Мы уже привыкли, что стекло в самых различных формах, и видах широко проникло во все сферы человеческой деятельности. Изделия из стекла не боятся воздействия большинства кислот, и щелочей, не разрушаются от жары, и непогоды, выдерживают температуру до 500 - 600 градусов, а некоторые сорта - более 1 000 градусов, и хорошо работают при температуре, близкой к абсолютному нулю. Стекло - материал почти вечный, оно может сохраняться тысячелетиями. Ко всем положительным качествам стекла прибавляется, и то, что для его получения используется дешевое, и широко распространенное сырье - песок, мел, горные породы.
С каждым годом появляются все новые виды изделий из стекла. Химикам, и технологам удается найти новые составы, и методы производства, целенаправленно регулировать свойства стекла, обеспечивающие ему новые области применения.
Наряду с гигантскими зеркалами для телескопов диаметром 6 метров, и весом в десятки тонн, огромными витринами площадью 10 - 15 квадратных метров из стекла научились делать волокна толщиной в десятые доли микрона, и микросферы весом в несколько миллионных долей грамма. Стеклосферы - стеклянные шарики разных размеров, и различного состава - нашли широкое применение в технике. Промышленность производит стеклосферы многими тоннами.
СТЕКЛОСФЕРЫ И БЕЗОПАСНОСТЬ
Ранним погожим утром на лугу или в лесу после дождя можно видеть сверкание росы, и игру солнечных лучей в дождевых каплях. Это явление вызвано многократным преломлением, и отражением света в каплях воды. Такой же эффект возникает при попадании светового луча на прозрачный стеклянный шарик. Но стекло обладает примерно вдвое большим показателем преломления, чем вода, поэтому стеклянные шарики сверкают гораздо ярче. Оконное стекло имеет, например, показатель преломления 1,50 - 1,55. Добавляя в состав стекла окислы' свинца, титана, висмута или бария, этот показатель можно увеличить. У много свинцового хрусталя показатель преломления равен 1,65 - 1,70, а используемое для изготовления линз очков, фотоаппаратов, микроскопов, и -другой оптической аппаратуры оптическое стекло имеет показатель преломления 1,85 - 1,90, и выше.
Свойство стеклянных шариков светиться в лучах света в последнее время стало использоваться для разметки дороги в целях. повышения безопасности движения. Около половины дорожных происшествий, и аварий на загородных шоссе происходит именно в сумерках, ночью или в тумане из-за плохой видимости. Устанавливать освещаемые дорожные знаки возможно далеко не всегда. Особенно трудно, и дорого это делать вдали от населенных пунктов, на горных дорогах. Здесь, и приходят на помощь стеклосферы (см. цветную вкладку).
Для изготовления дорожных знаков применяют очень мелкие стеклосферы диаметром 50 - 100 микрон из специальных оптических стекол. На знак наклеивают светоотражающую пленку (алюминиевую фольгу или металлизированную полимерную подложку), на которую плотно в один слой наклеены стеклосферы. Их поверхность покрывается прозрачным лаком или цветной полимерной пленкой. Пленка не дает удерживаться на поверхности дорожных знаков дождевой воде, и облегчает их очистку от пыли, и грязи.
Разметка дорожных линий обычно принятыми методами также весьма далека от совершенства. Как правило, осевые линии шоссе, пешеходные переходы, опасные места обочин дорог обозначают специальной белой краской. Однако она плохо заметна, и довольно быстро стирается колесами автомашин. Применение стеклосфер значительно улучшает характеристики разметки. На еще не застывшую краску наносят тонким слоем стеклосферы размером 0,2 - 0,8 мм. Когда краска высыхает, она прочно удерживает шарики на своей поверхности. Стеклосферы, в свою очередь, защищают краску от стирания шинами. Иногда стеклосферы вместе с белым пигментом добавляют в смолу, и полученную пластичную в нагретом состоянии массу заливают в предварительно заготовленные на поверхности дороги углубления. Масса затвердевает, и такие разметочные линии служат в 3 - 4 раза дольше, чем посыпные. В свете фар линии разметки четко видны на очень большом расстоянии.
Светоотражающие стеклосферы применяют не только на автомобильных шоссе, но, и для разметки взлетно-посадочных полос на аэродроме, изготовления знаков обстановки для речного транспорта.
Кроме того, стеклосферы можно использовать для рекламных плакатов, надписей, и вывесок со световым цветным подсветом. Обычная или металлизированная ткань с наклеенными на нее шариками также приобретает светоотражающие свойства. Из нее можно шить куртки для дорожных рабочих, шапочки для велосипедистов, нарукавные повязки для школьников. Такие несложные средства могут заметно уменьшить число несчастных случаев на дорогах.
УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ ПЛАСТМАСС
Изделия из пластмасс при всей их распространенности далеко не всегда отвечают предъявляемым к ним требованиям. Во многом их свойства зависят от применяемого наполнителя или армирующего материала. Часто оказывается недостаточной термостойкость, прочность, стабильность размеров изделий из полимерных материалов.
Для получения заданных свойств, и снижения стоимости пластмасс в сырье вводят наполнители кварцевый песок, измельченный гипс. Эти наполнители несколько повышают термостойкость деталей, их прочность, уменьшают величину усадки. Однако достичь значительного улучшения свойств пластмасс не удается, так, как наполнители нельзя прибавлять в больших количествах. При введении их в смолу вязкость смеси сильно возрастает, и ее становится трудно перерабатывать на литьевых машинах. Из такой смеси невозможно прессовать тонкостенные детали сложной формы.
Использование стеклосфер, как наполнителя значительно улучшило характеристики пластмасс. Шарики, скользя, и катясь, текут вместе со смолой, и вязкость смеси в этом случае повышается значительно меньше, чем при использовании зернистых неорганических наполнителей другой формы. Применяя стеклосферы, можно в 2 - 2,5 раза увеличивать степень наполнения перерабатываемых смол. Введение такого большого количества сферообразных наполнителей при хорошей текучести смеси открывает широкие перспективы использования стеклосфер для заливочных компаундов, и получения износоустойчивых, имеющих хорошую поверхностную прочность пластмассовых покрытий.
Уменьшение величины усадки, и коэффициента термического расширения литьевых смол особенно важно для получения изделий с запрессованными в них металлическими деталями, так, как при сильном различии коэффициентов термического расширения смол, и металлов в готовых изделиях возникают большие внутренние напряжения, и иногда образуются трещины.
Прочность на сжатие, и сдвиг пластмассовых деталей, наполненных стеклосферами, больше по сравнению с деталями с добавками кварцевого песка или гипса. Это объясняется уменьшением внутренних напряжений в материале. В окружающей стеклосферы смоле не возникают местные концентрации напряжений, как это наблюдается около острых граней зерен песка или коротких рубленых стеклянных волокон.
Если поверхность стеклосфер покрыть специальными веществами, увеличивающими сцепление стекла со смолой, то прочность пластмассовых деталей можно дополнительно повысить на 10 - 20%.
Недавно удалось изготовить очень легкие стеклопластиковые изделия. Они имеют плотность 0,6 - 0,9 г/см3, то есть значительно легче, чем исходные компоненты - смолы, и стекло. Изделия получаются столь легкими, потому, что в качестве наполнителя применены полые стеклянные микросферы диаметром 10 - 250 мкм.
Стеклопластики с полыми микросферами прежде всего найдут применение в тех областях техники, где крайне важно уменьшить вес конструкций в самолетостроении, ракетно-космической промышленности. Такие стеклопластики обладают высокой прочностью на сжатие, и хорошими теплоизоляционными свойствами, и поэтому представляют особый интерес для изготовления деталей батискафов, подводных лодок, и других аппаратов для исследования морских глубин.
Для производства мебели, декоративных изделий все шире начинают применять искусственную древесину. Она приготовляется из наполненных полыми стекло-сферами полиэфирных смол или полиуретанов. Изделия из искусственной древесины стоят дешевле, чем из натуральной, и их производство не требует больших затрат ручного труда.
При изготовлении шаблонов в судостроении, и автомобилестроении, моделей для отливок крупных деталей выгодно, и удобно применять эпоксидные смолы, наполненные полыми стеклосферами. Пластмассы с полыми стеклосферами успешно применяются также в электротехнической, и радиотехнической промышленности благодаря низкой диэлектрической проницаемости, и малым диэлектрическим потерям.
Стеклосферы в сочетании с различными полимерами, и синтетическими смолами начинают использовать для изготовления износоустойчивых, и стойких к коррозии покрытий полов, при футеровке асбоцементных труб, опалубок для бетонирования емкостей, и в строительстве.
СТЕКЛО ОБРАБАТЫВАЕТ МЕТАЛЛ
Совсем недавно стеклосферы стали использовать для обработки поверхности деталей, и изделий. Уже выявлены те области, где применение стеклосфер особенно эффективно, а в некоторых случаях без них просто не обойтись.
Для удаления с отливок формовочной земли, снятия ржавчины с деталей применяют пескоструйную обработку. Однако острые зерна песка, вылетающие из сопла пескоструйного аппарата с большой скоростью вместе со струей сжатого воздуха, царапают обрабатываемую поверхность, оставляют на ней риски, и углубления, частично внедряются в детали, особенно из более мягких сплавов, и снимают слой материала значительной толщины.
