Стекловолокно ( американский английский ) или стекловолокно ( англ. Commonwealth English ) — распространенный тип армированного волокном пластика с использованием стекловолокна . Волокна могут быть расположены хаотично, сплющены в лист, называемый матом из рубленой пряжи, или вплетены в стеклоткань . Пластиковая матрица может представлять собой термореактивную полимерную матрицу , чаще всего на основе термореактивных полимеров, таких как эпоксидная смола , полиэфирная смола или винилэфирная смола , или термопластик .
Дешевле и гибче, чем углеродное волокно , оно прочнее многих металлов по весу, немагнитное , непроводящее , прозрачное для электромагнитного излучения , ему можно придавать сложные формы и при многих обстоятельствах оно химически инертно. Области применения включают самолеты, лодки, автомобили, ванны и навесы, плавательные бассейны , гидромассажные ванны , септики , резервуары для воды , кровлю, трубы, облицовку, ортопедические гипсовые повязки , доски для серфинга и внешние дверные покрытия.
Другими распространенными названиями стекловолокна являются стеклопластик ( GRP ), [1] стеклопластик ( GFRP ) [2] или GFK (от немецкого : Glasfaserverstärkter Kunststoff ). Поскольку само стекловолокно иногда называют «стекловолокном», композит также называют пластиком, армированным стекловолокном ( FRP ). В этой статье будет принято соглашение, согласно которому «стекловолокно» относится ко всему армированному волокном композитному материалу, а не только к стекловолокну внутри него.
Полимеры, армированные углеродным волокном, представляют собой аналогичный композитный материал, в котором армированием являются углеродные волокна.
Стекловолокно производилось на протяжении веков, но самый ранний патент был выдан прусскому изобретателю Герману Хаммесфару (1845–1914) в США в 1880 году. [3] [4]
Массовое производство стеклянных нитей было случайно обнаружено в 1932 году, когда Геймс Слайтер , исследователь из Оуэнса-Иллинойса , направил струю сжатого воздуха на поток расплавленного стекла и получил волокна. Патент на этот метод производства стекловаты был впервые подан в 1933 году. [5] Оуэнс присоединился к компании Corning в 1935 году, и этот метод был адаптирован компанией Owens Corning для производства запатентованного «волокна» (пишется с одной «s»). в 1936 году. Первоначально стекловолокно представляло собой стекловату с волокнами, улавливающими большое количество газа, что делало его полезным в качестве изолятора, особенно при высоких температурах.
Подходящая смола для соединения стекловолокна с пластиком для производства композитного материала была разработана в 1936 году компанией DuPont . Первым предком современных полиэфирных смол является смола Цианамида 1942 года. К тому времени использовались системы пероксидного отверждения. [6] Благодаря сочетанию стекловолокна и смолы газосодержание материала было заменено пластиком. Это снизило изоляционные свойства до значений, типичных для пластика, но теперь впервые композит показал большую прочность и перспективность в качестве конструкционного и строительного материала. Многие композиты из стекловолокна продолжали называться «стекловолокном» (как общее название), и это название также использовалось для продукта из стекловаты низкой плотности, содержащего газ вместо пластика.
