Войти
Стекловолокно (Американский английский ), или стекловолокно (Содружество на английском языке ) - это распространенный тип армированного волокном пластика с использованием стекловолокна. Волокна могут быть расположены случайным образом, сплющены в лист (называемый матом из рубленых прядей) или сотканы в ткань ткань. пластиковая матрица может быть термореактивной полимерной матрицей - чаще всего на основе термореактивных полимеров, таких как эпоксидная смола, полиэфирная смола, или винилэфир - или термопласт.
Дешевле и гибче, чем углеродное волокно, он прочнее, чем многие металлы по весу, не является магнитный, непроводящий проводящий, прозрачный для электромагнитного излучения, может принимать сложные формы и во многих случаях химически инертен. Применяется в самолетах, лодках, автомобилях, ваннах и корпусах, плавательных бассейнах, джакузи, септических резервуарах, резервуарах для воды, кровле., трубы, облицовка, ортопедические слепки, доски для серфинга и наружные дверные покрытия.
Другие распространенные названия стекловолокна: стеклопластик (GRP ), стеклопластик (GFRP ) или GFK (от немецкий : Glasfaserverstärkter Kunststoff). Поскольку само стекловолокно иногда называют «стекловолокном», композит также называют «пластик, армированный стекловолокном». В этой статье будет принято соглашение о том, что «стекловолокно» относится к целому композитному материалу, армированному стекловолокном, а не только к стекловолокну внутри него.
Стекловолокно производилось веками, но самый ранний патент был выдан прусскому изобретателю Герману Хаммесфару ( 1845–1914) в США в 1880 году.
Массовое производство стеклянных нитей было случайно обнаружено в 1932 году, когда Games Slayter, исследователь из Owens- Иллинойс направил струю сжатого воздуха на ручей расплавленного стекла и произведенных волокон. Патент на этот метод производства стекловаты был впервые подан в 1933 году. Оуэнс присоединился к компании Corning в 1935 году, и метод был адаптирован Owens Corning для производства своего запатентованного «Fiberglas» (пишется с одним « s ") в 1936 году. Первоначально Fiberglas представляла собой стекловату с волокнами, улавливающими большое количество газа, что делало его полезным в качестве изолятора, особенно при высоких температурах.
Подходящая смола для объединения стекловолокна с пластиком с целью получения композитного материала была разработана в 1936 году дю Пон. Первым предком современных полиэфирных смол является смола Cyanamid 1942 года выпуска. К тому времени использовались системы отверждения на основе пероксида. Благодаря сочетанию стекловолокна и смолы газосодержание материала было заменено пластиком. Это снизило изоляционные свойства до значений, типичных для пластика, но теперь композит впервые показал большую прочность и перспективность в качестве конструкционного и строительного материала. Многие композиты из стекловолокна продолжали называться «стекловолокно» (как общее название), и это название также использовалось для продукта из стекловаты низкой плотности, содержащего газ вместо пластика.
Рэю Грину из Owens Corning приписывают создание первой композитной лодки в 1937 году, но в то время он не продвигался дальше из-за хрупкой природы используемого пластика. Сообщалось, что в 1939 году Россия построила пассажирский катер из пластмассовых материалов, а Соединенные Штаты - фюзеляж и крылья самолета. Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был прототип Stout Scarab 1946 года, но эта модель не была запущена в производство.
Поставляется усиление стекловолокна. в различных физических формах: микросферы, рубленые или тканые. В отличие от стекловолокна, используемых для изоляции, для того, чтобы окончательная структура была прочной, поверхность волокна должна быть почти полностью без дефектов, так как это позволяет волокнам достигать гигапаскалей предел прочности на разрыв. Если бы объемный кусок стекла был без дефектов, он был бы таким же прочным, как и стекловолокно; однако, как правило, нецелесообразно производить и поддерживать объемный материал в бездефектном состоянии вне лабораторных условий.
Процесс производства стекловолокна называется пултрузией. В процессе производства стекловолокна, подходящего для армирования, используются большие печи для постепенного плавления кварцевого песка, известняка, каолиновой глины, плавикового шпата, колеманит, доломит и другие минералы до образования жидкости. Затем он экструдируется через втулки, которые представляют собой пучки очень маленьких отверстий (обычно диаметром 5–25 микрометров для E-Glass, 9 микрометров для S-Glass).
