FGB

FGB (от англ. Fiberglass, стеклопластик; также используется обозначение Fiberglass Reinforced Plastic (FRP)) — композитный материал, состоящий из полимерной матрицы (связующего) и наполнителя из стеклянных волокон. Относится к классу армированных пластиков. Обладает высокой удельной прочностью, стойкостью к коррозии и диэлектрическими свойствами, что определяет его широкое применение в промышленности, строительстве и транспорте.

История

Разработка материалов, армированных стекловолокном, началась в 1930-х годах в США и СССР. В 1935 году компания Owens-Illinois (США) освоила промышленный выпуск непрерывного стекловолокна. В 1937 году инженер Рэй Грин из компании Owens Corning запатентовал процесс производства стекловолокна для композитов. В 1938 году инженер-химик Р. Е. Шленкер из компании Reichhold Chemicals создал первую полиэфирную смолу, пригодную для пропитки стекловолокна.

Первое коммерческое применение стеклопластика датируется концом 1930-х годов, когда из него начали изготавливать корпуса лодок и детали автомобилей. В годы Второй мировой войны материал использовался для производства радиолокационных куполов (радиопрозрачных обтекателей) и деталей самолётов.

В СССР работы по созданию стеклопластиков велись с 1940-х годов в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), НИИ пластмасс имени Г. С. Петрова и других организациях. В 1950-е годы в СССР были разработаны марки стеклопластика для авиационной и ракетной техники, в частности для обтекателей крылатых ракет и радиолокационных станций.

Состав и структура

Материал представляет собой гетерогенную систему, состоящую из двух основных компонентов:

• Армирующий наполнитель — стеклянные волокна (ровинг, ткань, мат). Придают материалу прочность на разрыв и изгиб. Модуль упругости стекловолокна составляет 70–90 ГПа, предел прочности на разрыв — 1400–3500 МПа (для высокопрочных марок).
• Матрица (связующее) — полимерная смола. Обеспечивает целостность композита, распределяет нагрузку между волокнами, защищает их от внешней среды. Наиболее распространены полиэфирные, эпоксидные, винилэфирные, фенольные и кремнийорганические смолы.

В состав также могут входить наполнители (мел, тальк, каолин), красители, отвердители, ускорители и замедлители полимеризации. Стекловолокно составляет 30–70 % объёма композита в зависимости от требуемых свойств.

Классификация

По типу стекловолокна:

• На основе непрерывного волокна — жгуты (ровинг), ленты, ткани. Обеспечивают максимальную прочность в направлении волокон.
• На основе рубленого волокна — маты (стекломаты) из хаотично расположенных отрезков волокон. Обеспечивают изотропную прочность, но ниже, чем у направленной структуры.
• На основе нитевидных кристаллов (усов) — высокопрочные композиты для космической техники.

По типу смолы:

• Полиэфирные стеклопластики — наиболее распространены, умеренная цена, хорошая химическая стойкость, склонны к горению.
• Эпоксидные стеклопластики — высокая прочность, низкая усадка, высокая адгезия, но дороже и более хрупки.
• Винилэфирные стеклопластики — стойкость к агрессивным средам, высокая прочность.
• Фенольные стеклопластики — высокая термостойкость, трудногорючи.

Физико-механические свойства

Ключевые особенности:

• Удельная прочность — выше, чем у многих сталей, при меньшей плотности.
• Коррозионная стойкость — не подвержен электрохимической коррозии.
• Диэлектрические свойства — используется в электротехнике.
• Низкая теплопроводность — применяется для теплоизоляции.