Рэю Грину из Owens Corning приписывают производство первой композитной лодки в 1937 году, но в то время он не продвинулся дальше из-за хрупкости используемого пластика. Сообщалось, что в 1939 году Россия построила пассажирский катер из пластика, а США — фюзеляж и крылья самолета. [7] Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был прототип Stout Scarab 1946 года , но модель не пошла в производство. [8]
В отличие от стекловолокна, используемого для изоляции, чтобы окончательная структура была прочной, поверхность волокна должна быть почти полностью лишена дефектов, поскольку это позволяет волокнам достигать предела прочности на разрыв в гигапаскаль . Если бы объемный кусок стекла не имел дефектов, он был бы таким же прочным, как стекловолокно; однако производить и поддерживать сыпучий материал в бездефектном состоянии вне лабораторных условий, как правило, нецелесообразно. [9]
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 , колеманита , доломита и других минералов до образования жидкости. Затем его экструдируют через втулки ( фильеры ), которые представляют собой пучки очень маленьких отверстий (обычно 5–25 микрометров в диаметре для E-стекла, 9 микрометров для S-стекла). [10]
Эти нити затем калибруются (покрываются) химическим раствором. Отдельные нити теперь связываются в большие количества, образуя ровинг . Диаметр нитей и количество нитей в ровинге определяют его вес , обычно выражаемый в одной из двух систем измерения:
Эти ровницы затем используются непосредственно в композитных приложениях, таких как пултрузия , намотка накаливания (труба), ровинг с пистолетом (когда автоматический пистолет разрезает стекло на короткие отрезки и бросает его в струю смолы, проецируемую на поверхность формы). ) или на промежуточном этапе для производства таких тканей, как мат из рубленых прядей (CSM) (изготовленный из случайно ориентированных небольших отрезков волокон, склеенных вместе), тканых тканей, трикотажных тканей или однонаправленных тканей.
Мат из рубленых прядей или CSM — это форма армирования, используемая в стекловолокне. Он состоит из стекловолокон, хаотично уложенных друг на друга и скрепленных связующим.
Обычно его обрабатывают методом ручной укладки, при котором листы материала помещаются в форму и смазываются смолой. Поскольку связующее растворяется в смоле, материал легко принимает различные формы при намокании. После затвердевания смолы затвердевшее изделие можно вынимать из формы и обрабатывать.
Использование мата из рубленых прядей придает стекловолокну изотропные свойства материала в плоскости.
На ровинг наносится покрытие или грунтовка для:
Отдельное структурное стекловолокно одновременно жесткое и прочное при растяжении и сжатии , то есть вдоль своей оси. Хотя можно предположить, что волокно слабо при сжатии, на самом деле это только из-за соотношения сторон длинного волокна; т.е., поскольку типичное волокно длинное и узкое, оно легко изгибается. [9] С другой стороны, стекловолокно слабо сдвигается, то есть поперек своей оси. Следовательно, если совокупность волокон может быть постоянно расположена в предпочтительном направлении внутри материала и если можно предотвратить их коробление при сжатии, материал будет предпочтительно прочным в этом направлении.
Кроме того, укладывая несколько слоев волокна друг на друга, причем каждый слой ориентирован в различных предпочтительных направлениях, можно эффективно контролировать общую жесткость и прочность материала. В стекловолокне пластиковая матрица постоянно удерживает волокна конструкционного стекла в направлениях, выбранных дизайнером. В случае мата из рубленой пряжи эта направленность представляет собой, по сути, целую двумерную плоскость; с помощью тканых материалов или однонаправленных слоев можно более точно контролировать направленность жесткости и прочности в плоскости.
Компонент из стекловолокна обычно представляет собой тонкую «оболочку», иногда заполненную изнутри структурной пеной, как в случае с досками для серфинга. Компонент может иметь практически произвольную форму, ограниченную только сложностью и допусками формы, используемой для изготовления корпуса.
