Стеклянные волокна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стеклянные волокна

Более 3500 лет человечеству известно о возможности вытягивания различных изделий из расплавленного стекла. В XIX в. было теоретически предсказано, что стекло, вытянутое в длинное волокно, пригодно для использования в различных текстильных изделиях. Однако промышленного производства стекловолокон реально не существовало до 1939 г. Начало коммерческого выпуска стекловолокон связано с образованием фирмы «Оуенз Корнинг файбергласс».

СВ сочетают сравнительно малую плотность с высокими теплостойкостью, химической стойкостью и прочностью, низкой теплопроводностью и коэф. термического расширения, они негорючи, стойки к биологическому воздействию.

Технология получения. Известно два основных вида СВ: непрерывное и штапельное. Для первого характерны неограниченно большая длина, прямолинейность и параллельное расположение волокон в нити; для второго - небольшая длина, извитость и хаотическое расположение волокон в пространстве.

Существуют три основных способа получения стекловолокна:

1)вытягивание волокон из расплавленной массы через фильеры (одностадийный процесс);

2)вытягивание волокон из стеклянных штабиков при их разогреве (двухстадийный процесс);

3) получение штапельного волокна путем расчленения струй стекломассы под воздействием центробежных сил или потоков воздуха, газа, пара.

Непрерывные СВ изготавливаются вытягиванием волокон из расплавленной стекломассы через фильеры одно- или двух-стадийным способом либо из стеклянных штабиков. Штапельное волокно формуется путем вытягивания непрерывного СВ на струи расплавленного стекла с последующим разрывом его на отрезки ограниченной длины (способ воздушного вытягивания) или разделением струи (пленки) расплавленного стекла на отдельные объемы, растягиваемые в короткие волокна раздувом (дутьевой способ), центробежным или комбинированным способами.

Состав стекла определяет способ, условия формования и область применения СВ. Для технического назначения СВ получают из стекол различных составов (таблица 1), СВ высокопрочные высокомодульные, с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью, полупроводящие и другие - из стекол специальных составов.

Таблица 1 - Состав стекловолокон, %

Большую часть стекловолокон получают одностадийным методом. Кварцевый песок, известняк, борная кислота и другие компоненты (глина, уголь и шпаты) перемешиваются и плавятся в высокотемпературных печах. Температура плавления для каждой композиции своя, но в среднем она составляет ~ 1260°С. Расплав стекла поступает непосредственно в оборудование для расплавного формования (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема одностадийного получения стекловолокна: 1 - глина; 2 - известняк; 3 - уголь; 4 - кварцевый песок; 5 - флюорит; 6 - борная кислота; 7 - автоматические дозаторы: 8 - смеситель; 9, 10 - бункера; 11 - шнековый питатель; 12 - ванна; 13 - секция приготовления замасливателя (шлихты); 14 - платиновые фильеры (бушинги с электронагревом и автоматическим управлением); 15 -- замасливатель; 16 - высокоскоростное намоточное устройство; 17, 27 - посты контроля и взвешивания; 18 - камера для кондиционирования волокна; 19 - крутильные машины; 20 - участок отделки и упаковки пряжи; 21 - участок термообработки; 22 - шпулярники; 23 - намоточная машина для ровинга; 24 - резальная машина; 25 - ровинг; 26 - резаное волокно (штапель); 28 - участок упаковки; 29 - участок отгрузки продукции

Непрерывные волокна получают из предварительно расплавленного стекла на аппаратах для вытяжки стекловолокон (емкость для расплавленного стекла из платинового сплава называется бушингом - стеклоплавильный сосуд, имеющий форму лодочки). Под действием гидростатического давления расплав стекла вытекает через тонкие отверстия фильеры диаметром 0,8...3,0 мм в днище бушинга. Экструдируемые из каждого отверстия струи, подвергают интенсивному механическому растяжению до диаметра 3...19 мкм, после закалки в подфильерном холодильнике (в потоке водяных брызг) собирают в нить и пропускают через зону, в которой на волокно наносится покрытие - замасливатель, повышающий компактность нити.

Собранные в единый пучок элементарные волокна называют одиночной нитью или «стренга». Скорость вытягивания готовой нити стекловолоконной стренги составляет от 20 до 50 м/с. Прядильный кулич кондиционируется или проходит сушку для дальнейшей переработки в товарную продукцию.

