Центробежное формование волокна

Центробежное формование волокна — это технологический процесс получения непрерывных или штапельных волокон из расплава полимера, стекла, базальта или других материалов, основанный на использовании центробежных сил, возникающих при вращении рабочего органа (центрифуги, диска, ротора). Относится к методам формования из расплава, при котором струя или капля материала под действием центробежного ускорения вытягивается в тонкое волокно, которое затем охлаждается и затвердевает. Данный метод широко применяется в промышленности для производства минеральной ваты, стекловолокна, базальтового волокна, а также некоторых видов полимерных волокон.

История

Идея использования центробежной силы для получения волокон возникла в конце XIX — начале XX века, когда предпринимались попытки механизировать производство стеклянной и шлаковой ваты. Первые патенты на устройства для центробежного формования волокон из расплавленного шлака были получены в 1880-х годах в США и Великобритании. Однако промышленное внедрение технологии началось в 1930-х годах, когда были созданы первые центрифуги для производства стекловолокна.

В СССР разработка центробежных методов формования волокон активно велась с 1950-х годов, особенно в области производства базальтового волокна. В 1960-1970-х годах были созданы промышленные установки для получения супертонкого базальтового волокна (СТБВ), которые использовали центробежные диски. В 1980-х годах технология была усовершенствована для получения волокон из расплавов горных пород (базальт, диабаз) и стекла.

В настоящее время центробежное формование является одним из основных методов производства теплоизоляционных материалов из минеральной ваты и стекловолокна, а также используется в производстве композитных материалов и фильтров.

Классификация методов центробежного формования

Методы центробежного формования волокна классифицируются по типу рабочего органа, способу подачи расплава и условиям охлаждения.

По типу рабочего органа

• Центрифуга с одним диском — расплав подаётся на вращающийся диск (обычно из жаропрочного сплава). Под действием центробежной силы расплав растекается по поверхности диска и срывается с его кромки в виде капель или струй, которые вытягиваются в волокна. Используется для получения штапельных волокон (например, базальтового волокна).
• Центрифуга с несколькими дисками — расплав последовательно проходит через несколько вращающихся дисков, что позволяет увеличить степень вытяжки и получить более тонкие волокна. Применяется для производства супертонкого стекловолокна.
• Роторная центрифуга — расплав подаётся внутрь вращающегося ротора с отверстиями (фильерами) в стенках. Под действием центробежной силы расплав выдавливается через отверстия, образуя струи, которые вытягиваются в волокна. Используется для получения непрерывных волокон (например, стекловолокна для композитов).
• Центрифуга с валками — расплав подаётся на вращающиеся валки, которые разбрызгивают его и вытягивают в волокна. Применяется для производства минеральной ваты из шлаков и горных пород.

По способу подачи расплава

• Гравитационная подача — расплав стекает самотеком из плавильной печи на рабочий орган.
• Пневматическая подача — расплав подаётся под давлением сжатого воздуха или газа.
• Механическая подача — расплав подаётся с помощью шнека или поршня.

По условиям охлаждения

• Естественное охлаждение — волокна охлаждаются на воздухе.
• Принудительное охлаждение — волокна обдуваются струёй воздуха или газа для ускорения затвердевания.
• Охлаждение в водяной ванне — волокна попадают в воду, что позволяет получить гидратированные волокна.

Устройство и принцип работы

Основными элементами установки для центробежного формования волокна являются:

• Плавильная печь — устройство для нагрева и расплавления исходного материала (стекла, базальта, полимера). Температура плавления зависит от материала: для стекла 1200–1400 °C, для базальта 1400–1600 °C, для полимеров 150–300 °C.
• Рабочий орган (центрифуга) — вращающийся диск, ротор или валок, на который подаётся расплав. Обычно изготавливается из жаропрочных сплавов (например, нихром, инконель) или керамики. Частота вращения варьируется от 1000 до 10000 об/мин в зависимости от требуемой толщины волокна.
• Система подачи расплава — обеспечивает равномерное поступление расплава на рабочий орган. Может включать желоб, дозатор или форсунку.
• Система вытяжки и охлаждения — включает воздушные сопла, которые обдувают волокна для их вытяжки и охлаждения. В некоторых конструкциях используется дополнительный газовый поток (например, пар или сжатый воздух).
• Приёмное устройство — конвейер, барабан или камера, где собранные волокна формируются в мат, полотно или гранулы.