Механическая функциональность материалов во многом зависит от совместных характеристик смолы (матрицы АКА) и волокон. Например, в суровых температурных условиях (более 180 °C) смоляной компонент композита может потерять свою функциональность, частично из-за ухудшения сцепления смолы и волокна. [12] Однако стеклопластики все еще могут демонстрировать значительную остаточную прочность после воздействия высоких температур (200 °C). [13]
Наиболее распространенными типами стекловолокна, используемыми в стекловолокне, является E-стекло , которое представляет собой алюмоборосиликатное стекло с содержанием щелочных оксидов менее 1%, в основном используемое для стеклопластиков. Другими типами используемого стекла являются A-стекло ( щелочно -известковое стекло с небольшим содержанием оксида бора или без него), E-CR-стекло ( электрическая / химическая стойкость ; алюмо-известковый силикат с содержанием щелочи менее 1 % по массе) . оксиды, с высокой кислотостойкостью), C-стекло (известково-щелочное стекло с высоким содержанием оксида бора, используемое для стеклянных штапельных волокон и изоляции), D-стекло (боросиликатное стекло, названное в честь его низкой диэлектрической проницаемости), R-стекло (алюмосиликатное стекло без MgO и CaO с высокими механическими требованиями в качестве армирования ) и S-стекло (алюмосиликатное стекло без CaO, но с высоким содержанием MgO и высокой прочностью на разрыв). [14]
Чистый кремнезем (диоксид кремния), охлажденный в виде плавленого кварца в стекло без истинной температуры плавления, может использоваться в качестве стекловолокна для стекловолокна, но имеет тот недостаток, что его необходимо обрабатывать при очень высоких температурах. Чтобы снизить необходимую рабочую температуру, в качестве «флюсов» (т. е. компонентов, понижающих температуру плавления) вводятся другие материалы. Обычное А-стекло («А» означает «щелочно-известковое») или натриево-известковое стекло, измельченное и готовое к переплавке, как так называемый стеклобой , было первым типом стекла, используемого для изготовления стекловолокна. E-стекло («E» из-за первоначального применения в электротехнике) не содержит щелочей и было первым составом стекла, используемым для формирования непрерывных нитей. Сейчас на него приходится большая часть производства стекловолокна в мире, а также он является крупнейшим потребителем борных минералов в мире. Он чувствителен к воздействию хлорид-ионов и является плохим выбором для морского применения. S-стекло («S» означает «жесткий») используется, когда важна прочность на разрыв (высокий модуль), и поэтому является важным эпоксидным композитом для строительства и самолетов (в Европе его называют R-стеклом, «R» означает «армирование»). ). C-стекло («C» означает «химическая стойкость») и T-стекло («T» означает «теплоизолятор» - североамериканский вариант C-стекла) устойчивы к химическому воздействию; оба часто встречаются в изоляционных материалах из выдувного стекловолокна. [15]
Стекловолокно является чрезвычайно универсальным материалом благодаря своему легкому весу, прочности, стойкости к атмосферным воздействиям и разнообразию текстур поверхности. [18]
Разработка армированного волокном пластика для коммерческого использования широко исследовалась в 1930-х годах. Особый интерес это представляло для авиационной промышленности. Способ массового производства стеклянных нитей был случайно открыт в 1932 году, когда исследователь из Оуэнса-Иллинойса направил струю сжатого воздуха на поток расплавленного стекла и получил волокна. После слияния Оуэнса с компанией Corning в 1935 году компания Owens Corning адаптировала этот метод для производства своего запатентованного «Стекловолокна» (одна «s»). Подходящая смола для соединения «стекловолокна» с пластиком была разработана в 1936 году компанией DuPont . Первым предком современных полиэфирных смол является компания Cyanamid, выпущенная в 1942 году. [19] К тому времени использовались системы пероксидного отверждения.
Во время Второй мировой войны стекловолокно было разработано в качестве замены формованной фанеры, используемой в обтекателях самолетов (стекловолокно прозрачно для микроволн ). Его первым основным гражданским применением было производство лодок и кузовов спортивных автомобилей, где он получил признание в 1950-х годах. Его использование распространилось на секторы автомобилестроения и спортивного оборудования. При производстве некоторых изделий, например самолетов, теперь вместо стекловолокна, более прочного по объему и весу, используется углеродное волокно.
Передовые технологии производства, такие как препреги и волокнистая ровница, расширяют возможности применения стекловолокна и повышают предел прочности на разрыв, возможный для армированных волокном пластиков.
