Введение

В настоящее время существует интерес к гибким высокотемпературным материалам теплоизоляционного назначения, таким как маты, войлоки, ленты, шнуры и ткани, изготовленные на основе дискретных или непрерывных волокон тугоплавких оксидных соединений: SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, муллит и другие [1–13]. Термостойкие уплотнительные шнуры предназначены для теплоизоляции и уплотнения соединений в различных тепловых установках и газотурбинных двигателях.

Технологии получения уплотнительных шнуров на основе термостойких волокон, как правило, включают получение волокнистого термостойкого наполнителя и его оплетку непрерывными волокнами или нитями, либо трощение и плетение комплексных нитей [14–16]. По другим методам смесь коротких волокон подвергают кардочесанию и кручению с получением нитей, которые дополнительно упрочняют непрерывными стеклонитями либо хромоникелевой проволокой [17]. Из полученных таким образом нитей можно производить ткани, ленты, шнуры, оплетки и другие изделия [18–20]. Уплотнительный шнур, изготовленный из дискретных волокон, обладает большей герметизирующей способностью, чем шнур из плетеных непрерывных нитей. Однако изготовление шнуров из дискретных волокон является сложной задачей, так как из-за малой длины и гладкой неразветвленной поверхности воло́кна невозможно сплести в непрерывные нити по классической технологии прядения. Целью данной работы являлось исследование возможности получения из дискретных волокон непрерывного шнура методом непосредственного формования шнура из водной волокнистой пульпы.

Материалы и методы

Для изготовления сердечника гибкого уплотнительного шнура использовали волокна из тугоплавких оксидов алюминия и кремния диаметром 1–5 мкм и длиной 1–5 мм, полученные по золь-гель технологии методом раздува волокнообразующего раствора.

Для проведения экспериментов была изготовлена установка [21], которая состоит из трех основных частей: формирующей части, термокамеры для сушки нитей и узла наматывания (рис. 1).

Рис. 1. Схема установки получения шнура из дискретных волокон на основе оксида алюминия: 1 – расходная емкость; 2 – крутильное устройство; 3 – дискретные волокна; 4 – расходный кран; 5 – двигатель; 6 – шкив; 7 – паковка; 8 – крутильная платформа; 9 – стержневая нить; 10 – воронка; 11 – направляющий ролик; 12 – валок; 13 – камера для термообработки; 14 – источник горячего воздуха; 15 – нитенатяжитель; 16 – нитенаправитель, 17 – мотальный барабанчик; 18 – готовый шнур

Установка включает: расходную емкость 1 для пульпы из дискретных волокон 3, основание для крепления узлов крутильного устройства 2, расходный кран 4, двигатель 5, приводные шкивы 6, паковки 7 с одиночными  стержневыми нитями 9, крутильную платформу 8, соединительную воронку 10, направляющий ролик 11, отжимную пару валков 12, камеру для термообработки 13, снабженную источником горячего воздуха 14, нитенатяжители 15, нитенаправитель 16, мотальный барабанчик 17 и паковку для готового шнура 18.

Для исследований использовано дискретное волокно состава 80% оксида алюминия+20% оксида кремния. После получения волокно обжигали для удаления летучих компонентов и кристаллизации с образованием муллита. Однородную пульпу получали диспергированием в воде. Содержание волокон в пульпе в соответствии с расчетами [22] составляло 2% (по массе), связующего – в количестве 3%.

Опробование показало, что подготовленная таким образом водная пульпа легко транспортируется по узлам установки без повреждения волокон и ее струе может быть придана любая форма, в том числе круглая – благодаря форме сопла транспортирующего узла.

С целью дополнительного закрепления волокна при формировании шнура в зоне выхода пульпы из воронки 10 (см. рис. 1) использовали вспомогательные нити, которые вследствие вращения платформы 8 оплетали волоконную массу. Эти стержневые нити предназначаются не только для закрепления оксидных волокон, но также являются элементами, обеспечивающими транспортирование мокрого шнура через узлы сушки и смотки.

После заполнения расходной емкости пульпу направляли в соединительную воронку. В нижней части воронки пульпа сгущается за счет процесса оседания волокна. На выходе из воронки основная часть волокон задерживается вспомогательными стержневыми нитями и начинает происходить образование непрерывного шнура. Излишнюю воду удаляли. Установленными далее формирующими роликами шнур калибровали и при этом дополнительно отжимали воду из шнура. Для сушки шнура предусмотрена камера 13 с подачей горячего воздуха. Температуру нагрева воздуха регулировали, ориентируясь на степень сушки шнура.

Опробование процесса показало, что его стабильность зависит от скорости подачи пульпы. Исследование влияния скорости подачи пульпы в соединительную воронку выявило, что при малых скоростях для данной конструкции установки наблюдается оседание волокна в питающей воронке, которое приводило к ее засорению. Увеличение скорости подачи приводит к вымыванию волокна из зоны формирования шнура. Для установки подобрали интервал скоростей, в котором наблюдали получение непрерывного шнура. На рис. 2 представлены макро- и микрофотографии шнура, полученного на лабораторной установке.

Рис. 2. Макро- (а) и микрофотография (б) шнура из дискретных волокон на основе оксида алюминия

Исследование влияния натяжения вспомогательных нитей показало, что увеличение величины натяжения способствует получению более плотного шнура, однако чрезмерное натяжение приводит к перерезанию влажного шнура натянутыми вспомогательными нитями.

Наблюдения также показали, что обмотка нитями в одну сторону придают шнуру винтовую форму. Очевидно, для получения ровного шнура необходимо проводить перекрестную обмотку нитями, для чего установка должна быть оснащена двумя вращающимися в разные стороны платформами с дополнительными вспомогательными нитями. На рис. 3 представлен образец шнура, подготовленный для внешней оплетки.

 Рис. 3. Образец шнура из дискретных волокон на основе оксида алюминия

 Рис. 4. Гибкий теплоизоляционный уплотнительный шнур из непрерывных нитей на основе дискретных волокон в оплетке из кварцевых нитей

Образец гибкого теплоизоляционного уплотнительного шнура с сердцевиной из 6 шнуров и оплеткой из кварцевых нитей приведен на рис. 4. Линейная плотность комплексной сердцевины шнура Ø10 мм составила 18 ктекс.

Обсуждение и заключения

В результате проведенных исследований установлена принципиальная возможность изготовления гибких шнуров из дискретных волокон путем непосредственного формирования шнура из водной пульпы. Полученные данным способом волокна после сушки имели некоторую неоднородность по длине и рыхлость. Устранение этих недостатков требует проведения дополнительных экспериментов по подбору связующих, оптимизации количества вспомогательных нитей и режима сушки шнура. Гибкие уплотнительные материалы и шнуры необходимы для теплоизоляции и теплозащиты в горячих промышленных цехах, высокоэнергетических газотурбинных установках, современных авиационных двигателях и в космической технике.