Для получения штапельного стекловолокна расплавленная стекломасса, вытекающая из отверстий фильеры, вытягивается и разрывается в струе воздуха. Волокна длиной 200 ... 380 мм собираются вместе на вращающемся барабане и объединяются в стренгу. Затем стекловолокно проходит кондиционирование или сушку, если это необходимо для дальнейших технологических процессов.

Каждое элементарное волокно, вытягиваемое из отверстий фильеры, должно контролироваться для обеспечения стабильности размеров и свойств как элементарных волокон, так и стренг. Этот контроль достигается с помощью регулирования вязкости и температуры расплава стекломассы, а также скорости вытяжки (скорости приема нити или скорости истечения струи). Следовательно, можно получать большее число волокон различной тонины, меняя число отверстий в бушинге и условия вытяжки.

При двухстадийном процессе расплав перерабатывается вначале в стеклосферы, которые затем поступают в плавильные печи. После вторичной плавки расплав подается на установки для формования.

Характеристики ряда комплексных нитей из стекла различного состава приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные характеристики крученных комплексных нитей

Обозначение марки крученой комплексной нити, например: БС6-3,4х1х2 (150)-80; ТС8-26х1х2; К11С6-180-БА; КС11-17x4x3, состоит из трех частей:

1- тип стекла и номинальный диаметр элементарной нити (волокна), где Б - бесщелочное алюмоборосиликатное, Т - стекло состава Т-273А, К11 - кремнеземные нити из стекла N11, К - кварцевая нить, С - стеклонить непрерывная, 6,8,6,11 - диаметр элементарной нити, мкм;

2 -- номинальная линейная плотность комплексной нити (3,4;26;180;17), текс. Цифровое обозначение после знака "х": 1 -- количество одиночных нитей в комплексной, 2 -- количество скручиваемых одиночных нитей; цифры в скобках -- количество кручений на 1 м нити;

3-- тип замасливателя (например, № 80). При выработке нити на технологическом замасливателе из парафиновой эмульсии индекс в марке нити не указывают. В кремнеземных нитях: БА -- безусадочная аппретированная нить.

Стекло является аморфным материалом, занимающим по своим физико-механическим свойствам промежуточное положение между твердым телом и жидкостью. С одной стороны, оно не обладает кристаллической структурой твердого тела, с другой - не обладает текучестью, проявляющейся в жидкостях. Химически стекла состоят в основном из кремнеземной (SiO₂) основы, существующей в виде полимерных цепочек (-- SiO₄ --). Однако диоксид кремния, т, е. кварц, требует высоких температур для размягчения и вытягивания. Поэтому необходима модификация состава для снижения уровня рабочих температур, при которых стекломасса обладает вязкостью, позволяющей проводить вытяжку нитей. Способы модификации состава могут быть разделены по решению задач на две группы: получение стекол с определенными свойствами и приспособление к нуждам технологии.

Высокощелочные стекла (широко известные как натриевые или бутылочные стекла) являются наиболее распространенными. Они используются в основном для производства емкостей и листового стекла. Высокощелочные композиции (известково-натриевое стекло), известные под маркой А-стекла, выгодны для получения волокон, обладающих высокой хемостойкостью.

Вместе с тем высокое содержание щелочи в стекле определяет его невысокие электрические свойства, в то время как хорошие электроизоляционные свойства определили развитие стекол на основе низкощелочных композиций (алюмоборосиликаты), получивших наименование Е-стекол. В настоящее время из Е-стекол изготовляется большая часть текстильного ассортимента стекловолокон.

Для специальных областей применения, когда не подходят волокна из А - стекла и Е-стекла, могут быть созданы композиции с необходимыми характеристиками. Когда требуется особо высокая хемостойкость, может быть использовано волокно из С-стекла (натрийборосиликатная композиция). Для создания волокон с высокими прочностными характеристиками (например, для материалов несущих конструкций в самолето- и ракетостроении) используют S - стекла (C₁-стекла) (магнийалюмосиликатные композиции). Повышение прочностных характеристик волокон из S-стекла приблизительно на 40 % относительно волокон из Е - стекла является результатом более высокой прочности исходной композиции. Кроме того, S - стекла имеют более высокую теплостойкость, нежели Е - стекла. Волокна из S - стекла обладают наряду с высоким качественным уровнем свойств довольно умеренным уровнем стоимости.

