Эксплуатационные свойства стекловолокон

21.09.2019

Все стеклянные волокна условно можно разделить на два больших класса: дешевые волокна общего применения и дорогостоящие волокна специального применения. Почти 90 % всех стеклянных волокон, которые выпускаются сегодня в мире это стекловолокно марки Е. Подробно требования к таким волокнам изложены, например, в стандарте ASTM D578-98. Остальные 10% процентов – это волокна специального назначения. Большинство марок стекловолокна получили свое название благодаря своим специфическим свойствам:

‐ – низкой электрической проводимости;
‐ – высокой прочности;
‐ – высокая щелочестойкость;
‐ – низкая диэлектрическая проницаемость;
- - значительная термическая стойкость;
‐ C (chemical) – высокой химической стойкости;
‐ M (modulus) – высокой упругости;
‐ А (alkali) –высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло.

Для электрической изоляции применяется только бесщелочное (или малощелочное) алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для конструкционных стеклопластиков, как правило, используют бесщелочное магнийалюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для стеклопластиков неответственного назначения можно употреблять и щелочесодержащее стекловолокно.

Механические характеристики стекловолокон напрямую зависят от метода производства, химического состава стекла, температуры и окружающей среды. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон.

Тип волокна	Состав, масс. %
Тип волокна	SiO2	B2O3	Al2O3	CaO	MgO	ZnO	TiO2	ZrO2	Na2O	K2O	Li2O	Fe2O3	F2
E (с бором)	52-56		12-15	21-23	0,4-4			0,2-0,5		0-0,2		0,2-0,5	0,2-0,7
E	59-60		12-13	22-23				0,5-1,5	0,6-0,9	0-0,2
S	60-65,5		23-35		6-11				0-0,1			0-0,1
AR	58,3-60,6						0-2,8	18,1-21,2	13,0-14,1	0-2,8
ECR	58,2		11,6	21,7
D	72-75	21-24			0,5-0,6
Кварц	99,5-99,9
Базальт	47,5-55,0		14,0-20,0	7,0-11,0	3,0-8,5		0,3-2		2,5-7,5	2,5-7,5		7,0-13,5

Таблица 1. Химический состав некоторых стекол для получения непрерывного волокна.

Свойство	Тип волокна
Свойство	Е (с бором)	Е (без бора)	S	AR	ECR	D	Кварц	Базальт
Температура формования, °С	1160-1196	1260	1565	1260-1300	1213-1235		2300	1350-1450
Температура размягчения, °С	830-860		1056					1100-1200
Температура плавления, °С	1066-1077	1200	1500	1180-1200	1159-1166		1670	1200-1300
Плотность, г/см 3	2,54-2,55	2,62	2,48,2,49	2,6-2,7	2,66-2,68	2,16	2,15	2,67
Коэффициент линейного расширения, 10 -6 С -1	4,9-6						0,54
Диэлектрическая постоянная (20 С, 1 МГц), Ф/м	5,86-6,6		4,53-4,6		3,56-3,62		3,78
Прочность, МПа	3100-3500	3100-3500	4380-4590	3100-3500	3100-3500	2410	3400	2700-3500
Модуль упругости, ГПа	76-78	80-81	88-91	72-74	80-81			70-90
Удлинение до разрыва, %	4,5-4,9		4,5-4,9	2-2,4	4,5-4,9

Таблица 2. Физико-механические свойства некоторых марок стеклянного волокна.

Стекло E

Химический состав
На сегодняшний день в мире выпускается 2 типа стекловолокна марки E. В большинстве случаев E-стекло содержит 5-6 масс. % оксида бора. Современные экологические нормы в США и Европе запрещают выброс бора в атмосферу. В то же время известно, что в процессе стеклообразования, а также в последующих процессах стекловарения происходит обеднение стекломассы некоторыми компонентами за счет их улетучивания. Из компонентов шихты наибольшей летучестью обладают борная кислота и ее соли, оксид свинца, оксид сурьмы, селен и некоторые его соединения, а также хлориды. Летучесть, рассчитанная на 1% содержания оксида в обычных стеклах, составляет для отдельных оксидов в масс. %: Na2O (из Na2CO3) – 0.03, К2О (из K2CO3) – 0.12, В2О3 – 0.15, ZnO – 0.04, РbО – 0.14, CaF2 – до 0.5. Таким образом, современные предприятия вынуждены устанавливать у себя дорогие системы фильтрации.

В качестве альтернативы возможно получение Е-стекол, не содержащих бора на основе системы SiO 2 –Al 2 O 3 –CaO–MgO.

Коммерческое стекловолокно марки Е получают на основе системы SiO 2 –Al 2 O 3 –CaO–MgO–B 2 O 3 или системы SiO 2 –Al 2 O 3 –CaO–B 2 O 3 . Продукты, полученные на основе последней системы, как правило, все-таки содержат небольшое количество оксида магния (до 0,6 масс. %), что связано с особенностями сырья, которое использую для получения стекол.

Важно отметить, что точный состав стекловолокна Е может отличаться друг от друга не только для разных производителей, но даже и для разных заводов одной компании. Это обусловлено прежде всего географическим расположением предприятия и, как следствие, доступностью сырья. Кроме того на разных предприятиях осуществляется разный контроль за технологическим процессом и методы его оптимизации.

Состав борсодержащего стекловолокна и стекловолокна без оксида бора значительно отличается друг от друга. Содержание оксида кремния в борсодержащих стеклах марки Е составляет 52-56 %. Для стекловолокна без оксида бора содержание оксида кремния несколько выше и лежит в интервале 59-61 %. Содержание оксида алюминия для обоих типов стекла Е близко и составляет 12-15 %. Содержание оксида кальция также отличается незначительно – 21-23 %. Содержание оксида магния в стекле варьируется в широких пределах. Для стекол, полученных на основе тройных систем, оно составляет менее 1%, и является следствием неоднородности сырья. В случае если в состав шихты входит доломит содержание оксида магния может достигать 3,5 %.Отличительной особенностью Е-стекол, не содержащих бор, является повышенное содержание в них оксида титана – от 0,5 до 1,5 %, в то время как в классическом Е стекле его содержание находится в пределах 0,4-0,6 %.

Особенности получения
Температура получения волокон из борсодержащего Е-стекла составляет 1140-1185 °С. Температура плавления составляет 1050-1064ы плавления. В отличие от своего экологически чистого аналога борсодержащие волокна из Е-стекла имеют более низкую на 110 °С температуру получения, которая составляет 1250-1264 °С, а температуру плавления 1146-1180 °С. Температуры размягчения для волокон на основе борсодержащих Е-стекол и Е-стекол без оксида бора составляют 830-860 °С и около 916 °С соответственно. Более высокая температура получения экологически чистых стеклянных волокон на основе Е-стекла приводит к росту потребления энергоресурсов для их получения, и, как следствие, увеличению стоимости.

Свойства
Механические свойства обоих видов волокон на основе Е-стекла почти одинаковы. Прочность на разрыв составляет 3100-3800 МПа. Однако модуль упругости у волокон без оксида бора несколько выше (80-81 ГПа), чем у обычных волокон (76-78 ГПа). Основным отличием стекловолокна марки Е без бора является более чем в 7 раз большая кислотостойкость (выдержка при комнатной температуре в течение 24 часов в 10% растворе серной кислоты). По своей кислотостойкости эти волокна приближаются к химически стойким волокнам на основе ECR стекла.

Плотность борсодержащих стеклянных волокон несколько ниже (2,55 г/см 3) по сравнению со своим экологически чистым аналогом (2,62 г/см 3). Плотность Е-стекла выше, чем у стекол других типов (за исключением ECR стекла).

С увеличением содержания бора в таких стеклах уменьшается коэффициент преломления и коэффициент линейного расширения. Не содержащие бор Е-стекла имеют более высокую диэлектрическую постоянную, которая при комнатной температуре и частоте 1 МГц составляет 7. Поэтому борсодержащие волокна чаще используют при производстве электронных плат и в аэрокосмической промышленности. В широком производстве композитов эта разница не имеет такого критического значения.

Стекло S

Впервые химический состав стекла под маркой S-glass был запатентован компанией Owens Corning в 1968 (патент 3402055). В состав этого стекла входило 55-79,9 % SiO 2 , 12,6-32 % Al 2 O 3 , 4-20 % MgO. Создание стекловолокна марки S было вызвано бурным развитием композиционных материалов в США в то время и, как следствие, необходимостью созданию стекловолокна с высокими прочностью и модулем упругости. В настоящее время стекло под этой маркой получают на основе систем SiO 2 -Al 2 O 3 -MgO или SiO 2 -A 2 O 3 -MgO-CaO. В исключительных случаях в S-стекло добавляют BeO 2 , TiO 2 , ZrO 2 .

Особенности получения
Благодаря высокому содержанию тугоплавких оксидов S-стекло имеет очень высокую температуру размягчения 1015-1050 °С. Соответственно высокими являются и температура получения волокон – около 1200 °С, что сопоставимо со стекловолокном марки AR.