Эти волокна затем калибруются (покрываются) химический раствор. Отдельные нити теперь объединены в большие количества, чтобы обеспечить ровницу . Диаметр волокон и количество волокон в ровнице определяют его вес, обычно выражаемый в одной из двух систем измерения:
Эти ровницы затем используются либо непосредственно в составных приложениях, таких как пултрузия, намотка нити (труба), ровинговая ровница ( где автоматический пистолет разрезает стекло на короткие отрезки и бросает его в струю смолы, проецируемую на поверхность формы), или на промежуточном этапе для производства тканей, таких как мат из рубленых прядей (CSM) (сделанный из случайно ориентированных небольшие отрезанные отрезки волокна, соединенные вместе), тканые материалы, трикотаж или однонаправленные ткани.
Мат из рубленых прядей или CSM - это форма армирования, используемого в стекловолокне. Он состоит из стеклянных волокон, случайно уложенных друг на друга и скрепленных связующим веществом.
Обычно его обрабатывают методом ручной укладки, когда листы материала помещают в форму и смазывают смолой. Поскольку связующее растворяется в смоле, материал легко принимает различные формы при намокании. После того, как смола застынет, затвердевший продукт можно вынуть из формы и обработать.
Использование мата из рубленых прядей придает стекловолокну изотропные плоские свойства материала.
На ровинг наносится покрытие или грунтовка, чтобы:
Отдельное структурное стекловолокно одновременно жесткое и прочное при растяжении и сжатие - то есть вдоль своей оси. Хотя можно было бы предположить, что волокно слабое при сжатии, на самом деле это только длинное соотношение сторон волокна заставляет это казаться; то есть, поскольку обычное волокно длинное и узкое, оно легко изгибается. С другой стороны, стекловолокно плохо переносит сдвиг, то есть поперек своей оси. Следовательно, если совокупность волокон может быть расположена постоянно в предпочтительном направлении внутри материала и если можно предотвратить их коробление при сжатии, материал будет предпочтительно прочным в этом направлении.
Кроме того, путем наложения нескольких слоев волокна друг на друга, причем каждый слой ориентирован в различных предпочтительных направлениях, можно эффективно контролировать общую жесткость и прочность материала. В стекловолокне это пластиковая матрица, которая постоянно ограничивает структурные стеклянные волокна в направлениях, выбранных дизайнером. В случае мата из рубленых прядей эта направленность представляет собой, по существу, всю двумерную плоскость; с ткаными тканями или однонаправленными слоями направление жесткости и прочности можно более точно контролировать в пределах плоскости.
Стекловолоконный компонент обычно представляет собой тонкую «оболочку», иногда заполненную изнутри структурной пеной, как в случае досок для серфинга. Компонент может иметь почти произвольную форму, ограниченную только сложностью и допусками пресс-формы, используемой для изготовления оболочки.
Механическая функциональность материалов в значительной степени зависит от комбинированных характеристик как смолы (матрица AKA), так и волокон. Например, в суровых температурных условиях (более 180 ° C) полимерный компонент композита может потерять свои функциональные возможности, частично из-за ухудшения связи между смолой и волокном. Однако стеклопластик может по-прежнему демонстрировать значительную остаточную прочность после воздействия высоких температур (200 ° C).
Состав: наиболее распространенные типы стекловолокна, используемые в стекловолокне: Е-стекло, которое представляет собой алюмоборосиликатное стекло с содержанием оксидов щелочных металлов менее 1 мас.%, В основном используемое для стеклопластиков. Другие используемые типы стекла: A-стекло (A щелочно-известковое стекло с небольшим содержанием оксида бора или без него), E-CR-стекло (E электрическое / C химическая R стойкость; силикат алюмосиликата с содержанием оксидов щелочных металлов менее 1%, с высокой кислотостойкостью), стекло C (известково-щелочное стекло с высоким содержанием оксида бора, используемое для штапельного стекла волокна и изоляция), D-стекло (боросиликатное стекло, названное из-за его низкой D электрической постоянной), R-стекло (алюмосиликатное стекло без MgO и CaO с высокими механическими требованиями как R армирование) и S-стекло (алюмосиликатное стекло без CaO, но с высоким содержанием MgO с высоким пределом прочности на разрыв).
