3.3.2. Стеклянные, кварцевые волокна

Стеклопластики являются одними из наиболее применяе­мых композиционных материалов. В 1979 г. в США было про­изведено более 900 тыс. т материалов этого типа. Такой боль­шой объем выпуска стеклопластиков обусловлен их высокими свойствами и относительно невысокой стоимостью.

Для производства стеклопластиков требуются стеклянные волокна различного типа. К настоящему времени разработано большое количество марок волокон и предложены эффектив­ные технологические процессы их производства.

Основу стекол составляет кремнезем SiО₂- Температура плавления диоксида кремния очень высока. Для ее снижения н стекло могут быть введены различные добавки, изменяющие при этом свойства конечного продукта. Стекло - это аморфный материал, не имеющий кристаллического строения. По своим физико-механическим свойствам оно занимает положение меж­ду твердым телом и жидкостью.

Спектр достоинств стеклянных волокон предопределил их широкую распространенность. Плотность волокон относитель­но невысока и находится в диапазоне (2,4...2,6)Т0³ кг/м³. Стек­ловолокна имеют высокий уровень прочности в условиях дей­ствия растягивающих напряжений, являются очень хорошими электроизоляторами. Их удельная прочность (отношение пре­дела прочности к плотности) выше, чем у стальной проволоки. Стеклянные волокна, являясь материалами неорганического происхождения, не горят и не поддерживают горение. Высокая температура плавления волокон позволяет использовать их для эксплуатации при повышенных температурах. Стеклянные во­локна имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения и высокий коэффициент теплопроводности. Они химически стойкие, не реагируют на действие большинства хи­микатов, устойчивы к воздействию грибков, бактерий и насе­комых. Стеклянные волокна обладают повышенной влагостой­костью, под действием влаги не набухают, сохраняют высокие прочностные свойства в средах с повышенной влажностью.

Обычно форма сечения стеклянных волокон представля­ет собой круг. Однако в некоторых случаях выпускают полые и профилированные волокна с формой сечения в виде треуголь­ника, квадрата, шестиугольника и прямоугольника. Стеклянные волокна используются в виде как непрерывных нитей, так и резаного (штапельного) волокна.

Технологический процесс получения волокна заключается в подготовке кварцевого песка, известняка, борной кислоты, глины, угля, флюорита и других компонентов, их перемешива­нии и плавлении в высокотемпературных печах. Температура плавления композиции составляет примерно 1260 °С. Различа­ют одно- и двухстадийные процессы получения стекловолокна.

При одностадийном процессе расплав стекла поступает непо­средственно в оборудование, позволяющее получать стеклян­ную нить, пряжу, ровинг или резаное волокно (штапель). При реализации двухстадийного процесса расплав сначала перера­батывается в стеклосферы, которые затем поступают в пла­вильные печи и далее перерабатываются в конечный продукт.

Диаметр стеклянных волокон, полученных по описанной технологии, составляет ~ 3... 19 мкм. Изменение диаметра за­висит от скорости приема нити или скорости истечения струи. При производстве стеклянных волокон контролируются многие технологические параметры, важнейшими среди которых явля­ются температура нагрева материала, вязкость расплава и др.

Свойства стекол определяются их химическим составом. Типичными (коммерческими) марками стекла считаются марки А. С, Д S. Наиболее распространены высокощелочные (натрие­вые, бутылочные) А-стекла. Наличие большого содержания щелочи определяет их невысокие электрические свойства. Для устранения этого недостатка были разработаны низкощелочные Е-стекла, имеющие хорошие электроизоляционные свойства. Из Е-стекол изготавливается большая часть текстильного ассорти­мента стекловолокон.

Для обеспечения особо высокой химической стойкости разработаны С-стекла. Высокопрочными считаются S-стекла. Прочность волокон из S-стекол примерно на 40 % выше прочно­сти волокон из Д-стекол, что объясняется более высокой проч­ностью исходной композиции. Химический состав стекол ма­рок А, С, Е и S.

Специальными марками стекол являются М,D и I.- стекла. М-стекла являются высокомодульными. Модуль Юнга их достигает 113 ГПа. Высокая канцерогенность М-стекол обусловлена присутствием в их составе окиси бериллия. D-стекла обладают низкими диэлектрическими свойствами. Их применение может быть эффективным при изготовлении обтекателей антенн и радиолокаторов. Для радиационной защиты разработаны свинцесодержащие L-стекла.

Кроме отмеченных типов стеклянных волокон, имею­щих сложный химический состав, при производстве компози­ционных материалов используются кварцевые и высокосиликат­ные волокна. Кварцевое стекло получается из естественных кри­сталлов кварца и содержит не менее 99,95 % SiO₂. Месторожде­ний чистого природного кварца, пригодных для производства высококачественных волокон, в мире немного. В частности, рудники по добыче такого кварца действуют в Бразилии.

Достоинством кварцевого волокна является его высокая проч­ность и термостойкость. При повышении температуры до 1200 К модуль упругости кварцевого волокна возрастает от 74 ГПа (при 300 К) до 83 ГПа. Высокосиликатное стекло и кварц отлично переносят тепловой удар. Стекло и кварц можно на­греть до 1093 °С и охладить в воде, что не приведет к явному изменению их структуры.

Основной способ получения волокон из кварца - их вытя­гивание из нагретых стержней (штабиков). Диаметр исходных кварцевых стержней составляет 0,2.. .2.0 мм. Основным сырьем для производства выеокосиликатного стекла является высоко­чистый песок. Кремнеземное (высокосиликатное) волокно, со­держащее 95...99 % SiO_?, получают из силикатных стекол по технологии выщелачивания. Основные этапы получения высо­косиликатного стекла:

• получение силикатного стекла с содержанием ~ 65 %

SiO₂;

• расплавление силикатного стекла;

• получение стекловолокна;

• выщелачивание в разбавленных растворах минераль­ных кислот;

• промывка водой;

• сушка;

• термическая обработка при 540°С (для удаления свя­занной воды).

Для того чтобы создать эффект объемной стекловолокон­ной пряжи, на нее необходимо воздействовать струей возду­ха. При этом происходит случайное разрушение элементар­ных волокон, расположенных на поверхности пряжи, и ее распушение. Такой процесс создания объёмной пряжи назы­вается текстурированием. Процесс разрушения элементар­ных волокон контролируется давлением воздуха и скоростью подачи пряжи.

Стекловолоконная пряжа может быть использована для производства стеклотканей. Стеклоткани как технологичный материал используют в производстве полимерных композитов. Они удобны для производства крупногабаритных изделий.

В тканях различают два типа нитей: основу и уток. Нити, ориентированные вдоль ткани, называются основой, уток пере­вивает нити основы в поперечном направлении. В зависимости от типа переплетения нитей основы и утка различают несколько видов текстильных тканей. Стеклоткани могут иметь полотня­ное переплетение, в котором нить утка проходит последова­тельно под каждой нитью основы и над ней. Достоинством это­го вида ткани является малая повреждаемость нитей и высокая степень устойчивости при проскальзывании пряжи.

Для повышения прочностных свойств и износостойкости на поверхность стеклянных волокон могут быть нанесены метал­лические покрытия, например никель, медь, железо, цинк. На­несение металлических покрытий осуществляется из паровой фазы или методом металлизации в жидкой ванне.