Свойства
Стекловолокно марки S обладает рекордными значениями прочности и модуля упругости для данного класса материалов. Лучшая продукция из S-стекла ничем не уступает по своему качеству углеродному волокну и также как и последнее применяется в основном в аэрокосмической области. Прочность волокон при комнатной температуре составляет 4500-4800 МПа, модуль упругости – 86-87 ГПа, прочность лучших образцов волокна марки ВМП – до 7000 МПа.

Стекло AR

Химический состав
В начале 70-х годов английская фирма «Pilkington Brothers» разработала и стала выпускать в промышленных масштабах высоко-циркониевое стеклянное волокно Cemfil для армирования цемента. Впоследствии эта марка перешла компании Saint-gobain, в настоящее время основным производителем стекловолокна на основе стекла AR является компания OwensConing и японскаякомпания Nippon electric glass. Щелочестойкие стекла выпускают на основе системы ZrO 2 -SiO 2 -Na 2 O. Содержание дорогого оксида циркония в них варьируется в пределах 15-23 %. Поскольку температура плавления чистого оксида циркония достаточно высока (2715 С), в стекло добавляют значительное количество щелочных металлов, чаще всего Na2O 18-21 %.

Особенности получения
Тугоплавкие составы значительно усложняют технологию производства волокна, кроме того, цирконий-содержащее сырье дефицитно и дорого для изготовления массовой продукции. Поэтому вопрос совершенствования составов стекол для армирования цемента продолжает оставаться актуальным. Температура получения волокон из AR-стекла составляет 1280-1320 °С, температура плавления – 1180-1200 °С.

Свойства
Прочность на разрыв волокон на основе AR-стекла довольно низка и составляет около 1500-1700 МПа. Модуль упругости 72-74 ГПа. Такие волокна самые тяжелые среди всех видов стекловолокна, их плотность составляет около 2,7 г/см3.

Поскольку основной областью применения волокон на основе AR-стекла является армирование цементов и бетонов, то основной характеристикой таких волокон является их устойчивость в щелочной среде. Потеря массы после кипячения в насыщенном растворе NaOH для волокон на основе AR-стекла составляет 2-3 %. Для сравнения эта же характеристика для базальтовых волокон составляет 6-7 %.

Стекло ECR

Химический состав
Впервые стекловолокно под маркой ECR-glass (в некоторых источниках оно указано как химически стойкое Е-стекло) стали выпускать в 1974 г. Это стекло имеет в своем составе до 3 % TiO2 и до 3 % ZnO. Совершенно некорректно называть это стекло разновидностью Е- стекла, поскольку, согласно требованиям международных стандартов, Е-стекло вообще не должно содержать оксида циркония, и к тому же содержание TiO2 в ECR стеклах превышает положенные 1,5 %. Стекловолокно на основе ECR стекла не содержит в своем составе оксида бора, что положительно сказывается на экологичности производства. Зачастую в состав стекловолокна ECR вводят до 3 % Li2O.

Особенности получения
Оксид титана является плавнем, его значительное содержание приводит к заметному уменьшению вязкости стекла и, как следствие, температуры получения волокон. Оксид циркония положительно влияет на химическую стойкость стекла. Температура формования волокон на основе ECR стекла составляет около 1218 °С, что меньше, чем у стекловолокна на основе Е-стекла. В то же время для стекол с высоким содержанием оксида лития температура получения волокон выше, чем у стекловолокна Е и составляет около 1235 °С. Фактически это означает, что оксид цинка является более эффективным плавнем, чем оксид бора, к тому же более экологичен и придает дополнительно полезные свойства стекловолокну.

Свойства
Стекловолокно ECR было разработано специально для использования в агрессивных средах, например устойчивость в кислых средах в 4-5 раз выше. При этом прочность этих волокон остается на уровне стекловолокна Е и составляет порядка 2800-3000 МПа, модуль упругости около 80-83 ГПа. Несмотря на то, что плавление и выработка волокна из ECR проводят при более низких температурах его стоимость превышает стоимость стекловолокна Е из-за наличия дорогих компонентов.

Стекло D

В настоящее время волокна из D-стекла являются больше экзотикой, чем реальным продуктом на рынке стекловолокна, поскольку многие производители плат предпочитают использовать вместо них альтернативные виды стекловолокна. Например, сверхчистые кварцевые волокна, полые волокна из Е-стекла также обладают более низкими диэлектрическими характеристиками, чем широко распространенное стекловолокно Е. Однако, у кварцевых волокон меньше модуль упругости, что важно при изготовлении печатных плат, а полые волокна теряют свои диэлектрические свойства в условиях высокой влажности.

Химический состав
Зачастую в электронной промышленности требуются материалы с очень низкими показателями диэлектрической проницаемости. Электрические свойства волокон определяются такими свойствами как удельное объемное сопротивление, поверхностная проводимость, диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлектрических потерь. В большинстве случаев при производстве плат в качестве армирующего наполнителя используют Е-стекло, однако уменьшение размеров печатных плат предъявляет повышенные требования к стекловолокну. Для решения этой проблемы было разработаны составы стекол марки D. Такие стекла и волокна получают на основе системы SiO2-B2O3-R2O. Содержание в стеклах с низкими диэлектрическими характеристиками оксида кремния достигает 74-75 %, оксида бора – до 20-26 %. Для уменьшения температуры выработки в эту систему добавляют оксиды щелочных металлов (до 3%). Иногда оксид кремния частично замещают на оксид алюминия (до 15 %).

Свойства
Высокое содержание оксида бора приводит к значительному снижению в D-стеклах диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь по сравнению с Е- стеклом.

Особенности получения
Из-за высокой стоимости волокна из D-стекла в настоящее время получают только мелкосерийными партиями. Кроме того, высокое содержание в них оксида бора делает их процесс изготовления очень трудным, что связано с высокой летучестью этого компонента в процессе плавления шихты. Температура размягчения D-стекол составляет 770 °С.

Кварцевое стекло

Кварцевые волокна используют в тех случаях, когда требуется значительная термическая стойкость. Кварцевые волокна с содержанием SiO2 менее 95 % (как правило их называют кремнеземные волокна) получают путем путем кислотной обработки волокна алюмоборосиликатного состава, широко применяемого для изготовления бесщелочного волокна, и из силиката натрия с различными добавками. Кремнеземные волокна, полученные выщелачиванием волокон из горных пород, не уступают кремнеземным волокнам, выпускаемым промышленностью. Температура применения кремнеземных волокон 1200 °С.

Сверхчистые кварцевые волокна (содержание SiO2 более 99 %) получают методом сухого формования из водного раствора жидкого стекла. Такие волокна выпускаются под торговой маркой Silfa и используются для теплозащиты. В СССР кварцевые волокна получали по штабиковому способу: вытягиванием нити из капли разогретого конца штабика или путем раздува образующейся капли ацителено-кислородным или кислородно- водородным пламенем. Производство кварцевого волокна может также осуществляться в два приема: получение волокон диаметром 100-200 мк, а затем их раздув потоком раскаленных газов. Волокна собираются на конвейере и формуются либо в виде матов, либо в виде ровницы. Температура плавления таких волокон 1750 °С. При Т = 1450-1500 °С происходит спекание (деформация в твердой фазе), но без размягчения. В условиях длительной эксплуатации и теплосмен, изделия из кварцевого волокна являются стойкими до Т = 1200°С, выше которой у них снижается прочность вследствие кристаллизации.. В настоящее время такие волокна выпускаются под маркой quartztel и astroquartz.

Свойства
Сверхчистые кварцевые волокна в основном применяются в аэрокосмической промышленности в тех областях, где требуется высокаятермостойкость. Сочетая высокую термическую стойкость, прочность и радиопрозрачность для ультрафиолетового излучения и излучения с большей длиной волны такие волокна используют для производства обтекателей самолетов.

Использованы материалы из учебного пособия "Стеклянные волокна". С.И. Гутников, Б.И. Лазоряк, Селезнев А.Н.

Стекловолокно представляет собой волокна или нити, изготовленные из стекла или его производных, но благодаря сложному процессу производства приобретшее в конечном итоге уникальные свойства, нехарактерные для обычного стекла. Оно не разбивается при ударе, а легко гнется, при этом не деформируясь и не повреждаясь. Из материалов, производимых на его основе, изготавливаются различные изделия, успешно заменяющие традиционные привычные материалы, а сферой применения становятся области строительства, автомобилестроение, дорожные работы в другие направления. В статье речь пойдет о разновидностях стекловолокна.

Производство искусственного волокна и применение материалов на его основе представляет большой интерес как прогрессивное направление бизнеса. Оно занимает сегодня огромную часть отрасли стекольной промышленности с приличными капиталовложениями. Это говорит о том, что стекловолокно востребованный продукт среди ассортимента производимых товаров в современном мире.

Синтетическое стекловолокно может выпускаться из различного типа сырья, среди которых стекло, шлак, различные горные породы и минералы. Стекловолокно может быть произведено методом непрерывных нитей, или другим способом - в виде штапельного волокна.

