Стекловолокнистые материалы. Использование в строительстве. Стеклосетка - какой она бывает и как применяется

Самыми востребованными на российском рынке являются
циновочное и тканевое стекловолокна…

Стеклотканью (или стекловолокном) называется современный высокотехнологичный материал, который, благодаря своим уникальным эксплуатационным свойствам, нашел широкое применение в быту, в промышленной и строительной отрасли. Для получения своих оригинальных свойств этот материал смешивают со специальными полимерными смолами. Работы со стеклотканью требуют определенных начальных навыков, но изучить основные методы не составит труда любому желающему.

Эксплуатационные характеристики стеклоткани

Стеклоткань изготавливается в форме холста, состоящего из переплетающихся между собой стекловолокон (стеклонитей). Сами нити производятся из Е - стекла, которое отличается своими термостойкими и огнестойкими качествами. К тому же стекловолокна являются экологически чистым материалом. В строительной области стеклоткань обычно применяется как тепло- и гидроизоляционный слой в различных ответственных конструкциях. Также, с помощью стеклоткани можно возводить армирующее основание под кровельное покрытие. В строительстве кровли часто применяют каркасную стеклоткань, в изготовлении которой используется некрученая прядь и ровинг.

Основные виды стеклоткани

Современные технологии производства стеклоткани позволяют создавать несколько видов этого материала. Каждый тип материала предназначен для определенной области использования и значительно отличается от других видов своими характеристиками.

Текстурированная лента стекловолокна
применяемая как жаростойкий изолятор…

Электроизоляционная стеклоткань. Данный тип материала применяется в качестве тепло- и электроизоляционного слоя. Может использоваться в изготовлении разных видов облегченного стеклопластика.

Конструкционная стеклоткань. В соединении со стеклопластиком образует стройматериалы, имеющие повышенную прочность и большую ударную вязкость.

Ткань на основе базальтового волокна. Имеет отличные теплоизоляционные свойства. Применяется в качестве утеплительного слоя.

Кремнеземная стеклоткань. Этот материал – отменный заменитель асбеста, способный выдержать температуру до 1800 градусов. Такая стеклоткань считается совершенно экологически чистым сырьем, чего нельзя сказать об асбесте.

Рулон стекловолокна (весом примерно 40 кг)…

Области применения стекловолокна

Ровинговая стеклоткань. Благодаря своему широкому температурному диапазону этот материал чаще других применяется в различных отраслях промышленности.

Нужно добавить, что все эти виды стеклоткани имеют несколько главных качеств, которые наблюдаются у каждого вида данного материала. Такими эксплуатационными характеристиками являются экологичность, химическая стойкость, долговечность и большая прочность. Помимо этого почти все виды стеклотканей обладают высокими теплоизоляционными качествами.

Что знали о стекловолокне в прошлом веке? Видео.

Фото: moldmakingninja.com, cnbm2007.en.made-in-china.com, taishanjinyu.com

Основу жилого дома составляют стены, поэтому главными требованиями к ним являются прочность в сочетании со способностью удерживать тепло. Наиболее распространенными материалами для возведения стен уже много десятилетий и даже веков остаются камень, дерево, кирпич и бетон. Бетон применяют для изготовления монолитных конструкций методом заливки раствора в съемную (или несъемную) опалубку. Съемную опалубку, дождавшись отвердения бетона,…

Обои винилового типа относятся к новым видам обоев. Их отличительная черта заключается в двухслойном строении, которое выполняется из флизелинового или бумажного нижнего слоя, и декоративного верхнего слоя поливинилхлорида. В декоративных целях верхний слой зачастую может быть выполнен с индивидуальным тиснением либо рисунком. Флизелиновый поливинилхлорид - это материал, имеющий очень высокую стойкость к температурным режимам, влажности…

Технологии теплых полов появились достаточно давно. Но только сегодня они доступны широким массам. Существуют две технологии теплых полов – электрическая, работающая от электросети, и водяная, которая работает от центрального отопления. Данный способ обогрева совершенно безопасен, при этом требуются минимальные затраты газа или электроэнергии, чтобы в помещении установилась необходимая температура. Когда установлены теплые полы, в помещении…

«Свет мой, зеркальце, скажи, да всю правду доложи. Я ль на свете…», ну и так далее. Эти строки с детства знакомы всем, но здесь будет говориться не о прекрасном мире поэтических сказок, а о зеркалах. Давно прошли те времена, когда зеркало считалось очень ценным предметом, а иметь его могли очень зажиточные и богатые люди. Ко…

