ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТЕКЛОВОЛОКНА

История развития

Первыми цивилизациями, которые изготовили стекло, были древние финикийцы и египтяне. И те, и другие могли расщеплять стекло в волокна. Однако они использовали очень малое количество этих волокон, и их качество было весьма грубым. Они использовали их для декораций и не подозревали о скрытом потенциале волокон стекла.

В средневековой Венеции ремесленники стали использовать тонкие нити из стекла для украшения своих изделий. Было замечено, что стеклянные нити, в отличие от хрупкого кускового стекла, обладают парадоксальным свойством: чем они тоньше, тем более гибкими они становятся. По мере того, как нити становились все тоньше и тоньше, возрастала их гибкость, но все же они оставались все еще достаточно толстыми и ломались при сильном изгибе.

С приходом индустриальной революции стеклянные нити стали использовать не только при изготовлении украшений. В 1836 г. француз Дабю-Боннель получил первый в мире патент на способ получения нитей.

В 1870 году человек по имени Джон Плэер разработал метод массового производства стеклянного волокна с использованием сильной подачи струи пара и изобрёл то, что называется минеральной ватой. Этот материал использовался в качестве эффективной изоляции.

В 1880 году Герман Хаммесфах получил патент на стекловолокнистую ткань с шелковыми вплетениями. Такая ткань была прочной и огнестойкой.

Помимо изготовления материала, стеклянные волокна могли бы с успехом использоваться для многих других целей, но этому препятствовали две проблемы: было достаточно трудно изготавливать
их настолько тонкими, чтобы они обладали хорошей гибкостью. Вторая проблема заключалась в отсутствии промышленного способа производства.

Первое стекловолокно, используемое в настоящее время, было получено молодым исследователем Дэйлом Клейстом из компании Corning Glass, который пытался соединить два стеклянных блока, чтобы сделать воздухонепроницаемый затвор. Внезапно струя сжатого воздуха ударила в поток расплавленного стекла и создала фонтан стеклянных волокон, показав Дэйлу простой метод изготовления стекловолокна. Молодой ученный решил применить пистолет для распыления металла, который используется для расплавления бронзы для ее напыления на детскую обувь. Он заполнил пистолет вместо бронзы расплавленным стеклом и обнаружил, что пистолет выпускает сноп тончайших нитевидных стеклянных волокон.

Специалисты сразу же поняли, что данный эффект может быть использован в производстве стеклянной шерсти для теплоизоляции и в других технологических процессах.

В 1935 году Corning Glass совместно с Owens-Illinois, другой экспериментирующей со стекловолокном компанией, продолжали работать над развитием технологии. В 1936 году они запатентовали продукт Fiberglas, только с одной буквой «s», а в 1938 году обе компании слились в одну под названием Owens-Corning, которая существует и по сей день. В конце 30-х и начале 40-х годов прошлого века они разработали идею свёртывания волокон в ткань в качестве материала. В 1941 году проводились успешные эксперименты с горячей очисткой и обработкой стекловолоконной ткани. Термообработка сделала ткань более гибкой и стала ключе- вым звеном в укреплении слоистых пластиков. Первые теоретическое разработки советских ученых по структуре стекла были начаты в начале 1930-х годов, а по стеклянной вате в 1938-1939 гг.

Технологии производства и методы формообразования деталей

Основные затраты при производстве изделий приходятся на технологическое оборудование и рабочую силу, затраты на которую велики за счет трудоёмкости и больших временных затрат на производство.

Базовый производственный процесс, применяющийся до настоящего времени, начинается со стеклянных шариков, являющихся сырьем для получения волокна. Использование шариков преследует две цели: шарики легко подавать в расплав с контролируемой скоростью, что облегчает поддержание температуры расплава на заданном уровне, и, второе, в прозрачных шариках легко обнаруживаются примеси.