Стекловолокно фото

Стекловолокно характеристики

Стекловолокно популярно и востребовано как материал благодаря своим замечательным свойствам, которые в значительной мере отличаются от исходного материала. Особое внимание стоит остановить на следующих характеристиках:

высокий уровень прочности, который превосходит прочность легированной стали. Диаметр нитей стекловолокна составляет 7-9 мк. Они произведены из магнийалюмосиликатного стекла и стекла, не содержащего щелочь, обладают самыми большими показателями прочности;
устойчивость к термической обработке. Структура эпоксидного стекловолокна сохраняется даже при сильном нагревании, в условиях, когда природные волокна органического происхождения уже полностью разрушаются;
придание дополнительной прочности в составе других материалов. В этом случае стекловолокно играет роль армирующей основы;
толерантность некоторых видов стекловолокон к химически и термически агрессивных средам - кислотам, горячей воде и воздействию пара высокого давления. Лучшими показателями обладают волокна кремнеземного, кварцевого и каолинового происхождения;
звукопоглощающие свойства. Шумоизолирующий эффект достигается благодаря оригинальному строению материала, в котором пространство, остающееся между волокнами, заполнено микроскопическими пузырьками воздуха;
теплоизолирующие свойства. Небольшая плотность и содержание воздуха среди волокон обеспечивают удержание тепла зимой и отсутствие нагрева летом;
негорючесть и экологичность. Стекловолокно не воспламеняется, не горит и не плавится, что делает его пожаробезопасным материалом и позволяет избежать токсичных веществ, которые выделяются при горении многих синтетических материалов;
способности сохранять первоначальную форму, прекрасно сопротивляться старению и противостоять деформации;
изменение свойств материала при намокании. В мокром виде теряет исходные свойства, а при высыхании восстанавливает их снова;
плохое отношение стекловолокна к изгибам и многочисленным истираниям. Обработка смолами и лаками меняет дело в положительную сторону;
экономичности транспортировки. Стекловолокнистая ткань тонкая, гибкая, но в то же время упругая. При необходимости перевозки ее можно сложить достаточно плотно и структура ткани не будет нарушена. Благодаря этому экономится место в транспорте, а значит, и расходы на транспортировку.
Свойства, которыми будет обладать готовое изделие, в конечном итоге зависят от способа изготовления продукта, химического состава сырья, воздействия факторов окружающей среды и толщины стекловолокна.
Материалы на основе стекловолокна

Само стекловолокно является лишь сырьем для производства различных продуктов - стеклонитей, ровингов и рубленого волокна, из которых впоследствии изготавливаются разные материалы строительного, электроизоляционного, производственного и конструкционного назначения.

Из непрерывных стекловолокнистых нитей получают:

стеклоткани, которые производятся таким же ткацким методом, что и обычное полотно — переплетением продольных и поперечных нитей между собой. В зависимости от вида переплетения — сатинового, полотняного, шашечного или саржевого, плотности и извивистости пряжи ткани отличаются между собой свойствами и назначением. Стеклоткани бывают электроизоляционные, строительные, конструкционные, кремнеземные и ровинговые. В зависимости от марки цена стекловолокна составляет 25-200руб/м2$
армированное стекловолокно и ленты, отличающиеся размером ячейки, видом и плотностью пропитки и предназначенные для дорожных или строительных наружных и внутренних отделочных работ;
пластиковое стекловолокно — композиты с разнообразными свойствами, которые задаются изначально в зависимости от условий эксплуатации. Они позволяют производить изделия любой сложности и конфигурации и поэтому именно стекловолокна в сочетании с полимерами получили самое широкое применение и распространение в самых различных сферах нашей жизни.
Из штапельных стекловолокнистых нитей и рубленых волокон можно купить стекловолокно следующего назначения:

утеплитель - стекловату и стекломаты;
стеклохолсты различной степени толстости, стеклопластики;
такое сырье используется и как компонент строительных растворов.
Каждый из этих материалов имеет свои присущие только ему особенности и индивидуальные характеристики, что предоставляет неограниченные возможности для широчайшего использования их во всех областях человеческой жизни.
Стекловолокно применение

Сегодня без изделий из стекловолокна не обходятся строительные, ремонтные и отделочные работы. Этот материал применяется также и при проведении дорожных работ. Широкое использование он получил в авто- и судостроении, в сфере производства товаров бытового, спортивного и медицинского назначения. А из-за превосходных диэлектрических свойств давно применяется в энергетической отрасли в качестве изоляционных материалов.

Применение стекловолокна в строительстве

Очень много продуктов из стекловолокна используется в строительстве. Одним из них является стеклопластиковая арматура, которая разрабатывалась как замена для стальной. Дело в том, что долгое время сталь являлась практически единственным материалом, у которого имелись необходимые для армирующего элемента свойства - исключительная прочность и долговечность. Альтернативы не было, а значит, приходилось мириться и с недостатками стали. Когда развитие технологий сделало возможным получение материалов с ранее недоступными свойствами, изменились и стандарты производства стройматериалов, в том числе и армирующих. На смену стальной пришла композитная стеклопластиковая арматура.

Она обладает прочностью и надежностью стали, но в то же время в несколько раз легче ее, не подвержена коррозии, устойчива к неблагоприятным воздействиям влаги, имеет низкую теплопроводность, не проводит электричество и полностью химически инертна. Все эти замечательные качества обеспечивают композиту самое широкое использование в самых различных случаях - для армирования фундаментов, бетонных конструкций и дорожного или авиационного полотна, крепления теплоизоляции, в виде армирующих сеток для несущего или облицовочного слоя при строительстве или ремонте зданий, для возведения осветительных опор, ограждений, канализационных и мелиоративных конструкций.
Еще одним изделием из стекловолокна является стеклофибра, которую добавляют в бетонный раствор в качестве скрепляющего элемента. Как известно, обычная бетонная смесь в процессе застывания подвержена усадке, в результате которой образуются микротрещины. Что является нежелательным, так как негативно влияет на качество бетона и его долговечность. Добавление в раствор фибры меняет дело. Когда свежий бетон начинает застывать, внутри раствора химические и физические процессы могут приводить к образованию дефектов. Волокна стекловолокна способны остановить прорастание микротрещин на ранних стадиях его твердения. В некоторых случаях такой состав позволяет обойтись без дополнительного армирования. Стеклофибру применяют для создания газобетонов, пенобетонов и ячеистых бетонов, в сухих смесях и штукатурках, стяжках и стеновых панелей для зданий и т. д. Полученная продукция выходит лучшего качества и с более высокими характеристиками.
Стекловолокно - прекрасный утеплитель. Чем хорошо пользуются в строительстве для теплоизоляции различных ненагруженных конструкций, внутри и снаружи зданий. Для наружных работ применяется в системе вентилируемых фасадов как самостоятельный элемент утепления или в составе сэндвич-панелей. Может использоваться как в рулонах, так и в матах. Внутренние работы включают в себя утепление кровли, чердачного помещения, теплоизоляцию стен и потолков, внутренних перегородок обычных и каркасных зданий. Стекловолоконными изделиями утепляют также различные подходящие к зданиям коммуникации — трубопроводы, системы канализации и вентиляции, отопления. Для этих целей в основном используют иглопробивные материалы. Обладающими паро- и теплоотражающими качествами фольгированными матами изолируют холодильные камеры, сауны и подобные помещения.
Ремонт и отделка помещений также не обходится без изделий из стекловолокна. Их главное назначение - создание армирующего слоя на поверхности при штукатурных работах. Таким образом, реставрация проходит успешно. Множество мелких трещин или одну крупную можно закрыть с помощью шпаклевки стекловолокна.
Кроме этого ее используют как армирующий элемент перед заливкой наливного пола, укладкой гидроизоляции, для укрепления соединений листов гипсокартона. Для более тонкой отделки поверхностей под покраску, при работе с гипсокартоном, для предупреждения появления мелких изъянов и получения идеальной картины в целом используется более изящный вариант армирующего материала - нетканый стеклохолст. Финишная отделка с применением стеклохолста дает всегда отличные результаты, качественное однородное покрытие без дефектов и изъянов. К тому же это еще и гарантия того, что идеальное состояние поверхности в ближайшее время не будет нарушено.
Еще одним отделочным материалом из стекловолокна являются стеклообои — прекрасное декоративное покрытие, но требующее большого количества краски из-за высоких впитывающих свойств. В отличие от обычных обоев, они выносливы, выдерживают механические нагрузки и воздействия химических сред.
Применение стекловолокна в дорожном и промышленном строительстве

Широкое распространение применение стекловолокна получило в промышленном и дорожном строительстве. Здесь оно незаменимо как скрепляющий компонент. Дорожное полотно с уложенной стеклопластиковой арматурой, при условии соблюдения технологии строительства, не растрескивается и не продавливается при нагрузках. Наличие в слоях покрытия дорог стеклосетки гарантирует увеличение производительности и срока их эксплуатации, снижает толщину асфальтного покрытия, предупреждает образование и распространение трещин и выбоин, увеличивает проходимость и долговечность дорог, позволяет увеличить сроки между ремонтами.
В гидротехническом строительстве без укрепляющих стекловолоконных сеток не обходится возведение плотин, набережных, мостов, подпорных стенок, ливневых коллекторов. Значительная часть канализационных емкостей (отстойников, фильтров, септиков) выполнена все из того же стеклопластика.
Из него изготавливаются сидения, устанавливаемые на стадионах, в аэропортах, авто- и ж/д вокзалах; оборудование остановок, бассейнов. Везде, где предусматривается большое скопление людей.
Применение стекловолокна в авто- и судостроение