Лучшее место для применения зелёного цвета и его оттенков – несомненно, спальня. Бледно-зелёные обои, постельное бельё нежной зелени успокоят нервы, дадут отдых глазам и попросту усыпят. Интерьер спальни можно разбавить «морской волной». Прекрасное сочетание. И медики не остались в стороне. По их мнению, зелёный цвет завоевывает жилые и производственные помещения по причине нехватки естественных цветов…

СТЕКЛЯННЫЕ ВОЛОКНА (СВ)

1. Природа СВ и способы получения

2. Виды и формы СВ

3. Основные свойства СВ

4. Ассортимент и применение

5. Высокосиликаты (кварцевые 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, %

Состав	Марка стекла
А (высоко-щелочное)	С(химически-стойкое)	Е (электроизо-ляцнонное)	S (высоко-прочное)
Окись кремния	72,00	64,6	54,3	64,20
Окись алюминия	0,6	4,1	15,2	24,80
Окись железа	-	-	-	0,21
Окись кальция	10,00	13,2	17,2	0,01
Окись магния	2,5	3,3	4,7	10,27
Окись натрия	14,2	7,7	0,6	0,27
Окись калия	-	1,7		-
Окись бора	-	4,7	8,0	0,01
Окись бария	-	0,9	-	0,20
Прочие вещества	0,7	-		-.

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).

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

Рисунок 1 - Схема одностадийного получения стекловолокна:

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 6 – Основные характеристики крученных комплексных нитей

Марка	Техническая документация	Линейная плотность, текс	Крутка, кр/м	Тип замасливателя, потери при прокаливании, % (масс.)
Нити из алюмоборосиликатного стекла
БС6-2бх1х4(у)	ТУ6-11-116-75	104±12	100±10	ПЭ н/б 2,0
БС5-3,4х1х2-80	ТУ6-11-383-76	6,8±0,5	150±15	№ 80 0,8-2,0
Нити из бесщелочного безборного стекла Т-273А
ТС8-26х1х4	ТУ6-11-431-77	104±6		ПЭ1,5-0,5
ТС8-26х1х2	То же	52±4		ПЭ1,5-0,5
Нити кремнеземные из стекла № 11
КПС6-180	ОСТ-П-389-74	18О±14	150±10
КПС6-180-13	То же	То же	150±10	№ 13
КПС6-170-БА	ОСТ-11 -389-74	170±20	150±10	№ 13
Нити кварцевые
КС11-7х4хЗ	ТУ6-11-82-75		100±15	ПЭ н/б 2,5
КС11-17x2x3	То же		100±15	То же

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 (SiO 2) основы, существующей в виде полимерных цепочек (- SiO 4 -). 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 (C 1 -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.

Виды и формы

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/м 3 , 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 2). Значения диаметров, выраженные в микрометрах, округлены.

Таблица 2 - Маркировка и размеры элементарных стекловолокон

Маркировка	Диаметр, мкм	Маркировка	Диаметр, мкм	Маркировка	Диаметр, мкм
В	3,8	DE	6,0	H	10,0
С	4,5	Е	7.0	K	13,0
D	5,0	G	9,0

Основные свойства

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 2).

Таблица 2 - Механические свойства СВ

Тип, парка стекла	Е, ГПа	d раст, МПа	e, %
Алюмоборосиликатиое Е-стекло	73,5		4,8
Высокомодульное ВМ-1 (РФ)			4,8
М-стекло (США)			…
Высокопрочное магнийалюмосиликатное
ВМП (РФ)		…	…
УП-68 (РФ)	84,7	...	...
УП-73 (РФ)	82,6	…	…
S-994 (США)	86,8	4650 - 4900	5,4
D-стекло с низкой диэлектрической проницаемостью (США)	52,5		4,7
Известково-натриевое А-стекло (США)	66,0		4,0
Кислотостойкое
№ 7-А (РФ)	74,0		3,6
С-стекло (США)	70,0		...
Плавленый кварц	74,2		...
Свинцовосиликатное L-стекло (США)	51,0		4,6

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.

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).

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.

