Стекловолокно ( или стекловолокно ) — материал, состоящий из множества тончайших волокон стекла .
Производители стекла на протяжении всей истории экспериментировали со стекловолокном, но массовое производство стекловолокна стало возможным только с изобретением более тонкого станка. В 1893 году Эдвард Драммонд Либби представил на Всемирной Колумбийской выставке платье , в состав которого вошли стеклянные волокна, имеющие диаметр и текстуру шелковых волокон. Стеклянные волокна также могут встречаться в природе, как волосы Пеле .
Стекловата , которая сегодня является продуктом, называемым «стекловолокном», была изобретена где-то между 1932 и 1933 годами Геймсом Слайтером из Оуэнса-Иллинойса в качестве материала, который будет использоваться в качестве теплоизоляции зданий . [1] Он продается под торговым названием Fiberglas, которое стало обобщенным товарным знаком . Стекловолокно, используемое в качестве теплоизоляционного материала, специально изготавливается со связующим веществом, улавливающим множество мелких воздушных ячеек, в результате чего получается характерно наполненное воздухом семейство продуктов «стекловата» низкой плотности.
Стекловолокно имеет примерно сравнимые механические свойства с другими волокнами, такими как полимеры и углеродное волокно . Хотя он и не такой жесткий, как углеродное волокно, он намного дешевле и значительно менее хрупкий при использовании в композитах. Композиты, армированные стекловолокном, используются в морской промышленности и трубопроводной промышленности из-за хорошей устойчивости к окружающей среде, лучшей устойчивости к повреждениям при ударных нагрузках, высокой удельной прочности и жесткости. [2]
Стекловолокно образуется путем экструдирования тонких нитей стекла на основе диоксида кремния или стекла с другим составом во множество волокон небольшого диаметра, подходящих для обработки текстиля . 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 текстильной промышленности все стекловолокно производилось в виде штапельного волокна (то есть в виде пучков коротких отрезков волокна).
Современный метод производства стекловаты — изобретение Геймса Слейтера , работающего в стекольной компании Owens-Illinois ( Толедо, Огайо ). Впервые он подал заявку на патент на новый процесс производства стекловаты в 1933 году. Первое коммерческое производство стекловолокна было в 1936 году. В 1938 году 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 стекловолокно с непрерывной нитью . [4] Owens-Corning по-прежнему остается крупнейшим производителем стекловолокна на рынке. [5]
Наиболее распространенным типом стекловолокна, используемого 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 (известково-щелочное стекло с небольшим количеством оксида бора или без него), E-CR-стекло (электрическая/химическая стойкость; алюмо-известковый силикат с содержанием щелочных оксидов менее 1%, с высоким содержанием оксидов щелочных металлов). кислотостойкость), C-стекло (известково-щелочное стекло с высоким содержанием оксида бора, используемое для изготовления стеклянных штапельных волокон и изоляции), D-стекло (боросиликатное стекло, названное в честь 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). [6]
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 электрического применения) не содержит щелочи 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 «Прочность») используется, когда важна высокая прочность на разрыв (модуль), и, следовательно, важно в композитах для строительства и авиастроения. Это же вещество известно в Европе как 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; оба часто встречаются в изоляционных материалах из выдувного стекловолокна. [7]
Основой текстильного стекловолокна является кремнезем SiO 2 . В чистом виде он существует в виде полимера (SiO 2 ) n . Он не имеет истинной температуры плавления , но размягчается до 1200 °C, где начинает разлагаться . При 1713 °C большинство молекул могут свободно перемещаться. Если стекло экструдировать и быстро охладить при этой температуре, оно не сможет сформировать упорядоченную структуру. [9] В полимере он образует группы SiO 4 , которые имеют форму тетраэдра с атомом кремния в центре и четырьмя атомами кислорода по углам. Затем эти атомы образуют сеть, связанную по углам за счет общих атомов кислорода .