Стеклоткань и композитный стеклопластик, благодаря малому весу и исключительной прочности, способности хорошо поддаваться механической обработке и окрашиванию, поэтому востребованы в автопромышленности и автоспорте. Из этих материалов производят различные части кузова - двери, крыши, крышки багажников, капоты. А также бампера, спойлеры, обвесы, рейлинги и внутренние детали салона. Стекловолокно применяют для придания дополнительной жесткости шинам, и в глушителях как звукоизоляционный материал.
В тюнинговых ателье изделия из стекловолокна используются для создания отделочных элементов благодаря способности легко копировать форму заготовки для воспроизведения необходимой детали. Простота в обработке, небольшая толщина, гибкость и пластичность материала позволяют изготавливать из него изделия разной степени сложности и формы.
Те же замечательные качества стекловолокна обеспечивают его применение в промышленном масштабе и в судостроительной отрасли. Корпуса моторных и весельных лодок, гоночных и крейсерных яхт, рыболовецких судов малой тоннажности, скутеров и катеров сегодня частично или полностью выполнены из этого материала. Стеклопластиковыми могут быть и другие части суден.
Лодка из стекловолокна видео

Другие способы применения стекловолокна

В зависимости от толщины стекловолокна из него производят различные товары народного потребления и другие изделия:

сантехнические детали - биотуалеты, септики, душевые кабинки, чаши бассейнов;
товары для спорта и отдыха - весла для гребли, лыжные палки, удочки и т. д.;
ящики и контейнеры для бытовых отходов твердого типа;
медицинские изделия, используемые в стоматологии - пломбы и несъемные протезы, ленты для шинирования зубов;
медицинские изделия, используемым в ортопедии - протезы, костыли, трости;
разнообразные виды трубок бытового назначения - антенны, держатели, флагштоки;
электротехнические изделия - индикаторы, предохранители, заземлители.
Это далеко не полный список перечислений всех мест, где может быть использованы изделия из стекловолокна. С каждым днем область их применения все больше расширяется, охватывая все новые и новые сферы нашей деятельности.

Широкое распространение и применение стекловолокна и изделий на его основе стало возможным благодаря достижениям современного производства, высоким технологиям в области химпромышленности, в частности полимеров и композитных материалов, и высоким требованиям к качеству конечного продукта. Стекловолокно - уникальный продукт, который как нельзя лучше отвечает реалиям времени и требуемым характеристикам и свойствам, присущим современным материалам. Поэтому такое его разностороннее применение совсем неудивительно.

Синтетическое стекловолокно может выпускаться из различного типа сырья, среди которых стекло, шлак, различные горные породы и минералы. Стекловолокно может быть произведено методом непрерывных нитей, или другим способом — в виде штапельного волокна.

Стекловолокно фото

Стекловолокно характеристики

высокий уровень прочности , который превосходит прочность легированной стали. Диаметр нитей стекловолокна составляет 7-9 мк. Они произведены из магнийалюмосиликатного стекла и стекла, не содержащего щелочь, обладают самыми большими показателями прочности;
устойчивость к термической обработке . Структура эпоксидного стекловолокна сохраняется даже при сильном нагревании, в условиях, когда природные волокна органического происхождения уже полностью разрушаются;
придание дополнительной прочности в составе других материалов . В этом случае стекловолокно играет роль армирующей основы;

толерантность некоторых видов стекловолокон к химически и термически агрессивных средам — кислотам, горячей воде и воздействию пара высокого давления. Лучшими показателями обладают волокна кремнеземного, кварцевого и каолинового происхождения;
звукопоглощающие свойства . Шумоизолирующий эффект достигается благодаря оригинальному строению материала, в котором пространство, остающееся между волокнами, заполнено микроскопическими пузырьками воздуха;
теплоизолирующие свойства . Небольшая плотность и содержание воздуха среди волокон обеспечивают удержание тепла зимой и отсутствие нагрева летом;
негорючесть и экологичность . Стекловолокно не воспламеняется, не горит и не плавится, что делает его пожаробезопасным материалом и позволяет избежать токсичных веществ, которые выделяются при горении многих синтетических материалов;
способности сохранять первоначальную форму , прекрасно сопротивляться старению и противостоять деформации;
изменение свойств материала при намокании . В мокром виде теряет исходные свойства, а при высыхании восстанавливает их снова;
плохое отношение стекловолокна к изгибам и многочисленным истираниям . Обработка смолами и лаками меняет дело в положительную сторону;
экономичности транспортировки . Стекловолокнистая ткань тонкая, гибкая, но в то же время упругая. При необходимости перевозки ее можно сложить достаточно плотно и структура ткани не будет нарушена. Благодаря этому экономится место в транспорте, а значит, и расходы на транспортировку.

Свойства, которыми будет обладать готовое изделие, в конечном итоге зависят от способа изготовления продукта, химического состава сырья, воздействия факторов окружающей среды и толщины стекловолокна.

Материалы на основе стекловолокна

Само стекловолокно является лишь сырьем для производства различных продуктов — стеклонитей, ровингов и рубленого волокна, из которых впоследствии изготавливаются разные материалы строительного, электроизоляционного, производственного и конструкционного назначения.

Из непрерывных стекловолокнистых нитей получают:

стеклоткани , которые производятся таким же ткацким методом, что и обычное полотно - переплетением продольных и поперечных нитей между собой. В зависимости от вида переплетения - сатинового, полотняного, шашечного или саржевого, плотности и извивистости пряжи ткани отличаются между собой свойствами и назначением. Стеклоткани бывают электроизоляционные, строительные, конструкционные, кремнеземные и ровинговые. В зависимости от марки цена стекловолокна составляет 25-200руб/м2$

армированное стекловолокно и ленты , отличающиеся размером ячейки, видом и плотностью пропитки и предназначенные для дорожных или строительных наружных и внутренних отделочных работ;
пластиковое стекловолокно - композиты с разнообразными свойствами, которые задаются изначально в зависимости от условий эксплуатации. Они позволяют производить изделия любой сложности и конфигурации и поэтому именно стекловолокна в сочетании с полимерами получили самое широкое применение и распространение в самых различных сферах нашей жизни.

Из штапельных стекловолокнистых нитей и рубленых волокон можно купить стекловолокно следующего назначения:

утеплитель — стекловату и стекломаты;
стеклохолсты различной степени толстости, стеклопластики;
такое сырье используется и как компонент строительных растворов.

Каждый из этих материалов имеет свои присущие только ему особенности и индивидуальные характеристики, что предоставляет неограниченные возможности для широчайшего использования их во всех областях человеческой жизни.

Стекловолокно применение

Применение стекловолокна в строительстве

Очень много продуктов из стекловолокна используется в строительстве. Одним из них является стеклопластиковая арматура, которая разрабатывалась как замена для стальной. Дело в том, что долгое время сталь являлась практически единственным материалом, у которого имелись необходимые для армирующего элемента свойства — исключительная прочность и долговечность. Альтернативы не было, а значит, приходилось мириться и с недостатками стали. Когда развитие технологий сделало возможным получение материалов с ранее недоступными свойствами, изменились и стандарты производства стройматериалов, в том числе и армирующих. На смену стальной пришла композитная стеклопластиковая арматура.

Она обладает прочностью и надежностью стали, но в то же время в несколько раз легче ее, не подвержена коррозии, устойчива к неблагоприятным воздействиям влаги, имеет низкую теплопроводность, не проводит электричество и полностью химически инертна. Все эти замечательные качества обеспечивают композиту самое широкое использование в самых различных случаях — для армирования фундаментов, бетонных конструкций и дорожного или авиационного полотна, крепления теплоизоляции, в виде армирующих сеток для несущего или облицовочного слоя при строительстве или ремонте зданий, для возведения осветительных опор, ограждений, канализационных и мелиоративных конструкций.
Еще одним изделием из стекловолокна является стеклофибра , которую добавляют в бетонный раствор в качестве скрепляющего элемента. Как известно, обычная бетонная смесь в процессе застывания подвержена усадке, в результате которой образуются микротрещины. Что является нежелательным, так как негативно влияет на качество бетона и его долговечность. Добавление в раствор фибры меняет дело. Когда свежий бетон начинает застывать, внутри раствора химические и физические процессы могут приводить к образованию дефектов. Волокна стекловолокна способны остановить прорастание микротрещин на ранних стадиях его твердения. В некоторых случаях такой состав позволяет обойтись без дополнительного армирования. Стеклофибру применяют для создания газобетонов, пенобетонов и ячеистых бетонов, в сухих смесях и штукатурках, стяжках и стеновых панелей для зданий и т. д. Полученная продукция выходит лучшего качества и с более высокими характеристиками.

