Стекловолокно - Glass fiber

Стекловолокно ( или стекловолокно ) представляет собой материал , состоящий из многочисленных чрезвычайно тонких волокон из стекла .

Стеклодувы на протяжении всей истории экспериментировали со стекловолокном, но массовое производство стекловолокна стало возможным только с изобретением более тонких станков. В 1893 году Эдвард Драммонд Либби представил на Всемирной Колумбийской выставке платье из стекловолокна с диаметром и текстурой шелковых волокон. Стекловолокно также может встречаться в природе, например , волосы Пеле .

Стекловата , которая сегодня называется «стекловолокном», была изобретена в период с 1932 по 1933 год компанией Games Slayter из Оуэнса-Иллинойса в качестве материала, который будет использоваться в качестве теплоизоляции зданий . Он продается под торговой маркой Fiberglas, которая стала универсальным товарным знаком . Стекловолокно, используемое в качестве теплоизоляционного материала, специально изготавливается с добавлением связующего вещества для улавливания множества мелких воздушных ячеек, в результате чего получается типично наполненное воздухом семейство изделий из «стекловаты» низкой плотности.

Стекловолокно имеет примерно сопоставимые механические свойства с другими волокнами, такими как полимеры и углеродное волокно . Хотя он не такой жесткий, как углеродное волокно, он намного дешевле и значительно менее хрупок при использовании в композитах. Поэтому стекловолокно используется в качестве армирующего агента для многих полимерных продуктов с образованием очень прочного и относительно легкого композитного материала, армированного волокном полимера (FRP), называемого армированным стекловолокном (GRP), также широко известного как «стекловолокно». В отличие от стекловаты, стеклопластик содержит мало или совсем не содержит воздуха или газа, он более плотный и, следовательно, является плохим теплоизоляционным материалом по сравнению со стекловатой; вместо этого он используется конструктивно из-за его прочности и относительно небольшого веса.

Формирование волокна

Стекловолокно образуется, когда тонкие пряди стекла на основе диоксида кремния или стекла с другим составом экструдируются в множество волокон с небольшими диаметрами, подходящими для обработки текстиля . Техника нагрева и вытягивания стекла в тонкие волокна известна на протяжении тысячелетий и применялась в Египте и Венеции. До недавнего использования этих волокон для текстильных изделий все стекловолокно производилось в виде штапеля (то есть кластеров коротких волокон).

Современный метод производства стекловаты - изобретение Games Slayter, работающего в 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 произведено 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 создания и продвижения стекловолокна, они ввели непрерывные нити стекловолокна. Сегодня Owens-Corning по-прежнему является крупнейшим производителем стекловолокна на рынке.

Наиболее распространенным типом стекловолокна, используемым в стекловолокне, является Е-стекло, которое представляет собой алюмоборосиликатное стекло с содержанием оксидов щелочных металлов менее 1% по весу , в основном используемое для армированных стекловолокном пластиков. Другие типы стекла , используемого в А-стекло ( lkali-натриевое стекло практически без оксида бора), Е-CR-стекла ( Е lectrical / С hemical R esistance; алюмо-силикатное с менее чем 1% вес / вес щелочи оксиды, с высокой кислотостойкостью), C-стекло (щелочно-известковое стекло с высоким содержанием оксида бора, используемое для штапельных стекловолокон и изоляции), D-стекло (боросиликатное стекло, названное из-за его низкой электрической постоянной D ), R-стекло (алюмо - силикатное стекло без MgO и СаО с высокими механическими требованиями как г einforcement), и S-стекла (алюмо - силикатное стекло без СаО , но с высоким содержанием MgO с высокой прочностью на разрыв).

Чистый диоксид кремния (диоксид кремния) при охлаждении в виде плавленого кварца в стекло без истинной точки плавления может использоваться в качестве стекловолокна для стекловолокна, но имеет недостаток, заключающийся в том, что его необходимо обрабатывать при очень высоких температурах. Чтобы снизить необходимую рабочую температуру, в качестве «флюсов» вводятся другие материалы (т. Е. Компоненты 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 стекловолокна. Е-стекла ( «Е» из - за начальным электронную lectrical применения), является щелочью, и были первой рецептурой стекло , используемой для формирования непрерывной нити. В настоящее время он 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» для «прочности») используется, когда важна высокая прочность на растяжение (модуль) и, следовательно, важна в композитах для строительства и авиастроения. Это же вещество известно в Европе как R-стекло («R» для «армирования»). C-стекло («C» означает «химическая стойкость») и T-стекло («T» означает «теплоизолятор» - североамериканский вариант C-стекла) устойчивы к химическому воздействию; оба они часто встречаются в изоляционных материалах из выдувного стекловолокна.

