Фибергласс — стеклянное волокно¶
Фибергласс (от англ. fiberglass — «стеклянное волокно») — обобщённое название материалов и изделий на основе стеклянных волокон, полученных волочением расплава стекла. Термин используется преимущественно в англоязычной инженерной практике; в русскоязычной технической литературе аналогичные материалы обозначают как стеклопластик, стеклоткань, стекловолокно или стеклопластик (стеклопластик — композит из стекловолокна и полимерной матрицы). Фибергласс применяется в строительстве, судостроении, автомобилестроении, авиации и производстве спортивного инвентаря.
¶Состав и свойства
Фибергласс изготавливают из натриево-кальциево-силикатного стекла (содово-известковое стекло) либо из боросиликатного стекла. Наиболее распространённый состав волокна — E-стекло (электрическое), содержащее 52–56 % SiO₂, 12–16 % Al₂O₃, 16–25 % CaO/MgO и 0–10 % B₂O₃. Для повышенных механических характеристик применяют S-стекло (силовое) с содержанием Al₂O₃ до 25 % и MgO до 18 %, а для диэлектрических применений — D-стекло с низкой диэлектрической проницаемостью.
Ключевые свойства стеклянного волокна:
- Высокая удельная прочность — предел прочности при растяжении E-стекла составляет 3,4–4,8 ГПа при плотности 2,5–2,6 г/см³;
- Химическая инертность — устойчивость к действию воды, щелочей (в пределах), органических растворителей;
- Диэлектрические свойства — удельное электрическое сопротивление свыше 10¹² Ом·м;
- Термостойкость — рабочая температура до 250–300 °C для E-стекла и до 700 °C для S-стекла;
- Низкая теплопроводность — около 1,0–1,4 Вт/(м·К), что делает материал эффективным теплоизолятором.
Главный недостаток — низкая стойкость к истиранию и гибкому износу, а также хрупкость отдельного волокна. В композитах этот недостаток компенсируется полимерной матрицей.
¶Производство
Стеклянное волокно получают волочением из расплава. Сырьё (кварцевый песок, известняк, бокситы, доломит) плавят в печи при 1300–1500 °C. Расплав подают в волочильную машину, где он вытекает через фильеры — пластины с отверстиями диаметром 1–20 мкм. Потоки волокна охлаждают и наносят на них связующее (смазку на основе полимеров или кремнийорганических соединений) для защиты от абразивного износа и улучшения адгезии с матрицей.
Волокно формируют в различные полуфабрикаты:
- Стеклянная нить — непрерывное волокно диаметром 5–25 мкм;
- Стеклянная лента — пучок параллельных нитей;
- Стекломат — хаотично уложенные короткие волокна, скреплённые связующим;
- Стеклоткань — тканое полотно из стеклянных нитей;
- Стеклоровинг — ровинг из скрученных или нескрученных нитей.
¶Композиты на основе фибергласса
Наиболее распространённая форма применения — стеклопластик (стеклопластик), композитный материал, состоящий из стеклянного армирующего наполнителя и полимерной матрицы. В качестве матрицы используют термореактивные смолы (эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные) или термопласты (полиамид, полипропилен).
Методы формования стеклопластиков:
- Ручная укладка — послойное нанесение стекломата или стеклоткани с пропиткой смолой кистью или валиком.
- Пултрузия — непрерывное протягивание пропитанного волокна через формующую матрицу с полимеризацией; применяется для производства профилей, штанг, лестничных ограждений.
- Термопрессование — формование заготовок под давлением при повышенной температуре.
- Намотка — обмотка пропитанной нитью на оправку цилиндрической формы; используется для производства труб, баллонов, резервуаров.
- Вакуумная инфузия — вытеснение воздуха из ламината вакуумом для повышения плотности и прочности.
¶Применение
Строительство. Стеклопластиковые панели, сэндвич-плиты, профилированные листы и арматура. Стеклопластиковая арматура (спиральная или прямая) применяется вместо стальной в агрессивных средах, в дорожном строительстве и при возведении мостов. Волокнистые утеплители (стекловата) из тонких стеклянных волокон используют для тепло- и звукоизоляции зданий.
Транспорт. Корпуса катеров, лодок и яхт формуют методом ручной укладки или вакуумной инфузии. В автомобилестроении из стеклопластика изготавливают бамперы, обвесы, элементы кузова. В авиации и космосе стеклопластиковые композиты применяют для обшивки, обтекателей, радиопрозрачных конструкций.
Электротехника. Диэлектрические свойства стеклопластика используют при производстве печатных плат, изоляторов, корпусов электрооборудования, кабельных муфт.
Химическое машиностроение. Ёмкости, реакторы, трубопроводы из стеклопластика устойчивы к коррозии и заменяют сталь и чугун в агрессивных средах.
Спортивный инвентарь. Лыжные палки, дуги защитных шлемов, лопасти ветрогенераторов, лодочные вёсла.
¶Вред для здоровья
Стеклянное волокно раздражает кожу и дыхательные пути. При работе с фиберглассом необходимо использовать средства индивидуальной защиты: респираторы, перчатки, защитные очки. Мелкие частицы волокна вызывают зуд, покраснение кожи, кашель. Связующие смолы (особенно незастывшие полиэфирные) могут вызывать аллергические реакции. Международное агентство по изучению рака (IARC) не относит стекловолокно к канцерогенам группы 1; волокна длиной более 5 мкм и диаметром более 3 мкм классифицируются как «возможно канцерогенные» (группа 2B), однако современные тонкие волокна (микронные и нановолокна) под эту классификацию не подпадают.
¶Экология
Стекловолокно не подвергается биологическому разложению. При утилизации стеклопластика его измельчают и используют как наполнитель в строительных материалах или направляют на специализированные полигоны. Стекловата, применяемая в качестве утеплителя, со временем даёт усадку и теряет теплозащитные свойства, что требует замены.
¶История
Промышленное производство стеклянного волокна началось в 1930-х годах в США. Компания Owens Corning запустила первое массовое производство стекловолокна в 1938 году. В СССР производство стеклопластиков развивалось с 1950-х годов; крупнейшие заводы работали в Курчатове, Березнике, Гусь-Хрустальном. В XXI веке мировое производство стекловолокна превышает 5 млн тонн в год, крупнейшими производителями являются Китай, США, Европейский союз и Япония.
Источники:
- Маслов К. И. Технология пластических масс. — М.: Химия.
- Пантелеев Б. С. Стеклопластики. — М.: Высшая школа.
- Френкель Р. И. Стеклопластиковые конструкции. — М.: Стройиздат.
- Технические данные Owens Corning по стекловолокну.