Стекловолокно — прекрасный утеплитель . Чем хорошо пользуются в строительстве для теплоизоляции различных ненагруженных конструкций, внутри и снаружи зданий. Для наружных работ применяется в системе вентилируемых фасадов как самостоятельный элемент утепления или в составе сэндвич-панелей. Может использоваться как в рулонах, так и в матах. Внутренние работы включают в себя утепление кровли, чердачного помещения, теплоизоляцию стен и потолков, внутренних перегородок обычных и каркасных зданий. Стекловолоконными изделиями утепляют также различные подходящие к зданиям коммуникации - трубопроводы, системы канализации и вентиляции, отопления. Для этих целей в основном используют иглопробивные материалы. Обладающими паро- и теплоотражающими качествами фольгированными матами изолируют холодильные камеры, сауны и подобные помещения.
Ремонт и отделка помещений также не обходится без изделий из стекловолокна. Их главное назначение — создание армирующего слоя на поверхности при штукатурных работах . Таким образом, реставрация проходит успешно. Множество мелких трещин или одну крупную можно закрыть с помощью шпаклевки стекловолокна.
Кроме этого ее используют как армирующий элемент перед заливкой наливного пола , укладкой гидроизоляции, для укрепления соединений листов гипсокартона. Для более тонкой отделки поверхностей под покраску, при работе с гипсокартоном, для предупреждения появления мелких изъянов и получения идеальной картины в целом используется более изящный вариант армирующего материала — нетканый стеклохолст. Финишная отделка с применением стеклохолста дает всегда отличные результаты, качественное однородное покрытие без дефектов и изъянов. К тому же это еще и гарантия того, что идеальное состояние поверхности в ближайшее время не будет нарушено.

Еще одним отделочным материалом из стекловолокна являются стеклообои - прекрасное декоративное покрытие, но требующее большого количества краски из-за высоких впитывающих свойств. В отличие от обычных обоев, они выносливы, выдерживают механические нагрузки и воздействия химических сред.

Применение стекловолокна в дорожном и промышленном строительстве

Широкое распространение применение стекловолокна получило в промышленном и дорожном строительстве. Здесь оно незаменимо как скрепляющий компонент. Дорожное полотно с уложенной стеклопластиковой арматурой, при условии соблюдения технологии строительства, не растрескивается и не продавливается при нагрузках. Наличие в слоях покрытия дорог стеклосетки гарантирует увеличение производительности и срока их эксплуатации, снижает толщину асфальтного покрытия, предупреждает образование и распространение трещин и выбоин, увеличивает проходимость и долговечность дорог, позволяет увеличить сроки между ремонтами.
В гидротехническом строительстве без укрепляющих стекловолоконных сеток не обходится возведение плотин, набережных, мостов, подпорных стенок, ливневых коллекторов. Значительная часть канализационных емкостей (отстойников, фильтров, септиков) выполнена все из того же стеклопластика.

Из него изготавливаются сидения, устанавливаемые на стадионах, в аэропортах, авто- и ж/д вокзалах; оборудование остановок, бассейнов. Везде, где предусматривается большое скопление людей.

Применение стекловолокна в авто- и судостроение

Стеклоткань и композитный стеклопластик, благодаря малому весу и исключительной прочности, способности хорошо поддаваться механической обработке и окрашиванию, поэтому востребованы в автопромышленности и автоспорте. Из этих материалов производят различные части кузова — двери, крыши, крышки багажников, капоты. А также бампера, спойлеры, обвесы, рейлинги и внутренние детали салона. Стекловолокно применяют для придания дополнительной жесткости шинам, и в глушителях как звукоизоляционный материал.
В тюнинговых ателье изделия из стекловолокна используются для создания отделочных элементов благодаря способности легко копировать форму заготовки для воспроизведения необходимой детали. Простота в обработке, небольшая толщина, гибкость и пластичность материала позволяют изготавливать из него изделия разной степени сложности и формы.

Те же замечательные качества стекловолокна обеспечивают его применение в промышленном масштабе и в судостроительной отрасли. Корпуса моторных и весельных лодок, гоночных и крейсерных яхт, рыболовецких судов малой тоннажности, скутеров и катеров сегодня частично или полностью выполнены из этого материала. Стеклопластиковыми могут быть и другие части суден.

Лодка из стекловолокна видео

Другие способы применения стекловолокна

сантехнические детали — биотуалеты, септики, душевые кабинки, чаши бассейнов;
товары для спорта и отдыха — весла для гребли, лыжные палки, удочки и т. д.;
ящики и контейнеры для бытовых отходов твердого типа;
медицинские изделия, используемые в стоматологии — пломбы и несъемные протезы, ленты для шинирования зубов;
медицинские изделия, используемым в ортопедии — протезы, костыли, трости;
разнообразные виды трубок бытового назначения — антенны, держатели, флагштоки;
электротехнические изделия — индикаторы, предохранители, заземлители.

Это далеко не полный список перечислений всех мест, где может быть использованы изделия из стекловолокна. С каждым днем область их применения все больше расширяется, охватывая все новые и новые сферы нашей деятельности.

Широкое распространение и применение стекловолокна и изделий на его основе стало возможным благодаря достижениям современного производства, высоким технологиям в области химпромышленности, в частности полимеров и композитных материалов, и высоким требованиям к качеству конечного продукта. Стекловолокно — уникальный продукт, который как нельзя лучше отвечает реалиям времени и требуемым характеристикам и свойствам, присущим современным материалам. Поэтому такое его разностороннее применение совсем неудивительно.

Чем утеплить свой дом? Как сделать штукатурку долговечнее, а бетон прочнее? Ответ на эти вопросы один - стеклянное волокно и различные изделия на его основе. Я расскажу, что такое стекловолокно и как этот материал применяется в строительстве.

Все, что нужно знать о материале

Стекловолокно и материалы, изготовленные на его основе, с давних пор применяются в строительстве. Эксплуатационные и технические характеристики материала определяются толщиной и плотностью волокон.

В соответствии с диаметром поперечного сечения, различаются следующие виды волокон:

Ультратонкое (диаметр не более 1 мкм) – применяется для изготовления средств передачи сигнала на расстояние (оптоволоконная связь);
Супертонкое (диаметр от 1 до 3 мкм) – используется для производства тепло- и шумоизоляционных материалов;
Тонкое (диаметр от 4 до 12 мкм) – применяется для производства теплоизоляционных и гидроизоляционных материалов;
Утолщенное (диаметр от 12 до 25 мкм) – используется для производства армирующей штукатурной сетки и армирующей засыпки для приготовления бетонов;
Толстое (диаметр от 25 мкм и больше) — применяется для изготовления водопроводных труб большого диаметра.

Стекловолокно - это продукт переработки вторсырья. При производстве в качестве основного сырья используется битое стекло и очищенный песок. Чтобы обеспечить требуемые эксплуатационные свойства материала, к основному сырью добавляется известняк, доломит, сода и ряд других компонентов.

В ходе производства, смесь компонентов, под воздействием высоких температур, плавится вплоть до образования густой тягучей массы. Расплавленная масса вытягивается посредством экструдера на отдельные волокна требуемой толщины.

Готовое стекловолокно в виде тончайших нитей сматывается в мотки и применяется для изготовления тканных или нетканых полотен, обрезков фибры и т.п.

Использование в строительстве

Иллюстрации	Краткое описание
	Армирование бетонов . Заполнение строительных бетонов фиброй значительно уменьшает процесс усадки. Таким образом, в процессе набора марочной прочности, бетон не растрескивается и практически не уменьшается в объёме.
	Армирование штукатурки . Специальная стекловолоконная сетка крепится на строительные поверхности перед оштукатуриванием. В результате, после твердения штукатурки, сетка исключает появление трещин.
	Теплоизоляция и шумоизоляция . Несмотря на то, что для утепления строительных объектов повсеместно применяется минеральная вата, утеплители на основе стекловолокна по-прежнему популярны и востребованы. Стекловата характеризуется малой теплопроводностью, отличными демпфирующими качествами и, при этом, цена материала невысока.
	Гидроизоляция . Стекловолокно издавна применяется для изготовления гидрофобных покрытий. Стеклоткань в сочетании с эпоксидной пропиткой можно использовать для изоляции бассейнов, кровельных конструкций, перекрытий, отмосток, фундаментов и т.д.
	Изготовление стеклопластиковых труб . Для этих целей стекловолокно наматывается на матрицу и послойно пропитывается эпоксидной смолой или аналогичным связующим материалом. Полимерные трубы, изготовленные с добавлением стекловолокна, в разы прочнее обычных полиэтиленовых труб. Стеклопластиковые композитные трубы негорючие, а потому они являются отличным вариантом для прокладки коммуникаций.

Стеклофибра - что это такое и как применяется

Стеклофибра – это стекловолокно, которое при изготовлении бетонов замешивается в раствор. Фибра, добавляемая в небольших объёмах в раствор, при застывании бетона упрочняет строительный материал и, таким образом, предупреждает образование трещин.

