• Главная

• Информация

• Материалы. Описание, характеристики

• Стекловолокно и изделия из него

Стекловолокно и изделия из него

Стекловолокном называют материал, полученный из расплавленного стекла путем выдавливания из него тонких нитей.

Стекловолокно обладает редким сочетанием свойств: высокой прочностью при растяжении и сжатии, негорючестью, нагревостойкостью, малой гигроскопичностью, стойкостью к химическому и биологическому воздействию. Из него изготовляют материалы с высокими электро-, тепло-, звукоизоляционными свойствами и механической прочностью. На основе стекловолокнистых материалов изготавливаются различные виды изделий, которые успешно заменяют традиционные материалы,а также, имеют только им присущие области применения.

Различают два вида стекловолокна: непрерывное – длинной сотни и тысячи метров и штапельное – длинной до 0,5 м. По внешнему виду непрерывное волокно напоминает натуральный или искусственный шелк, а штапельное – хлопок или шерсть. Изделия из непрерывного волокна имеют вид однонаправленных волокон, тканых материалов, нетканых материалов и волокнистых световодов.

Однонаправленное стекловолокно представляет собой короткие пряди волокон или комплексных нитей, срезанных с бобин. Длина однонаправленного волокна изменяется в зависимости от периметра бобины или барабана, на который оно наматывается. Однонаправленное волокно с бобин имеет диаметр 5-10 мкм и длину не менее 0,5 м.

Тканые материалы получают в ходе текстильной переработки стекловолокна: размотки комплексной нити с бобин с комплексной круткой трощения нитей и вторичной их крутки, подготовки нитей к ткачеству и изготовления тканых материалов на ткацких станках. Для текстильной переработки используются волокна диаметром 5-10 мкм. Волокна большего диаметра имеют пониженную прочность при изгибе и чаще ломается в ходе текстильной переработки.

Нетканые материалы из непрерывного стекловолокна – жгут, холсты из рубленных и непрерывных нитей, ленты из склеенных нитей и стекловолокнистые анизотропные материалы. Жгут представляет собой прядь, состоящую из большого числа комплексных стеклянных нитей, холсты – рулонные нетканые материалы. В жестких холстах хаотически расположенные нити или обрезки нитей скреплены смолами, в мягких холстах – механической прошивкой. Первичные нити или жгуты могут быть склеены в длинные ленты.

При упорядоченной намотке нитей и жгутов на барабаны и одновременном нанесении связующего получают анизотропные материалы, свойства которых в разных направлениях различны. Эти материалы могут быть как рулонные при непрерывном способе производства, так и листовыми – при периодическом. Для нетканых материалов могут применяться волокна диаметром до 20 мкм.

Виды изделий из штапельного волокна.

Штапельные волокна различаются по длине элементарных волокон (длинноволокнистые и коротковолокнистые) и по их диаметру. По диаметру различают: микроволокно (0,5 мкм), ультратонкое (0,5-1,0 мкм), супертонкое (1-4 мкм), утолщенное (11-20 мкм) и грубое (20 мкм и более).

На основе коротковолокнистых штапельных волокон получают вату, рулонные материалы, маты, плиты и скорлупы. Все эти материалы состоят из хаотически перепутанных волокон. Волокно, осажденное вместе с органическими синтетическими материалами на конвейерной ленте, после обработки принимает вид непрерывного ковра толщиной 20-100 мм.

Рулонный материал представляет собой длинный кусок ковра, свернутый в рулон. Маты и плиты получают из неподпрессованного ковра. Маты в ряде случаев простегиваются нитями из непрерывного стеклянного волокна, тогда толщина из может быть уменьшена до 5 мм. Плиты покрываются с одной или обеих сторон стеклянной тканью.

Из длинноволокнистых штапельных волокон изготовляют холсты, сепараторные пластины, бумагу. Эти материалы (толщиной 0,5-1,5 мм) могут быть свернуты в рулоны или нарезаны на пластины. Для повышения механической прочности они могут армироваться нитями их непрерывного волокна. Из длинноволокнистых волокон получают по аналогии с шерстью штапельную крученую пряжу, ровницу и при последующей текстильной переработке – штапельные ткани, сетки, ленты. Свойства изделий из штапельного волокна в значительной степени зависят от диаметра волокна, состава стекла и вида связующего материала.

