CC BY
25
УДК 678.7:621.762
Д-р техн. наук Л. Р. Вишняков, канд. техн. наук Т. В. ГрудЫа, канд. техн. наук В. Д. Горобинська, О. П. Яременко
1нститут проблем матер1алознавства ¡м. 1.М. Францевича НАНУ, м. Кшв
СВИНЦЕВОМ1СТКЕ СКЛОВОЛОКНО ДЛЯ РАД1АЦ1ЙНОЗАХИСНИХ КОМПОЗИТ1В
Розглядаеться процес одержання свинцевомгстких волокон з вгдходгв телевшйного скла, Их склад та ф1зико-механгчн! властивостг. Показано можливгсть застосування одержаних волокон для армування полгмерних композицшних матергалгв 1зрад1ац1йнозахисними властивостями.
Вступ
У зв'язку з активним розвитком атомно! енергети-ки постае завдання розробки i виготовлення нових ра-дiацiйно-захисних матерiалiв. У робой розглянуп деяю питання отримання полiмерних армованих композитiв радiацiйнозахисного призначення. Для армування таких композилв можуть бути використанi свинець, вюмут та барiймiсткi склянi волокна, що поглинають y-випромiнювання. Захист вiд дш нейтронiв можна також здiйснити шляхом застосування скляних волокон, до складу яких входять оксиди бору, кадмш та деяк1 рiдкiсноземельнi елементи. Ц компоненти, як вiдомо, е складовими телевiзiйного скла [1]. В захис-них екранах рештешвсько! апаратури використовують скло, що мiстить 57-65 % оксиду свинцю. Для захисту вiд повiльних нейтронiв в алюмоборосилтатне скло вводять 23-27 мас. % оксиду кадмш [2]. Вiдомi скляш волокна, що мiстять CdO та PbO до 45,5 мас. % [3], а також волокна з високим вмютом (до 30 мас. %) ок-сидiв церш та шших рiдкiсноземельних елеменпв [4], густина яких складае 3,0-3,5 г/см3, мщшсть до 4500 МПа та модуль пружносп 95 ГПа.
Слiд зазначити, що найбшьш широке розповсюд-ження для захисту вiд радiацiйного випромiнювання знайшли склянi волокна з високим вмютом свинцю. Процес варiння такого скла трудом^кий, особливо для телевiзiйного скла. Вiн проходить при температурах 1200-1500 °С з видiленням в атмосферу арнистих свинцево та барiевомiстких викидiв, якi шкiдливо впливають на навколишне середовище. Вихiд яшсно! кшцево! продукцп з розплаву телевiзiйного скла для кшескошв не перевищуе 50 %, що приводить до нако-пичення значно! кiлькостi вiдходiв i пiдвищуе вартiсть виробництва. Отже використання вiдходiв телевiзiйно-го скла для отримання волокон е привабливим для по-дальшого !х застосування в радiацийнозахисних ком -позитах.
Технолопчний процес отримання таких волокон може бути еколопчно чистим, бо свинець, барш та рiдкiсноземельнi елементи знаходяться у зв'язаному
станi. Оск1льки з технолопчного циклу виключають-ся стадп силiкато- та склоутворення, можна досягти економп паливно-енергетичних ресурсiв. Використання вiдходiв скла створюе також економш сировинних матерiалiв, що в разi свинцевомiстких вiдходiв мае особливо важливе значення, бо Укра!на здiйснюе iмпорт свинцю [5].
Нашi попереднi дослвдження [5] показали, що свин-цевом^ш неперервнi волокна можна одержати iз скло-бою, який утворюеться на стадп формування, мехаш-чно! обробки та збирання кiнескопiв кольорових теле-вiзорiв. Метою дано! роботи стало проведення подальших дослiджень по застосуванню свинцевомь стких неперервних волокон iз вiдходiв склобою теле-вiзiйних екрашв та iнш. для радiацiйнозахисних ком -позипв з полiмерною матрицею.
