонат магния; применяют для обогащения сортового и других видов стекла окисью магния за счет соответствующего уменьшения окиси кальция.

 

Глинозем Аl2O3 – техническая окись алюминия; повышает термостойкость, вязкость, механическую прочность и химическую стойкость стекломассы, снижает ее кристаллизационную способность.

В шихту глинозем вводят в основном в виде полевого шпата K2O·Al2O3·6SiO2, каолина глины, пегматита, сиенитов и других минералов, богатых соединениями алюминия. В обычном стекле содержится до 1,5-3 % глинозема, в жароупорном – до 7 %.

 

Свинцовый сурик Pb3O4 и глет РbО применяют при производстве хрусталя и оптического свинцового стекла для введения окиси свинца. Окислы свинца придают стеклу повышенный блеск, увеличивают показатель преломления, повышают удельный вес, способствуют лучшей обрабатываемости. Содержание окислов железа в свинцовом сурике и глете не должно превышать 0,001%.

Окись свинца может быть заменена окисью бария, которую вводят в виде барита BaSO4 или витерита ВаCO3. Окись бария повышает блеск, коэффициент преломления стекла и частично ускоряет процесс варки.
К вспомогательным материалам относятся осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, ускорители варки.

 

Осветлителями являются аммонийные соли NH4NO3, NH4Cl, (NH4)2SO4 и их смеси, калиевая и натриевая селитра, трехокись мышьяка, карбонаты щелочных и щелочноземельных элементов, сульфат натрия, фтористые соединения. Они способствуют освобождению стекломассы от пузырей, т. е. ее осветлению. В процессе варки осветлители разлагаются с выделением газа; происходит соединение мелких пузырей в крупные, которые удаляются из стекломассы.

 

Обесцвечиватели применяют для устранения оттенков, появляющихся от примесей железа, хрома, ванадия, придающих зеленый и другие цветные оттенки. Применяют физический и химический способы обесцвечивания.

При физическом обесцвечивании в стекломассу вводят красители, окраска которых нейтрализует нежелательные цвета, поглощая избыток зеленых и желтых лучей; в результате стекло становится бесцветным. Селен (красный краситель) нейтрализует зеленую окраску,закись кобальта (синий краситель) – желтую. Эффективно обесцвечивание окислами редкоземельных металлов (неодима, европия), которые, кроме того, увеличивают прозрачность стекла.

Химическое обесцвечивание заключается в окислении железа веществами, выделяющими кислород, который переводит интенсивно окрашенную закись железа в окись. Химические обесцвечиватели – селитра натриевая, калиевая, сульфаты, хлориды и фториды щелочных металлов, трехокись мышьяка, окись сурьмы. Выделяющиеся при разложении окислителей летучие вещества способствуют бурлению (бурному выделению газовых пузырей) и осветлению стекломассы.

 

Красители придают стеклу необходимый цвет. Применяют молекулярные и коллоидные красители.

Молекулярные красители - окрашивают стекломассу, растворяясь в ней. К ним относятся главным образом окислы тяжелых металлов – марганца, кобальта, никеля, хрома, ванадия, железа, урана и др.

Коллоидные красители – соединения золота, меди, селена, сурьмы и серебра; находятся в стекле в коллоиднодисперсном состоянии. Степень и цвет окраски стекла этими красителями зависят от температуры и продолжительности вторичного нагрева (наводки) стекла.

Соединения редкоземельных элементов являются новой группой красителей стекла. Цвет стеклоизделий, окрашенных окислами редкоземельных элементов, характеризуется особой прозрачностью и чистотой, легкими, красивыми и разнообразными полутоновыми оттенками.

При окраске окисью церия стекло приобретает красивый желтый цвет с красноватым оттенком, при добавлении окиси титана – золотисто-желтый. Окись самария придает стеклу желтый цвет; окись празеодима – золотисто-зеленый, окись неодима — фиолетово-сиреневый; смесь окислов неодима и селена – пурпурный (неодимовый рубин); окись эрбия – темно-розовый.

 

Глушители – материалы, придающие стеклу непрозрачность. Они растворяются в стекле при температуре его варки, а при охлаждении выделяются в виде микрокристаллов, отражающих и рассеивающих свет. Непрозрачные стекла бывают опаловыми (слабо заглушёнными) и молочными (сильно заглушёнными). Для получения опалового стекла применяют апатит, костяную муку и другие глушители; для получения молочного стекла – криолит, плавиковый шпат, кремнефтористый натрий. Используют также окись олова, трехокись мышьяка, окись циркония, тальк и др. Особый вид цветного, прозрачного или глушеного стекла – цинкосульфидное стекло. Для его получения в шихту вводят сульфид цинка, являющийся глушителем. Глушащий эффект усиливается при быстром охлаждении и повторном разогревании заготовки. Цветные оттенки цинкосульфидному стеклу придает сернистое железо (образуется при взаимодействии серы с железом, присутствующим в шихте). Цвет зависит от количества сернистого железа, добавления красителей и режима температурной обработки. Сульфидное стекло может быть прозрачным, опаловым, мраморным, двухцветным и многоцветным, напоминать янтарь, агат, яшму, лазурит, авантюрин и др.

 

Ускорители варки снижают вязкость стекломассы, при нагревании выделяют пары воды и другие летучие соединения, тем самым способствуя стеклообразованию.
Ускорители варки – фтористый кальций, кремнефтористый натрий, борный ангидрид, сульфат аммония и др.

 

 

Использованы материалы из Учебного пособия "Стеклянные волокна" в редакции С.И. Гутников, Б.И. Лазоряк, Селезнев А.Н.