Стекловолокно также используется в телекоммуникационной отрасли для защиты антенн из-за его радиочастотной проницаемости и низкого затухания сигнала . Его также можно использовать для скрытия другого оборудования, где не требуется проницаемость сигнала, например, шкафов для оборудования и стальных опорных конструкций, благодаря легкости, с которой его можно отформовать и покрасить, чтобы он гармонировал с существующими конструкциями и поверхностями. Другие области применения включают листовые электрические изоляторы и конструкционные компоненты, обычно встречающиеся в продукции энергетической промышленности. Из-за легкости и прочности стекловолокна его часто используют в защитном снаряжении, например, в шлемах. Во многих видах спорта используется защитное снаряжение из стекловолокна, например, маски вратарей и кетчеров. [20]
Резервуары для хранения могут быть изготовлены из стекловолокна емкостью до 300 тонн . Резервуары меньшего размера могут быть изготовлены из мата из рубленой пряжи, наложенного на внутренний резервуар из термопласта, который действует как заготовка во время строительства. Гораздо более надежные резервуары изготавливаются с использованием тканого мата или волокна, намотанного из нитей, с ориентацией волокон под прямым углом к окружному напряжению , создаваемому содержимым на боковой стенке. Такие резервуары, как правило, используются для хранения химикатов, поскольку пластиковый вкладыш (часто полипропилен ) устойчив к широкому спектру агрессивных химикатов. Стекловолокно также используется для септиков .
Стеклопластики также используются для производства таких компонентов жилищного строительства, как кровельный ламинат, дверные наличники, навесы над дверями, оконные навесы и мансардные окна, дымоходы, системы перекрытий , а также головки с краеугольными камнями и подоконники. Уменьшенный вес материала и простота обращения по сравнению с деревом или металлом позволяют ускорить монтаж. Панели из стекловолокна с эффектом кирпича, выпускаемые серийно, могут использоваться при строительстве композитного жилья и могут включать в себя изоляцию для уменьшения теплопотерь.
В штанговых насосных установках часто используются штанги из стекловолокна из-за их высокого соотношения прочности на разрыв и веса. Стержни из стекловолокна имеют преимущество перед стальными стержнями, поскольку они растягиваются более эластично (меньший модуль Юнга ), чем стальные при заданном весе, а это означает, что с каждым ходом из углеводородного резервуара на поверхность можно поднять больше нефти, при этом снижая нагрузку на насосную систему. единица.
Однако стержни из стекловолокна необходимо держать в натянутом состоянии, поскольку они часто ломаются даже при небольшом сжатии. Плавучесть стержней в жидкости усиливает эту тенденцию.
Трубы GRP и GRE можно использовать в различных надземных и подземных системах, в том числе для:
Лодки из композитного стекловолокна производятся с начала 1940-х годов, [21] и многие парусные суда, построенные после 1950 года, были построены с использованием процесса укладки стекловолокна . По состоянию на 2022 год лодки по-прежнему будут изготавливаться из стекловолокна, хотя в процессе строительства используются более продвинутые методы, такие как формование вакуумных пакетов . [22]
Хотя большинство пуленепробиваемых доспехов изготавливаются из различных тканей, композиты из стекловолокна доказали свою эффективность в качестве баллистической брони. [23]
Накальная намотка — это технология изготовления, в основном используемая для изготовления открытых (цилиндров) или закрытых конструкций (сосудов под давлением или резервуаров). Процесс включает намотку нитей под натяжением на охватываемую оправку. Оправка вращается, в то время как ветровая проушина на каретке перемещается горизонтально, укладывая волокна по желаемому рисунку. Наиболее распространенными нитями являются углеродное или стекловолокно, которые при намотке покрываются синтетической смолой. Как только оправка будет полностью покрыта до желаемой толщины, смола затвердевает; часто для этого оправку помещают в печь, хотя иногда используются лучистые обогреватели, когда оправка все еще вращается в машине. После затвердевания смолы оправку удаляют, оставляя готовое изделие полым. Для некоторых продуктов, таких как газовые баллоны, «оправка» является постоянной частью готового продукта, образующей вкладыш для предотвращения утечки газа или барьер для защиты композита от жидкости, подлежащей хранению.
