เส้นใยควอตซ์: ทนอุณหภูมิสูง หน่วงการติดไฟ และฉนวนกันความร้อน

1. บทคัดย่อ

เส้นใยควอตซ์เป็นเส้นใยแก้วชนิดพิเศษประสิทธิภาพสูงชนิดหนึ่งที่ขึ้นชื่อในเรื่องความบริสุทธิ์สูง ทนความร้อนสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ และการสูญเสียพลังงาน เส้นใยควอตซ์มักใช้ในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น การบินและอวกาศ ผลิตด้วยเทคโนโลยีอัจฉริยะ

2. ลักษณะการทำงานของเส้นใยควอตซ์

เส้นใยควอตซ์มีปริมาณซิลิกาสูง โดยยังคงคุณสมบัติและประสิทธิภาพบางประการของควอตซ์แข็งไว้ได้ เส้นใยควอตซ์มีความทนทานต่อความร้อนสูง เป็นฉนวนไฟฟ้าที่อุณหภูมิและความถี่สูง มีความเสถียรทางเคมีดีเยี่ยม สามารถใช้งานได้ยาวนานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1,050 องศาเซลเซียส และทนต่ออุณหภูมิสูงทันทีได้สูงถึง 1,700 องศาเซลเซียส แรงดึงของเส้นใยควอตซ์สูงกว่าเส้นใยทั่วไปถึงสามเท่า นอกจากนี้ เส้นใยควอตซ์ยังมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า โดยเป็นเส้นใยแร่ที่มีค่าคงที่ทางไฟฟ้าและค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำที่สุด โดยมีค่าคงที่ทางไฟฟ้า 1 เมกะเฮิรตซ์เท่ากับ 3.70 และค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำกว่า 0.001 ในบริเวณความถี่สูงและต่ำกว่า 700 องศาเซลเซียส เส้นใยควอตซ์จะรักษาค่าคงที่ทางไฟฟ้าและการสูญเสียที่ต่ำที่สุดและเสถียรที่สุด ในขณะที่ยังคงความแข็งแรงไว้ได้มากกว่า 70% เส้นใยควอตซ์มักใช้เป็นวัสดุเสริมโครงสร้าง ฉนวนกันความร้อน และวัสดุที่โปร่งใสต่อคลื่นสำหรับชิ้นส่วนสำคัญของเครื่องบินและยานอวกาศ

3. กระบวนการเตรียมการ

ล วิธีการผลิตเส้นใยควอตซ์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการดึงหลอมโดยตรง การดึงแท่ง และวิธีโซลเจล โดยการวาดแท่งถือเป็นวิธีการเตรียมทางอุตสาหกรรมหลัก

ล กระบวนการดึงแท่งเกี่ยวข้องกับการวางคริสตัลดิบหรือผงซิลิกาบริสุทธิ์ลงในเตาเผาความต้านทานแรงดันสุญญากาศ หลอมละลาย จากนั้นดึงให้เป็นแท่งขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 มม.) ในระหว่างการดึง สารทำให้เปียกจะถูกนำไปใช้กับเส้นใยควอตซ์ก่อน จากนั้นจึงดึงในความร้อนไฟฟ้าหรือสภาพแวดล้อมเปลวไฟออกซิเจนไฮโดรเจนเพื่อให้ได้โมโนฟิลาเมนต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8 ไมโครเมตร ในที่สุด เส้นใยจะถูกบิดเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเส้นด้ายหรือผ้า

ล กระบวนการดึงเฉพาะสามารถอธิบายสั้นๆ ได้ดังนี้: ควอตซ์เหลวอุณหภูมิสูงหยดลงมาจากปลายด้านล่างของแท่งควอตซ์ และเครื่องดึงจะรักษาความเร็วรอบการหมุนคงที่เพื่อยืดและทำให้เส้นใยแข็งตัว ทำให้เกิดเส้นใยต่อเนื่อง เส้นใยละเอียดรูปพระจันทร์เสี้ยวใหม่ที่เรียกว่ารากเส้นใย ดิ๊ๆๆๆ ก่อตัวขึ้นที่ด้านล่างแท่งควอตซ์ ควรสังเกตว่าอุณหภูมิของเส้นใยเดี่ยวจะลดลงอย่างมากหลังจากดึงออก ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์

4. ผลิตภัณฑ์ใยควอตซ์และพื้นที่การใช้งาน

ล เส้นใยควอตซ์สามารถนำไปแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ ได้มากมาย เช่น เส้นใยควอตซ์ ผ้าฝ้าย สักหลาด ผ้า ปลอกแขน เส้นใยสั้น ฯลฯ เส้นใยควอตซ์เป็นผลิตภัณฑ์ทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเสาอากาศเรโดมของเครื่องบิน

