Стеклопластик

Стеклопластик — это композиционный материал, состоящий из стеклянного волокна (наполнителя) и полимерного связующего (матрицы). Относится к классу армированных пластиков. Основные характеристики стеклопластика — высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, диэлектрические свойства и относительно невысокая плотность. Благодаря сочетанию этих свойств материал широко применяется в строительстве, машиностроении, судостроении, авиационной и ракетно-космической технике, электротехнике и производстве товаров народного потребления.

История

Первые упоминания о создании композитов на основе стеклянного волокна относятся к концу XIX века. В 1893 году американский изобретатель Эдвард Драммонд Либби на Всемирной выставке в Чикаго представил ткань из стеклянных нитей, однако практическое применение таких материалов было ограничено из-за хрупкости волокна.

Современная история стеклопластика началась в 1930-х годах. В 1935 году компания Owens-Illinois (США) разработала технологию производства непрерывного стекловолокна. В 1938 году была основана компания Owens-Corning Fiberglas, которая начала промышленный выпуск стекловолокна. В 1942 году американский инженер Рэй Грин запатентовал процесс изготовления армированных пластиков с использованием стекловолокна и полиэфирной смолы. Этот год считается началом эры промышленного стеклопластика.

В СССР разработки в области стеклопластиков начались в конце 1940-х годов. В 1948 году в Научно-исследовательском институте стекла (Москва) были получены первые образцы. В 1950-е годы стеклопластик начали применять в судостроении (корпуса катеров, шлюпок) и авиастроении (радиопрозрачные обтекатели антенн). К 1960-м годам в СССР были освоены технологии производства стеклопластиковых труб, листовых материалов и конструкционных профилей.

Классификация

Стеклопластики классифицируют по нескольким признакам: типу стеклянного наполнителя, типу полимерной матрицы, способу изготовления и области применения.

По типу наполнителя

• Стеклоткани (тканые наполнители): полотняного, саржевого, сатинового переплетения. Обеспечивают высокую прочность в двух направлениях.
• Стекломаты (нетканые наполнители): хаотично расположенные рубленые волокна, скрепленные связующим. Используются для изготовления деталей сложной формы.
• Стеклоровинг (жгут): пучки параллельных непрерывных волокон. Применяется для намотки (трубы, баллоны давления).
• Рубленое стекловолокно: короткие отрезки волокон (3–50 мм), используемые в литьевых композитах (стеклонаполненные термопласты).

По типу полимерной матрицы

• Термореактивные (отверждаемые): полиэфирные, эпоксидные, феноло-формальдегидные, винилэфирные смолы. После отверждения образуют неплавкую сетчатую структуру. Наиболее распространенный тип.
• Термопластичные (линейные полимеры): полипропилен, полиамид, полиэтилентерефталат, поликарбонат. Армированные стекловолокном термопласты перерабатываются методами литья под давлением или экструзии.

По способу изготовления

• Контактное формование (ручное выкладывание): пропитанные смолой слои наполнителя укладываются в форму вручную. Простой, но трудоемкий метод.
• Напыление: рубленое стекловолокно и смола одновременно подаются через пистолет на форму.
• Намотка: непрерывный ровинг пропитывается смолой и наматывается на вращающуюся оправку. Используется для изготовления цилиндрических изделий (трубы, резервуары).
• Прессование: заготовка из стеклопластика (препрег) помещается в нагретую пресс-форму и сжимается под давлением.
• Вакуумная инфузия: сухой наполнитель укладывается в форму, сверху накрывается герметичной пленкой, под которую вакуумом засасывается смола.
• Пултрузия: непрерывное протягивание ровинга через ванну со смолой и последующее формование в обогреваемой фильере. Метод для производства профилей постоянного сечения (швеллеры, уголки, стержни).
• Литье под давлением (для термопластов): гранулы стеклонаполненного полимера расплавляются и впрыскиваются в форму.

Свойства

Физико-механические

• Высокая удельная прочность: отношение прочности к плотности у стеклопластика выше, чем у многих конструкционных сталей.
• Плотность: 1,6–2,0 г/см³ (в зависимости от типа наполнителя и матрицы), что в 2,5–4 раза меньше плотности стали.
• Прочность при растяжении: от 200 до 1500 МПа (зависит от направления волокон и типа материала).
• Модуль упругости: 15–50 ГПа (ниже, чем у стали, что определяет относительно низкую жесткость).
• Анизотропия свойств: прочность и жесткость вдоль направления волокон значительно выше, чем поперек.

Химические и термические

• Коррозионная стойкость: устойчив к воздействию воды, кислот, щелочей, солей, органических растворителей (кроме сильных окислителей).
• Термостойкость: рабочая температура для большинства марок от -60 до +180 °C (для специальных эпоксидных композиций до +250 °C).
• Горючесть: большинство стеклопластиков горючи, но существуют самозатухающие и трудногорючие марки с добавлением антипиренов.
• Теплопроводность: низкая (0,3–0,5 Вт/(м·К)), что делает материал хорошим теплоизолятором.