Общие категории волокон и связанные с ними характеристики

Категория волокна	Характерная черта
А, щелочь	Натриевое стекло / с высоким содержанием щелочи
C, химический	Высокая химическая стойкость
D, диэлектрик	Низкая диэлектрическая проницаемость
E, электрический	Низкая электропроводность
M, модуль	Высокий модуль упругости
S, сила	Высокая прочность на разрыв
Специального назначения
ECR	Долговременная кислотостойкость и кратковременная стойкость к щелочам
R и Te	Высокая прочность на разрыв и свойства при высоких температурах

Химия

Основа стекловолокна текстильного сорта - кремнезем SiO ₂ . В чистом виде он существует в виде полимера (SiO ₂ ) _n . У него нет истинной точки плавления, но он 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. 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, соединенную по углам, разделяя атомы кислорода .

Стекловидное и кристаллическое состояния кремнезема (стекло и кварц ) имеют сходные уровни энергии на молекулярной основе, что также подразумевает, что стеклообразная форма чрезвычайно устойчива. Чтобы вызвать кристаллизацию , его необходимо нагревать до температур выше 1200 ° C в течение длительных периодов времени.

Хотя чистый диоксид кремния представляет собой совершенно жизнеспособное стекло и стекловолокно, с ним необходимо работать при очень высоких температурах, что является недостатком, если не требуются его специфические 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 областях применения. Первым типом стекла, которое использовалось для изготовления волокна, было известково-натриевое стекло или А-стекло («А» для содержащейся в нем щелочи). Он не очень устойчив к щелочам. Более новый, не содержащий щелочи (<2%) тип стекла E, представляет собой алюмоборосиликатное стекло. C-стекло было разработано, чтобы противостоять воздействию химикатов, в основном кислот, которые разрушают E-стекло. T-стекло - это североамериканский вариант C-стекла. AR-стекло - это стекло, устойчивое к щелочам. Большинство стекловолокон имеют ограниченную растворимость в воде, но сильно зависят от pH . Хлорид- ионы также разрушают и растворяют поверхности из Е-стекла.

Е-стекло на самом деле не плавится, а вместо этого размягчается, точка размягчения - это «температура, при которой волокно диаметром 0,55–0,77 мм и длиной 235 мм удлиняется под собственным весом со скоростью 1 мм / мин при вертикальном подвешивании и нагревании со скоростью 5 ° C в минуту ». Точка деформации достигается, когда стекло имеет вязкость 10 ^14,5  пуаз . Точка отжига , то есть температура, при которой внутренние напряжения снижаются до приемлемого промышленного предела за 15 минут, отмечена вязкостью 10 ¹³  пуаз.

Характеристики

Тепловой

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. Удерживая в себе воздух, блоки из стекловолокна обеспечивают хорошую теплоизоляцию с теплопроводностью порядка 0,05 Вт / (м · К ).

Выбранные свойства

Тип волокна	Прочность на разрыв (МПа)	Прочность на сжатие (МПа)	Модуль Юнга, E (ГПа)	Плотность (г / см 3 )	Тепловое расширение (мкм / м · ° C)	Смягчение T (° C)	Цена ($ / кг)
E-стекло	3445	1080	76,0	2,58	5	846	~ 2
C-стекло	3300	-	69,0	2,49	7.2	-	-
Стекло С-2	4890	1600	85,5	2,46	2,9	1056	~ 20

Механические свойства

Прочность стекла обычно проверяется и сообщается для «девственных» или нетронутых волокон - тех, которые только что были изготовлены. Самые свежие и тонкие волокна являются самыми прочными, потому что более тонкие волокна более пластичны. Чем больше царапается поверхность, тем меньше получается прочность . Поскольку стекло имеет аморфную структуру, его свойства одинаковы по длине и по длине волокна. Влажность - важный фактор прочности на разрыв. Влага легко адсорбируется и может ухудшить микроскопические трещины и поверхностные дефекты, а также снизить прочность.