Химическая обработка деталей для очистки поверхности ограничивается часто тем, что используемая для удаления окалины, заусенцев или ржавчины жидкость активно взаимодействует со многими материалами, и может разрушить деталь или значительно понизить ее прочность. В сравнении с этим способом очистки поверхностей обработка стеклосферами не влияет на химическую структуру поверхностного слоя. Поэтому стеклосферы вполне пригодны для очистки отливок из легких сплавов, и высоколегированных сталей, снятия пленок, заусенцев после штамповки, и механической обработки с деталей из магниевых, и алюминиевых сплавов.
Сложную проблему очистки внутренней поверхности труб из циркониевых сплавов и аустенитных сталей удалось весьма просто и экономично решить, использовав для этой цели стеклосферы.
Процесс обработки поверхностей стеклосферами легко, и точно регулируется изменением давления рабочего воздуха, продолжительностью обдувки деталей и главным образом выбором стеклосфер соответствующего диаметра. Для этой цели применяются шарики размером от 1,0 - 1,5 мм до 50 - 100 микрон, которые отличаются друг от друга по своей массе в несколько тысяч раз. Это позволяет применить стеклосферную обработку для деталей, у которых недопустимо изменение уже полученных точных размеров. Стеклосферами можно зачищать поверхности форм для прессования резиновых, и пластмассовых изделий, подготавливать к нанесению покрытий поверхности прецизионных деталей. Даже самые точные изделия и инструменты можно доводить, и зачищать от заусенцев, не нанося предварительно на режущие кромки защитные маски.
Стеклосферами хорошо удаляется нагар с лопаток авиационных газовых турбин, головок поршней, клапанов, седел двигателей внутреннего сгорания. При этом на поверхности этих ответственных и нагруженных деталей не возникают риски или повреждения, снижающие надежность их работы. При бомбардировке поверхности детали мелкими стеклосферами совершенно изменяется ее микрогеометрия. Исчезают оставшиеся после механической обработки гребешки, и образуется гладкая поверхность с мельчайшими лунками. В отличие от обработки деталей стальной или свинцовой дробью при использовании стеклосфер на поверхности не остается следов свинца и не возникает заметных вмятин.
Отсутствие гребешков, царапин, и рисок на поверхности детали повышает усталостную прочность деталей, работающих при циклических и знакопеременных нагрузках. На обработанной стеклосферами поверхности очень хорошо удерживается масляная пленка, поэтому подшипники, и смазываемые трущиеся детали после обдувки их стеклосферами работают лучше и служат значительно дольше.
Для стеклосферной обработки обычно используют то же самое оборудование, что, и для пескоструйной обработки. Это позволяет сравнительно просто и быстро внедрить новый, прогрессивный способ в промышленность. Полная безвредность стеклянных шариков, и 1 отсутствие кварцевой пыли значительно улучшают условия труда рабочих.
Стеклосферная обработка повышает производительность труда, устраняя многие трудоемкие ручные операции при отделке высокоточных и ответственных деталей, и является весьма экономичным процессом. Не удивительно поэтому, что уже сейчас она успешно применяется в авиационной, ракетно-космической промышленности, автомобилестроении, металлургии легких и специальных сплавов, и в других областях металлообработки.
СТЕКЛОСФЕРЫ ИЗМЕЛЬЧАЮТ МАТЕРИАЛЫ
Для измельчения кусковых материалов применяются шаровые мельницы, дробилки, вальцы. В шаровых мельницах и молотковых дробилках измельчение материала осуществляется за счет ударов мелющих тел - - тяжелых шаров или бил по кускам материала. В щековых дробилках, и на вальцах материал раздавливается на мелкие частицы. Существуют также так называемые струйные мельницы, в которых дробление материала происходит в результате соударения его кусков.
Мельницы новой конструкции - бисерные мельницы - работают по совершенно другому принципу кусочки материала истираются мелкими стеклянными сферами при активном перемешивании.
В рабочий цилиндр такой мельницы, заполненный примерно на 3/4 объема стеклосферами, насосом подается пульпа из предварительно грубо раздробленного материала. Вращающийся внутри этого цилиндра ротор с дисками перемешивает пульпу и стеклосферы. В процессе перемешивания материал топко измельчается от трения о поверхности стеклосфер, и взаимного трения частиц. Процесс измельчения материалов в такого типа мельницах, протекает непрерывно.
Появление мельниц нового типа вызвало переворот в процессе измельчения материалов и позволило получать высокую тонину помола при хорошей степени однородности, и высокой производительности оборудования. Сейчас бисерные мельницы используют в самых различных областях промышленности - начиная от производства высококачественных эмалей для автомобилей и самолетов, красок для художественной печати, порошков для магнитофонных лент, и кончая приготовлением лучших сортов шоколада.
