Стекловолокно ( или стеклоткань ) — это материал , состоящий из множества тончайших стеклянных волокон .
Стеклодувы на протяжении всей истории экспериментировали со стеклянными волокнами, но массовое производство стекловолокна стало возможным только с изобретением более тонкой машинной оснастки. В 1893 году Эдвард Драммонд Либби представил на Всемирной Колумбийской выставке платье , включающее стеклянные волокна с диаметром и текстурой шелковых волокон. Стеклянные волокна также могут встречаться в природе, как волосы Пеле .
Стекловата , которая является одним из продуктов, называемых сегодня «стекловолокном», была изобретена где-то между 1932 и 1933 годами Геймсом Слэйтером из Оуэнс-Иллинойс как материал, используемый в качестве теплоизоляции зданий . [1] Она продается под торговым названием Fiberglas, которое стало обобщенной торговой маркой . Стекловолокно, используемое в качестве теплоизоляционного материала, специально изготавливается со связующим веществом для захвата множества мелких воздушных ячеек, в результате чего получается характерно заполненное воздухом семейство продуктов низкой плотности «стекловаты».
Стекловолокно имеет примерно сопоставимые механические свойства с другими волокнами, такими как полимеры и углеродное волокно . Хотя оно не такое жесткое, как углеродное волокно, оно намного дешевле и значительно менее хрупкое при использовании в композитах. Композиты, армированные стекловолокном, используются в морской промышленности и трубопроводной промышленности из-за хорошей устойчивости к воздействию окружающей среды, лучшей устойчивости к повреждениям при ударной нагрузке, высокой удельной прочности и жесткости. [2]
Стекловолокно образуется, когда тонкие нити стекла на основе кремния или другой формулы экструдируются во множество волокон с малым диаметром, подходящих для текстильной обработки. Техника нагревания и вытягивания стекла в тонкие волокна известна на протяжении тысячелетий и практиковалась в Египте и Венеции. [3] До недавнего использования этих волокон в текстильных изделиях все стекловолокно производилось как штапельное (то есть кластеры коротких отрезков волокна).
Современный метод производства стекловаты был изобретен Геймсом Слэйтером, работавшим в компании Owens-Illinois Glass Company ( Толедо, Огайо ). Он впервые подал заявку на патент на новый процесс производства стекловаты в 1933 году. Первое коммерческое производство стекловолокна было в 1936 году. В 1938 году компании Owens-Illinois Glass Company и Corning Glass Works объединились, чтобы сформировать Owens-Corning Fiberglas Corporation . Когда две компании объединились для производства и продвижения стекловолокна, они представили непрерывные нити стекловолокна. [4] Owens-Corning по-прежнему является крупнейшим производителем стекловолокна на рынке сегодня. [5]
Наиболее распространенным типом стекловолокна, используемым в стекловолокне, является E-стекло , которое представляет собой алюмоборосиликатное стекло с содержанием щелочных оксидов менее 1% по весу , в основном используемое для армированных стекловолокном пластиков. Другие типы используемого стекла: A-стекло (щелочно-известковое стекло с небольшим содержанием или без содержания оксида бора), E-CR-стекло (электрическое/химическое сопротивление; алюмо-известковое силикатное с содержанием щелочных оксидов менее 1% по весу, с высокой кислотостойкостью), C-стекло (щелочно-известковое стекло с высоким содержанием оксида бора, используемое для штапельных стеклянных волокон и изоляции), D-стекло (боросиликатное стекло, названное так из-за своей низкой диэлектрической постоянной), R-стекло (алюмо-силикатное стекло без MgO и CaO с высокими механическими требованиями в качестве армирования ) и S-стекло (алюмо-силикатное стекло без CaO, но с высоким содержанием MgO с высокой прочностью на разрыв). [6]
Чистый кремний (диоксид кремния), охлажденный как плавленый кварц в стекло без истинной температуры плавления, может использоваться в качестве стекловолокна для стекловолокна, но имеет тот недостаток, что его нужно обрабатывать при очень высоких температурах. Чтобы снизить необходимую рабочую температуру, вводятся другие материалы в качестве «флюсующих агентов» (т. е. компонентов для снижения температуры плавления). Обычное А-стекло («А» от «щелочно-известковое») или натриево-известковое стекло, измельченное и готовое к переплавке, как так называемый стеклобой , было первым типом стекла, используемым для стекловолокна. Е-стекло («Е» из-за первоначального электрического применения) не содержит щелочи и было первой формулой стекла, используемой для непрерывного формирования нити. Сейчас оно составляет большую часть производства стекловолокна в мире, а также является крупнейшим потребителем борных минералов в мире. Оно подвержено воздействию хлорид-ионов и является плохим выбором для морского применения. S-стекло («S» означает «прочность») используется, когда важна высокая прочность на растяжение (модуль), и, таким образом, важно в композитах для строительства и самолетостроения. Это же вещество известно как R-стекло («R» означает «армирование») в Европе. 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 сортах выдувного стекловолокна. [7]
Основой текстильных стекловолокон является кремний , SiO 2 . В чистом виде он существует как полимер , (SiO 2 ) n . Он не имеет истинной температуры плавления , но размягчается до 1200 °C, где он начинает разлагаться . При 1713 °C большинство молекул могут свободно перемещаться. Если стекло экструдировать и быстро охладить при этой температуре, оно не сможет образовать упорядоченную структуру. [9] В полимере он образует группы SiO 4 , которые сконфигурированы как тетраэдр с атомом кремния в центре и четырьмя атомами кислорода по углам. Затем эти атомы образуют сеть, связанную по углам путем совместного использования атомов кислорода .
