เส้นใยควอตซ์: ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนไฟ และเป็นฉนวนกันความร้อน

1. บทคัดย่อ

เส้นใยควอตซ์เป็นเส้นใยแก้วชนิดพิเศษประสิทธิภาพสูง ที่รู้จักกันดีในด้านความบริสุทธิ์สูง ทนความร้อนสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ และการสูญเสียต่ำ นิยมใช้ในด้านเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น อวกาศ ผลิตด้วยเทคโนโลยีอัจฉริยะ

2. คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพของเส้นใยควอตซ์

เส้นใยควอตซ์มีปริมาณซิลิกาในปริมาณสูง จึงคงคุณสมบัติและประสิทธิภาพของควอตซ์แข็งไว้ได้ มีคุณสมบัติทนความร้อนสูง เป็นฉนวนไฟฟ้าที่อุณหภูมิและความถี่สูง มีเสถียรภาพทางเคมีดีเยี่ยม สามารถใช้งานได้ในระยะยาวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1050℃ และทนต่ออุณหภูมิสูงชั่วขณะได้ถึง 1700℃ ความแข็งแรงดึงของเส้นใยควอตซ์สูงกว่าเส้นใยทั่วไปถึงสามเท่า นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติทางไดอิเล็กตริกที่เหนือกว่า โดยเป็นเส้นใยแร่ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำที่สุด โดยมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่ 1MHz เท่ากับ 3.70 และค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำกว่า 0.001 ในย่านความถี่สูงและอุณหภูมิต่ำกว่า 700℃ เส้นใยควอตซ์ยังคงรักษาค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและการสูญเสียที่ต่ำที่สุดและเสถียรที่สุดไว้ได้ ในขณะที่ยังคงความแข็งแรงไว้ได้มากกว่า 70% จึงนิยมใช้เป็นวัสดุเสริมแรงโครงสร้าง ฉนวนกันความร้อน และวัสดุโปร่งแสงสำหรับชิ้นส่วนสำคัญของเครื่องบินและยานอวกาศ

3. ขั้นตอนการเตรียมการ

ล วิธีการผลิตเส้นใยควอตซ์ส่วนใหญ่ได้แก่ การดึงขึ้นรูปโดยตรงจากการหลอม การดึงขึ้นรูปเป็นแท่ง และวิธีการโซล-เจล ซึ่งการดึงขึ้นรูปเป็นแท่งเป็นวิธีการเตรียมการทางอุตสาหกรรมหลัก

ล กระบวนการดึงแท่งเส้นใยเกี่ยวข้องกับการนำผลึกดิบหรือผงซิลิกาบริสุทธิ์ใส่ลงในเตาเผาความต้านทานที่มีแรงดันสุญญากาศ หลอมละลาย แล้วดึงให้เป็นแท่งละเอียด (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 มม.) ในระหว่างการดึง จะมีการใช้สารทำให้เปียกกับเส้นใยควอตซ์ก่อน จากนั้นจึงดึงในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนจากไฟฟ้าหรือเปลวไฟออกซิเจนไฮโดรเจนเพื่อให้ได้เส้นใยเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8 ไมโครเมตร สุดท้าย เส้นใยจะถูกบิดเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเป็นเส้นด้ายหรือผ้า

ล กระบวนการดึงเส้นใยโดยเฉพาะสามารถอธิบายโดยย่อได้ดังนี้: ควอตซ์เหลวอุณหภูมิสูงจะหยดลงมาจากปลายด้านล่างของแท่งควอตซ์ และเครื่องดึงเส้นใยจะรักษาความเร็วในการหมุนคงที่เพื่อยืดและทำให้เส้นใยแข็งตัว กลายเป็นเส้นใยต่อเนื่อง เส้นใยละเอียดรูปพระจันทร์เสี้ยวใหม่ที่เรียกว่า เส้นใยราก " จะก่อตัวขึ้นที่ด้านล่างของแท่งควอตซ์ ควรสังเกตว่าอุณหภูมิของเส้นใยแต่ละเส้นจะลดลงอย่างมากหลังจากถูกดึงออกมา ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์

4. ผลิตภัณฑ์เส้นใยควอตซ์และพื้นที่การใช้งาน

ล เส้นใยควอตซ์สามารถแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ ได้ เช่น เส้นด้ายควอตซ์ ผ้าฝ้าย ผ้าสักหลาด ผ้า ปลอกแขน เส้นใยตัดสั้น เป็นต้น เส้นด้ายควอตซ์เป็นผลิตภัณฑ์ทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเสาอากาศเรดาร์ของเครื่องบิน