Образцы специальных композиций стекол создаются для исследования возможности создания материалов со специальными свойствами.

Композиция М-стекла позволила получать стекловолокна с высоким модулем упругости (Е = 11З ГПа). Однако присутствие бериллия (окиси, бериллия) препятствует созданию коммерческой продукция.

Низкие диэлектрические свойства D-стекол послужили причиной исследования возможности их применения в электронике. Они обладают низкой диэлектрической проницаемостью, по сравнению с Е-стеклами и могут найти применение при создании обтекателей антенн радиолокаторов.

L-стекла (свинцовые) хороши для радиационной защиты. Стекловолокна из такой композиции могут быть использованы для защитной одежды людей работающих с рентгеновским излучением, и как «меченая» пряжа в композитах, которая не разрушается под воздействием рентгеновского излучения.

Обработка поверхности. Поверхность непрерывных СВ в процессе их вытягивания из фильер покрывается замасливателем, который соединяет волокна в нить, предотвращает истирание волокон, защищает их от разрушения во время текстильной переработки, препятствует накоплению зарядов статического электричества при трений.

Применяются два вида замасливателей: технологические (текстильные) и прямые (активные, гидрофобно-адгезионные). Первые служат только для обеспечения текстильной переработки стеклонитей и состоят из клеящих и пластифицирующих (или смазывающих) веществ, обычно растворенных или эмульгированных в воде, реже - в органических растворителях. В отечественной промышленности наиболее часто применяется водно-эмульсионный замасливатель называемый «парафиновая эмульсия». За рубежом используют замасливатели на основе крахмала. Текстильные замасливатели ухудшают адгезию волокна к полимерной матрице, поэтому перед изготовлением КМ их необходимо удалять.

После удаления замасливателя на поверхность стеклянного наполнителя в ряде случаев наносят аппреты - вещества, способствующие созданию прочной связи на границе СВ - связующее. В качестве аппретов применяют обычно кремнийорганические и металлорганические соединения. Удаление текстильного замасливателя и последующее аппретирование усложняет и удорожает подготовку стеклонаполнителей, поэтому более эффективно применение прямых (активных) замасливателей, в состав которых наряду с пленкообразующими смазками входят и аппреты. Прямой замасливатель выполняет двойную функцию - предохраняет волокна от разрушения и усиливает адгезию между стеклом и полимерной матрицей.

Обычно СВ имеют форму сплошного круглого цилиндра, СВ другой формы, например полые, называются профилированными. К наиболее перспективным профилированным СВ относятся волокна, имеющие в сечении форму треугольника, квадрата, шестигранника, волокна лентовидной и других форм с гладкой и гофрированной поверхностью.

Полые СВ получают протягиванием расплавленной стекломассы через фильеры при подаче воздуха под давлением в зону формования через сопло, расположенное внутри фильеры концентрически ее отверстию. Профилированные СВ с поперечным сечением сложной формы изготавливают вытягиванием заготовки с поперечным сечением такой же формы, как у готового СВ, вытягиванием стекломассы через фильеры, имеющие форму сектора, а также через коническую диафрагму. Плоские непрерывные СВ вырабатывают путем предварительного пропускания стекломассы через формующее устройство, с открытой стороны которого стекломасса охлаждается быстрее, чем с закрытой.

Полые (капиллярные) СВ по сравнению со сплошными имеют высокие значения плотности, диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и теплопроводности, а также более высокие жесткость при изгибе и прочность при сжатии. Свойства полых СВ в значительной степени определяются коэффициентом капиллярности, который представляет собой отношение внутреннего диаметра волокна к его наружному диаметру. Полые СВ из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла типа Е при кажущейся плотности 1700 кг/м³, среднем наружном диаметре 10,2 мкм, среднем коэффициенте капиллярности 0,57 имеют среднюю прочность при растяжении 2500 - 2800 МПа

В результате длительной практики промышленность стекловолокон установила несколько стандартов на толщину моноволокон (таблица 3). Значения диаметров, выраженные в микрометрах, округлены.

