Роль Fe₂O₃ в структуре и свойствах бесщелочных железосодержащих магнийалюмосиликатных стекол для непрерывного высокомодульного стекловолокна

Abstract

Зола-уноса, образующаяся в качестве отхода на ТЭС и ГРЭС, содержит до 90 % суммы основных в силикатной промышленности оксидов кремния (SiO2) и алюминия (Al2O3), и около 10 % представлено оксидами железа (FeO+Fe2O3), оксидами кальция, магния (CaO, MgO) и находит свое применение в качестве добавок в цементы, дорожное покрытие, минеральные удобрения и др. Применение золы-уноса в качестве сырьевого материала в стекольной промышленности, несмотря на решение экологических (утилизация отходов) и экономических задач (снижение себестоимости), может быть ограничено повышенным содержанием железа, традиционно считающимся нежелательной примесью, вызывающей, в первую очередь, окрашивание стекла и снижение его прозрачности. Однако, исследование представленное в статье, демонстрирует, что при определенных условиях железо, имеющее переменную валентность, в форме Fe2O3 может играть роль оксида-стеклообразователя, аналогично Al2O3, не приводя к ухудшению свойств стекла, при этом себестоимость производства такого стекла будет ниже чем традиционного аналогичного состава. Для проверки выдвинутой гипотезы проводился расчет баланса кислорода в разработанных щелочных и бесщелочных (с щелочноземельными оксидами) железоалюмосиликатных стекол, используемых в производстве высокомодульных стекловолокон (ВМП), расчет степени связности, модуля упругости и плотности. При этом в разработанных составах производится частичная замена одного промежуточного стеклобразователя Al2O3 на другой – Fe2O3. Баланс кислорода показывает, что для большинства исследуемых составов стекол кислорода, вносимого оксидами модификаторами (Na2O, CaO, MgO), достаточно для компенсации отрицательного заряда образующихся тетраэдров [FeO4]- и [AlO4]-. Это не противоречит, в условиях борьбы за кислород, оксидам Fe2O3 и Al2O3 одновременно участвовать в образовании сетки стекла при оптимальном соотношении всех компонентов стекла. Расчет подтверждается достаточно высокими значениями модуля упругости (81–86 ГПа) и низкой плотностью (2,47–2,57 г/см³) стекол, указывающей на компактную тетраэдрическую структуру. Кроме того, расчет высокотемпературной вязкости разработанных составов указывает на возможность выработки непрерывных стекловолокон типа ВМП при температурах в диапазоне 1250-1400 ℃. Достижение температуры выработки уровня 1250 ℃ является рекордно низким показателем для такого типа стекол, что приведет к улучшению процесса формования элементарных волокон.