Матерiали i методики дослiджень
Як вихщш матерiали для одержання свинцевомь стких скляних неперервних волокон у робот викорис-товували склобiй екрашв, конуав та трубок кольорових телевiзорiв. Скло кожно! частини кинескопу мае певний хiмiчний склад: скло горловини мютить не менше 30 мас. % PbO, скло конуса - 10,5 мас. % PbO та 2,2-2,5 мас. % ВаO. В складi скла екрана оксид свинцю вщсутнш, але е 3,0 мас. % ВаO та домшки шших оксидiв, яш позитивно впливають на яшсть волокон [5].
Шдготовку кожного виду вiдходiв склобою проводили шляхом помолу в кульовому млиш. З помелено-го порошку з розмiром частинок, що пройшли крiзь сито 0,05 мм, сухим пресуванням виготовляли зразки у виглядi пiгулок розмiром 5,0 мм в дiаметрi та 3-4 мм за товщиною. На одержаних зразках визначали опти-мальний режим виготовлення свинцевомютких волокон та основш стадп перетворення скломаси при на-грiваннi. Дослщження проводили на високотемпера-турному мжроскош з плоскою лавою фiрми "Цейс". В'язшсть розплавiв склобою в iнтервалi 900-1400 °С вивчали на вiскозиметрi Маргулеса-Валаровича.
© Л. Р. Вишняков, Т. В. ГрудЫа В. Д. Горобинська, О. П. Яременко, 2007
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007
97
Процес виготовлення волокон вщпрацьовували на лабораторий однофiльeрнiй установцi, яка складаеться з вертикально! трубчасто! тигельно! печi з платино-ро-дiевим нагрiвачем. Отриманi результати дозволили провести виготовлення неперервних волокон також i в промислових умовах Мереф'янського заводу скло-волокна. Ц роботи проводилися з використанням пла-тинородiевого живильника, який мае 1200 фшьер дiа-метром 1,84 мкм. Температура отримання волокна складала 1000-1200 °С, швидк1сть обертання барабану 10-15 об/хв. Хiмiчний склад одержаних волокон було визначено за методикою ГСТУ 21-004.0-2003, ГСТУ 21-004.16-2003 (Галузевi стандарта Украши. Скло на^евокальщевосилтатне будiвельне, техшч-не i тарне. Методи визначення масових часток хiмiчних компонентiв скла.). Властивостi отриманих скловоло-кон визначали шляхом випробувань також за стандар-тними методиками.
З отриманого волокна виготовляли неткаш орiенто-ванi в'язально-прошивнi матерiали товщиною 6-7 мм, що слугували арматурою склопластишв. За полiмернi матрицi використовували фенол-формальдегiдний лак ЛБС-20 ГОСТ 901-78 виробництва ЗАТ "Завод Дшпропластмас".
Зразки радiацiйнозахисних склопластик1в виготовляли за описаною нижче технологiчною схемою. Шсля виготовлення препрегiв iз склотканини !х розрiзали на заготовки розмiру 100х 150 мм або 200x250 мм, з яких набирали пакет, що помщали в прес-форму з об-iгрiвом. Формування проводили при нагрiвi зi швид-к1стю не бiльше 40 град/год; витримка при 80, 100, 120 та 140 °С здшснюваласть на протязi двох годин. Режим прикладення тиску був таким : при 80 °С - 0,5 величини робочого тиску; при 90-110 °С - повний ро-бочий тиск; охолодження здiйснювалось пiд цим тис-ком до 60 °С.
Фiзико-механiчнi характеристики склопластикiв визначали за стандартними методиками, а захисш вла-стивостi композитiв оцiнювали за ступенем ослабления випромiнювання та свинцевому еквiваленту згiдно з ГОСТ 15150-69.
Результати дослвджень
У результата дослiджень умов формування волокон встановили температурнi iнтервали стадiй перетворен-ня (таблиця 1). Температура початку розтакапня сфери в плоску краплю ввдповвдае температурi, при як1й мож-ливе витягування волокна з розплавлено! скломаси.
З наведених даних видно, що скло телевiзiйного екрана, конуса та трубки, не зважаючи на рiзний хiмiчний склад, мае близью температури оплавлення i розтiкання. Це сввдчить про можливють при виготов-леннi волокон змiшувати склобiй окремих частин кинескопа в рiзних сшвввдношеннях, що суттево не буде впливати на температуру формування. Останне пiдтверджено результатами дослщжень в'язкостi роз-плавiв скла, що е головним параметром процесу фор-
мування скляного волокна. Встановлено, що рiвень в'язкостi розплаву скла 10-3-10-4 МПа-с, який необхiд-ний для формування волокон, знаходиться для скло-бою рiзних частин к1нескопа в iнтервалi 980-1200 °С.