Способ производства стекловолокна.

Способы выработки стекловолокна классифицируется по двум основным принципам его формования:

• утоньшения струйки стекломассы в непрерывное элементарное волокно;
• разделения и расчленения струи расплавленного стекла, сопровождаемых вытягиванием коротких волокон.

Вытягивание волокна из струйки стекломассы может производиться как механическим путем, так и воздухом или паром. Каждый из этих способов может быть одно- или двухстадийным. При двухстадийном процессе стеклянное волокно вырабатывается из стеклоплавильных сосудов или печей, питаемых стеклянными шариками, штабиками или эрклезом. При одностадийном процессе стеклянное волокно вырабатывается из стекловаренных печей, питаемых шихтой. Механическое вытягивание волокна может осуществляться с помощью барабана, съемных бобин, вытяжных валков или прядильной головки. Способы разделения струи расплавленного стекла делятся на три группы: способы раздува, центробежные и комбинированные.

Состав и свойства стекол для изготовления стекловолокна.

В зависимости от области применения непрерывного стекловолокна требования к его химическому составу могут быть различными. Для электрической изоляции употребляется только бесщелочное (или малощелочное) алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекло; для конструкционных стеклопластиков применяют главным образом бесщелочные магнийалюмосиликатные или алюмоборосиликатные стекла; для стеклопластиков неответственного назначения можно использовать и щелочесодержащие стекла.

Процесс формирования непрерывного стеклянного волокна предъявляет к стеклу ряд требований: интервал вязкостей, в котором устойчиво протекает формирование непрерывного стеклянного волокна из стекол обычных составов.

Основными требованиями, предъявляемыми к стеклам для производства штапельного волокна, являются малая вязкость при температуре выработки и низкое поверхностное натяжение. В зависимости от способа выработки и назначения штапельного волокна применяют стекла различных составов, однако все они отличаются высоким содержанием оксидов щелочноземельных металлов.

Физико-химические свойства неорганических волокон и материалов на их основе.

Механические свойства. Стекловолокно значительно превосходит по механической прочности исходное (массивное) стекло и незначительно отличается от него по некоторым физическим параметрам.

Механические свойства стеклянных волокон зависят от химического состава стекла, метода производства, окружающей среды и температуры. Метод производства оказывает большое влияние на прочность стеклянных волокон: высокой прочностью обладают волокна, вытянутые с большой скоростью из расплавленного стекла (вытягивание из фильер), наименьшей прочностью – волокна, полученные штабиковым способом и раздувом. При формовании волокна из фильер образуется меньше поверхностных дефектов и трещин, чем обусловливаются их лучшие механические свойства, главным образом прочность.

Прочность при растяжении стекловолокна зависит от его состава и диаметра

Наибольшей прочностью обладают непрерывные волокна из кварцевого и бесщелочного магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в стекле резко снижает прочность стеклянных волокон. Кристаллизация стекла и присутствие в стекломассе мелких газовых включений понижает прочность стеклянного волокна на 25-30%.

Максимальная прочность стеклянных и кварцевых волокон, испытанных в среде жидкого азота, приближается к расчетной теоретической прочности стекла и плавленого кварца.

В зависимости от диаметра и состава стекла техническая прочность стеклянных волокон при их формировании современными промышленными методами составляет 25-30 % теоретической прочности стекла.

Модуль Юнга стеклянных волокон составляет 6-11 ГПа и выше. Разрушающее напряжение при изгибе и кручении повышается с уменьшением диаметра волокон.

Изделия из стекловолокна плохо работают при многократном изгибе и истирании, однако, стойкости к изгибу и истиранию повышаются после пропитки лаками и смолами. Склеивание волокон в нити повышает прочность нити на 20-25 %, а пропитка стекловолокнистых материалов лаками – на 80-100 %.В сухом воздухе прочность стеклянных волокон резко повышается. Смачивание стеклянных волокон и изделий из них неполярной углеводородной жидкостью аналогично действию сухого воздуха и дает наибольшее значение прочности. Значительное (до 50-60 %) понижение прочности стеклянных волокон и изделий из них происходит при адсорбции ими воды и водных растворов поверхностно-активных веществ. Это объясняется тем, что молекулы веществ, адсорбируемых на стеклянных волокнах, способствуют образованию трещин в слабых местах поверхностного слоя.

