Стекловолокно
Стекловолокно́ (стеклонить) — волокно или комплексная нить, формируемые из стекла. В такой форме стекло демонстрирует необычные для себя свойства: не бьётся и не ломается, а вместо этого легко гнётся без разрушения. Это позволяет ткать из него стеклоткань.
Стекловолокна естественного происхождения встречаются в местах, где в прошлом происходили извержения вулканов, название данного вида волокон — волосы Пеле[1]. Волосы Пеле имеют химический состав базальтовых пород, имеют включения кристаллов и по физико-механическим свойствам не являются аналогами стекловолокна[2].
Виды стекловолокна (стеклонити)
Стекловолокно экструдируют из расплава стекла специального химического состава. Экструзия, как и в других случаях, производится путём продавливания расплава через прядильные фильеры. Исходный продукт, как и в других областях производства химических волокон, получается в виде бесконечных элементарных волокон (филаментов), из которых далее в процессе переработки формируются или комплексные нити (диаметр филаментов 3—100 мкм (линейная плотность до 0,1 Текс)) и длиной в упаковке 20 км и более (непрерывное стекловолокно), линейная плотность до 100 Текс, или в стеклянные ровинги (продукты линейной плотностью более 100 Текс). В этом случае, как правило, продукт перерабатывается в кручёные нити (ровинги) на крутильно-размоточных машинах. Данные полуфабрикаты далее могут быть подвергнуты любым формам текстильной переработки в кручёные изделия (нити сложного кручения, шнуры, шпагаты, канаты), текстильные полотна (ткани, нетканые материалы), сетки (тканые, специальной структуры).
Стекловолокна также могут выпускаться в дискретном (штапельном) виде. Также исходный стеклянный ровинг может быть переработан путём резки, рубки или разрывного штапелирования в дискретные (штапельные) волокна со штапельной длиной 0,1 (микроволокно) — 50 см, титр волокна в данном случае, как правило, ниже, чем филаментных нитей и соответствует диаметру 0,1—20 мкм. Основная масса штапельных стекловолокон перерабатывается в нетканые материалы (кардные, иглопробивные, нитепрошивные, стеклохолст) по различным технологиям (кардочесание, преобразование прочёса, иглопробивание, нитепрошивание, «вэт-лэйд»), стекловату, штапельную пряжу. По внешнему виду непрерывное стекловолокно напоминает нити натурального или искусственного шёлка, а штапельное — короткие волокна хлопка или шерсти.
Основная область применения стекловолокна и стеклотекстильных материалов, — использование в качестве армирующих элементов стеклопластиков и других композитов. Также стеклоткани могут самостоятельно использоваться в качестве конструкционных и отделочных материалов. В этом случае они зачастую подвергаются той или иной форме отделки, главным образом — пропитке связующим (латекс, полиуретан, крахмалы, смолы. прочие полимеры).
Производство
Непрерывное стекловолокно формуют вытягиванием из расплавленной стекломассы через фильеры (число отверстий 200—4000) при помощи механических устройств, наматывая волокно на бобину. Диаметр волокна зависит от скорости вытягивания и диаметра фильеры. Технологический процесс может быть осуществлён в одну или в две стадии. В первом случае стекловолокно вытягивают из расплавленной стекломассы (непосредственно из стекловарочных печей), во втором используют предварительно полученные стеклянные шарики, штабики или эрклез (кусочки оплавленного стекла), которые плавят в стеклоплавильных печах или в стеклоплавильных аппаратах (сосудах).
Штапельное стекловолокно формуют путём раздува струи расплавленного стекла паром, воздухом или горячими газами и другими методами.
Физико-механические свойства
Механические свойства волокон:[3]
| Волокно | Плотность, 103·кг/м3 | Модуль растяжения, ГПа | Предел прочности при растяжении, ГПа |
|---|---|---|---|
| E-стекло | 2,5 | 73 | 2,5 |
| S-стекло | 2,5 | 86 | 4,6 |
| Кремнезём | 2,5 | 74 | 5,9 |
Свойства высокомодульных волокон и однонаправленных эпоксидных композиционных материалов:[4]
| Тип волокон | Марка волокна | Свойства волокон длиной 10 мм | Свойства композиционных материалов | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| σв | E | σв | E | σв / (pg), км | ||
| ГПа | ГПа | ГПа | ГПа | |||
| Стеклянные | ВМ-1 | 3,82 | 102,9 | 2,01 | 69,1 | 98 |
| >> | ВМП | 4,61 | 93,3 | 2,35 | 64,7 | 114 |
| >> | М-11 | 4,61 | 107,9 | 2,15 | 72,6 | 98 |
| Борные | БН (сорт 2) | 2,75 | 392,2 | 1,37 | 225,5 | 75 |
| >> | БН (сорт 1) | 3,14 | 382,4 | 1,72 | 274,6 | 87 |
| >> | Борофил (США) | 2,75 | 382,4 | 1,57 | 225,5 | 80 |
| Органические | СВМ | 2,75 | 117,7 | 1,47 | 58,5 | 111 |
| >> | Кевлар-49 (США) | 2,75 | 130,4 | 1,37 | 80,4 | 100 |
Объёмная доля наполнителя 60 %.
Механические свойства волокон:[5]
| Марка стекла | Плотность ρ, 10−3 кг/м3 |
Модуль упругости Е, ГПа |
Средняя прочность на базе 10 мм, ГПа |
Предельная деформация ε, % |
|---|---|---|---|---|
| Высокомодульное | 2,58 | 95 | 4,20 | 4,8 |
| ВМ-1 | 2,58 | 93 | 4,20 | 4,8 |
| ВМП | 2,46 | 85 | 4,20 | 4,8 |
| УП-68 | 2,40 | 83 | 4,20 | 4,8 |
| УП-73 | 2,56 | 74 | 2,00 | 3.6 |
| Кислотостойкое 7-А |
К сведению
- Физико-механические свойства стекла
На предел прочности на растяжение стёкол влияют микроскопические дефекты и царапины на поверхности, для конструктивных целей в основном применяют стекло с прочностью на растяжение 50 МПа. Стёкла имеют Модуль Юнга около 70 ГПа.[3]
Примечания
- Волосы Пеле // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- Аблесимов Н. Е., Земцов А. Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна. — Раздел 6.1.1. Терминология. — М.: ИТиГ ДВО РАН, 2010.
- Болтон У. Конструкционные материалы, металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты. Карманный справочник /Пер с анг. — М.: Додека-XXI, 2004. — 320 с. — (Карманный справочник). — ISBN 5-94120-046-3.
- Б. Н. Арзомасов. Конструкционные материалы. — Машиностроение, 1990. — 688 с. — ISBN 5-217-01112-2.
- Медведев В. В., Червяков А. Н. Обоснование выбора композиционного материала для корабельных виброизоляторов. Архивировано 23 декабря 2010 года.