Преимущества стеклофибры в сравнении с металлической арматурой:

Меньший вес и, как следствие, меньшая нагрузка на стены;
Меньшая цена , что снижает себестоимость строительных работ;
Устойчивость к коррозийным процессам – для сравнения, металлическая арматура в бетоне окисляется и разрушается уже в первые 15-20 лет;
Устойчивость к химически агрессивному воздействию , что делает ресурс использования материала практически неограниченным.

Инструкция добавления стекловолокна в цементопесчаный раствор предусматривает пропорции 5-10% фибры от общего объема готового бетона. Замешивание фибры выполняется в сухую смесь, после чего содержимое мешалки затворяется водой.

Стеклосетка - какой она бывает и как применяется

Стекловолокно сплетается в сетку, которая повсеместно применяется в качестве армирующего материала при штукатурных и малярных работах.

СТЕКЛЯННЫЕ ВОЛОКНА (СВ)

1. Природа СВ и способы получения

2. Виды и формы СВ

3. Основные свойства СВ

4. Ассортимент и применение

5. Высокосиликаты (кварцевые волокна)

Более 3500 лет человечеству известно о возможности вытягивания различных изделий из расплавленного стекла. В XIX в. было теоретически предсказано, что стекло, вытянутое в длинное волокно, пригодно для использования в различных текстильных изделиях. Однако промышленного производства стекловолокон реально не существовало до 1939 г. Начало коммерческого выпуска стекловолокон связано с образованием фирмы «Оуенз Корнинг файбергласс».

СВ сочетают сравнительно малую плотность с высокими теплостойкостью, химической стойкостью и прочностью, низкой теплопроводностью и коэф. термического расширения, они негорючи, стойки к биологическому воздействию.

Технология получения

Известно два основных вида СВ: непрерывное и штапельное. Для первого характерны неограниченно большая длина, прямолинейность и параллельное расположение волокон в нити; для второго - небольшая длина, извитость и хаотическое расположение волокон в пространстве.

Существуют три основных способа получения стекловолокна:

1)вытягивание волокон из расплавленной массы через фильеры (одностадийный процесс);

2)вытягивание волокон из стеклянных штабиков при их разогреве (двухстадийный процесс);

3) получение штапельного волокна путем расчленения струй стекломассы под воздействием центробежных сил или потоков воздуха, газа, пара.

Непрерывные СВ изготавливаются вытягиванием волокон из расплавленной стекломассы через фильеры одно- или двух-стадийным способом либо из стеклянных штабиков. Штапельное волокно формуется путем вытягивания непрерывного СВ на струи расплавленного стекла с последующим разрывом его на отрезки ограниченной длины (способ воздушного вытягивания) или разделением струи (пленки) расплавленного стекла на отдельные объемы, растягиваемые в короткие волокна раздувом (дутьевой способ), центробежным или комбинированным способами.

Состав стекла определяет способ, условия формования и область применения СВ. Для технического назначения СВ получают из стекол различных составов (таблица 1), СВ высокопрочные высокомодульные, с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью, полупроводящие и другие - из стекол специальных составов.

Таблица 1 - Состав стекловолокон, %

Состав	Марка стекла
А (высоко-щелочное)	С(химически-стойкое)	Е (электроизо-ляцнонное)	S (высоко-прочное)
Окись кремния	72,00	64,6	54,3	64,20
Окись алюминия	0,6	4,1	15,2	24,80
Окись железа	-	-	-	0,21
Окись кальция	10,00	13,2	17,2	0,01
Окись магния	2,5	3,3	4,7	10,27
Окись натрия	14,2	7,7	0,6	0,27
Окись калия	-	1,7		-
Окись бора	-	4,7	8,0	0,01
Окись бария	-	0,9	-	0,20
Прочие вещества	0,7	-		-.

Большую часть стекловолокон получают одностадийным методом. Кварцевый песок, известняк, борная кислота и другие компоненты (глина, уголь и шпаты) перемешиваются и плавятся в высокотемпературных печах. Температура плавления для каждой композиции своя, но в среднем она составляет ~ 1260°С. Расплав стекла поступает непосредственно в оборудование для расплавного формования (рисунок 1).

1 - глина; 2 - известняк; 3 - уголь; 4 - кварцевый песок; 5 - флюорит; 6 - борная кислота; 7 - автоматические дозаторы: 8 - смеситель; 9, 10 - бункера; 11 - шнековый питатель; 12 – ванна; 13 - секция приготовления замасливателя (шлихты); 14 - платиновые фильеры (бушинги с электронагревом и автоматическим управлением); 15 - замасливатель; 16 - высокоскоростное намоточное устройство; 17, 27 - посты контроля и взвешивания; 18 - камера для кондиционирования волокна; 19 - крутильные машины; 20 - участок отделки и упаковки пряжи; 21 - участок термообработки; 22 - шпулярники; 23 - намоточная машина для ровинга; 24 - резальная машина; 25 - ровинг; 26 - резаное волокно (штапель); 28 - участок упаковки; 29 - участок отгрузки продукции

Рисунок 1 - Схема одностадийного получения стекловолокна:

Непрерывные волокна получают из предварительно расплавленного стекла на аппаратах для вытяжки стекловолокон (емкость для расплавленного стекла из платинового сплава называется бушингом - стеклоплавильный сосуд, имеющий форму лодочки). Под действием гидростатического давления расплав стекла вытекает через тонкие отверстия фильеры диаметром 0,8...3,0 мм в днище бушинга. Экструдируемые из каждого отверстия струи, подвергают интенсивному механическому растяжению до диаметра 3...19 мкм, после закалки в подфильерном холодильнике (в потоке водяных брызг) собирают в нить и пропускают через зону, в которой на волокно наносится покрытие - замасливатель, повышающий компактность нити.

Собранные в единый пучок элементарные волокна называют одиночной нитью или «стренга». Скорость вытягивания готовой нити стекловолоконной стренги составляет от 20 до 50 м/с. Прядильный кулич кондиционируется или проходит сушку для дальнейшей переработки в товарную продукцию.

Для получения штапельного стекловолокна расплавленная стекломасса, вытекающая из отверстий фильеры, вытягивается и разрывается в струе воздуха. Волокна длиной 200 ... 380 мм собираются вместе на вращающемся барабане и объединяются в стренгу. Затем стекловолокно проходит кондиционирование или сушку, если это необходимо для дальнейших технологических процессов.

Каждое элементарное волокно, вытягиваемое из отверстий фильеры, должно контролироваться для обеспечения стабильности размеров и свойств как элементарных волокон, так и стренг. Этот контроль достигается с помощью регулирования вязкости и температуры расплава стекломассы, а также скорости вытяжки (скорости приема нити или скорости истечения струи). Следовательно, можно получать большее число волокон различной тонины, меняя число отверстий в бушинге и условия вытяжки.

При двухстадийном процессе расплав перерабатывается вначале в стеклосферы, которые затем поступают в плавильные печи. После вторичной плавки расплав подается на установки для формования.

Характеристики ряда комплексных нитей из стекла различного состава приведены в таблице 2.

Таблица 6 – Основные характеристики крученных комплексных нитей

Марка	Техническая документация	Линейная плотность, текс	Крутка, кр/м	Тип замасливателя, потери при прокаливании, % (масс.)
Нити из алюмоборосиликатного стекла
БС6-2бх1х4(у)	ТУ6-11-116-75	104±12	100±10	ПЭ н/б 2,0
БС5-3,4х1х2-80	ТУ6-11-383-76	6,8±0,5	150±15	№ 80 0,8-2,0
Нити из бесщелочного безборного стекла Т-273А
ТС8-26х1х4	ТУ6-11-431-77	104±6		ПЭ1,5-0,5
ТС8-26х1х2	То же	52±4		ПЭ1,5-0,5
Нити кремнеземные из стекла № 11
КПС6-180	ОСТ-П-389-74	18О±14	150±10
КПС6-180-13	То же	То же	150±10	№ 13
КПС6-170-БА	ОСТ-11 -389-74	170±20	150±10	№ 13
Нити кварцевые
КС11-7х4хЗ	ТУ6-11-82-75		100±15	ПЭ н/б 2,5
КС11-17x2x3	То же		100±15	То же

Обозначение марки крученой комплексной нити, например: БС6-3,4х1х2 (150)-80; ТС8-26х1х2; К11С6-180-БА; КС11-17x4x3, состоит из трех частей:

1– тип стекла и номинальный диаметр элементарной нити (волокна), где Б – бесщелочное алюмоборосиликатное, Т – стекло состава Т-273А, К11 – кремнеземные нити из стекла N11, К – кварцевая нить, С – стеклонить непрерывная, 6,8,6,11 – диаметр элементарной нити, мкм;

2 - номинальная линейная плотность комплексной нити (3,4;26;180;17), текс. Цифровое обозначение после знака "х": 1 - количество одиночных нитей в комплексной, 2 - количество скручиваемых одиночных нитей; цифры в скобках - количество кручений на 1 м нити;

3- тип замасливателя (например, № 80). При выработке нити на технологическом замасливателе из парафиновой эмульсии индекс в марке нити не указывают. В кремнеземных нитях: БА - безусадочная аппретированная нить.

