Бесщелочное алюмоборосиликатное стекловолокно

Бесщелочное алюмоборосиликатное стекловолокно — это разновидность стеклянного волокна, получаемого из расплава стекла, в состав которого входят оксиды кремния, алюминия и бора при отсутствии или минимальном содержании оксидов щелочных металлов (натрия, калия). Относится к классу непрерывных стеклянных волокон и является основным типом армирующего наполнителя для производства стеклопластиков.

Состав и химические характеристики

Основу бесщелочного алюмоборосиликатного стекловолокна составляет стекло, близкое по составу к алюмоборосиликатному стеклу (типа E-glass, от англ. electrical — «электрический»). Типичный химический состав (в массовых процентах):

• SiO₂ (диоксид кремния) — 52–56 %;
• Al₂O₃ (оксид алюминия) — 12–16 %;
• B₂O₃ (оксид бора) — 5–10 %;
• CaO (оксид кальция) — 16–25 %;
• MgO (оксид магния) — 0–5 %;
• Na₂O + K₂O (оксиды натрия и калия) — не более 0,8–1,0 %.

Содержание щелочных оксидов менее 1 % является определяющим признаком для данного типа волокна. Именно низкое содержание щелочей обеспечивает его высокую химическую стойкость, особенно к воздействию воды и кислот, а также высокие электроизоляционные свойства.

История

Разработка бесщелочного алюмоборосиликатного стекловолокна началась в 1930-х годах в США и Великобритании. Первые коммерческие образцы волокна типа E-glass были получены в 1938 году компанией Owens-Corning (США). В Советском Союзе промышленное производство аналогичного стекловолокна было освоено в 1950-х годах на базе научных разработок Института стекла (Москва) и ряда отраслевых институтов.

Ключевым стимулом для создания этого материала стала потребность в армирующем наполнителе для полимерных композитов, который сочетал бы высокую прочность, малую плотность и устойчивость к агрессивным средам. К 1960-м годам бесщелочное стекловолокно стало основным типом армирующего волокна в авиационной, судостроительной и электротехнической промышленности.

Технология производства

Производство бесщелочного алюмоборосиликатного стекловолокна включает несколько этапов:

1. Варка стекла. Исходные компоненты (кварцевый песок, глинозём, борная кислота, известняк, доломит) смешиваются и плавятся в стекловаренных печах при температуре 1300–1450 °C.
2. Формование волокна. Расплавленное стекло подаётся через фильерные питатели (платиновые или платино-родиевые пластины с отверстиями диаметром 0,5–2,0 мм). Из каждого отверстия вытекает струя расплава, которая вытягивается в тонкое волокно со скоростью 30–60 м/с.
3. Замасливание. Сразу после вытягивания на поверхность волокна наносится специальный состав (замасливатель), который защищает волокно от истирания, облегчает последующую переработку и улучшает адгезию к полимерным связующим.
4. Намотка. Волокна собираются в жгут (ровинг) или наматываются на бобины в виде непрерывной нити.

Диаметр элементарного волокна составляет от 5 до 24 мкм. В зависимости от назначения выпускается ровинг, рубленое волокно (штапель), ткань, маты и нетканые материалы.

Свойства

Бесщелочное алюмоборосиликатное стекловолокно обладает комплексом физико-механических и химических свойств, которые определяют его широкое применение:

• Высокая прочность на растяжение: 2000–3500 МПа (для элементарного волокна), что в 2–3 раза выше, чем у стали при равной массе.
• Модуль упругости: 70–80 ГПа.
• Плотность: 2,54–2,60 г/см³.
• Термостойкость: до 550–600 °C (кратковременно), длительная рабочая температура — до 350–400 °C.
• Электроизоляционные свойства: удельное объёмное электрическое сопротивление при 20 °C — 10¹²–10¹⁴ Ом·м; диэлектрическая проницаемость — 5,5–6,5.
• Химическая стойкость: устойчиво к воздействию воды, слабых кислот и щелочей, органических растворителей; не подвержено коррозии.
• Гигроскопичность: низкая (менее 0,1 % после 24 часов выдержки в воде).
• Негорючесть: материал не поддерживает горение, относится к группе негорючих (НГ).

Применение

Основные области использования бесщелочного алюмоборосиликатного стекловолокна:

Армирование композитов

• Стеклопластики — наиболее массовое применение. Из стекловолокна изготавливают корпуса лодок, кузова автомобилей, детали самолётов, трубы, резервуары, строительные панели.
• Полимерные композиты — в сочетании с эпоксидными, полиэфирными, винилэфирными и фенольными смолами.

Электротехника и электроника

• Печатные платы — стеклоткань на основе E-glass служит основой для фольгированных диэлектриков (FR-4).
• Изоляция — стекловолокно используется для изоляции обмоточных проводов, кабелей, трансформаторов.

Строительство

• Армирующие сетки — для штукатурных работ, стяжек, фасадных систем.
• Теплоизоляция — стекловата из бесщелочного волокна применяется для утепления зданий и трубопроводов.

Машиностроение и транспорт

• Детали автомобилей — бамперы, капоты, спойлеры, панели кузова.
• Судостроение — корпуса яхт, катеров, лодок.
• Авиация — элементы интерьера, обтекатели, лопатки вентиляторов.

Химическая промышленность

• Ёмкости и трубопроводы — для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей (кислот, щелочей, растворителей).
• Фильтры — для очистки газов и жидкостей.

Классификация

По международной классификации бесщелочное алюмоборосиликатное стекловолокно обозначается как E-glass (Electrical glass). В России и странах СНГ ему соответствует марка Е (или E), а также специальные марки для электротехнических целей (например, Э).

По типу продукции различают:

• Ровинг — непрерывный жгут из параллельных волокон.
• Рубленое волокно — отрезки длиной 3–50 мм.
• Стеклоткань — тканое полотно из стеклянных нитей.
• Стекломат — нетканый материал из хаотично расположенных волокон.
• Стеклохолст — тонкий нетканый материал для армирования.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокая удельная прочность и жёсткость.
• Химическая стойкость.
• Электроизоляционные свойства.
• Негорючесть.
• Низкая стоимость по сравнению с углеродным и арамидным волокном.

Недостатки:

• Относительно низкая термостойкость (до 600 °C, в то время как кварцевое волокно выдерживает до 1000 °C).
• Склонность к абразивному износу при переработке.
• Хрупкость при циклических нагрузках.
• Высокая плотность по сравнению с полимерными волокнами.

Экологические аспекты

Производство бесщелочного алюмоборосиликатного стекловолокна связано с выбросами оксидов бора и пыли, что требует установки систем очистки. Само волокно не является токсичным, но при механической обработке (резке, шлифовке) образуется мелкодисперсная пыль, которая может вызывать раздражение кожи и дыхательных путей. При попадании в лёгкие в больших количествах возможно развитие фиброза (стеклоз), поэтому на производствах применяются средства индивидуальной защиты.

Источники

1. ГОСТ 6943.0–2019 «Стекловолокно. Правила приёмки и методы испытаний».
2. ГОСТ 32649–2014 «Стекловолокно. Термины и определения».
3. Химическая технология стекла и ситаллов / Под ред. Н. М. Павлушкина. — М.: Стройиздат, 1983.
4. Стеклянные волокна и композиты на их основе / Под ред. В. И. Костикова. — М.: Химия, 1990.
5. Handbook of Composites / Ed. by S. T. Peters. — Chapman & Hall, 1998.
6. Owens Corning. E-glass Fiber Properties and Applications. — Technical Bulletin, 2015.