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 % SiO 2) не плавятся и не испаряются до температуры 1923 К. Все виды кремнеземных волокон имеют хорошие теплофизические (при температуре 538 К l = 0,087 Вт/(м´К), с = 1,006 кДж/(кг´К)) 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 (l = 0,22 Вт/(м´К) при температуре 373 К), звукоизоляционные свойства и низкую плотность (80 - 100 кг/м 3) 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 SiO 2 .

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 3 - Свойства стекловолокон

Свойства	Марка стекла
А	С	Е	S
Физические
Плотность, кг/м 3
Твердость по Моосу	-	6,5	6,5	6,5
Механические
Предел прочности при растяжении МПа:
при 22 °С
при 371 °С	-	-
при 533 °С	-	-
Модуль упругости при растяжении при 22°С, МПа	-	69,о	72,4	85,5
Предел текучести, %	-	4,8	4,8	5,7
Упругое восстановление, К	-
Термические
Коэффициент линейного термического расширения, 10 -6 К -1	8,6	7,2		5,6
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)	-	-	10,4	-
Удельная теплоемкость при 22 °С	-	0,212	0,197	0,176
Температура размягчения, °С				-
Электрические
Электрическая прочность, В/мм			19 920
Диэлектрическая постоянная при 22°С: при 60 Гц	-		5,9 - 6,4	5,0 - 5,4
при 1 МГц	6,9		6,3	5,1
Потери при 22°С: при 60 Гц			0,005	0,003
при 1 МГц	-	-	0,002	0,003
Объемное сопротивление при 22 °С и 500 В постоянного тока, Ом-м	-	-	10 17	10 18
Поверхностное сопротивление при 22 °С и 500 В постоянного тока, Ом-м	-	-	10 15	10 16
Оптические
Коэффициент преломления	-	-	1,547	1,423
Акустические
Скорость звука, м/с	-	-

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 SiO 2 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 5.

Таблица 5 – Характеристики стеклянных волокон

Свойства	Марка стекла*
MAC	АБС	КС
Физические:
плотность r, кг/м 3
Механические:
предел прочности при растяжении s, МПа:
при 22 °С
при 371 °С			-
пои 533 °С			-
Модуль упругости при растяжении Е, МПа, при 22 °С	85,5	72,4
Предел текучести стт, %	5,7	4,8	4,8
Термические: КЛТР a´10 6 , К -1	5,6		7,2
Коэффициент теплопроводности X, Вт/(мК)		10,4
Удельная теплоемкость, Дж/(кгК), при 22 °С	0,176	0,197	0,212
Температура размягчения Т, °С	-

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

СТЕКЛЯННОЕ ВОЛОКНО (стекловолокно), формуемое из расплавл. неорг. стекла. Различают непрерывное стеклянное волокно-комплексные стеклянные нити длиной 20 км (и более), диаметром 3-50 мкм, и штапельное стеклянное волокно-длиной 1-50 см, диаметром волокон 0,1-20 мкм.

Получение. Непрерывное стеклянное волокно получают фильерным формованием пучка тонких из расплавл. стекломассы с послед., вытяжкой, замасливанием и намоткой комплексной нити на бобину при высоких (10-100 м/с) линейных скоростях. Штапельное стеклянное волокно формуют путем разрыва струи расплавл. стекла после выхода из фильеры , горячими или др. методами. Его также получают разрубанием комплексных нитей.

Из непрерывного стеклянного волокна делают крученые комплексные нити, однонаправленные ленты, жгуты. Комплексные стеклянные нити различают по составу стекла, среднему диаметру волокна (3-15 мкм или более), числу элементарных нитей (50-800), крутке. Из крученой нити изготовляют , сетки, ленты на ткацких станках. Стеклянные различают по виду переплетения (полотняное, саржевое, сатиновое и др.) и плотности (числу нитей на 1 см по основе и утку). Их ширина варьирует в пределах 500-1200 мм, толщина-0,017-25 мм, масса 1 м 2 -25-5000 г. Жгуты и ленты получают соединением 10-60 комплексных нитей. Штапельные стеклянные волокна и пряди нитей, срезанные с бобин (длина 0,3-0,6 м), используют для изготовления стекловаты, холстов, матов, плит. Холсты, полученные из рубленого стекловолокна или непрерывных нитей, обычно смолами или мех. прошивкой.

Состав и свойства стеклянного волокна определяются составом и св-вами волокнообразующего стекла, из к-рого его изготовляют. В зависимости от состава различают неск. марок такого стекла (табл. 1).