Стекло является аморфным материалом, занимающим по своим физико-механическим свойствам промежуточное положение между твердым телом и жидкостью. С одной стороны, оно не обладает кристаллической структурой твердого тела, с другой - не обладает текучестью, проявляющейся в жидкостях. Химически стекла состоят в основном из кремнеземной (SiO 2) основы, существующей в виде полимерных цепочек (- SiO 4 -). Однако диоксид кремния, т, е. кварц, требует высоких температур для размягчения и вытягивания. Поэтому необходима модификация состава для снижения уровня рабочих температур, при которых стекломасса обладает вязкостью, позволяющей проводить вытяжку нитей. Способы модификации состава могут быть разделены по решению задач на две группы: получение стекол с определенными свойствами и приспособление к нуждам технологии.

Высокощелочные стекла (широко известные как натриевые или бутылочные стекла) являются наиболее распространенными. Они используются в основном для производства емкостей и листового стекла. Высокощелочные композиции (известково-натриевое стекло), известные под маркой А-стекла, выгодны для получения волокон, обладающих высокой хемостойкостью.

Вместе с тем высокое содержание щелочи в стекле определяет его невысокие электрические свойства, в то время как хорошие электроизоляционные свойства определили развитие стекол на основе низкощелочных композиций (алюмоборосиликаты), получивших наименование Е-стекол. В настоящее время из Е-стекол изготовляется большая часть текстильного ассортимента стекловолокон.

Для специальных областей применения, когда не подходят волокна из А - стекла и Е-стекла, могут быть созданы композиции с необходимыми характеристиками. Когда требуется особо высокая хемостойкость, может быть использовано волокно из С-стекла (натрийборосиликатная композиция). Для создания волокон с высокими прочностными характеристиками (например, для материалов несущих конструкций в самолето- и ракетостроении) используют S - стекла (C 1 -стекла) (магнийалюмосиликатные композиции). Повышение прочностных характеристик волокон из S-стекла приблизительно на 40 % относительно волокон из Е - стекла является результатом более высокой прочности исходной композиции. Кроме того, S - стекла имеют более высокую теплостойкость, нежели Е – стекла. Волокна из S - стекла обладают наряду с высоким качественным уровнем свойств довольно умеренным уровнем стоимости.

Образцы специальных композиций стекол создаются для исследования возможности создания материалов со специальными свойствами.

Композиция М-стекла позволила получать стекловолокна с высоким модулем упругости (Е = 11З ГПа). Однако присутствие бериллия (окиси, бериллия) препятствует созданию коммерческой продукция.

Низкие диэлектрические свойства D-стекол послужили причиной исследования возможности их применения в электронике. Они обладают низкой диэлектрической проницаемостью, по сравнению с Е-стеклами и могут найти применение при создании обтекателей антенн радиолокаторов.

L-стекла (свинцовые) хороши для радиационной защиты. Стекловолокна из такой композиции могут быть использованы для защитной одежды людей работающих с рентгеновским излучением, и как «меченая» пряжа в композитах, которая не разрушается под воздействием рентгеновского излучения.

Обработка поверхности . Поверхность непрерывных СВ в процессе их вытягивания из фильер покрывается замасливателем, который соединяет волокна в нить, предотвращает истирание волокон, защищает их от разрушения во время текстильной переработки, препятствует накоплению зарядов статического электричества при трений.

Применяются два вида замасливателей: технологические (текстильные) и прямые (активные, гидрофобно-адгезионные). Первые служат только для обеспечения текстильной переработки стеклонитей и состоят из клеящих и пластифицирующих (или смазывающих) веществ, обычно растворенных или эмульгированных в воде, реже - в органических растворителях. В отечественной промышленности наиболее часто применяется водно-эмульсионный замасливатель называемый «парафиновая эмульсия». За рубежом используют замасливатели на основе крахмала. Текстильные замасливатели ухудшают адгезию волокна к полимерной матрице, поэтому перед изготовлением КМ их необходимо удалять.

После удаления замасливателя на поверхность стеклянного наполнителя в ряде случаев наносят аппреты - вещества, способствующие созданию прочной связи на границе СВ - связующее. В качестве аппретов применяют обычно кремнийорганические и металлорганические соединения. Удаление текстильного замасливателя и последующее аппретирование усложняет и удорожает подготовку стеклонаполнителей, поэтому более эффективно применение прямых (активных) замасливателей, в состав которых наряду с пленкообразующими смазками входят и аппреты. Прямой замасливатель выполняет двойную функцию - предохраняет волокна от разрушения и усиливает адгезию между стеклом и полимерной матрицей.

Виды и формы

Обычно СВ имеют форму сплошного круглого цилиндра, СВ другой формы, например полые, называются профилированными. К наиболее перспективным профилированным СВ относятся волокна, имеющие в сечении форму треугольника, квадрата, шестигранника, волокна лентовидной и других форм с гладкой и гофрированной поверхностью.

Полые СВ получают протягиванием расплавленной стекломассы через фильеры при подаче воздуха под давлением в зону формования через сопло, расположенное внутри фильеры концентрически ее отверстию. Профилированные СВ с поперечным сечением сложной формы изготавливают вытягиванием заготовки с поперечным сечением такой же формы, как у готового СВ, вытягиванием стекломассы через фильеры, имеющие форму сектора, а также через коническую диафрагму. Плоские непрерывные СВ вырабатывают путем предварительного пропускания стекломассы через формующее устройство, с открытой стороны которого стекломасса охлаждается быстрее, чем с закрытой.

Полые (капиллярные) СВ по сравнению со сплошными имеют высокие значения плотности, диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и теплопроводности, а также более высокие жесткость при изгибе и прочность при сжатии. Свойства полых СВ в значительной степени определяются коэффициентом капиллярности, который представляет собой отношение внутреннего диаметра волокна к его наружному диаметру. Полые СВ из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла типа Е при кажущейся плотности 1700 кг/м 3 , среднем наружном диаметре 10,2 мкм, среднем коэффициенте капиллярности 0,57 имеют среднюю прочность при растяжении 2500 – 2800 МПа

В результате длительной практики промышленность стекловолокон установила несколько стандартов на толщину моноволокон (таблица 2). Значения диаметров, выраженные в микрометрах, округлены.

Таблица 2 - Маркировка и размеры элементарных стекловолокон

Маркировка	Диаметр, мкм	Маркировка	Диаметр, мкм	Маркировка	Диаметр, мкм
В	3,8	DE	6,0	H	10,0
С	4,5	Е	7.0	K	13,0
D	5,0	G	9,0

Основные свойства

Механические свойства . Стекловолокна имеют очень высокий предел прочности при растяжении, превышающий прочность других текстильных волокон. Удельная прочность стекловолокон (отношение прочности при растяжении к плотности) превышает аналогичную характеристику стальной проволоки.

По прочности (1000 - 6000 МПа) технические СВ значительно превосходят исходные массивные стекла (100 МПа) вследствие более изотропной структуры высокотемпературного расплава стекла, из которого вырабатываются волокна, и высокой скорости их охлаждения, предотвращающей образование опасных микродефектов и микротрещин на поверхности СВ в процессе их формования. Наиболее высокую техническую прочность, достигающую прочности кварцевых волокон, имеют СВ из стекол магнийалюмосиликатного состава (таблица 2).

Таблица 2 - Механические свойства СВ

Тип, парка стекла	Е, ГПа	d раст, МПа	e, %
Алюмоборосиликатиое Е-стекло	73,5		4,8
Высокомодульное ВМ-1 (РФ)			4,8
М-стекло (США)			…
Высокопрочное магнийалюмосиликатное
ВМП (РФ)		…	…
УП-68 (РФ)	84,7	...	...
УП-73 (РФ)	82,6	…	…
S-994 (США)	86,8	4650 - 4900	5,4
D-стекло с низкой диэлектрической проницаемостью (США)	52,5		4,7
Известково-натриевое А-стекло (США)	66,0		4,0
Кислотостойкое
№ 7-А (РФ)	74,0		3,6
С-стекло (США)	70,0		...
Плавленый кварц	74,2		...
Свинцовосиликатное L-стекло (США)	51,0		4,6

На прочность СВ помимо химического состава стекла влияют метод и условия формования и главным образом состояние поверхности волокон в физико-химическое взаимодействие поверхностных дефектов с окружающей средой. Наиболее высокой прочностью обладают СВ с неповрежденной поверхностью, так называемые нетронутые волокна (отобранные сразу после вытяжки из фильер до контакта с замасливающим и наматывающим устройствами). Выпускаемые промышленностью СВ имеют механически и химически поврежденную поверхность, что снижает их прочность и увеличивает разброс показателей.

Термообработка СВ без нагрузки приводит к уменьшению их прочности и тем в большей степени, чем выше температура и продолжительность обработки. Это связано с ростом микронеоднородностей и поверхностной кристаллизацией, вызывающей образование микротрещин. Понижение прочности кварцевых волокон наступает при температуре обработки 873 К, бесщелочных алюмоборосиликатных - при 573 К, натрийкальцийсиликатных, боратных, свинцовых и фосфатных - при 373 - 473 К.

Рисунок 2- Зависимость прочности от температуры термообработки волокна:

1 - кварцевого; 2 - марки Е; 3 - марки А.