Электрические

• Диэлектрические свойства: высокое электрическое сопротивление, низкая диэлектрическая проницаемость (ε = 4–6), малый тангенс угла диэлектрических потерь.
• Радиопрозрачность: стеклопластик практически не отражает и не поглощает радиоволны, что делает его незаменимым материалом для обтекателей антенн.

Технологические

• Технологичность: возможность изготовления деталей сложной формы практически любой конфигурации.
• Ремонтопригодность: повреждения можно устранять путем наложения заплат из того же материала.
• Склонность к расслаиванию: при ударных нагрузках возможно расслоение между слоями наполнителя.

Применение

Строительство

• Арматура: стеклопластиковая арматура (АСП) используется для армирования бетонных конструкций, работающих в агрессивных средах (фундаменты, дорожные плиты, морские сооружения). Не подвержена коррозии, не проводит электричество.
• Трубы: для водоснабжения, канализации, нефте- и газопроводов, химических производств. Стеклопластиковые трубы легче стальных, не требуют антикоррозионной защиты.
• Кровельные и стеновые панели: светопрозрачные листы (сотовый поликарбонат, профилированный стеклопластик) для покрытия теплиц, навесов, ангаров.
• Опалубка: несъемная опалубка из стеклопластика для монолитного строительства.
• Мосты и пешеходные переходы: легкие и коррозионностойкие конструкции.

Машиностроение и транспорт

• Судостроение: корпуса катеров, яхт, лодок, шлюпок, а также элементы надстроек. Стеклопластик не гниет, не требует покраски, легко ремонтируется.
• Автомобилестроение: кузовные панели, бамперы, капоты, детали интерьера, рессоры (для грузовиков). Снижение массы автомобиля.
• Авиация и ракетная техника: обтекатели антенн, элементы интерьера, лопасти винтов, корпуса ракетных двигателей (в комбинации с другими материалами).
• Железнодорожный транспорт: кузова вагонов, элементы интерьера, изоляторы контактной сети.

Электротехника и электроника

• Печатные платы: фольгированный стеклотекстолит (FR-4) — основной материал для изготовления печатных плат.
• Изоляторы: для линий электропередач, подстанций, электрооборудования.
• Корпуса приборов: для защиты от электромагнитных помех (с наполнителями) и для обеспечения радиопрозрачности.

Спорт и отдых

• Спортивный инвентарь: удилища, хоккейные клюшки, лыжи, сноуборды, ракетки для тенниса, велосипедные рамы.
• Корпуса лодок и каяков.
• Защитные шлемы (в комбинации с другими материалами).

Медицина

• Протезы: ортопедические протезы конечностей, корсеты, гипсовые повязки.
• Инструменты: хирургические инструменты, не проводящие электричество.
• Оборудование: корпуса аппаратов МРТ, рентгеновских установок.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая удельная прочность и жесткость.
• Коррозионная стойкость.
• Малый вес (в 2–4 раза легче стали).
• Диэлектрические свойства.
• Радиопрозрачность.
• Технологичность (возможность изготовления сложных форм).
• Низкая теплопроводность.
• Долговечность (срок службы до 50 лет и более при правильной эксплуатации).

Недостатки

• Относительно низкая жесткость (модуль упругости) по сравнению со сталью и алюминием.
• Анизотропия свойств (необходимость учета направления волокон при проектировании).
• Низкая ударная вязкость (склонность к расслаиванию при ударе).
• Горючесть (требуется применение антипиренов для снижения горючести).
• Трудоемкость механической обработки (образование пыли, необходимость использования специального инструмента).
• Сложность утилизации (термореактивные стеклопластики практически не поддаются вторичной переработке; сжигание выделяет токсичные вещества).
• Чувствительность к ультрафиолетовому излучению (требует защиты покрывными материалами или добавления УФ-стабилизаторов).

Интересные факты

• Первым серийным изделием из стеклопластика считается корпус лодки, изготовленный в 1942 году в США.
• В 1950-х годах компания Chevrolet выпустила ограниченную партию автомобилей Corvette с кузовом из стеклопластика. Это был первый серийный автомобиль с таким кузовом.
• Стеклопластик используется в качестве материала для изготовления корпусов некоторых типов торпед и ракет, так как он не подвержен коррозии в морской воде и не дает магнитного поля.
• В России и других странах разрабатываются технологии утилизации стеклопластика путем пиролиза (разложения при высокой температуре без доступа кислорода) с получением жидкого топлива и стекловолокна, которое может быть повторно использовано.

Источники

1. ГОСТ 32799-2014 «Композиты полимерные. Термины и определения».
2. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Дж. Любина. — М.: Машиностроение, 1988.
3. Берлин А. А., Вольфсон С. А., Ениколопян Н. С. Принципы создания композиционных полимерных материалов. — М.: Химия, 1990.
4. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. — СПб.: НОТ, 2010.
5. Материалы сайта «Стеклопластик.ру» (раздел «История и технология»).
6. Патент США № 2,571,717 (1942) на процесс изготовления армированных пластиков.