А-стекло называют также известково-натриевым, С-стекло -натрийборосиликатным, E-стекло - алюмоборосиликатным, S-стекло - магнезиальноалюмосиликатным. Наиб. важные характеристики стеклянных волокон приведены в табл. 2.

Повыш. стеклянного волокна (по сравнению с исходным стеклом) объясняют по-разному: "замораживанием" изотропной структуры высокотемпературного стекла или наличием прочного поверхностного слоя (толщина ок. 0,01 мкм), к-рый образуется в процессе формования вследствие большей и вытяжки по сравнению с внутр. слоями.

При кратковременном нагружении стеклянное волокно ведет себя практически как упругое хрупкое тело, вплоть до разрыва подчиняясь . При длит. действии нагрузки наблюдается возрастание , упругое последействие, зависящее от состава стекла и . С увеличением диаметра волокна возрастает сопротивление изгибу и кручению и уменьшается при растяжении. Во влажном , в и в водных р-рах ПАВ стеклянного волокна снижается на 50-60%, но частично восстанавливается после .

Из высокощелочного А-стекла получают волокна, к-рые менее устойчивы к , чем волокна из E-стекла, но стойки к действию .

Более высокую хим. стойкость по сравнению с А-стеклом обеспечивает С-стекло. Потеря массы волокон из таких стекол при обработке составляет 0,02-0,05 г/м, а при обработке щелочными р-рами-0,3-2,5 г/м.

Волокна из S-стекла имеют наиб. высокую и повыш. .

В зависимости от толщины; плотности переплетения и вида поверхностной обработки стеклянные могут обладать высокими значениями коэф. светопропускания (до 64%), звукопоглощения (до 90% при частотах 500-2000 гц), отражения (до 80%).

Применение. Стеклянные волокна служат конструкционными, электро-, звуко- и теплоизоляц. материалами. Их используют в произ-ве фильтровальных материалов, стеклянной и др. Как правило, А-стекло перерабатывают в и используют в виде матов и плит для звуко- и теплоизоляции. Стекловолокнистые материалы благодаря высокой имеют малый коэф"

Время чтения: 3 минуты

Существуют чудесные технологии, благодаря которым вещество меняет свои свойства буквально на противоположные. В результате одного такого преображения хрупкое и звонкое стекло превращается в мягкую материю, обладающую новыми, потрясающими качествами. Это и есть так называемая стеклоткань.

Производство

Стеклоткань – это технический материал, который получается из стекловолоконных нитей, пропитанных так называемым замаслеванителем – эмульсией, содержащей парафин. Производство востребованных в народном хозяйстве технических тканей всегда регламентируются государственными стандартами. Стеклоткань не является исключением, она вырабатывается в строгом соответствии с ГОСТ 19907-83.

Рассмотрим подробнее, что же это такое, стекловолокно? Сырьём для материала является силикатное стекло с содержанием алюминия и бора. Его растапливают в специальных печах и продавливают через тончайшие отверстия-фильеры. Полученные волокна отличаются мягкостью, эластичностью и особой тонкостью. Их диаметр зачастую гораздо меньше человеческого волоса и составляет от 3 до 100 микрометров. Они невероятно легкие, например, вес 1м 2 стеклоткани Э3/2-100 равен всего 120 г. При этом они обладают невероятной прочностью. Поражает и длина волокон, составляющая 20 километров.

Крепко скрученные нити наматывают на бабины и отправляют в дальнейшую обработку на челночные или бесчелночные ткацкие станки, где различными способами плетения и создаётся стеклоткань.

Волокна тканного материала соединены в несколько нитей. Нетканое стекловолокно таких пучков не имеет: нити ложатся по одной.

Свойства стеклоткани

Материал обладает парадоксальными для тканей качествами.

• Невоспламеняемость и негорючесть. Стеклоткань выдерживает кратковременное воздействие открытого огня.
• Экологическая чистота и абсолютная нетоксичность.
• Химическая и биологическая инертность. Изделия выносят обработку щелочами и кислотами, они не гниют и не являются питательным субстратом для микроорганизмов.
• Невосприимчивость к ультрафиолетовым лучам.
• Беспримерная прочность, превышающая аналогичный показатель стальной проволоки.
• Долговечность, не знающая конкуренции.
• Отсутствие таких явлений, как механический износ и коррозия.