Таблица 3 - Маркировка и размеры элементарных стекловолокон

Механические свойства. Стекловолокна имеют очень высокий предел прочности при растяжении, превышающий прочность других текстильных волокон. Удельная прочность стекловолокон (отношение прочности при растяжении к плотности) превышает аналогичную характеристику стальной проволоки.

По прочности (1000 - 6000 МПа) технические СВ значительно превосходят исходные массивные стекла (100 МПа) вследствие более изотропной структуры высокотемпературного расплава стекла, из которого вырабатываются волокна, и высокой скорости их охлаждения, предотвращающей образование опасных микродефектов и микротрещин на поверхности СВ в процессе их формования. Наиболее высокую техническую прочность, достигающую прочности кварцевых волокон, имеют СВ из стекол магнийалюмосиликатного состава (таблица 4).

Таблица 4 - Механические свойства СВ

На прочность СВ помимо химического состава стекла влияют метод и условия формования и главным образом состояние поверхности волокон в физико-химическое взаимодействие поверхностных дефектов с окружающей средой. Наиболее высокой прочностью обладают СВ с неповрежденной поверхностью, так называемые нетронутые волокна (отобранные сразу после вытяжки из фильер до контакта с замасливающим и наматывающим устройствами). Выпускаемые промышленностью СВ имеют механически и химически поврежденную поверхность, что снижает их прочность и увеличивает разброс показателей.

Термообработка СВ без нагрузки приводит к уменьшению их прочности и тем в большей степени, чем выше температура и продолжительность обработки. Это связано с ростом микронеоднородностей и поверхностной кристаллизацией, вызывающей образование микротрещин. Понижение прочности кварцевых волокон наступает при температуре обработки 873 К, бесщелочных алюмоборосиликатных - при 573 К, натрийкальцийсиликатных, боратных, свинцовых и фосфатных - при 373 - 473 К.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2- Зависимость прочности от температуры термообработки волокна: 1 - кварцевого; 2 - марки Е; 3 - марки А.

Прочность СВ возрастает с уменьшением их диаметра, но эта зависимость не всегда справедлива и определяется условиями формования волокон, их составом и условиями эксплуатации.

Так, в полимерных КМ зависимость прочности дефектных волокон от их геометрических параметров проявляется лишь при значительных диаметрах и можно достаточно эффективно использовать СВ диаметром 10 - 50 мкм и более. Согласно современным представлениям влияние диаметра волокна на его прочность выражено значительно слабее, если соблюдать неизменной скорость охлаждения волокна (рисунок 3, кривая 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Зависимость прочности стеклянного волокна марки Е от диаметра при уменьшающейся (1) и постоянной (2) скорости охлаждения.

СВ имеют низкую стойкость к многократному изгибу и истиранию, которые значительно повышаются после пропитки их лаками, смолами. Склеивание волокон в нить увеличивает ее прочность на 20 - 25 %, а пропитка лаками - на 80 - 100 %. Сопротивление изгибу и кручению растет с уменьшением диаметра СВ.

При комнатной температуре, влажности примерно 50 - 55 % и кратковременной нагружении СВ ведут себя вплоть до разрушения как идеальные упругие тела, подчиняясь закону Гука. С повышением температуры модуль упругости СВ уменьшается незначительно до температуры размягчения. Исключение составляют кварцевые волокна, модуль упругости которых с температурой линейно увеличивается от 74,2 ГПа при 293 К до 82,9 ГПа при 1173 К.

Высокомодульные волокна в большинстве случаев имеют меньшую прочность и более высокую плотность, а следовательно, меньшие значения удельной жесткости и прочности.

Прочность кремнеземных волокон зависит от состава стекол, из которых они выщелочены, структуры волокон. Наибольшую прочность (800 - 1000 МПа) имеют кремнеземные волокна, полученные из натрийсиликатных стекол, низкую (1000 - 1500 МПа) - алюмокремнеземные и алюмосиликатньм волокна. стекловолокно штапельный механический

Физические свойства СВ идентичны свойствам массивных стекол того же состава и определяются в основном химическим составом стекла (таблица 1).