В отличие от углеродного волокна , стекло может подвергаться большему удлинению перед тем, как разбиться. Более тонкие нити могут изгибаться дальше, прежде чем они порвутся. Вязкость расплавленного стекла очень важна для успеха производства. Во время вытяжки, когда горячее стекло вытягивают для уменьшения диаметра волокна, вязкость должна быть относительно низкой. Если он будет слишком высоким, волокно разорвется во время вытяжки. Однако, если оно будет слишком низким, стекло будет образовывать капли, а не вытягиваться в волокно.

Производственные процессы

Плавление

Существует два основных типа производства стекловолокна и два основных типа изделий из стекловолокна. Во-первых, волокно получают либо путем прямого плавления, либо путем переплавки мрамора . И то, и другое начинается с твердого сырья. Материалы смешиваются и плавятся в печи . Затем для обработки мрамора расплавленный материал разрезается и раскатывается в шарики, которые охлаждают и упаковывают. Шарики доставляются на предприятие по производству волокна, где их помещают в тару и переплавляют. Расплавленное стекло экструдируется во втулку для формирования волокна. В процессе прямого плавления расплавленное стекло в печи направляется непосредственно во втулку для формования.

Формирование

Втулка пластина является наиболее важной частью оборудования для изготовления волокна. Это небольшая металлическая печь с соплами для формовки волокна. Он почти всегда изготавливается из платины, легированной родием для повышения прочности. Платина используется потому, что расплав стекла естественным образом смачивает ее. Когда втулки были впервые использованы, они были на 100% платиновыми, и стекло так легко смачивало втулку, что оно бежало под пластиной после выхода из сопла и накапливалось на нижней стороне. Кроме того, из-за своей стоимости и склонности к износу платина была легирована родием. В процессе прямого плавления втулка служит сборником расплавленного стекла. Его слегка нагревают, чтобы поддерживать температуру стекла, необходимую для образования волокон. В процессе плавления мрамора втулка действует больше как печь, так как плавит больше материала.

Втулки - основная статья расходов при производстве стекловолокна. Конструкция сопла также имеет решающее значение. Количество сопел составляет от 200 до 4000, кратно 200. Важной частью сопла при производстве непрерывных волокон является толщина его стенок в области выхода. Было обнаружено, что установка зенковки снижает смачивание. Сегодня форсунки рассчитаны на минимальную толщину на выходе. Когда стекло течет через сопло, оно образует каплю, которая подвешивается на конце. При падении он оставляет нить, прикрепленную мениском к соплу, пока вязкость находится в правильном диапазоне для образования волокна. Чем меньше размер кольцевого кольца сопла и чем тоньше стенка на выходе, тем быстрее будет формироваться и отпадать капля, и тем меньше ее склонность к смачиванию вертикальной части сопла. Поверхностное натяжение стекла - вот что влияет на формирование мениска. Для E-стекла это должно быть около 400 мН / м.

Скорость затухания (вытяжки) важна в конструкции сопла. Хотя снижение этой скорости может привести к более грубому волокну, работать на скоростях, для которых не рассчитаны форсунки, неэкономично.

Непрерывный процесс накала

В непрерывном процессе нити, после того , как волокно вытягивают, А размер применяется. Такой размер помогает защитить волокно при намотке на бобину. Применяемый конкретный размер относится к конечному использованию. В то время как некоторые размеры являются вспомогательными средствами обработки, другие придают волокну сродство к определенной смоле, если волокно должно использоваться в композитном материале. Клей обычно добавляют в количестве 0,5–2,0% по весу. Тогда намотка происходит со скоростью около 1 км / мин.

Производство штапельного волокна

Для производства штапельного волокна существует несколько способов изготовления волокна. Стекло можно выдувать или подвергать струйной очистке с помощью тепла или пара после выхода из формовочной машины. Обычно из этих волокон делают какой-то мат. Чаще всего используется ротационный процесс. Здесь стекло попадает во вращающийся спиннер и под действием центробежной силы выбрасывается горизонтально. Воздушные форсунки толкают его вертикально вниз, и наносится связующее. Затем мат вакуумируется к сетке, и связующее затвердевает в печи.