Наименование и использование: чистый диоксид кремния (диоксид кремния), при охлаждении как плавленый кварц в стекло без истинной точки плавления, может использоваться в качестве стекловолокна для стекловолокна, но имеет недостаток, заключающийся в том, что его нужно обрабатывать при очень высоких температурах. Чтобы снизить необходимую рабочую температуру, другие материалы вводятся в качестве «флюсовых агентов» (то есть компонентов для понижения точки плавления). Обычное А-стекло («А» для «щелочно-известь») или натриево-известковое стекло, измельченное и готовое к переплавке, как так называемое стекло стеклобой, было первым типом стекла, используемым для изготовления стекловолокна. Стекло E («E» из-за первоначального применения в электричестве) не содержит щелочи и было первым составом стекла, используемым для формирования непрерывных волокон. В настоящее время она составляет большую часть мирового производства стекловолокна, а также является крупнейшим потребителем минералов бора в мире. Он подвержен атаке хлорид-ионами и является плохим выбором для морских применений. S-стекло («S» означает «жесткое») используется, когда важна прочность на разрыв (высокий модуль), и, таким образом, это важный эпоксидный композит для строительства и самолетов (в Европе его называют R-стекло, «R» означает «армирование».). C-стекло («C» означает «химическая стойкость») и T-стекло («T» означает «теплоизолятор» - североамериканский вариант C-стекла) устойчивы к химическому воздействию; и то, и другое часто встречается в изоляционных материалах из выдувного стекловолокна.
| Материал | Удельный вес | Предел прочности на разрыв МПа (тыс. фунтов на квадратный дюйм) | Прочность на сжатие МПа (тыс. Фунтов / кв. Дюйм) |
|---|---|---|---|
| Полиэфирная смола (неармированная) | 1,28 | 55 (7,98) | 140 (20,3) |
| Полиэстер и ламинат с матом из рубленых прядей 30% E-стекло | 1,4 | 100 (14,5) | 150 (21,8) |
| Полиэстер и тканый ламинат Rovings 45% E-стекло | 1,6 | 250 (36,3) | 150 (21,8) |
| Ламинат с полиэфирным и атласным переплетением 55% стекло E | 1,7 | 300 (43,5) | 250 (36,3) |
| Полиэфирный ламинат и сплошной ровинг 70% стекло E | 1,9 | 800 (116) | 350 (50,8) |
| Эпоксидный композит E-Glass | 1,99 | 1,770 (257) | |
| Эпоксидный композит S-Glass | 1,95 | 2358 (342) |
A криостат из стекловолокна Стекловолокно является чрезвычайно универсальным материалом благодаря своей легкости и прочности. прочность, стойкость к атмосферным воздействиям и разнообразие текстур поверхности.
Разработка армированного волокном пластика для коммерческого использования широко исследовалась в 1930-х годах. Это представляло особый интерес для авиационной промышленности. Способ массового производства стеклянных нитей был случайно открыт в 1932 году, когда исследователь из Оуэнс-Иллинойс направил струю сжатого воздуха на поток расплавленного стекла и произвел волокна. После слияния Оуэнса с компанией Corning в 1935 году Оуэнс Корнинг адаптировал этот метод для производства своего запатентованного «Fiberglas» (one «s»). Подходящая смола для соединения стекловолокна с пластиком была разработана в 1936 году компанией Du Pont. Первым предком современных полиэфирных смол является цианамид 1942 года выпуска. К тому времени использовались системы отверждения перекисью водорода.
Во время Второй мировой войны стекловолокно было разработано как замена формованной фанере, используемой в самолетах обтекателей (стекловолокно было от прозрачного до микроволн ). Его первое основное гражданское применение было для строительства лодок и кузовов спортивных автомобилей, где оно получило признание в 1950-х годах. Его использование распространилось на секторы автомобильного и спортивного оборудования. При производстве некоторых продуктов, например самолетов, углеродное волокно теперь используется вместо стекловолокна, которое является более прочным по объему и весу.