Кремнеземные волокна обладают высокой температурой размягчения. Так, температура размягчения высококремнеземных волокон типа «викор» равна 1773 К, волокна «рефразил» (98 - 99 % SiO₂) не плавятся и не испаряются до температуры 1923 К. Все виды кремнеземных волокон имеют хорошие теплофизические (при температуре 538 К = 0,087 Вт/(мК), с = 1,006 кДж/(кгК)) и электроизоляционные свойства, мало изменяющиеся с повышением температуры. Алюмокремнеземные волокна имеют более высокую температуру спекания (1973 К), чем кремнеземные. Высокие температуры плавления (1973 - 2063 К) и спекания (1723 - 1773 К), хорошие электроизоляционные, теплоизоляционные ( = 0,22 Вт/(мК) при температуре 373 К), звукоизоляционные свойства и низкую плотность (80 - 100 кг/м³) имеют алюмосиликатные волокна (каолиновые, каовул, файберакс). Алюмосиликатные и алюмохромосиликатные волокна могут длительно эксплуатироваться при температурах 1473--1723 К.

Химические свойства. Химическая стойкость СВ зависит от состава стекла, природы, концентрации, температуры и продолжительности действия реагента и определяется потерями массы и прочности под воздействием агрессивных сред. СВ имеют развитую поверхность и поэтому разрушаются интенсивнее, чем массивные стекла. Хотя химическая стойкость СВ не зависит от их диаметра, абсолютная растворимость в различных агрессивных средах выше у тонких СВ вследствие более развитой поверхности.

Высокой химической стойкостью к воде и пару высокого давления обладают кварцевые, кремнеземные, каолиновые, бесщелочные алюмоборосиликатные волокна. При длительном воздействии водяного пара различного давления прочность тонких волокон из многокомпонентных бесщелочных стекол снижается. В щелочных стеклах с увеличением содержания щелочных оксидов снижается стойкость к действию воды и водяного пара вследствие интенсивного выщелачивания, которое приводит к полному распаду структурной сетки стекла.

Кварцевые, кремнеземные и бесщелочные алюмосиликатные волокна, не содержащие борного ангидрида, стойки к действию органических и минеральных кислот, за исключением фтористоводородной, которая разрушает все виды стекол и СВ уже при нормальной температуре, и ортофосфорной, разрушающей СВ при температуре выше 573 К. При введении в алюмосиликатные стекла некоторых оксидов (титана, циркония, церия и др.) кислотостойкость волокон резко повышается.

Химическая стойкость и прочность волокон из Е-стекла под действием минеральных кислот различной концентрации снижается. При обработке кислотой волокон многощелочного состава растворяются все компоненты стекла, за исключением SiO₂.

Все СВ недостаточно устойчивы к действию щелочных растворов, что обусловлено хорошей растворимостью в щелочах кремнеземного каркаса. Кварцевые и кремнеземные волокна в щелочных средах разрушаются медленнее, чем волокна из обычных стекол. Стойкость СВ к щелочным растворам повышается при введении в стекло оксидов, уплотняющих их структуру. К таковым относятся оксиды циркония, алюминия, железа, цинка, олова, лантана и некоторые др.

Эксплуатационные свойства стекловолокон

Тепло- и огнестойкость. Так как природа стекловолокон неорганическая, они не горят и не поддерживают горение. Высокая температура плавления стекловолокон позволяет использовать их в области высоких температур.

Биостойкость. Стекловолокна устойчивы к воздействию грибков, бактерий и насекомых.

Влагостойкость. Стекловолокна не сорбируют влагу, следовательно, не набухают, не растягиваются и не разрушаются под ее воздействием. Стекловолокна не гниют и сохраняют свои высокие прочностные свойства в среде с повышенной влажностью.

Термические свойства. Стекловолокна имеют низкий коэффициент линейного расширения и большой коэффициент теплопроводности. Эти свойства позволяют эксплуатировать их при повышенных температурах, особенно, если необходима быстрая диссипация температуры.

Электрические свойства. Поскольку стекловолокна не проводят ток, они могут быть использованы как очень хорошие изоляторы. Это особенно выгодно там, где необходимы высокая электрическая прочность и низкая диэлектрическая постоянная.