Безопасность

Популярность стекловолокна возросла после открытия, 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 - силикатные волокна) может вызывать такую ​​же токсичность, как и асбест.

Исследования 1970-х годов на крысах показали, что стекловолокно диаметром менее 3 мкм и длиной более 20 мкм является «сильнодействующим канцерогеном». Аналогичным образом, Международное агентство по изучению рака в 1990 году обнаружило, что «разумно можно предположить, что он является канцерогеном». Американская конференция правительственных специалистов по промышленной гигиене , с другой стороны, утверждает, что доказательств недостаточно, и что стекловолокно находится в группа A4: «Не классифицируется как канцероген для человека» .

Американская ассоциация производителей изоляции Северной (NAIMA) утверждает , что стекловолокно принципиально отличается от асбеста, так как рукотворный вместо естественного происхождения. Они утверждают, что стекловолокно «растворяется в легких», а 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 более опасные части, ссылаясь на Министерство здравоохранения и социальных служб США :

Синтетические стекловидные волокна [стекловолокно] отличаются от асбеста двумя способами, которые могут дать хотя бы частичное объяснение их более низкой токсичности. Поскольку большинство синтетических стекловидных волокон не являются кристаллическими, как асбест, они не расщепляются в продольном направлении с образованием более тонких волокон. Они также обычно имеют значительно меньшую биоперсистентность в биологических тканях, чем волокна асбеста, поскольку они могут подвергаться растворению и поперечному разрушению.

Исследование 1998 года на крысах показало, что биостойкость синтетических волокон через год составляла 0,04–13%, а для амозитного асбеста - 27% . Волокна, которые сохраняются дольше, оказались более канцерогенными.

Стеклопластик (стеклопластик)

Стеклопластик (GRP) представляет собой композитный материал или армированный волокном пластик, сделанный из пластика, армированного тонкими стекловолокнами. Подобно пластику , армированному графитом , композитный материал обычно называют стекловолокном . Стекло может иметь форму мата из рубленых прядей (CSM) или тканого материала.

Как и в случае со многими другими композитными материалами (такими как железобетон ), эти два материала действуют вместе, преодолевая недостатки друг друга. В то время как пластмассовые смолы обладают высокой прочностью при сжимающей нагрузке и относительно слабой прочностью на растяжение , стекловолокна очень сильны при растяжении, но не имеют тенденции к сопротивлению сжатию. Благодаря сочетанию этих двух материалов стеклопластик становится материалом, который хорошо сопротивляется как сжимающим, так и растягивающим силам. Два материала можно использовать одинаково, или стекло можно специально разместить в тех частях конструкции, которые будут испытывать растягивающие нагрузки.

Использует

Использование обычного стекловолокна включает маты и ткани для теплоизоляции , электроизоляции , звукоизоляции, высокопрочных тканей или теплостойких и устойчивых к коррозии тканей. Он также используется для усиления различных материалов, таких как палки 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 .

Сетки из стекловолокна открытого переплетения используются для усиления асфальтового покрытия. Используются нетканые маты из смеси стекловолокна и полимера, пропитанные асфальтовой эмульсией и покрытые асфальтом, образуя водонепроницаемую, стойкую к растрескиванию мембрану. Использование полимерной арматуры, армированной стекловолокном, вместо стальной арматуры перспективно в тех областях, где желательно избежать коррозии стали.

Возможное использование

Стекловолокно недавно было использовано в биомедицинских приложениях при замене суставов, где ориентация электрического поля коротких фосфатных стекловолокон может улучшить остеогенные свойства за счет пролиферации остеобластов и за счет улучшенного химического состава поверхности . Другое потенциальное использование - в электронных приложениях, поскольку стекловолокно на основе натрия помогает или заменяет литий в литий-ионных батареях из-за его улучшенных электронных свойств.

Роль вторичной переработки в производстве стекловолокна

Производители стекловолоконной изоляции могут использовать переработанное стекло . Переработанное стекловолокно содержит до 40% переработанного стекла.

Смотрите также

Примечания и ссылки

Внешние ссылки

• CDC - Стекловолокно - Тема безопасности и здоровья на рабочем месте NIOSH
• Стекловолокно и здоровье
• Международное геосинтетическое общество , информация о геотекстиле и геосинтетике в целом.