Намотка накаливания хорошо подходит для автоматизации, и существует множество применений, таких как трубы и небольшие сосуды под давлением, которые наматываются и отверждаются без какого-либо вмешательства человека. Контролируемыми переменными для намотки являются тип волокна, содержание смолы, угол намотки, жгут или полоса пропускания и толщина пучка волокон. Угол, под которым волокно влияет на свойства конечного продукта. «Обруч» с большим углом обеспечит окружную или «разрывную» прочность, тогда как схемы с меньшим углом (полярные или спиральные) обеспечат большую прочность на растяжение в продольном направлении.
Продукция, производимая в настоящее время с использованием этой технологии, варьируется от труб, клюшек для гольфа, корпусов мембран обратного осмоса, весел, велосипедных вилок, велосипедных ободов, опор электропередач и передач, сосудов под давлением до корпусов ракет, фюзеляжей самолетов, фонарных столбов и мачт яхт.
На выбранную форму наносится разделительный состав, обычно в восковой или жидкой форме, чтобы обеспечить чистое извлечение готового изделия из формы. Смола — обычно двухкомпонентный термореактивный полиэстер, винил или эпоксидная смола — смешивается с отвердителем и наносится на поверхность. В форму укладывают листы стекломата, затем кистью или валиком добавляют еще смоляной смеси. Материал должен соответствовать форме, и между стекловолокном и формой не должно оставаться воздуха. Наносится дополнительная смола и, возможно, дополнительные листы стекловолокна. Давление руками, вакуум или валики используются для того, чтобы убедиться, что смола пропитана и полностью смачивает все слои, а также чтобы все воздушные карманы были удалены. Работу следует выполнять быстро, прежде чем смола начнет затвердевать, если только не используются высокотемпературные смолы, которые не затвердеют, пока деталь не будет нагрета в печи. [24] В некоторых случаях изделие покрывают пластиковыми листами и к нему прикладывают вакуум, чтобы удалить пузырьки воздуха и придать стекловолокну форму формы. [25]
Процесс укладки распылением стекловолокна аналогичен процессу ручной укладки, но отличается нанесением волокна и смолы на форму. Напыление — это процесс изготовления композитов открытым способом, при котором смола и армирующие материалы напыляются на форму. Смола и стекло могут наноситься отдельно или одновременно «измельчаться» комбинированным потоком из измельчительного пистолета. [26] Рабочие раскатывают распылитель, чтобы уплотнить ламинат. Затем можно добавить древесину, пенопласт или другой материал сердцевины, а вторичный слой напыления внедряет сердцевину между ламинатами. Затем деталь отверждается, охлаждается и извлекается из многоразовой формы.
Пултрузия — это метод производства, используемый для изготовления прочных и легких композитных материалов. При пултрузии материал протягивается через формовочное оборудование либо вручную, либо методом непрерывных валков (в отличие от экструзии , при которой материал проталкивается через матрицы). При пултрузии стекловолокна волокна (стеклянный материал) вытягиваются из катушек через устройство, которое покрывает их смолой. Затем их обычно подвергают термической обработке и режут по длине. Стекловолокно, произведенное таким способом, может иметь различные формы и поперечные сечения, например, W- или S-образное поперечное сечение.
Одной из примечательных особенностей стекловолокна является то, что используемые смолы подвергаются сжатию 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 свести к минимуму за счет симметричного использования волокон в конструкции, при этом создается определенное внутреннее напряжение; а если оно становится слишком большим, образуются трещины.