Передовые технологии производства, такие как препрег и волокно ровницы, расширяют область применения стекловолокна и увеличивают предел прочности на разрыв, возможный с помощью армированных волокнами пластиков.
Стекловолокно также используется в телекоммуникационной отрасли для экранирования антенн из-за его RF проницаемости и низкого уровня сигнала. затухание свойства. Его также можно использовать для скрытия другого оборудования, где не требуется проницаемость сигнала, такого как шкафы для оборудования и стальные опорные конструкции, из-за легкости, с которой его можно формовать и красить, чтобы он сочетался с существующими конструкциями и поверхностями.. Другие области применения включают электрические изоляторы в форме листа и структурные компоненты, обычно используемые в продукции электроэнергетики.
Из-за легкости и прочности стекловолокна его часто используют в защитном снаряжении, таком как шлемы. Во многих видах спорта используется защитное снаряжение из стекловолокна, например, маски вратарей и ловцов.
Несколько больших резервуаров из стекловолокна в аэропорту Резервуары для хранения могут быть изготовлены из стекловолокна вместимостью примерно до 300 тонн. Резервуары меньшего размера могут быть изготовлены из мата из рубленых прядей, залитого поверх внутреннего резервуара из термопласта, который во время строительства действует как преформа. Гораздо более надежные резервуары изготавливаются из тканого мата или волокна, намотанного нитями, с ориентацией волокон под прямым углом к кольцевому напряжению, создаваемому содержимым в боковой стенке. Такие резервуары, как правило, используются для хранения химикатов, поскольку пластиковая оболочка (часто полипропилен ) устойчива к широкому спектру агрессивных химикатов. Стекловолокно также используется для септиков.
Купол из стекловолокна в Дэвисе, Калифорния Стеклопластик также используется для производства таких компонентов дома, как кровельный ламинат, двери. обрамления, наддверные козырьки, оконные козырьки и слуховые окна, дымоходы, копировальные системы, а также головы с замковыми камнями и подоконниками. Уменьшенный вес и более простая обработка материала по сравнению с деревом или металлом позволяют ускорить установку. Серийно производимые панели из стекловолокна с эффектом кирпича могут использоваться при строительстве композитных корпусов и могут включать изоляцию для уменьшения потерь тепла.
В насосных станциях со штангой часто используются штанги из стекловолокна из-за их высокого отношения прочности на разрыв к весу. Штанги из стекловолокна имеют преимущество перед стальными, поскольку они растягиваются более упруго (ниже модуль Юнга ), чем сталь при заданном весе, что означает, что больше нефти может подниматься из углеводородного резервуара на поверхность с каждым ходом, в то время как снижение нагрузки на насосный агрегат.
Стержни из стекловолокна должны находиться в напряжении, однако, они часто расходятся, если помещены даже в небольшое сжатие. Плавучесть стержней в жидкости усиливает эту тенденцию.
Трубы из стеклопластика и стеклопластика могут использоваться в различных надземных и подземных системах, в том числе для:
Байдарки из стекловолокна Филаментная намотка - это технология изготовления, в основном используемая для изготовления открытых (цилиндры) или закрытых конструкций (сосуды под давлением или резервуары). Процесс заключается в намотке нитей под натяжением на охватываемую оправку. Оправка вращается, в то время как флюгер на каретке движется горизонтально, укладывая волокна в желаемом порядке. Чаще всего используются углеродные или стеклянные волокна, покрытые синтетической смолой по мере наматывания. Как только оправка будет полностью покрыта до желаемой толщины, смола отверждается; часто для этого оправку помещают в печь, хотя иногда используются лучистые нагреватели, когда оправка все еще вращается в машине. После отверждения смолы оправку удаляют, оставляя готовый полый продукт. Для некоторых продуктов, таких как газовые баллоны, «оправка» является постоянной частью готового продукта, образующей прокладку для предотвращения утечки газа или в качестве барьера для защиты композита от жидкости, которая будет храниться.