Стеклообразное и кристаллическое состояния кремнезема (стекло и кварц ) имеют схожие энергетические уровни на молекулярной основе, что также означает, что стеклообразная форма чрезвычайно стабильна. Чтобы вызвать кристаллизацию , его необходимо нагревать до температуры выше 1200 °C в течение длительного периода времени. [4]
Хотя чистый кремнезем является вполне жизнеспособным стеклом и стекловолокном, с ним необходимо работать при очень высоких температурах, что является недостатком, если 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 применениях. Первым типом стекла, используемого для изготовления волокна, было натриево-известковое стекло или А-стекло («А» означает содержащуюся в нем щелочь). Он не очень устойчив к щелочам. Более новый, не содержащий щелочи (<2%) тип E-стекла представляет собой алюмоборосиликатное стекло. [10] C-стекло было разработано для защиты от воздействия химических веществ, в основном кислот , которые разрушают E-стекло. [10] Т-стекло — это североамериканский вариант C-стекла. AR-стекло – щелочестойкое стекло. 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 вместо этого размягчается, причем температура размягчения представляет собой «температуру, при которой волокно диаметром 0,55–0,77 мм и длиной 235 мм удлиняется под собственным весом со скоростью 1 мм/мин, когда его подвешивают вертикально и нагревают со скоростью 5°C в минуту». [11] Точка деформации достигается, когда вязкость стекла составляет 10 14,5 пуаз . Точка отжига , которая представляет собой температуру, при которой внутренние напряжения снижаются до приемлемого коммерческого предела за 15 минут, характеризуется вязкостью 10 13 пуаз. [11]
Ткани из тканых стеклянных волокон являются полезными теплоизоляторами из-за высокого соотношения площади поверхности к весу. Однако увеличенная площадь поверхности делает их гораздо более восприимчивыми к химическому воздействию. Удерживая внутри себя воздух, блоки из стекловолокна обеспечивают хорошую теплоизоляцию с теплопроводностью порядка 0,05 Вт /(м· К ). [12]
Прочность стекла обычно проверяется и указывается для «первичных» или первозданных волокон — тех, которые только что были изготовлены. Самые свежие и тонкие волокна являются самыми прочными, потому что более тонкие волокна более пластичны. Чем больше поверхность царапается, тем меньше прочность. [10] Поскольку стекло имеет аморфную структуру, его свойства одинаковы вдоль и поперек волокна. [9] Влажность является важным фактором прочности на разрыв. Влага легко впитывается и может усугубить появление микроскопических трещин и дефектов поверхности, а также снизить прочность.
В отличие от углеродного волокна , стекло может подвергаться большему удлинению, прежде чем сломается. [9] Более тонкие нити могут еще больше согнуться, прежде чем сломаются. [15] Вязкость расплавленного стекла очень важна для успеха производства. Во время вытяжки, процесса, при котором горячее стекло вытягивают для уменьшения диаметра волокна, вязкость должна быть относительно низкой. Если оно слишком высокое, волокно порвется во время вытяжки. Однако, если оно слишком низкое, стекло будет образовывать капли, а не вытягиваться в волокна.
Существует два основных типа производства стекловолокна и два основных типа продукции из стекловолокна. Во-первых, волокно производится либо методом прямой плавки, либо методом переплавки мрамора . Оба начинаются с сырья в твердой форме. Материалы смешиваются и плавятся в печи . Затем, при обработке мрамора, расплавленный материал разрезают и раскатывают в мрамор, который охлаждают и упаковывают. Мраморные шарики доставляются на завод по производству волокна, где их помещают в консервную банку и переплавляют. Расплавленное стекло выдавливается во втулку для формирования волокна. В процессе прямой плавки расплавленное стекло в печи поступает непосредственно в втулку для формования. [11]
Втульная пластина является наиболее важной частью оборудования для изготовления волокна. Это небольшая металлическая печь, содержащая сопла для формирования волокна. Он почти всегда изготавливается из платины , легированной родием для обеспечения долговечности. Платина используется потому, что расплав стекла обладает естественным свойством смачивать его. Когда втулки впервые использовались, они были на 100% платиновыми, и стекло настолько легко смачивало втулку, что после выхода из сопла оно стекало под пластину и скапливалось на нижней стороне. Также из-за своей стоимости и склонности к износу платину легировали родием. В процессе прямой плавки втулка служит коллектором расплавленного стекла. Его слегка нагревают, чтобы поддерживать температуру стекла, необходимую для образования волокон. В процессе плавления мрамора втулка действует скорее как печь, поскольку плавит больше материала. [16]
Втулки являются основной статьей расходов при производстве стекловолокна. Конструкция сопла также имеет решающее значение. Число сопел колеблется от 200 до 4000, кратно 200. Важной характеристикой сопла при производстве непрерывной нити является толщина его стенок в выходной области. Было обнаружено, что установка здесь цековки снижает смачивание. Сегодня сопла проектируются так, чтобы на выходе иметь минимальную толщину. Когда стекло проходит через сопло, оно образует каплю, подвешенную на конце. Падая, он оставляет нить, прикрепленную мениском к соплу, пока вязкость находится в правильном диапазоне для образования волокон. Чем меньше кольцевое кольцо сопла и тоньше стенка на выходе, тем быстрее будет формироваться и опадать капля и тем меньше будет ее склонность к смачиванию вертикальной части сопла. [17] Поверхностное натяжение стекла влияет на формирование мениска. Для E-стекла оно должно составлять около 400 мН/м. [10]