Стекловидные и кристаллические состояния кремнезема (стекло и кварц ) имеют схожие уровни энергии на молекулярной основе, что также подразумевает, что стеклообразная форма чрезвычайно стабильна. Чтобы вызвать кристаллизацию , ее необходимо нагревать до температур выше 1200 °C в течение длительного времени. [4]
Хотя чистый кремний является вполне жизнеспособным стеклом и стекловолокном, с ним нужно работать при очень высоких температурах, что является недостатком, если только не требуются его особые химические свойства. Обычно в стекло вводят примеси в виде других материалов, чтобы снизить его рабочую температуру. Эти материалы также придают стеклу различные другие свойства, которые могут быть полезны в различных приложениях. Первым типом стекла, используемым для волокна, было натриево-кальциевое стекло или A-стекло («A» для содержащейся в нем щелочи). Оно не очень устойчиво к щелочам. Более новый, не содержащий щелочи (<2%) тип, E-стекло, представляет собой алюмоборосиликатное стекло. [10] C-стекло было разработано для защиты от воздействия химикатов, в основном кислот, которые разрушают E-стекло. [10] T-стекло является североамериканским вариантом C-стекла. AR-стекло является щелочестойким стеклом. Большинство стеклянных волокон имеют ограниченную растворимость в воде, но очень зависят от pH . Ионы хлорида также будут атаковать и растворять поверхности E-стекла.
E-стекло на самом деле не плавится, а размягчается, при этом точка размягчения является «температурой, при которой волокно диаметром 0,55–0,77 мм и длиной 235 мм удлиняется под собственным весом со скоростью 1 мм/мин, будучи подвешенным вертикально и нагреваемым со скоростью 5 °C в минуту». [11] Точка деформации достигается, когда стекло имеет вязкость 10 14,5 пуаз . Точка отжига , которая является температурой, при которой внутренние напряжения снижаются до приемлемого коммерческого предела за 15 минут, отмечена вязкостью 10 13 пуаз. [11]
Ткани из тканых стекловолокон являются полезными теплоизоляторами из-за их высокого отношения площади поверхности к весу. Однако увеличенная площадь поверхности делает их гораздо более восприимчивыми к химическому воздействию. Захватывая воздух внутри себя, блоки стекловолокна создают хорошую теплоизоляцию с теплопроводностью порядка 0,05 Вт /(м· К ). [12]
Прочность стекла обычно проверяется и сообщается для «чистых» или нетронутых волокон — тех, которые только что были изготовлены. Самые свежие, самые тонкие волокна являются самыми прочными, потому что более тонкие волокна более пластичны. Чем больше царапается поверхность, тем меньше результирующая прочность. [10] Поскольку стекло имеет аморфную структуру, его свойства одинаковы вдоль волокна и поперек волокна. [9] Влажность является важным фактором прочности на разрыв. Влага легко адсорбируется и может ухудшить микроскопические трещины и дефекты поверхности, а также уменьшить прочность.