Таблиця 1 - Температурш iнтервали стадп пере-творення скломаси з вiдходiв рiзних частин кинескопа
Стадп перетворення скломаси Температура, °С
екран конус трубка
Повiльна усадка 800 800 780
Швидка усадка 820 820 800
Оплавлення поверхнi 840 830 820
Утворення сфери 880 840 840
Початок розтжання 980 900 920
При ввдпрацюванш технологiчних параметрiв були визначеш температурнi iнтервали (табл. 2), в яких вщбуваеться стабiльне формування неперервних волокон дiаметром 7-11 мкм iз склобою кожно! частини кинескопа та !х сумiшi. Слад зазначити, що темпера-турний штервал, в якому вiдбуваеться стабiльне формування безперервних волокон iз скловiдходiв усiх частин кинескопа i !х сумiшi, е досить широким - не мен-ше 200 °С. Це значно спрощуе процес промислового виробництва волокна. Хiмiчний склад скловолокна, що вироблявся в промислових умовах, наведений в табл. 3. Основш характеристики свинцевомiсткого скловолокна та ниток, одержаних у промислових умовах, наведет в табл. 4.
Таблиця 2 - Технолопчш параметри одержання безперервного свинцевомюткого скловолокна
Найменування склобою Температурний штервал вироблен-ня скловолокна, °С Дiаметр скловолокна, мкм
Екран 1050-280 7-1
Конус 1040-240 8-9
Трубка 1030-250 7-0
Сумш 1080-310 8-9
Таблиця 3 - Хiмiчний склад свинцевомютких волокон, вироблених у промислових умовах
Оксиди Вм1ст, мас. %
горловин (склад 1) конус (склад 2) сумш (склад 3)
БЮг 55,0 60,2 55,2
Л1203 2,0 3,6 3,5
СаО - 5,5 3,2
ВаО - 2,2 4,5
МвО - 2,5 2,8
Ыа20 3,8 5,5 6,2
к2о 9,2 9,0 7,2
РЬО 30,0 10,5 15,7
8Ь203 0,4 0,4 0,4
шш1 - 0,6 0,7
Таблиця 4 - Основш характеристики одержаних свинцевомютких волокон та ниток
Найменування показника Одиниця вимiру склад 1 (горловина) склад 2 (конус) склад 3 (сумш)
Вмют оксиду свинцю мас. % 30 10,5 15,7
Густина кг/м3 3053 2712 2920
Дiаметр елементарного волокна мкм 9-11 9-11 9-11
Мiцнiсть елементарного волокна МПа 2350 2800 2570
Лшшна щiльнiсть нитки текс. 80-82 72-74 -
Мщшсть нитки н/текс 56 68 -
Вмют парафiнового засмаслювача мас .% 1-2 1-2 1,0-,5
Порiвнюючи отриманi нами свинцевомiсткi волокна з аналопчними волокнами, виробленими в про-мислових умовах (табл. 5, 6), можна зробити виснов-ки, що використання вiдходiв телевiзiйного скла для виробництва скловолокна забезпечуе в ньому дос-татнш вмiст свинцю. Таким чином, змiнюючи вмiст свинцю у волокнах (у нашому випадку 10,5; 15,7; 30 %) можна корегувати густину скловолокна та його радiацiйнозахиснi властивостi. Вiдзначимо, що мщшсть одержаного скловолокна е такою ж, як i у скловолокна, виготовленого з традицшних сировин-них матерiалiв.
У таблицi 7 наведено властивосп армованих ком -
позитiв, з аналiзу яких можна зробити висновок, що використання одержаних свинцевомютких неперерв-них волокон позитивно впливае на захисш властивостi виготовлених склопластик1в.