Намотка из филамента хорошо подходит для автоматизации, и существует множество применений, таких как трубы и небольшие сосуды под давлением, которые наматываются и излечиваются без вмешательства человека. Управляемыми переменными для намотки являются тип волокна, содержание смолы, угол ветра, жгут или ширина полосы и толщина пучка волокон. Угол, под которым волокно влияет на свойства конечного продукта. «Обруч» с большим углом обеспечит окружную прочность или «разрывную» прочность, в то время как рисунки с меньшим углом (полярные или винтовые) обеспечат большую продольную прочность на растяжение.
Продукция, производимая в настоящее время с использованием этой технологии, варьируется от труб, клюшек для гольфа, корпусов мембран обратного осмоса, весел, вилок велосипедов, велосипедных ободов, силовых и передаточных опор, сосудов высокого давления до корпусов ракет, фюзеляжей самолетов и фонарных столбов и яхтенные мачты.
Разделительный агент, обычно в воском или в жидкой форме, наносится на выбранную форму, чтобы готовый продукт можно было чисто удалить из формы. Смола - обычно 2-компонентный термореактивный полиэфир, винил или эпоксидная смола - смешивается с ее отвердителем и наносится на поверхность. Листы матов из стекловолокна укладываются в форму, затем добавляется еще смесь смолы с помощью кисти или валика. Материал должен соответствовать форме, и между стекловолокном и формой не должен оставаться воздух. Применяется дополнительная смола и, возможно, дополнительные листы стекловолокна. Ручное давление, вакуум или валики используются, чтобы убедиться, что смола пропитывает и полностью смачивает все слои, и что любые воздушные карманы удалены. Работа должна быть сделана быстро, прежде чем смола начнет отверждаться, если не используются высокотемпературные смолы, которые не будут отверждаться, пока деталь не нагреется в духовке. В некоторых случаях изделие покрывают пластиковыми листами, и на изделие создают вакуум, чтобы удалить пузырьки воздуха и придать стекловолокну форму формы.
Процесс укладки стекловолокна распылением аналогичен процессу ручной укладки, но отличается нанесением волокна и смолы на форму. Распыление - это процесс изготовления композитных материалов открытой формовкой, при котором смола и арматура распыляются на форму. Смолу и стекло можно наносить по отдельности или одновременно, «измельчая» в объединенном потоке из измельчающего пистолета. Рабочие раскатывают спрей, чтобы уплотнить ламинат. Затем может быть добавлено дерево, пенопласт или другой материал сердцевины, и вторичный напыляемый слой погружает сердцевину между слоистыми материалами. Затем деталь отверждается, охлаждается и извлекается из формы многоразового использования.
Схема процесса пултрузии Пултрузия - это производственный метод, используемый для изготовления прочных и легких композитных материалов. При пултрузии материал протягивается через формовочное оборудование либо ручным способом, либо методом непрерывных валков (в отличие от экструзии, когда материал проталкивается через фильеры). При пултрузии стекловолокна волокна (стеклянный материал) вытягиваются из катушек через устройство, которое покрывает их смолой. Затем их обычно подвергают термообработке и нарезают по длине. Стекловолокно, произведенное таким образом, может иметь различные формы и поперечные сечения, например, W или S.
Одной из примечательных особенностей стекловолокна является то, что используемые смолы подвергаются усадке в процессе отверждения. Для полиэстера это сокращение часто составляет 5–6%; для эпоксидной смолы около 2%. Поскольку волокна не сжимаются, эта разница может привести к изменению формы детали во время отверждения. Искажения могут появиться через несколько часов, дней или недель после застывания смолы.
Хотя это искажение можно минимизировать за счет симметричного использования волокон в конструкции, создается определенное внутреннее напряжение; а если он станет слишком большим, образуются трещины.