Виды материи и их использование

Марки стеклоткани отличаются различной устойчивостью к воздействиям химических веществ и высоким нагрузкам. На свойства материала во многом влияет способ переплетения нитей. Например, электроизоляционные ткани создаются полотняным плетением, конструкционные – полотняным и сатиновым, а фильтровальные ещё и саржевым методом. Итак, материал бывает следующих видов:

• Конструкционные – самые популярные, они идут на армирование стеклопластика и на производство надёжных конструкций в автомобильном, авиационном и судостроении.
• Ровинговые – лучшие материи для стеклорубероида. (Ровингом называют плоский жгут из стекловолокон, который получают сращиванием нескольких нитей.) Из них также делают корпуса яхт, катеров, автомобилей, детали летательных аппаратов.
• Изоляционные – востребованы при изготовления тепло-или гидроизоляции.

• Электроизоляционные – менее востребованная стеклоткань. Она идёт на производство печатных плат, фальгированных диэлектриков, а также на электроизоляцию теплопроводов.
• Базальтовые – выдерживают температуру до +700 о С.
• Кремнезёмные – наиболее термостойкие ткани, выдерживающие до +1200 о С. Их применяют в качестве покрывал при сварке, из них шьют средства первой защиты при пожаре.

Другие области применения

Кроме указанных областей, стеклоткань идёт на изготовление кровельных материалов: более дешёвых гладких и не деформирующихся, но более дорогих каркасных.

Используют для утепления и гидроизоляции домов, трубопроводов и автомобилей.

Из стеклоткани делают уникальные по прочности и конфигурации детали для аппаратов и станков.

В 1970-е годы цветное стекловолокно шло даже на украшение интерьеров. Тогда были весьма модными шторы, абажуры и торшеры из этой ткани.

Негорючесть материала служит основанием для использования стеклоткани на некоторых огнеопасных производствах и в наши дни.

Особенность утилизации

Стеклоткань – это нетоксичный материал, который можно утилизировать, как прочий строительный мусор. Однако при его измельчении в воздух попадает множество микрочастиц, способных вызвать зуд на коже, попасть в дыхательные пути и нанести вред здоровью. При утилизации стекломатерий следует соблюдать некоторые правила.

• Работу производить в перчатках и масках.
• Включать вытяжную вентиляцию.
• Минимизировать количество разрезов.
• Смачивать ткань при измельчении.
• Утилизированный материал должен находиться в герметичных пакетах, а рабочее место требует своевременной и тщательной очистки.

Этот необычный материал сегодня стал неотъемлемой частью нашей жизни. Путешествуем ли мы на поезде, летим ли на самолёте, передвигаемся на автомобиле или бороздим океанские просторы на круизном лайнере, кругом нам окружают предметы из стеклоткани или стеклопластика. Лёгкие, надёжные, экологичные изделия делают жизнь эстетичнее и комфортнее, а нашу планету – чище.

В такой форме стекло демонстрирует необычные для стекла 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 . Волосы Пеле имеют химический состав базальтовых пород, имеют включения кристаллов и по физико-механическим свойствам не являются аналогами стекловолокна .

Виды стекловолокна (стеклонити)

Стекловолокно экструдируют из расплава стекла специального химического состава. Экструзия, как и в других случаях, производится путем 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 паковке 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 крученые нити (ровинги) на крутильно-размоточных машинах. Данные полуфабрикаты далее могут быть подвергнуты любым формам текстильной переработки в крученые 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 путем 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 прочеса, 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 композитов (т. н. «препреги»). 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 осуществлен 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 др. методами.

Физико-механические свойства

Свойства высокомодульных волокон и однонаправленных эпоксидных композиционных материалов:

Тип волокон	Марка волокна	Свойства волокон длиной 10 мм		Свойства композиционных материалов
		σ в	E	σ в	E	σ в / (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

Объемная доля наполнителя 60 %.

Механические свойства волокон:

Марка стекла	Плотность ρ, 10 −3 кг/м 3	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 стекол влияют микроскопические дефекты и царапины на поверхности, для конструктивных целей в основном применяют стекло с прочностью на растяжение 50 МПа. Стекла имеют Модуль Юнга около 70 ГПа.

См. также

Примечания

5. Аблесимов Н.Е., Земцов А.Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна. Раздел 6.1.1. Терминология. Москва, ИТиГ ДВО РАН, 2010. 400 с.

Волокна
Природные (натуральные)
Вискозные