Скорость затухания (вытягивания) важна в конструкции сопла. Хотя снижение этой скорости может привести к получению более грубого волокна, работать на скоростях, на которые сопла не рассчитаны, нерентабельно. [4]
В процессе непрерывной нити после вытяжки волокна наносится клей . Этот размер помогает защитить волокно при намотке на шпульку. Конкретный применяемый размер относится к конечному использованию. В то время как некоторые размеры являются вспомогательными средствами обработки, другие придают волокну сродство к определенной смоле, если волокно будет использоваться в композите. [11] Замасливатель 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 несколько способов его изготовления. После выхода из формовочной машины стекло можно продуть или подвергнуть пескоструйной обработке с помощью тепла или пара. Обычно из этих волокон изготавливают своего рода мат. Наиболее распространенным процессом является ротационный процесс. Здесь стекло попадает во вращающуюся вертушку и под действием центробежной силы выбрасывается горизонтально. Воздушные струи толкают его вертикально вниз, и наносится связующее. Затем коврик пылесосят до сита, а связующее отверждается в духовке. [18]
Популярность стекловолокна возросла после открытия того, что асбест вызывает рак, и его последующего удаления из большинства продуктов. Однако безопасность стекловолокна также ставится под сомнение, поскольку исследования показывают, что состав этого материала (асбест и стекловолокно являются силикатными волокнами) может вызывать такую же токсичность, как и асбест. [19] [20] [21] [22]
Исследования 1970-х годов на крысах показали, что волокнистое стекло диаметром менее 3 мкм и длиной более 20 мкм является «сильным канцерогеном». [19] Аналогичным образом, Международное агентство по исследованию рака в 1990 году обнаружило, что «можно разумно предположить, что это канцероген». Американская конференция правительственных специалистов по промышленной гигиене , с другой стороны, заявляет, что доказательств недостаточно, и что стекло клетчатка относится к группе А4: «Не классифицируется как канцероген для человека» .
Североамериканская ассоциация производителей изоляционных материалов (NAIMA) утверждает, что стекловолокно фундаментально 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 производятся из кремнеземных нитей, NAIMA утверждает, что асбест более опасен из-за своей кристаллической структуры, которая заставляет его расщепляться на более мелкие и опасные кусочки, ссылаясь на Министерство здравоохранения и социальных служб США :
Синтетические стекловолокна [стекловолокно] отличаются от асбеста по двум причинам, что может по крайней мере частично объяснить их более низкую токсичность. Поскольку большинство синтетических стекловидных волокон не являются кристаллическими, как асбест, они не расщепляются в продольном направлении, образуя более тонкие волокна. Они также, как правило, имеют значительно меньшую биостойкость в биологических тканях, чем асбестовые волокна, поскольку они могут подвергаться растворению и поперечному разрыву. [24]
Исследование 1998 года на крысах показало, что биостойкость синтетических волокон через год составляет 0,04–13%, а для амозитового асбеста - 27%. Волокна, которые сохранялись дольше, оказались более канцерогенными. [25]
Стеклопластик (GRP) — это композитный материал или армированный волокном пластик, изготовленный из пластика , армированного тонкими стекловолокнами. Стекло может быть в виде мата из рубленой пряжи (CSM) или тканого полотна. [6] [26]
Как и многие другие композиционные материалы (например, железобетон ), эти два материала действуют вместе, преодолевая недостатки друг друга. В то время как пластиковые смолы прочны при сжатии и относительно слабы при растяжении , стекловолокна очень прочны при растяжении, но не имеют тенденции сопротивляться сжатию. Объединив эти два материала, стеклопластик становится материалом, который хорошо противостоит силам сжатия и растяжения. [27] Оба материала могут использоваться одинаково, или стекло может быть специально размещено в тех частях конструкции, которые будут испытывать растягивающие нагрузки. [6] [26]
Обычное стекловолокно используется в производстве матов и тканей для теплоизоляции , электроизоляции , звукоизоляции, высокопрочных тканей или тканей, устойчивых к нагреву и коррозии. Он также используется для армирования различных материалов, таких как стойки для палаток, шесты для прыжков с шестом , стрелы , луки и арбалеты , полупрозрачные кровельные панели, кузова автомобилей , хоккейные клюшки , доски для серфинга , корпуса лодок и бумажные соты . Его использовали в медицинских целях в гипсовых повязках. Стекловолокно широко используется для изготовления резервуаров и сосудов из стеклопластика . [6] [26]
Решетки из стекловолокна открытого переплетения используются для армирования асфальтового покрытия. [28] Нетканые маты из смеси стекловолокна и полимера пропитываются асфальтовой эмульсией и покрываются асфальтом, образуя водонепроницаемую и устойчивую к растрескиванию мембрану. Использование полимерной арматуры , армированной стекловолокном , вместо стальной арматуры перспективно в тех областях, где желательно избежать коррозии стали. [29]
Использование стекловолокна недавно нашло применение в биомедицинских целях при замене суставов [30] , где ориентация электрического поля коротких фосфатных стекловолокон может улучшить остеогенные свойства за счет пролиферации остеобластов и улучшения химического состава поверхности . Еще одно потенциальное применение — в электронных приложениях [31] , поскольку стекловолокно на основе натрия помогает или заменяет литий в литий-ионных батареях благодаря его 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 )