При погружении химостойких стекловолокнистых материалов в воду прочность их снижается, но после высушивания полностью восстанавливается. Изделия из стеклянного волокна натрийкальцийсиликатного состава, содержащие более 15 % (мас.) оксидов щелочных металлов, после пребывания во влажном воздухе или в воде снижают прочность необратимо в связи с интенсивным выщелачиванием и разрушением. При длительном действии деформирующего усилия у стеклянных волокон развивается упругое последствие, которое зависит от химического состава стекла и относительной влажности воздуха. Влага снижает также сопротивления стеклянных волокон изгибу и трению.

При нагревании стеклянной ткани до 250-300°С прочность ее сохраняется, в то время как волокна органического состава при этой температуре полностью разрушаются.

При низких и высоких температурах устраняется адсорбционное воздействие влаги воздуха на стеклянные волокна, что приводит к повышению их прочности. Однако после термической обработки (нагрев до различных температур и последующее охлаждение) прочность стеклянных волокон и тканей снижается на 50-70 %.

Состав стекла оказывает значительное влияние на прочность стеклянных волокон, подвергнутых термообработке. Волокна из натрийкальцийсиликатного и боратного стекол теряют свою прочность при термообработке, начиная уже с 100-200°С, волокна из кварцевого, кремнеземного и каолинового стекла теряют прочность на 50 % при нагреве до 1000°С и последующем охлаждении.

Прочность волокон из бесщелочного стекла значительно снижается при 300°С; прочность кварцевых волокон при этой температуре практически не изменяется.

После нагрева и охлаждения стеклянных волокон наблюдается небольшое повышение их плотности и показателя преломления.

Нагревостойкость. Стеклянное волокно обладает высокой нагревостойкостью , которая зависит от химического состава стекла . Температурная область применения стеклянных волокон натрийкальцийсиликатного состава ограничена температурами 450-500°С, при более высоких температурах начинается их спекание. Для бесщелочных волокон нагревостойкость выше на 200-300°С и составляет 600-700°С.

Гигроскопичность отдельных стеклянных волокон около 0,2 % (мас.). Поглощение влаги стеклянной тканью значительно выше, так как влага адсорбируется зазорами между волокнами и замасливателем. Гигроскопичность ткани зависит от характера переплетения нитей и химического состава стекла, например ткани из волокна натрийкальцийсиликатного состава обладают гигроскопичностью до 3-4 %.

Химистойкость теклянных волокон не зависит от их диаметра, но абсолютная растворимость тонких волокон выше растворимости толстых вследствие большего отношения их поверхности к массе. Поэтому при воздействии агрессивных реагентов волокна разрушаются быстрее, чем массивное стекло.

Прочность стеклянных волокон в различных агрессивных средах (горячая вода, водяной пар высокого давления, кислоты, щелочи) зависит от химического состава стекла. Наибольшей прочностью и высокой стойкостью к горячей воде и пару обладают волокна из бесщелочного алюмоборосиликатного и магнийалюмосиликатного стекла. По гидролитической классификации этот вид стекла относится к «стеклам, не изменяемым водой».

Материалы из стеклянного волокна, содержащего в своем составе щелочи, значительно теряют прочность при многократной обработке горячей водой или водяным паром даже нормального давления. В этом случае имеет место интенсивное выщелачивание, приводящее к полному распаду структуры стекла.

При длительном воздействии водяного пара различного давления резко снижается прочность материалов и из волокна бесщелочного алюмоборосиликатного стекла. Наиболее стойкими в этих условиях являются стеклянные ткани из бесщелочного безборного стекла.

Стеклянные ткани и волокна из бесщелочного стекла нестойки к воздействию кислот. При обработке кислотой волокон из бесщелочного стекла все компоненты его растворяются и остается лишь малопрочный кремнекислородный скелет.

Высокой стойкостью к воде, пару высокого давления и различным кислотам (кроме плавиковой) обладают волокнистые материалы кварцевого, а также кремнеземного и каолинового состава.