Применяемые для бисерных мельниц стеклосферы имеют обычно диаметр от 1 до 4 мм. Они обладают высокой износоустойчивостью и твердостью, не реагируют с перерабатываемыми материалами, и не загрязняют их продуктами износа. Для изготовления мелющих тел используют стекла особых составов, отличающихся хорошей химической стойкостью и повышенной твердостью. В некоторых случаях при переработке более вязких пигментных паст применяют стеклосферы из стекол с плотностью до 3 - 3,5 г/см3.
Стеклосферы успешно применяются, и во многих других областях. Так, например, из них делают фильтры со строго заданными размерами пор для фильтрации и разделения химически агрессивных веществ. В копировальных электрографических машинах стеклосферы используют для нанесения равномерного слоя краски на поверхность печатающих барабанов.
Большие перспективы открываются перед применением стеклосфер в строительстве, как отделочного, и декоративного материала. Вкрапление цветных стеклосфер в поверхностный слой плит и панелей наружных стен зданий сделает дома наряднее, а использование стеклосфер при отделке интерьеров театров, кафе, изготовление из них панно, подсвеченных специальными светильниками, представит новые возможности архитекторам, и художникам.
КАК ДЕЛАЮТ СТЕКЛОСФЕРЫ
Стеклянные шарики для украшений раньше делали вручную, оплавляя в пламени мелкие частицы твердого цветного стекла или нагревая их в горшках, предварительно смешав с сажей или опилками. Почти таким же способом получали бисер из нарезанных на кусочки тонких стеклянных трубочек. Затем, когда потребовалось выпускать стеклосферы в больших количествах, были разработаны многочисленные механизированные способы их производства.
Промышленное производство стеклосфер начало развиваться в последние десятилетия, с возникновением в различных отраслях техники потребности в таких изделиях. И, как часто бывает, создание высокопроизводительных процессов получения стеклосфер и относительная их дешевизна, в свою очередь, способствовали быстрому расширению областей их использования. Сейчас стеклосферы самых разных размеров, начиная от 10 - 20 мм, и кончая диаметром в несколько микрон, выпускаются многими сотнями и даже тысячами тонн.
Были разработаны многочисленные способы производства. В одних случаях сферы получают из разогретого до пластичного состояния стекла прессованием в формах или обжатием вращающимися валками или барабанами. В других - стеклосферы делают из жидкого расплава методом «свободного» формования. В этом методе используется действие поверхностного натяжения расплава. Как известно, капля жидкости под действием поверхностных сил принимает форму, при которой ее поверхность минимальна, то есть форму сферы. Способы прессования достаточно экономичны при изготовлении сравнительно крупных сфер. Но с уменьшением диаметра производительность оборудования катастрофически падает.
При «свободном» формовании капли стекла получают распылением расплава или дроблением выливающейся из стекловаренной печи струи стекломассы с помощью быстровращающегося ротора или напором высокоскоростного потока горячих газов, пара или воздуха. Капли расплава можно получить также нагреванием до жидкого состояния твердых, предварительно измельченных в мельницах или дробилках частиц стекла - из так называемой стеклянной «крупки». Нагревание, и оплавление «крупки» осуществляют во взвешенном состоянии в потоке горячих газов или в специальных вращающихся печах. Во избежание слипания частиц стекла друг с другом при размягчении их перед засыпкой в печь смешивают с сажей или мелкодисперсным порошком окиси алюминия, которые разделяют отдельные частицы и не дают им спекаться.
Способы получения стеклосфер непосредственно из расплава проще, и дешевле, так, как из производственного цикла исключается целый ряд операций, таких, например, как дробление массивного стекла, рассев полученной «крупки» по фракциям. Однако крайне трудно добиться распыления расплава на очень мелкие капельки, и поэтому стеклосферы диаметром менее 100 - 200 микрон получают все же из «крупки» оплавлением во взвешенном состоянии.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте стеклопластиков, и стекловолокна авторами этой статьи, и молодыми специалистами А. Воробьевым, В. Зайцевым, и А. Чечиком был разработан простой, полностью механизированный, высокопроизводительный процесс производства стеклосфер диаметром от 2 - 3 мм до нескольких десятых долей миллиметра (см. цветную вкладку). На одном из заводов в этом году создается их промышленное производство. Это позволит удовлетворить спрос на стеклосферы в ряде важных отраслей промышленности, и в первую очередь химической, автомобилестроительной, дорожного строительства, и других. Можно полагать, что дальнейшее совершенствование технологии, и создание других видов стеклосфер с новыми физико-техническими свойствами откроют перед ними новые области применения.