Таблица 5 - Свойства стекловолокон

Свойства СВ во многом определяются их составом. В зависимости от основного назначения могут быть получены волокна с повышенной прочностью или с повышенным модулем упругости (магнийалюмосиликатные композиции типа ВМП, ВМ-1), волокна с повышенной стойкостью к действию кислот (средне-щелочное силикатное стекло типа ТА), тугоплавкие кварцевые волокна (кремнеземные с содержанием SiO₂ не менее 94%), волокна с хорошими электроизоляционными свойствами и высокой прочностью (алюмоборосиликатные композиции). Основные физико-механические свойства СВ, наиболее распространенных в производстве волокнистых стеклопластиков в РФ, приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Характеристики стеклянных волокон

Примечание. MAC - магнийалюмосиликатные, АБС - алюмоборосиликатные, КС -- кислотостойкие.

Ассортимент и применение. СВ разнообразного состава широко используются в качестве армирующих элементов КМ в виде элементарных волокон разного диаметра, нитей и жгутов различной толщины, лент, тканей разнообразного плетения, матов, холстов и других нетканых материалов. Это обусловлено свойствами СВ, доступностью и распространенностью сырья и относительно простой технологией их получения и переработки.

Из непрерывных и штапельных СВ изготовляются различные волокнистые наполнители (рисунок 4), которые делятся на две большие группы - тканые и нетканые.

Рисунок 4 - Схема переработки СВ

Текстильная стекловолоконная пряжа (пряжа -- нить, состоящая из относительно коротких текстильных волокон, соединенных с помощью скручивания) - это собранные вместе одиночные параллелизованные волокна или стренги, которые в дальнейшем могут быть переработаны в текстильный материал. Непрерывные одиночные жгуты (стренги), полученные непосредственно из бушинга, представляют собой простейшую форму текстильной стекловолоконной пряжи, известной как «простая пряжа». Для использования такой пряжи в дальнейшей текстильной переработке ее обычно подвергают незначительной крутке (менее 40 м^-1). Однако для большого числа тканей необходима более толстая пряжа, чем получается непосредственно при вытяжке из бушинга. Такой ассортимент текстильной пряжи может быть получен методом скручивания и трощения. Типичным примером является скручивание двух или более простых стренг вместе с одновременным трощением (т. е. последующим скручиванием двух или более уже предварительно скрученных жгутов).

Пряжа или жгут имеют S-крутку, если скручиваемые элементы располагаются справа - вверх -налево, и Z-крутку, когда скручиваемые элементы располагаются слева - вверх - направо. Просто скрученный жгут (при числе кручений более 40 м^-1) будет образовывать петли, скрутки и запутываться, так как все элементы закручены в одном направлении. Для избегания этого явления при трощении общая крутка производится в направлении, противоположном «простой» крутке. Например, при Z-крутке, первичные элементы пряжи должны иметь S-крутку, что обеспечивает получение «уравновешенной» пряжи. В результате операций кручения и трощения получают пряжу, прочность, гибкость и диаметр которой могут варьироваться. Это является важной предпосылкой для создания различных тканей, из которых в дальнейшем получают композиты.

Текстурированная пряжа - текстильная стекловолоконная пряжа («простая» или трощеная), подвергнутая воздействию струи воздуха, которое вызывает случайное, но контролируемое разрушение элементарных стекловолокон, расположенных на поверхности пряжи, и «распушение» пряжи. Этот процесс известен как «текстурирование», или создание «объемной» пряжи. Происходит разрушение поверхностных элементарных волокон, пропитываемость такой пряжи повышается.

Стекловолоконные ровинги представляют собой объединение непрерывных и параллельных стренг (жгутов) или элементарных волокон. Традиционный ровинг производится совместным прядением нескольких простых стренг, число которых (не более 60 штук) определяется требованиями последующей переработки (параметром ровинга может являться длина единицы его массы). Отдельная стренга (жгут), так называемая составляющая, состоит из объединенных элементарных стекловолокон. Элементарные волокна вытягивают из бушинга, число отверстий в котором соответствует числу филаментов в стренге, что в свою очередь определяется потребностью последующей переработки.

