Стеклошарики во всем мире находят все большее применение в технике, технологии и производстве товаров народного потребления. Одним из наиболее эффективных способов получения микрошариков является плазменное распыление исходных материалов в факеле низкотемпературной плазмы.
При плазменной обработке и распылении стеклянных стержней образуются стеклошарики, которые подвергаются интенсивному нагреву.
В результате этого происходит частичное испарение ингредиентов стеклошариков. Различные оксиды в процессе плазменной обработки испаряются по различным механизмам. Это в значительной степени зависит и от наличия в составе стеклошариков поверхностно-активных веществ.
В работе исследовано влияние плазменного нагрева на стеклошарики на основе сортовых стекол.
Стержневое напыление производили по следующей схеме. Стержень подавали в плазменную горелку ГН-5Р плазмотрона УПУ-8М и затем поток плазмообразующего газа направлял частицы расплава в конический сборник с корундовым тиглем на торце. В тигле частицы стекла, прошедшие плазменную обработку, накапливались для последующего анализа. Параметры работы плазмотрона были следующие: рабочее напряжение 30 В, сила тока 400 А. Плазмообразующим газом служил аргон, расход которого составлял 1,8 м /час при давлении 0,25-0,27 МПа.
После плазменной обработки частицы стекла подвергали химическому анализу.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Стекла, прошедшие плазменную обработку, обогащаются такими оксидами как SiO2, Al2O3 и СаО. Щелочные оксиды Na2O и К2О, а также оксиды свинца частично испаряются. В значительной степени из состава стеклошариков удаляются поверхностно-активные компоненты, такие, как кадмий, селен, хром.
По стандартным методикам нами исследовались термические свойства стеклошариков, прошедших плазменную обработку. Результаты исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1. Термические свойства стеклошариков, прошедших плазменную обработку
|
|
|
T стекл., К |
Tf стекл., К |
ТКЛР, град-1, 10-7 |
|||
|
№ п/п |
Наименование стеклошариков |
до обработки |
после обработки |
до обработки |
после обработки |
до обработки |
после обработки |
|
1 |
Свинцовый хрусталь |
741 |
825 |
766 |
848 |
109,4 |
102,9 |
|
2 |
Кадмиевый рубин |
759 |
829 |
787 |
851 |
105,1 |
101,7 |
|
3 |
Хромовое стекло |
778 |
821 |
838 |
882 |
103,7 |
96,0 |
|
4 |
Молочное стекло |
781 |
812 |
812 |
842 |
102,3 |
97,0 |
|
5 |
Бесцветное стекло |
796 |
825 |
845 |
872 |
98,7 |
93,8 |
|
6 |
Кобальтовое стекло |
836 |
858 |
898 |
920 |
101,1 |
97,6 |
Анализ полученных результатов позволяет заключить, что у стеклошариков, прошедших плазменную обработку, смещается в область высоких температур Tg и Tf .
Это обусловлено не только изменением химического состава стеклошариков, но и высокими скоростями нагрева и остывания материала, а также изменением структуры стекла за счет незначительного дефицита кислорода в структуре (SiO2)n. Кроме того, как видно из таблицы 1, снижается значение ТКЛР.
Данные факторы обуславливают изменение оптических характеристик стеклошариков, в частности показателя преломления. Показатель преломления определяли иммерсионным методом. Значения показателя преломления сте-клопорошков до и после плазменной обработки представлены в таблице 2.
Таблица 2.Показатель преломления стеклошариков, прошедших плазменную обработку
Из таблицы 2 видно, что значение показателя преломления стеклошариков, прошедших плазменную обработку, снижается.
Результаты исследований плотности сте-клошариков представлены в таблице 3.
У свинцовых хрусталей плотность уменьшалась за счет испарения тяжелых оксидов свинца. Плотность сортовых стеклошариков увеличивалась за счет испарения щелочных и некоторых других оксидов.
Таблица 3. Плотность стеклошариков, прошедших плазменную обработку
Плотность, г/см3
|
№ п/п |
Наименование стеклошариков |
до плазменной обработки |
после плазменной обработки |
|
1 |
Молочное стекло |
2,22 |
2,28 |
|
2 |
Бесцветное стекло |
2,26 |
2,32 |
|
2 |
Кобальтовое стекло |
2,25 |
2,31 |
|
3 |
Хрусталь свинцовый |
2,91 |
2,84 |
|
4 |
Хромовое стекло |
2,27 |
3,34 |
|
5 |
Кадмиевый рубин |
2,26 |
2,30 |
В отдельных случаях при плазменной обработке в стеклах из свинцовых хрусталей может наблюдаться незначительное расстекловы-вание с образованием различных силикатов. C использованием метода рентгенофазового анализа было установлено, что в свинцовом хрустале после его плазменной обработки образуется незначительное количество силикатов свинца PbSiO4 (d=3,21; 3,11; 2,98). У бесцветных сортовых стеклошариков, прошедших плазменную обработку, имела место частичная выкристал-лизация различных полиморфных фаз кремнезема (кварц).
Хромовое стекло, молочное стекло и кобальтовое стекло после плазменной обработки цвет не меняли. Однако, кадмиевый рубин (который относится к наводящимся стеклам) - свою окраску менял. Так, кадмиевый рубин бледно-розового цвета практически полностью обесцвечивался за счет разложения красящего комплекса CdSe-CdS. Красные кадмиевые рубины после плазменной обработки за счет вышеуказанного процесса и частичного испарения кадмия и селена переходили в розовый цвет. Темно-красные и коричневые рубины после плазменной обработки переходили в алые и ярко-красные цвета.
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет констатировать, что при плазменной обработке стеклошариков происходит плавление и сфероидизация. За счет высоких температур плазмы стекло изменяет свой химический состав вследствие частичного испарения его ингредиентов, изменяется плотность, показатель преломления и термические свойства.
Проведенные исследования позволят расширить области применения стеклошариков на основе сортовых стекол.