Прочность СВ возрастает с уменьшением их диаметра, но эта зависимость не всегда справедлива и определяется условиями формования волокон, их составом и условиями эксплуатации.

Так, в полимерных КМ зависимость прочности дефектных волокон от их геометрических параметров проявляется лишь при значительных диаметрах и можно достаточно эффективно использовать СВ диаметром 10 - 50 мкм и более. Согласно современным представлениям влияние диаметра волокна на его прочность выражено значительно слабее, если соблюдать неизменной скорость охлаждения волокна (рисунок 3, кривая 1).

Рисунок 3 - Зависимость прочности стеклянного волокна марки Е от диаметра при уменьшающейся (1) и постоянной (2) скорости охлаждения.

СВ имеют низкую стойкость к многократному изгибу и истиранию, которые значительно повышаются после пропитки их лаками, смолами. Склеивание волокон в нить увеличивает ее прочность на 20 - 25 %, а пропитка лаками - на 80 - 100 %. Сопротивление изгибу и кручению растет с уменьшением диаметра СВ.

При комнатной температуре, влажности примерно 50 - 55 % и кратковременной нагружении СВ ведут себя вплоть до разрушения как идеальные упругие тела, подчиняясь закону Гука. С повышением температуры модуль упругости СВ уменьшается незначительно до температуры размягчения. Исключение составляют кварцевые волокна, модуль упругости которых с температурой линейно увеличивается от 74,2 ГПа при 293 К до 82,9 ГПа при 1173 К.

Высокомодульные волокна в большинстве случаев имеют меньшую прочность и более высокую плотность, а следовательно, меньшие значения удельной жесткости и прочности.

Прочность кремнеземных волокон зависит от состава стекол, из которых они выщелочены, структуры волокон. Наибольшую прочность (800 - 1000 МПа) имеют кремнеземные волокна, полученные из натрийсиликатных стекол, низкую (1000 - 1500 МПа) - алюмокремнеземные и алюмосиликатньм волокна.

Физические свойства СВ идентичны свойствам массивных стекол того же состава и определяются в основном химическим составом стекла (таблица 1).

Кремнеземные волокна обладают высокой температурой размягчения. Так, температура размягчения высококремнеземных волокон типа «викор» равна 1773 К, волокна «рефразил» (98 - 99 % SiO 2) не плавятся и не испаряются до температуры 1923 К. Все виды кремнеземных волокон имеют хорошие теплофизические (при температуре 538 К l = 0,087 Вт/(м´К), с = 1,006 кДж/(кг´К)) и электроизоляционные свойства, мало изменяющиеся с повышением температуры. Алюмокремнеземные волокна имеют более высокую температуру спекания (1973 К), чем кремнеземные. Высокие температуры плавления (1973 - 2063 К) и спекания (1723 - 1773 К), хорошие электроизоляционные, теплоизоляционные (l = 0,22 Вт/(м´К) при температуре 373 К), звукоизоляционные свойства и низкую плотность (80 - 100 кг/м 3) имеют алюмосиликатные волокна (каолиновые, каовул, файберакс). Алюмосиликатные и алюмохромосиликатные волокна могут длительно эксплуатироваться при температурах 1473-1723 К.

Химические свойства. Химическая стойкость СВ зависит от состава стекла, природы, концентрации, температуры и продолжительности действия реагента и определяется потерями массы и прочности под воздействием агрессивных сред. СВ имеют развитую поверхность и поэтому разрушаются интенсивнее, чем массивные стекла. Хотя химическая стойкость СВ не зависит от их диаметра, абсолютная растворимость в различных агрессивных средах выше у тонких СВ вследствие более развитой поверхности.

Высокой химической стойкостью к воде и пару высокого давления обладают кварцевые, кремнеземные, каолиновые, бесщелочные алюмоборосиликатные волокна. При длительном воздействии водяного пара различного давления прочность тонких волокон из многокомпонентных бесщелочных стекол снижается. В щелочных стеклах с увеличением содержания щелочных оксидов снижается стойкость к действию воды и водяного пара вследствие интенсивного выщелачивания, которое приводит к полному распаду структурной сетки стекла.

Кварцевые, кремнеземные и бесщелочные алюмосиликатные волокна, не содержащие борного ангидрида, стойки к действию органических и минеральных кислот, за исключением фтористоводородной, которая разрушает все виды стекол и СВ уже при нормальной температуре, и ортофосфорной, разрушающей СВ при температуре выше 573 К. При введении в алюмосиликатные стекла некоторых оксидов (титана, циркония, церия и др.) кислотостойкость волокон резко повышается.

Химическая стойкость и прочность волокон из Е-стекла под действием минеральных кислот различной концентрации снижается. При обработке кислотой волокон многощелочного состава растворяются все компоненты стекла, за исключением SiO 2 .

Все СВ недостаточно устойчивы к действию щелочных растворов, что обусловлено хорошей растворимостью в щелочах кремнеземного каркаса. Кварцевые и кремнеземные волокна в щелочных средах разрушаются медленнее, чем волокна из обычных стекол. Стойкость СВ к щелочным растворам повышается при введении в стекло оксидов, уплотняющих их структуру. К таковым относятся оксиды циркония, алюминия, железа, цинка, олова, лантана и некоторые др.

Эксплуатационные свойства стекловолокон

Тепло- и огнестойкость. Так как природа стекловолокон неорганическая, они не горят и не поддерживают горение. Высокая температура плавления стекловолокон позволяет использовать их в области высоких температур.

Биостойкость. Стекловолокна устойчивы к воздействию грибков, бактерий и насекомых.

Влагостойкость. Стекловолокна не сорбируют влагу, следовательно, не набухают, не растягиваются и не разрушаются под ее воздействием. Стекловолокна не гниют и сохраняют свои высокие прочностные свойства в среде с повышенной влажностью.

Термические свойства. Стекловолокна имеют низкий коэффициент линейного расширения и большой коэффициент теплопроводности. Эти свойства позволяют эксплуатировать их при повышенных температурах, особенно, если необходима быстрая диссипация температуры.

Электрические свойства. Поскольку стекловолокна не проводят ток, они могут быть использованы как очень хорошие изоляторы. Это особенно выгодно там, где необходимы высокая электрическая прочность и низкая диэлектрическая постоянная.

Таблица 3 - Свойства стекловолокон

Свойства	Марка стекла
А	С	Е	S
Физические
Плотность, кг/м 3
Твердость по Моосу	-	6,5	6,5	6,5
Механические
Предел прочности при растяжении МПа:
при 22 °С
при 371 °С	-	-
при 533 °С	-	-
Модуль упругости при растяжении при 22°С, МПа	-	69,о	72,4	85,5
Предел текучести, %	-	4,8	4,8	5,7
Упругое восстановление, К	-
Термические
Коэффициент линейного термического расширения, 10 -6 К -1	8,6	7,2		5,6
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)	-	-	10,4	-
Удельная теплоемкость при 22 °С	-	0,212	0,197	0,176
Температура размягчения, °С				-
Электрические
Электрическая прочность, В/мм			19 920
Диэлектрическая постоянная при 22°С: при 60 Гц	-		5,9 - 6,4	5,0 - 5,4
при 1 МГц	6,9		6,3	5,1
Потери при 22°С: при 60 Гц			0,005	0,003
при 1 МГц	-	-	0,002	0,003
Объемное сопротивление при 22 °С и 500 В постоянного тока, Ом-м	-	-	10 17	10 18
Поверхностное сопротивление при 22 °С и 500 В постоянного тока, Ом-м	-	-	10 15	10 16
Оптические
Коэффициент преломления	-	-	1,547	1,423
Акустические
Скорость звука, м/с	-	-

Свойства СВ во многом определяются их составом. В зависимости от основного назначения могут быть получены волокна с повышенной прочностью или с повышенным модулем упругости (магнийалюмосиликатные композиции типа ВМП, ВМ-1), волокна с повышенной стойкостью к действию кислот (средне-щелочное силикатное стекло типа ТА), тугоплавкие кварцевые волокна (кремнеземные с содержанием SiO 2 не менее 94%), волокна с хорошими электроизоляционными свойствами и высокой прочностью (алюмоборосиликатные композиции). Основные физико-механические свойства СВ, наиболее распространенных в производстве волокнистых стеклопластиков в РФ, приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Характеристики стеклянных волокон

Свойства	Марка стекла*
MAC	АБС	КС
Физические:
плотность r, кг/м 3
Механические:
предел прочности при растяжении s, МПа:
при 22 °С
при 371 °С			-
пои 533 °С			-
Модуль упругости при растяжении Е, МПа, при 22 °С	85,5	72,4
Предел текучести стт, %	5,7	4,8	4,8
Термические: КЛТР a´10 6 , К -1	5,6		7,2
Коэффициент теплопроводности X, Вт/(мК)		10,4
Удельная теплоемкость, Дж/(кгК), при 22 °С	0,176	0,197	0,212
Температура размягчения Т, °С	-

Примечание. MAC - магнийалюмосиликатные, АБС - алюмоборосиликатные, КС - кислотостойкие.