Ровинг получают в основном из G- или К-волокон. Могут быть использованы и более толстые волокна. Развес ровинга лежит в основном в пределах 3600450 м/кг (или 2762222 текс). В зависимости от назначения различают три типа ровингов: тип Р - рассыпающийся ровинг для изготовления жестких и мягких холстов, получения стеклопластиков способом напыления рубленых нитей, производства премиксов; тип Т - ровинг для выработки тканей; тип Н - ровинг для изготовления стеклопластиков методом намотки и протяжки и наполнения термопластов. Ассортимент, характеристики и требования, предъявляемые к ровингам, регламентированы ГОСТ 17139 - 79.

Большая часть стеклоровинга перерабатывается в грубые ткани, потребность в которых возникает, если есть необходимость быстрого набора толщины материала на большой поверхности. Ткань из ровинга выпускается с различной плотностью (0,4071,356 кг/м²) и различной толщины (0,511,02 мм). Ткань из стекловолоконного ровинга, пропитанная термореактивным полиэфирным связующим, может перерабатываться в композиционный материал методом ручной выкладки.

Тканые наполнители (ткани, сетки, ленты) получаются путем текстильной переработки и тканья крученой комплексной стеклонити, стекложгута, штапелированной пряжи и ровницы. Для текстильной переработки используются СВ диаметром 311 мкм. Выпускаемые промышленностью тканые наполнители различаются по составу стекла, характеристикам нитей, лежащих в их основе, виду переплетения, толщине, прочности, виду замасливателя и другим показателям. Ассортимент, характеристики и назначение тканых наполнителей приведены в ГОСТ 5.1737 - 72, 8481 - 75, 19170 - 73, 19907 - 74 и во многих публикациях.

Многослойные стеклянные и комбинированные ткани и цельнотканые контурные заготовки (из стеклянных, углеродных, асбестовых и синтетических нитей) служат наполнителями в КМ, применяемых в изделиях конструкционного, теплозащитного и радиотехнического назначения, которые должны иметь значительную толщину и не расслаиваться при продольном сжатии и интенсивной тепловой нагрузке. В трехмерных армирующих наполнителях с объемной структурой нити расположены по трем взаимно перпендикулярным направлениям (х, y, z). Изготовленные на основе таких наполнителей КМ имеют одинаковые или близкие значения механических характеристик по трем главным направлениям, что определяет их существенные преимущества перед слоистыми КМ и позволяет эффективно использовать в авиа- и судостроении, в космической технике.

Нетканые наполнители обладают рядом технических и экономических преимуществ по сравнению с ткаными. Большинство нетканых наполнителей, предназначенных для получения высокопрочных ПКМ, не имеет характерного для ткани изгиба нитей, что значительно уменьшает степень повреждения элементарных волокон. Нетканые наполнители вырабатываются по непрерывным, менее трудоемким и более высокопроизводительным по сравнению с ткаными технологическим процессам.

Наиболее прочные и высокомодульные КМ получают при использовании элементарных СВ, вытягиваемых непосредственно из фильер стеклоплавильного сосуда при одновременном нанесении на них полимерного связующего. Высокую прочность имеют также комплексные нити (крученые и некрученые), состоящие из непрерывных элементарных СВ (50800 штук), склеенных между собой замасливателем. Комплексные стеклянные нити используются непосредственно как нетканый армирующий наполнитель в виде непрерывных, рубленых и однонаправленных нитей и волокон, а также служат основным полуфабрикатом для производства многих нетканых материалов. Однонаправленные стеклянные нити и волокна представляют собой срезы с бобин или других упаковок стеклянных комплексных нитей или непрерывных элементарных волокон. Основные характеристики комплексных стеклянных нитей, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в ГОСТ 8325 - 78, 10727 - 73.

Рисунок 5 - Схема группового распределения нетканых материалов из СВ по видам и способы их получения

Вместо стеклянных нитей и в комбинации со стеклянными тканями, сетками или с другими видами нетканых материалов используются рулонные нетканые материалы (толщина до 2 мм), называемые холстами (матами). Существуют три основных типа матов из стекловолокон: маты из резаных нитей, из непрерывных нитей и декоративные маты или покрытия. Маты из резаных волокон изготовляют обычно в виде нетканых материалов, в которых стекловолокна получают резкой путанки или непрерывного жгута на штапельки длиной 25,450,5 мм. Волокна имеют преимущественно случайное распределение в горизонтальной плоскости и удерживаются вместе химическими связующими. Плотность таких матов составляет 0,2290,916 кг/м², и они могут иметь толщину 50,81930,4 мм.