Технологии производства

Основные методы формования изделий из стеклопластика:

• Контактное формование (намазывание) — ручное или механизированное нанесение смолы и стекломатов в открытую форму. Старейший и наименее затратный метод.
• Напыление — рубленое стекловолокно подаётся в воздушный поток вместе со смолой на форму. Отличается высокой производительностью.
• Вакуумное формование (инфузия) — наложенные в форму сухие слои стеклоткани пропитываются смолой под вакуумом. Обеспечивает высокую плотность и низкое содержание пор.
• Пултрузия — непрерывное протягивание стекложгутов через ванну со смолой и последующая полимеризация в нагретой матрице. Используется для производства профилей (трубы, швеллеры, арматура).
• Намотка — намотка пропитанных смолой стекложгутов на вращающуюся оправку. Применяется для цилиндрических и сферических изделий (трубы, баллоны высокого давления).
• Прессование — укладка заготовки вместе со смолой в пресс-форму и её сжатие под нагретым прессом. Используется для мелких и средних серий.

Применение

Строительство

• Кровельные и стеновые панели (профилированный стеклопластик).
• Светопрозрачные ограждения, зенитные фонари.
• Элементы мостов и инженерных сооружений (решетчатые настилы, лестницы, перила).
• Опалубки, теплоизоляционные листы.

Транспорт

• Кузова автомобилей (автобусы, грузовики, бронеавтомобили) — в мировой практике до 30 % кузовов спецтехники выполняют из стеклопластика.
• Морские суда — корпуса яхт, катеров, шлюпок.
• Авиастроение — обтекатели носовых частей, воздухозаборники, законцовки крыла, внутренние панели.

Энергетика

• Лопасти ветроэнергетических установок (в составе гибридных композитов).
• Трубы для водоснабжения и канализации в химически агрессивных средах.
• Электроизоляционные элементы (изоляторы опор, кожухи трансформаторов).

Химическая промышленность

• Ёмкости (баллоны, резервуары, цистерны) для хранения и транспортировки кислот и щелочей.
• Трубопроводы и фитинги.

Спорт и товары народного потребления

• Корпуса лодок, вёсла, ракетки для тенниса, удилища, лыжные палки.
• Детали авто-, мото- и велотехники.
• Корпуса приборов, корпуса холодильников и бытовой техники.

Военная техника

• Бронежилеты, бронеплиты (в комбинации с керамикой).
• Обшивка летательных аппаратов и ракет.
• Корпуса мин и снарядов.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокая удельная прочность и жёсткость.
• Коррозионная стойкость (превосходит конструкционные стали).
• Низкая теплопроводность, радиопрозрачность.
• Возможность формования сложных форм при малой энергоёмкости оснастки.
• Устойчивость к большинству химических реагентов.

Недостатки:

• Относительно низкая жёсткость (модуль упругости уступает стали в 5–7 раз).
• Чувствительность к УФ-излучению (требуется защитное покрытие).
• Невозможность (в большинстве случаев) вторичной переработки — после отверждения композит трудно переработать в исходные компоненты.
• Склонность к расслаиванию и микротрещинам при циклических нагрузках.
• Выделение летучих веществ (стирол и др.) при производстве полиэфирных смол.

Экологические аспекты

Производство стеклопластика сопровождается выбросами летучих органических соединений (в основном стирола из полиэфирных смол). В России предельно допустимые концентрации стирола в воздухе рабочей зоны регламентируются ГОСТ 12.1.005-88. После отверждения материал химически инертен, но не поддаётся биологическому разложению. Переработка отходов стеклопластика затруднена: основной способ — дробление и использование в качестве наполнителя для асфальтобетонных смесей или цемента, либо сжигание.

Современные разработки направлены на создание биоразлагаемых матриц (например, на основе полимолочной кислоты) и стекловолокна с возможностью рециклинга.

Источники

• А. А. Соколов. «Стеклопластики» (учебное пособие, М., Химия, 1984).
• В. А. Колосов. «Композиционные материалы: свойства, технология, применение» (СПб., Политехника, 2003).
• Н. С. Ениколопов, С. М. Межиковский. «Энциклопедия полимеров» (М., Советская энциклопедия, 1977, т. 3).
• ГОСТ 25515-82. «Пластмассы. Метод определения прочности при растяжении». — М.: Издательство стандартов, 1982.
• Технический регламент «О безопасности продукции, предназначенной для защиты от химических факторов» (ТР ЕАЭС 041/2017).