ล เส้นใยตัดสั้นผลิตจากเส้นใยแก้วควอตซ์ที่ตัดมาแล้วและมีความยาวคงที่

ล เส้นใยควอตซ์ผลิตจากซิลิกาบริสุทธิ์สูงและผลึกควอตซ์ธรรมชาติ นำมาขึ้นรูปเป็นเส้นใยยาวต่อเนื่อง มีปริมาณ SiO2 มากกว่า 99.95% สามารถใช้งานได้ในระยะยาวที่อุณหภูมิสูงถึง 1050℃ และมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและการสูญเสียต่ำมากและเสถียร ทำให้เป็นวัสดุเส้นใยอนินทรีย์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม

ล ผ้าใยควอตซ์ทอจากเส้นใยควอตซ์โดยใช้กรรมวิธีทอแบบต่างๆ เช่น การทอแบบธรรมดา การทอแบบซาติน การทอแบบทวิลล์ และการทอแบบเลโน ทำให้ได้ผ้าที่มีความหนาและลวดลายการทอแตกต่างกัน โดยมีคุณสมบัติเด่นคือ ทนต่ออุณหภูมิสูง มีความแข็งแรงสูง มีค่าไดอิเล็กตริกต่ำ มีค่าการนำความร้อนต่ำ ทนต่อการเผาไหม้ เป็นต้น

ล ใยควอตซ์ประกอบด้วยเส้นใยควอตซ์บริสุทธิ์โดยปราศจากสารยึดเกาะ มีรูปร่างและการเรียงตัวไม่สม่ำเสมอ ทำให้มีลักษณะเป็นลอน ป้องกันการอัดตัวของวัสดุบรรจุ และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเป็นฉนวน นอกจากนี้ยังสามารถใช้ทดแทนใยซิลิกาคุณภาพสูง ใยเซรามิก และใยบะซอลต์ได้ดี

5. ปัจจัยที่มีผลต่อความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์

ล โดยทั่วไปแล้ว เส้นใยควอตซ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวเล็กกว่า จะมีแรงดึงสูงกว่า แรงดึงมีความสัมพันธ์กับความยาวของเส้นใย โดยจะลดลงอย่างมากเมื่อความยาวเพิ่มขึ้น ผลกระทบของเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวต่อเส้นใยควอตซ์สามารถอธิบายได้ด้วยสมมติฐานเรื่องรอยแตกขนาดเล็ก: เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของเส้นใยลดลง รอยแตกขนาดเล็กภายในเส้นใยก็จะลดลงตามไปด้วย ทำให้ความแข็งแรงของเส้นใยเพิ่มขึ้น

ล คุณภาพของของเหลวแก้วมีผลต่อความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์ สิ่งเจือปนในองค์ประกอบของแก้วหรือความผันผวนของอุณหภูมิแผ่นรั่วอาจทำให้เกิดการตกผลึกในเส้นใย จากประสบการณ์พบว่าเส้นใยที่มีการตกผลึกจะอ่อนแอกว่าเส้นใยที่ไม่มีโครงสร้างผลึก นอกจากนี้ ฟองอากาศในของเหลวแก้วยังสามารถลดความแข็งแรงของเส้นใยได้อีกด้วย

ล การปรับสภาพพื้นผิวส่งผลต่อความแข็งแรง ในระหว่างการดึงเส้นใยอย่างต่อเนื่อง ต้องใช้สารช่วยให้เปียกกับเส้นใยแต่ละเส้นหรือกลุ่มเส้นใยเพื่อสร้างฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวเส้นใย ป้องกันการเสียดสีระหว่างกันในระหว่างกระบวนการผลิตสิ่งทอ ซึ่งอาจทำให้เส้นใยเสียหายและลดความแข็งแรงได้ หลังจากผ่านการอบด้วยความร้อนเพื่อกำจัดสารช่วยให้เปียก ความแข็งแรงของผ้าใยควอตซ์จะลดลงอย่างมาก แต่โดยทั่วไปจะฟื้นตัวได้หลังจากการบำบัดด้วยสารยึดเกาะขั้นกลาง เนื่องจากสารเคลือบจะช่วยปกป้องเส้นใยและชดเชยข้อบกพร่องบนพื้นผิว

ล ระยะเวลาการเก็บรักษามีผลต่อความแข็งแรง เส้นใยควอตซ์จะมีความแข็งแรงลดลงหลังจากเก็บรักษาไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าการเสื่อมสภาพ โดยส่วนใหญ่เกิดจากการกัดกร่อนจากความชื้นในอากาศ ดังนั้น เส้นใยที่มีความเสถียรทางเคมีสูงจึงมีความแข็งแรงลดลงน้อยกว่า

ล ระยะเวลาในการรับแรงมีผลต่อความแข็งแรง ความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์ลดลงเมื่อรับแรงเป็นเวลานาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น ซึ่งอาจเป็นเพราะน้ำที่ซึมเข้าไปในรอยแตกขนาดเล็กทำให้รอยแตกขยายตัวเร็วขึ้นภายใต้แรงภายนอก