Принцип работы: расплавленный материал подаётся на поверхность вращающегося диска или ротора. Под действием центробежной силы расплав растекается по поверхности и срывается с кромки в виде капель или струй. При этом струи вытягиваются в тонкие волокна, которые охлаждаются и затвердевают в воздушном потоке. Затем волокна собираются на приёмном устройстве, где могут быть дополнительно обработаны (например, пропитаны связующим или разрезаны).

Характеристики получаемых волокон

Основные параметры волокон, получаемых центробежным формованием:

• Диаметр волокна — от 1 до 50 мкм в зависимости от режима формования. Для супертонкого базальтового волокна (СТБВ) диаметр составляет 1–3 мкм, для минеральной ваты — 5–15 мкм, для стекловолокна — 3–20 мкм.
• Длина волокна — обычно штапельные волокна имеют длину от 10 до 100 мм, непрерывные волокна могут достигать нескольких метров.
• Прочность на разрыв — для стекловолокна 2000–3500 МПа, для базальтового волокна 3000–4800 МПа.
• Термостойкость — для базальтового волокна до 700–900 °C, для стекловолокна до 450–550 °C, для полимерных волокон до 150–300 °C.
• Химическая стойкость — высокая для базальтового и стекловолокна, низкая для полимерных волокон.

Применение

Центробежное формование волокна используется в различных отраслях промышленности:

• Производство теплоизоляционных материалов — минеральная вата (каменная вата, шлаковата) и стекловата применяются для теплоизоляции зданий, трубопроводов, промышленного оборудования. В России производство базальтовой ваты является одним из основных направлений.
• Производство звукоизоляционных материалов — волокнистые маты и плиты используются для акустической изоляции помещений и транспортных средств.
• Производство композитных материалов — стекловолокно и базальтовое волокно используются в качестве армирующего наполнителя для полимерных композитов (стеклопластики, базальтопластики).
• Производство фильтровальных материалов — волокнистые фильтры применяются для очистки воздуха, газов и жидкостей.
• Производство огнезащитных материалов — базальтовое волокно используется для изготовления огнезащитных покрытий и тканей.
• Производство строительных материалов — волокна добавляются в бетон, асфальт и другие строительные смеси для повышения их прочности и трещиностойкости.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность — установки могут производить до нескольких тонн волокна в час.
• Возможность получения волокон с малым диаметром (до 1 мкм).
• Относительная простота конструкции оборудования.
• Возможность переработки различных материалов (стекло, базальт, шлаки, полимеры).
• Низкая энергоёмкость по сравнению с некоторыми другими методами (например, вытяжкой из фильер).

Недостатки

• Ограниченная длина волокон (преимущественно штапельные волокна).
• Неравномерность диаметра волокон по длине.
• Необходимость высоких температур для плавления тугоплавких материалов.
• Износ рабочего органа из-за абразивного воздействия расплава.
• Образование пыли и отходов (корольков) в процессе формования.

Сравнение с другими методами формования волокон

Интересные факты

• Первые промышленные установки центробежного формования базальтового волокна были созданы в СССР в 1960-х годах на Украине (г. Бердичев).
• Супертонкое базальтовое волокно (СТБВ) с диаметром 1–3 мкм обладает уникальными теплоизоляционными свойствами и используется в авиационной и космической технике.
• В России центробежным формованием производится более 80% всей минеральной ваты.
• Для получения волокон из расплава базальта используются центрифуги с частотой вращения до 6000 об/мин и температурой расплава около 1500 °C.

Источники

1. _Будников П.П., Матвеев М.А._ Технология стекла и стеклоизделий. — М.: Стройиздат, 1975.
2. _Джигирис Д.Д., Махова М.Ф._ Основы производства базальтовых волокон. — М.: Теплоэнергетик, 2002.
3. _Кузьмин А.М._ Производство минеральной ваты. — М.: Стройиздат, 1980.
4. _Лаптев Н.И._ Технология получения волокон из расплавов горных пород. — М.: Наука, 1991.
5. _Павлов В.В._ Центробежное формование волокон: теория и практика. — М.: Машиностроение, 2005.
6. _Справочник по производству стекловолокна_ / Под ред. А.Г. Шапошникова. — М.: Химия, 1978.