В отличие от углеродного волокна , стекло может подвергаться большему удлинению, прежде чем оно сломается. [9] Более тонкие нити могут сильнее сгибаться, прежде чем они сломаются. [15] Вязкость расплавленного стекла очень важна для успеха производства. Во время вытяжки, процесса, в котором горячее стекло вытягивается для уменьшения диаметра волокна, вязкость должна быть относительно низкой. Если она слишком высока, волокно сломается во время вытяжки. Однако, если она слишком низка, стекло будет образовывать капли вместо того, чтобы вытягиваться в волокно.
Существует два основных типа производства стекловолокна и два основных типа продукции из стекловолокна. Во-первых, волокно изготавливается либо в процессе прямого плавления, либо в процессе переплавки мрамора . Оба процесса начинаются с сырья в твердой форме. Материалы смешиваются и плавятся в печи . Затем для мраморного процесса расплавленный материал разрезается и прокатывается в шарики, которые охлаждаются и упаковываются. Шарики доставляются на завод по производству волокна, где их помещают в банку и переплавляют. Расплавленное стекло выдавливается в фильер для формирования волокна. В процессе прямого плавления расплавленное стекло в печи поступает непосредственно в фильер для формирования. [11]
Пластина втулки является самой важной частью оборудования для изготовления волокна. Это небольшая металлическая печь, содержащая сопла для формования волокна. Она почти всегда сделана из платины, легированной родием для долговечности. Платина используется, потому что расплав стекла имеет естественное сродство к смачиванию . Когда втулки впервые использовались, они были чистой платиной, и стекло смачивало втулку так легко, что оно стекало под пластину после выхода из сопла и скапливалось на нижней стороне. Кроме того, из-за своей стоимости и тенденции к износу платину легировали родием. В процессе прямого плавления втулка служит коллектором для расплавленного стекла. Ее слегка нагревают, чтобы поддерживать стекло при правильной температуре для формирования волокна. В процессе плавления мрамора втулка действует больше как печь, поскольку она расплавляет больше материала. [16]
Втулки являются основными расходами при производстве стекловолокна. Конструкция сопла также имеет решающее значение. Количество сопел варьируется от 200 до 4000, кратное 200. Важной частью сопла при непрерывном производстве нити является толщина его стенок в области выхода. Было обнаружено, что вставка зенковки здесь снижает смачивание. Сегодня сопла проектируются так, чтобы иметь минимальную толщину на выходе. Когда стекло течет через сопло, оно образует каплю, которая подвешена к концу. Падая, оно оставляет нить, прикрепленную мениском к соплу, пока вязкость находится в правильном диапазоне для формирования волокна. Чем меньше кольцевое кольцо сопла и чем тоньше стенка на выходе, тем быстрее капля будет формироваться и падать, и тем ниже ее тенденция смачивать вертикальную часть сопла. [17] Поверхностное натяжение стекла - это то, что влияет на формирование мениска. Для E-стекла оно должно быть около 400 мН/м. [10]
Скорость затухания (вытягивания) важна в конструкции сопла. Хотя замедление этой скорости может сделать волокно более грубым, неэкономично работать на скоростях, на которые сопла не рассчитаны. [4]
В процессе непрерывной нити после вытягивания волокна применяется размер . Этот размер помогает защитить волокно при намотке на бобину. Конкретный размер, который применяется, связан с конечным использованием. В то время как некоторые размеры являются технологическими добавками, другие придают волокну сродство к определенной смоле, если волокно будет использоваться в композите. [11] Размер обычно добавляется в количестве 0,5–2,0% по весу. Затем намотка происходит со скоростью около 1 км/мин. [9]
Для производства штапельного волокна существует ряд способов изготовления волокна. Стекло можно выдувать или продувать с помощью тепла или пара после выхода из формовочной машины. Обычно эти волокна превращаются в своего рода мат. Наиболее распространенным процессом является ротационный процесс. Здесь стекло поступает во вращающуюся прялку и под действием центробежной силы выбрасывается горизонтально. Воздушные струи толкают его вертикально вниз, и наносится связующее. Затем мат вакуумируется на сетку, а связующее отверждается в печи. [18]
Стекловолокно стало пользоваться популярностью с тех пор, как было обнаружено, что асбест вызывает рак, и его последующее удаление из большинства продуктов. После этого роста популярности безопасность стекловолокна также была поставлена под сомнение. Исследования показывают, что состав стекловолокна может вызывать такую же токсичность, как и асбест, поскольку оба являются силикатными волокнами. [19] [20] [21] [22]
Исследования на крысах, проведенные в 1970-х годах, показали, что волокнистое стекло диаметром менее 3 мкм и длиной более 20 мкм является «мощным канцерогеном». [19] Аналогичным образом, Международное агентство по изучению рака в 1990 году пришло к выводу, что «можно обоснованно ожидать, что оно является канцерогеном». Американская конференция государственных промышленных гигиенистов , с другой стороны, заявляет, что нет достаточных доказательств, и что стекловолокно относится к группе A4: «Не классифицируется как канцероген для человека» .