ล เส้นใยตัดสั้นทำจากเส้นใยแก้วควอตซ์ที่ตัดล่วงหน้าและมีความยาวคงที่

ล เส้นใยควอตซ์ทำจากซิลิกาที่มีความบริสุทธิ์สูงและผลึกควอตซ์ธรรมชาติเป็นเส้นใยยาวต่อเนื่องที่มีปริมาณ ซิโอ2 มากกว่า 99.95% สามารถใช้งานได้ยาวนานในอุณหภูมิสูงถึง 1,050℃ และมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและการสูญเสียที่ต่ำและเสถียรมาก จึงเป็นวัสดุเส้นใยอนินทรีย์ที่มีความยืดหยุ่นได้ดีเยี่ยมพร้อมทนต่ออุณหภูมิสูง

ล ผ้าใยควอตซ์ทอจากเส้นด้ายใยควอตซ์ผ่านวิธีการทอต่างๆ เช่น ผ้าทวิลธรรมดา ผ้าทวิลซาติน และผ้าเลโน ให้เป็นผ้าที่มีความหนาและลักษณะการทอต่างกัน โดยมีคุณสมบัติทนทานต่ออุณหภูมิสูง ความแข็งแรงสูง ค่าไดอิเล็กตริกต่ำ การนำความร้อนต่ำ ทนทานต่อการเผาไหม้ และอื่นๆ

ล ฝ้ายเส้นใยควอตซ์ประกอบด้วยเส้นใยควอตซ์บริสุทธิ์โดยไม่มีสารยึดเกาะ มีรูปร่างและการจัดเรียงที่ไม่สม่ำเสมอ ทำให้มีลักษณะเป็นลอน ซึ่งป้องกันการบีบอัดของสารตัวเติม ช่วยปรับปรุงการเป็นฉนวน ถือเป็นวัสดุทดแทนที่ดีสำหรับฝ้ายเส้นใยซิลิกาสูง ฝ้ายเส้นใยเซรามิก ฝ้ายเส้นใยบะซอลต์

5. ปัจจัยที่มีผลต่อความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์

ล โดยทั่วไปแล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของเส้นใย ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยควอตซ์เล็กลงเท่าใด ความแข็งแรงในการดึงก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ความแข็งแรงในการดึงนั้นสัมพันธ์กับความยาวของเส้นใย โดยจะลดลงอย่างมากเมื่อความยาวเพิ่มขึ้น ผลกระทบของเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวที่มีต่อเส้นใยควอตซ์สามารถอธิบายได้ด้วยสมมติฐานของรอยแตกร้าวขนาดเล็ก เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของเส้นใยลดลง รอยแตกร้าวขนาดเล็กภายในเส้นใยก็จะลดลงตามไปด้วย ทำให้ความแข็งแรงของเส้นใยเพิ่มขึ้น

ล คุณภาพของของเหลวในแก้วส่งผลต่อความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์ สิ่งเจือปนในองค์ประกอบของแก้วหรือความผันผวนของอุณหภูมิแผ่นรั่วอาจนำไปสู่การตกผลึกในเส้นใยได้ จากการปฏิบัติพบว่าเส้นใยที่ตกผลึกจะอ่อนแอกว่าเส้นใยที่ไม่มีรูปร่าง นอกจากนี้ ฟองอากาศในของเหลวในแก้วยังลดความแข็งแรงของเส้นใยได้อีกด้วย

ล การเคลือบผิวส่งผลต่อความแข็งแรง ในระหว่างการดึงอย่างต่อเนื่อง ต้องใช้สารลดแรงตึงผิวกับเส้นใยแต่ละเส้นหรือมัดเส้นใยเพื่อสร้างฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวเส้นใยเพื่อป้องกันการเสียดสีระหว่างกันระหว่างการแปรรูปสิ่งทอ ซึ่งอาจทำให้เส้นใยเสียหายและลดความแข็งแรงได้ หลังจากการอบด้วยความร้อนเพื่อขจัดสารลดแรงตึงผิว ความแข็งแรงของผ้าใยควอตซ์จะลดลงอย่างมาก แต่โดยทั่วไปจะฟื้นตัวหลังจากผ่านการอบด้วยสารยึดเกาะตัวกลาง เนื่องจากสารเคลือบจะปกป้องเส้นใยและชดเชยข้อบกพร่องบนพื้นผิว

ล ระยะเวลาในการเก็บรักษาส่งผลต่อความแข็งแรง ความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์จะลดลงหลังจากเก็บรักษาไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าการเสื่อมสภาพ โดยส่วนใหญ่เกิดจากการกัดกร่อนของความชื้นในอากาศ ดังนั้น เส้นใยที่มีความเสถียรทางเคมีสูงจึงจะสูญเสียความแข็งแรงน้อยลง

ล เวลาที่ใช้โหลดส่งผลต่อความแข็งแรง ความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์จะลดลงเมื่อใช้โหลดเป็นเวลานาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น อาจเกิดจากน้ำที่ดูดซับไว้ในรอยแตกร้าวขนาดเล็ก ทำให้รอยแตกร้าวขยายตัวเร็วขึ้นภายใต้แรงภายนอก