В июне 2011 года Национальная токсикологическая программа (NTP) удалила из своего отчета по канцерогенным веществам всю биорастворимую стекловату, используемую для изоляции домов и зданий, а также для -изолирующие изделия. Тем не менее, NTP считает, что пыль из стекловолокна «разумно ожидается [как] канцероген для человека (определенные волокна стекловаты (вдыхаемые))». Аналогичным образом, Калифорнийское Управление по оценке рисков для здоровья в окружающей среде («OEHHA») опубликовало в ноябре 2011 г. модификацию своего списка Предложения 65, включив в него только «волокна стекловаты (вдыхаемые и биостойкие)». Действия NTP США и OEHHA Калифорнии означают, что предупреждающая этикетка о раке для домов и изоляционных материалов из биорастворимого стекловолокна больше не требуется в соответствии с федеральным законодательством или законодательством штата Калифорния. Все стекловолоконные волокна, обычно используемые для тепло- и звукоизоляции, были реклассифицированы Международным агентством по изучению рака (IARC) в октябре 2001 года как не классифицируемые по канцерогенности для человека (группа 3).
Люди могут подвергнуться воздействию стекловолокна на рабочем месте при вдыхании, контакте с кожей или глазами. Управление по охране труда (OSHA) установило юридический предел (допустимый предел воздействия ) для воздействия стекловолокна на рабочем месте: 15 мг / м в целом и 5 мг / м для респираторных заболеваний. выдержка в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в 3 волокна / см (менее 3,5 микрометров в диаметре и более 10 микрометров в диаметре). длина) как средневзвешенное по времени за 8-часовой рабочий день и общий предел 5 мг / м.
Европейский Союз и Германия классифицируют синтетические волокна стекловидного тела как возможные или вероятно канцерогенные, но волокна могут быть исключены из этой классификации, если они проходят специальные тесты. Доказательства для этих классификаций получены в основном из исследований на экспериментальных животных и механизмах канцерогенеза. Эпидемиологические исследования стекловаты были проанализированы группой международных экспертов, созванной МАИР. Эти эксперты пришли к выводу: «Эпидемиологические исследования, опубликованные за 15 лет, прошедшие с момента предыдущего обзора этих волокон в монографиях МАИР в 1988 году, не предоставляют доказательств повышенного риска рака легких или мезотелиомы (рака слизистой оболочки полостей тела) в результате профессионального воздействия во время производства. этих материалов и недостаточные доказательства в целом любого риска рака ». В обзоре опасностей для здоровья, проведенном Европейской комиссией за 2012 год, говорится, что вдыхание стекловолокна в концентрациях 3, 16 и 30 мг / м3 «не вызывает фиброза или опухолей, за исключением временного воспаления легких, которое исчезло после периода восстановления после воздействия». Аналогичные обзоры эпидемиологических исследований были проведены Агентством регистрации токсичных веществ и заболеваний («ATSDR»), Национальной токсикологической программой, Национальной академией наук и Гарвардскими школами медицины и общественного здравоохранения, которые пришли к такому же выводу, что и МАИР, что существует нет свидетельств повышенного риска профессионального воздействия волокон стекловаты.
Стекловолокно раздражает глаза, кожу и дыхательную систему. Возможные симптомы включают раздражение глаз, кожи, носа, горла, одышку (затрудненное дыхание); боль в горле, охриплость голоса и кашель. Научные данные показывают, что стекловолокно безопасно производить, устанавливать и использовать при соблюдении рекомендуемых методов работы для уменьшения временного механического раздражения. К сожалению, эти методы работы не всегда соблюдаются, и стекловолокно часто остается открытым в подвалах, которые позже становятся занятыми. Согласно Американской ассоциации легких, изоляция из стекловолокна никогда не должна оставаться открытой в жилых помещениях.
Во время отверждения смолы стирол выделяются пары. Они раздражают слизистые оболочки и дыхательные пути. Таким образом, Постановление о вредных веществах в Германии предписывает максимальный уровень воздействия на рабочем месте в 86 мг / м3. При определенных концентрациях может образоваться потенциально взрывоопасная смесь. Дальнейшее производство компонентов из стеклопластика (шлифовка, резка, распиловка) приводит к образованию мелкой пыли и стружки, содержащей стеклянные волокна, а также липкой пыли в количествах, достаточно высоких, чтобы повлиять на здоровье и функциональность машин и оборудования. Для обеспечения безопасности и эффективности требуется установка эффективного оборудования для экстракции и фильтрации.
 | На Викискладе есть материалы, относящиеся к стеклопластику. |