Маты, получаемые из нерезаных непрерывных жгутов стекловолокна, раскладываются и соединяются в виде спирали. Такие маты достаточно упруги при сравнительной разреженности структуры, а благодаря механическому переплетению не требуют дополнительной связи для создания необходимой прочности. Декоративные маты или покрытия - это очень тонкие маты из простых, непрерывных нитей; используются как декоративные поверхностно-армированные слои при получении композитов методом ручной выкладки или при расплавном прессовании как компонент отделки и армирования поверхности.

Очень близки к стеклотканям по структуре и свойствам вязально - прошивные и перекрестные клееные нетканые материалы, представляющие собой ориентированные рулонные нетканые наполнители, которые лишены некоторых недостатков тканых наполнителей (нити не перегибаются). Нетканые вязально-прошивные материалы - это свободно наложенные друг на друга стеклянные жгуты в 10 или 20 сложений (основа и уток), прошитые кручеными стеклянными, капроновыми или другими нитями. В нетканых перекрестных материалах связь между продольной и поперечной системами нитей или ровингов осуществляется путем склеивания с помощью жидкого связующего или термопластичных нитей, вводимых в структуру материала и подплавляемых на одной из стадий технологического процесса.

Большой деформативностью, хорошей формообразующей способностью, но меньшей прочностью при растяжении обладают стеклотрикотажные материалы. Используются они как наполнители КМ, из которых получают изделия сложной конфигурации, в случае, если к КМ не предъявляются высокие требования по механическим характеристикам.

Для каждого конкретного применения обычно используют то волокно, в котором реализуется максимальное число необходимых свойств. Так, например, в авиа- и ракетостроении при создании обтекателей используются высокие прочностные и хорошие электрические свойства армирующих стекловолокон. При создании печатно-наборных плат должны быть соблюдены условия реализации хороших электрических свойств и высокой размеростабильности. Стекловолокна обеспечивают эти качества и при изменении внешних условий, и в процессе технологических операций.

Большое разнообразие стекловолокон, как армирующего агента в КМ, требует максимального сохранения свойств в условиях высокой влажности. Для этих целей предпочтительнее волокна из L-стекол, так как они максимально устойчивы к воздействию воды. При кипячении в течение 1 ч волокно из Е - стекла теряет 1,7 % массы, в то время как те же потери для волокон из других стекол составляют 0,13 % для S-стёкла и 11,1 % для А-стекла. Хотя при часовой экспозиции потери массы S-стекла меньше, чем L-стекла, при длительном кипячении волокна из S-стекла теряют массу больше, чем из Е-стекла. В результате этого происходит существенное снижение свойств S-волокон. Таким образом, если композиты должны сохранять в течение длительного времени стабильные свойства, желательно использовать для их армирования Е-стекла. Высокая прочность при растяжении и малая диэлектрическая проницаемость волокон из Е-стекол также являются важным фактором при их использовании.

Однако волокна из Е- и А-стекол разрушаются под действием кислот и щелочей, в то время как S-стекла прекрасно сохраняются при воздействии этих реагентов. Поэтому S-стекла применяются в таких средах, как, например, сепараторы в аккумуляторных батареях.

Высокосиликаты. Одно из видов СВ, кварцевое волокно, вырабатывается при температуре 2423 К. поскольку кварц имеет исключительно высокую вязкость (10⁴ - 10⁵ Пас при 2373 - 2473 К) даже при температурах, близких к температуре кипения. Кроме того, интенсивное испарение кремнезема при температурах выше 2073 К затрудняет процесс формования кварцевого волокна из расплава и делает его возможным лишь в защитной среде, при течении расплава через фильеры под давлением либо при введении легирующих добавок. Поэтому при промышленном производстве непрерывного и штапельного кварцевого волокна применяется преимущественно штабиковый метод получения волокон из стержней прозрачного кварцевого стекла или из штабиков, сформованных из порошкообразных смесей чистого кремнезема и жидкого связующего.

Производство кремнеземного волокна (94 - 99 % SiO₂) основано на выщелачивании некоторых оксидов из алюмоборосиликатного (волокно рефразил), натрийсиликатного и других силикатных стекол под действием кислот и щелочей.

Размещено на Allbest.ru