Стекло расплавляют в электрических печах и выдавливают через перфорированную металлическую пластину, называемую питательной фильерой, или бушингом. Фильеру изготавливают из платины, платинородиевых сплавов или других редких материалов, поскольку расплавленное стекло обладает очень сильным размывающим действием, которому не способны противостоять большинство металлов. Платина, имеющая достаточно высокую температуру плавления (1760°С), позволяет нагревать стекло, размягчающееся в интервале 980–2100°С до состояния текучести.

Для формирования непрерывных нитей расплавленное стекло после прохождения через мелкие отверстия фильеры подается на наматывающую машину, на которой нити растягиваются и уменьшаются в диаметре до 0,7-4,5 мкм. Сотни параллельных волосков собираются в большом стальном барабане, где они соединяются в тонкую нераскручивающуюся нить, наматываемую на бобины. С этого момента она может быть использована в традиционных процессах текстильного производства.

Р. Слейтерс и его коллектив установили, что стекловолокно, помещенное в различные твердеющие смолы, способно формировать легкий прочный и упругий материал, хорошо поддающийся формованию, способный заменить фанеру и листовой металл.

Большинство марок стекловолокна получили название благодаря своим специфическим свойствам:

• Е (electrical) – низкой электрической проводимости;
• S (strength) – высокой прочности;
• C (chemical) – высокой химической стойкости;
• M (modulus) – высокой упругости;
• А (alkali) – высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло;
• D (dielectric) – низкая диэлектрическая проницаемость;
• AR (alkali resistant) – высокая щелочестойкость.
• ECR (extremely corrosion resistance) – устойчивые в агрессивных средах и т.д.).

Изобретение подавляющего числа разновидностей стеклянных волокон принадлежит американской компании Owens Corning, созданной в 1938 г. И в настоящее время являющейся мировым лидером в производстве стекловолокна (табл. 1).

Таблица 1. Основные разновидности стекловолокна

Год	Тип стекловолокна	Марка
1938	А-стекло	Owens Corning
1939	E-стекло — ектротехнического назначения, двухстадийное, в настоящее время одностадийное	Owens Corning
1943	С-стекло – коррозионностойкое, двухстадийное	Owens Corning
1965	R-стекло – высокопрочное, двухстадийное	Vetrotex
1968	Glass® – высокопрочное, двухстадийное	Owens Corning
1974	R-стекло – щелочестойкое, двухстадийное	Owens Corning
1978	S2-Glass® – высокопрочное, тугоплавкое, двухстадийное	Owens Corning
1980	ECR-стекло® – электротехническое, коррозионностойкое, одностадийное	Owens Corning
1996	Advantex® – стекло и технология, улучшение технологии плавки для печей большей мощности; сочетает в себе свойства стекла Е и ECR, одностадийное	Owens Corning
2004	HPG-стекло (High Performance Glass) – высокопрочное стекло и технология на базе R-стекла, сочетает прочность и тугоплавкость, производство одностадийное в печах высокой производительности	Owens Corning
2004	H-стекло – высокомодульное стекловолокно, одностадийное	Vetrotex
2007	DM-S-стекло – высокопрочное стекло по одностадийной технологии, не содержит бора, полностью соответствует стандартам и свойствам S-стекла	Owens Corning

Механические и физико-химические свойства стекловолокон зависят, главным образом, от химического состава стекла, а также от метода производства. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон.

Химический состав стекла определяет основные направления использования стекловолокон. Для электроизоляции применяется бесщелочное или малощелочное алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно.

Для изготовления конструкционных стеклопластиков, как правило, используют бесщелочное магнийалюмосиликатное или алюмобороси ликатное стекловолокно.

Для стеклопластиков неответственного назначения может быть использовано и щелочесодержащее стекловолокно.

В таблице 2 и 3 представлены химический состав различных марок стекол для производства стекловолокна и их физико-химические и механические свойства.