Узагальнюючи результати проведених випробу-вань, слщ вiдзначити, що використання свинцевомь стких наповнювачiв замiсть алюмоборосилiкатного скла значно шдвищуе ступiнь ослаблення у-випромь нювання та майже в три рази збшьшуе свинцевий екв-iвалент, що дае змогу рекомендувати застосування свинцевомiсткого скловолокна, одержаного з вiдходiв телевiзiйного скла, для розробки нових ращацшноза-хисних композицiйних матерiалiв.
Таблиця 5 - Хiмiчний склад скла для вироблення безперервних свинцевомiстких волокон
№ складу Оксиди 8Ю2 Д1203 Ыа20 К20 В1203 РЬ0
1 34,0 3,0 0,5 3,5 - 59,0
2 Вмют, мас. % 10,0 60,0 - - 30,0
3 15,2 - 2,2 50,0 32,6
4 14,8 - - - 61,6
Таблиця 6 - Властивосп безперервного свинцевомюткого скловолокна, виробленого в промислових умовах
Характеристика Значення
Густина при 26 °С, кг/м3 4200-4300
Мщшсть при розтягу, МПа 2100-250
Модуль пружност! при 26 °С, ГПа 56,0
Таблиця 7 - Захисш властивосп композиту iз свинцевомiстким наповнювачем
№ складу Склад композиту Захисш властивоси
Армуюча структура Пол1мерна матриц1 Стутнь ослаблення, раз. Свинцевий екв1валент, мм
Вид армуючо! структури РЬО, % мас. Тип зв'язуючого % мас.
1 Склотрикотаж ¡з ниток алюмоборосилжатного скла 0 Фенолформальдеп-дний лак ЛБС-20 28,0 1,86 0,11
2 Свинцевомюткий в'язально-прошивний матер1ал 15,7 Фенолформальдег1-дний лак ЛБС-20 27,5 6,01 0,33
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007
99
Висновки
1. Одержат свинцевомштш склянi неперервш волокна з вiдходiв телевiзiйного скла за ресурсозберь гаючою технологieю. Дослщжено хiмiчний склад волокон та 1х основнi фiзико-механiчнi властивостi.
2. Виготовлено композицшний матерiал на основi свинцевомiсткого волокна i фенол-формальдегiдного зв'язуючого. Оцiнка властивостей отриманого склоп-ластику показала, що свинцевий еквiвалент та стутнь ослаблення y-випромiнювання майже в три рази пере-вищуе щ показники для композиту, армованого волокнистою структурою з алюмоборосилтатного скла.
3. Волокна з вiдходiв телевiзiйного скла можна рекомендувати як ефективний армуючий наповнювач нових радiацiйнозахисних матерiалiв.
Перелiк посилань
1. Павлушкин Н.М., Сентюрин Г.Г., Ходаковская Р.Я. Практикум по технологии стекла и ситаллов. Москва: Издательство литературы по строительству, 1970. - 150 с.
2. Поляк В.В., Саркисов П.Д. Технология строительного технического стекла и шлакоситаллов. Москва: Строй-издат, 1983. - 432 с.
3. Колесов Ю.И., Кудрявцев М.Ю. Защитные стекловолокна // Стекло и керамика, 2001. - №6.
4. Асланова М.С. Стеклянные волокна. Москва: "Химия", 1979. - 255 с.
5. Вишняков Л.Р. Зв1т про науково-дослщну роботу "Дос-лщження впливу мжро- i макрогеометрй фаз, 1х ф1зи-ко-х1м1чно1 природи та поверхонь роздшу на власти-востi i структурну стабiльнiсть композицiйних матер> алiв конструкцiйного i функцiонального призначення з волокнистими та порошковими елементами. Створен-ня наукових основ оптимiзацii структури та властивостей" Нацюнальна академiя наук Укра'ни, 1ПМ, №01950024293. - 1998. - 239 с.
Одержано 26.01.2007
Рассматривается процесс получения свинец содержащих волокон из отходов телевизионного стекла, их состав и физико-механические свойства. Показана возможность использования полученных волокон для армирования полимерных композиционных материалов, которые обладают радиационнозащитными свойствами.
The process of lead-containing fibers manufacturing from TV glass waste, composition and physical/mechanical properties of lead-containing fibers are studied. The possibility was shown how to produce fibers for reinforcing polymer composite materials having radioprotection properties.