В июне 2011 года Национальная токсикологическая программа США (NTP) исключила из своего отчета о канцерогенах всю биорастворимую стекловату, используемую в изоляции домов и зданий , а также для неизоляционных изделий. [27] Тем не менее, NTP считает, что волокнистая стеклянная пыль «обоснованно считается канцерогеном для человека (определенные волокна стекловаты (вдыхаемые)»). [28] Аналогичным образом, Калифорнийское Управление по оценке опасностей для здоровья окружающей среды («OEHHA») опубликовало в ноябре 2011 года изменение своего списка Предложения 65, включив в него только «волокна стекловаты (вдыхаемые и биостойкие)». [29] Действия NTP США и OEHHA Калифорнии означают, что предупреждающая о раке этикетка для изоляции домов и зданий из биорастворимого стекловолокна больше не требуется в соответствии с федеральным законодательством или законодательством штата Калифорния. Все волокна из стекловолокна, обычно используемые для тепло- и звукоизоляции, были реклассифицированы Международным агентством по исследованию рака (IARC) в октябре 2001 года как не поддающиеся классификации в отношении канцерогенности для человека (Группа 3). [30]
Люди могут подвергнуться воздействию стекловолокна на рабочем месте при вдыхании, контакте с кожей или глазами. Управление по охране труда (OSHA) установило законный предел ( предел допустимого воздействия ) для воздействия стекловолокна на рабочем месте на уровне 15 мг/м 3 в целом и 5 мг/м 3 при воздействии на органы дыхания в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) 3 волокна/см 3 (менее 3,5 микрометров в диаметре и более 10 микрометров в длину) как средневзвешенное по времени значение для 8 -часовой рабочий день и общий лимит 5 мг/м 3 . [31]
Европейский Союз и Германия классифицируют синтетические стекловидные волокна как возможно или вероятно канцерогенные, но волокна могут быть освобождены от этой классификации, если они пройдут специальные испытания. Доказательства этих классификаций основаны главным образом на исследованиях на экспериментальных животных и механизмах канцерогенеза. Эпидемиологические исследования стекловаты были рассмотрены группой международных экспертов, созванной МАИР. Эти эксперты пришли к выводу: «Эпидемиологические исследования, опубликованные в течение 15 лет с момента предыдущего обзора этих волокон в монографиях МАИР в 1988 году, не дают никаких 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 о каком-либо риске рака». [30] В обзоре опасности для здоровья, проведенном Европейской комиссией в 2012 году, говорится, что вдыхание стекловолокна в концентрациях 3, 16 и 30 мг/м3 «не вызывает фиброза или опухолей, за исключением преходящего воспаления легких, которое исчезает после периода восстановления после воздействия». [32] Аналогичные обзоры эпидемиологических исследований были проведены Агентством по регистрации токсичных веществ и заболеваний («ATSDR»), [33] Национальной токсикологической программой, [34] Национальной академией наук [35] и Гарвардским медицинским и Школы общественного здравоохранения [36] пришли к тому же выводу, что и МАИР, об отсутствии доказательств повышенного риска профессионального воздействия волокон стекловаты.
Стекловолокно раздражает глаза, кожу и дыхательную систему. Потенциальные симптомы включают раздражение глаз, кожи, носа, горла, одышку (затрудненное дыхание); боль в горле, охриплость голоса и кашель. [28] Научные данные показывают, что стекловолокно безопасно в производстве, установке и использовании при соблюдении рекомендуемых методов работы для уменьшения временного механического раздражения. [37] Эти методы работы не всегда соблюдаются, и стекловолокно часто остается открытым в подвалах, которые позже становятся жилыми. По данным Американской ассоциации легких, изоляцию из стекловолокна никогда нельзя оставлять открытой в жилых помещениях. [38]
Во время отверждения смол выделяются пары стирола . Они раздражают слизистые оболочки и дыхательные пути. Таким образом, Постановление об опасных веществах в Германии предписывает максимальный предел профессионального воздействия 86 мг/м 3 . В определенных концентрациях может возникнуть потенциально взрывоопасная смесь. Дальнейшее производство компонентов из стеклопластика (шлифовка, резка, распиловка) создает мелкую пыль и стружку, содержащую стеклянные нити, а также липкую пыль, [ необходимо определение ] в количествах, достаточно высоких, чтобы повлиять на здоровье и функциональность машин и оборудования. Для обеспечения безопасности и эффективности необходима установка эффективного экстракционного и фильтрационного оборудования. [39]
СМИ, связанные со стеклопластиком, на Викискладе?