Отметим, что точный состав стекловолокна может различаться не только у разных производителей, но и у разных заводов одной компании, что обусловлено особенностями химического состава используемого сырья.

В настоящее время в мире выпускается два типа стекловолокна марки Е – боросодержащее стекло (содержит 4-10% оксида бора) и стекловолокно без бора.

Эти два типа стекловолокна отличаются химическим составом – стекловолокно с оксидом бора содержит 52-56% SiO2, тогда как в стекловолокне без бора содержание оксида кремния несколько выше – 59-61%.

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 %.

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.

Основные виды продукции на основе непрерывного стекловолокна

Первичным продуктом при производстве непрерывного волокна является непрерывная комплексная стеклянная нить, которую получают путем вытягивания элементарных нитей из расплава стекла. Количество элементарных нитей (монофиламентов) в комплексной нити соответствует количеству фильер в питателе. На основе непрерывных комплексных стеклянных нитей получают стеклянные ровинги, которые в свою очередь, являются полуфабрикатом (основой) для различных видов материалов и изделий – стеклянного рубленого волокна (фибры), крученых нитей, тканых и нетканых материалов (лент, тканей, сеток, холстов, иглопробивных матов), композиционных изделий и пр.

Ровинг представляет собой некрученую нить, состоящую из комплексных нитей. Ровинг, получаемый непосредственно в процессе вытяжки из расплава и состоящий из одной комплексной нити, называют однопроцессным или директ-ровингом.

Стандартным и самым простым способом формования корпуса является укладка чередующихся слоев тканого ровинга и стекломата. Как и в случае с заполнителем, мат между слоями ровинга улучшает их адгезию друг к другу. Однако в остальных случаях мат не должен содержать смолы более, чем это необходимо.

Соотношение стекловолокна и смолы, или, как его еще называют – содержание стекла, для стандартного метода с использованием ровинга и стекломата, составляет около 35% по весу. Стеклопластик на базе одного только стекломата содержит около 28% стекла, для стеклопластика из одного ровинга эта цифра составляет 40%. Еще раз нелишним будет напомнить, что чем выше содержание стекла (в пропорции к смоле), тем выше будут механические свойства ламината (прочность).

Основными характеристиками ровингов являются диаметр монофиламентов (элементарных нитей) и текс. Текс – это линейная плотность волокна, она определяется как масса в граммах 1000 м волокна. Текс директ-ровинга зависит от диаметра монофиламента и количества монофиламентов в директ-ровинге. Директ-ровинги могут быть переработаны в крученые нити, тканые, композитные изделия и пр.

Для многих применений требуются ровинги более высокого текса – 600, 1200, 2500 и 4800. Для получения такой продукции используется
операция трощения – соединение и совместное наматывание нескольких нитей на одну катушку, в результате этой операции получают сложенный или трощеный ровинг.

Трощеные ровинги используются в различных технологических процессах:

• производство тканых и нетканых материалов;
• производство CNG цилиндров (баллоны высокого давления, в том числе для сжатого природного газа);
• намотка труб;
• пултрузия.

Из стеклянного ровинга производится рубленые стеклянные нити, которые представляют собой сыпучий материал в виде отрезков заданной длины.

Рубленое волокно производится либо на рубочных машинах барабанного типа, установленных независимо от печи, либо на рубочных машинах, соединенных с печью.

Одним из основных направлений использования рубленого стекловолокна является изготовление нетканых материалов: жестких и мягких холстов или конструкционных матов различных плотностей и назначений; стеклобумаги, стекловуали, стеклохолста; кроме этого, волокно используется как армирующий материал в производстве стеклонаполненных полимеров, гипса, фрикционных изделий.

Нетканые материалы активно используются в производстве стеклопластиков, в ряде случаев заменяя тканые материалы, т.к. имеют меньшую себестоимость изготовления, лучшую пропитку при обработке смолами и меньший расход смолы, формовка изделий не требует применения дорогостоящего оборудования.