Североамериканская ассоциация производителей изоляции (NAIMA) утверждает, что стекловолокно принципиально отличается от асбеста, поскольку оно создано человеком, а не встречается в природе. [23] Они утверждают, что стекловолокно «растворяется в легких», тогда как асбест остается в организме на всю жизнь. Хотя и стекловолокно, и асбест изготавливаются из кремниевых нитей, NAIMA утверждает, что асбест более опасен из-за своей кристаллической структуры, которая заставляет его раскалываться на более мелкие, более опасные части, ссылаясь на Министерство здравоохранения и социальных служб США :
Синтетические стекловидные волокна [стекловолокно] отличаются от асбеста двумя способами, которые могут дать по крайней мере частичные объяснения их более низкой токсичности. Поскольку большинство синтетических стекловидных волокон не являются кристаллическими, как асбест, они не расщепляются продольно, образуя более тонкие волокна. Они также, как правило, имеют заметно меньшую биостойкость в биологических тканях, чем волокна асбеста, поскольку они могут подвергаться растворению и поперечному разрыву. [24]
Исследование 1998 года с использованием крыс показало, что биостойкость синтетических волокон после одного года составляла 0,04–13%, а для амозитового асбеста — 27%. Волокна, сохранявшиеся дольше, оказались более канцерогенными. [25]
Стеклопластик (GRP) — это композитный материал или армированный волокном пластик, изготовленный из пластика , армированного тонкими стеклянными волокнами. Стекло может быть в форме рубленого стекловолокна (CSM) или тканого материала. [6] [26]
Как и во многих других композитных материалах (например, железобетон ), эти два материала действуют вместе, каждый из которых преодолевает недостатки другого. В то время как пластиковые смолы сильны при сжимающей нагрузке и относительно слабы при растяжении , стекловолокно очень сильны при растяжении, но, как правило, не сопротивляются сжатию. Объединяя два материала, GRP становится материалом, который хорошо сопротивляется как сжимающим, так и растягивающим силам. [27] Оба материала могут использоваться равномерно, или стекло может быть специально размещено в тех частях конструкции, которые будут испытывать растягивающие нагрузки. [6] [26]
Применение обычного стекловолокна включает маты и ткани для теплоизоляции , электроизоляции , звукоизоляции, высокопрочные ткани или ткани, устойчивые к жаре и коррозии. Его также используют для армирования различных материалов, таких как палаточные столбы, шесты для прыжков с шестом , стрелы , луки и арбалеты , полупрозрачные кровельные панели, автомобильные кузова, хоккейные клюшки , доски для серфинга , корпуса лодок и бумажные соты . Его использовали в медицинских целях в гипсах. Стекловолокно широко используется для изготовления FRP-емкостей и сосудов . [6] [26]
Открыто переплетенные стекловолоконные сетки используются для армирования асфальтового покрытия. [28] Нетканые стекловолоконные/полимерные смеси матов используются пропитанными асфальтовой эмульсией и покрытыми асфальтом, что создает водонепроницаемую, устойчивую к трещинам мембрану. Использование армированной стекловолокном полимерной арматуры вместо стальной арматуры показывает многообещающие результаты в областях, где желательно избежать коррозии стали. [29]
Стекловолокно недавно нашло применение в биомедицинских приложениях при замене суставов [30] , где ориентация электрического поля коротких фосфатных стеклянных волокон может улучшить остеогенные качества за счет пролиферации остеобластов и улучшенной поверхностной химии . Другое потенциальное применение — в электронных приложениях [31], поскольку натриевые стеклянные волокна помогают или заменяют литий в литий-ионных батареях благодаря своим улучшенным электронным свойствам.
Производители стекловолоконной изоляции могут использовать переработанное стекло . Переработанное стекловолокно содержит до 40% переработанного стекла. [32] [33]
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
