Введение

Тип пластика, армированного стекловолокном – тип композиционного материала.

Стекловолокно (американский английский) или стеклопластик (британский английский) – распространенный тип волокноармированного пластика, использующий стекловолокно. Волокна могут быть расположены хаотично, сплющены в лист, называемый матом из рубленого волокна, или сплетены в стеклоткань. Пластиковая матрица может быть термореактивной полимерной матрицей – чаще всего на основе термореактивных полимеров, таких как эпоксидные, полиэфирные или винилэфирные смолы, – или термопластом. Более дешевый и гибкий, чем углепластик, он прочнее многих металлов по весу, немагнитен, не проводит электричество, прозрачен для электромагнитного излучения, может быть формован в сложные формы и химически инертен в большинстве случаев. Области применения включают самолеты, лодки, автомобили, ванны и душевые кабины, бассейны, джакузи, септики, резервуары для воды, кровлю, трубы, облицовку, ортопедические гипсы, доски для серфинга и внешние панели дверей. Другие распространенные названия стекловолокна – стеклопластик (GRP), стекловолокноармированный пластик (GFRP) или GFK (от Glasfaserverstärkter Kunststoff). Поскольку само стекловолокно иногда называют "стеклопластиком", композиционный материал также называют стеклопластиком, армированным волокном (FRP). В данной статье под термином "стекловолокно" понимается полный волокноусиленный композиционный материал, а не только стекловолокно, входящее в его состав. Полимеры, армированные углеродным волокном, – это аналогичный композиционный материал, в котором армирующим элементом являются углеродные волокна.

История

Стеклянные волокна производились на протяжении веков, но самый ранний патент был выдан прусскому изобретателю Герману Хаммесфайру (1845–1914) в США в 1880 году. Массовое производство стеклянных нитей было случайно открыто в 1932 году, когда исследователь из компании Owens-Illinois, Геймс Слейтер, направил струю сжатого воздуха на поток расплавленного стекла и получил волокна. Патент на этот метод производства стеклянной ваты был впервые подан в 1933 году. В 1935 году Owens объединился с компанией Corning, и метод был адаптирован Owens Corning для производства запатентованного "Fiberglas" (с одним "s") в 1936 году. Изначально Fiberglas представлял собой стеклянную вату с волокнами, удерживающими большое количество газа, что делало его полезным в качестве изолятора, особенно при высоких температурах. Подходящая смола для соединения стекловолокна с пластиком для получения композитного материала была разработана в 1936 году компанией DuPont. Первым предшественником современных полиэфирных смол является смола Cyanamid 1942 года. К тому времени уже использовались системы отверждения пероксидами. Сочетание стекловолокна и смолы привело к замене газообразного содержания материала пластиком. Это снизило изоляционные свойства до значений, типичных для пластика, но впервые композит продемонстрировал высокую прочность и перспективность в качестве конструкционного и строительного материала. Многие композиты из стекловолокна продолжали называться "стекловолокном" (как общее название), и это название также использовалось для продукта из стеклянной ваты низкой плотности, содержащего газ вместо пластика. Рэю Грину из Owens Corning приписывают создание первой композитной лодки в 1937 году, но в то время разработка не была продолжена из-за хрупкости используемого пластика. В 1939 году сообщалось, что в России был построен пассажирский катер из пластмассовых материалов, а в США – фюзеляж и крылья самолета. Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был прототип Stout Scarab 1946 года, но модель не поступила в производство.

Волокна

В отличие от стеклянных волокон, применяемых для теплоизоляции, для обеспечения прочности конечной конструкции поверхности волокон должны быть практически полностью лишены дефектов, что позволяет им достигать прочности на растяжение в гигапаскалях. Если бы массивный кусок стекла не содержал дефектов, он был бы столь же прочным, как стекловолокно; однако, производство и поддержание массивного материала в состоянии, свободном от дефектов, вне лабораторных условий обычно нецелесообразно.

Производство

Процесс изготовления стекловолокна называется пултрузией. В процессе производства стекловолокна, пригодного для армирования, используются большие печи для постепенного плавления кремнезема, известняка, каолиновой глины, фторспара, колеманита, доломита и других минералов до образования жидкого состояния. Затем расплав экструдируется через фильеры (спинереты), представляющие собой пучки очень маленьких отверстий (обычно диаметром 5–25 микрометров для стекла E, 9 микрометров для стекла S). Эти нити затем подвергаются обработке размером (покрываются) химическим раствором. Отдельные нити объединяются в большие пучки, образуя ровинг. Диаметр нитей и количество нитей в ровинге определяют его вес, который обычно выражается в одной из двух систем измерения:
условная длина, или ярды на фунт (количество ярдов волокна в одном фунте материала; следовательно, меньшее число означает более тяжелый ровинг). Примеры стандартной условной длины: 225, 450, 675. текс, или граммы на километр (вес 1 км ровинга в граммах, обратный показатель условной длины; следовательно, меньшее число означает более легкий ровинг). Примеры стандартного текса: 750, 1100, 2200. Эти ровинги затем используются либо непосредственно в композиционных приложениях, таких как пултрузия, намотка волокном (для производства труб), ровинг для аппликаторов (где автоматический аппликатор нарезает стекло на короткие отрезки и подает его в струю смолы, которая распыляется на поверхность формы), либо на промежуточном этапе для изготовления тканей, таких как маты из рубленого волокна (CSM) (изготовленные из случайно ориентированных коротких отрезков волокна, скрепленных вместе), тканые материалы, трикотажные материалы или однонаправленные ткани.

Матрас из нарезанных нитей

Рубленая стекломат или CSM – это вид армирующего материала, используемый в стеклопластике. Он состоит из хаотично расположенных стеклянных волокон, скрепленных связующим веществом. Обычно его обрабатывают методом ручной формовки, при котором листы материала укладываются на форму и пропитываются смолой. Поскольку связующее вещество растворяется в смоле, материал легко принимает различные формы при пропитке. После отверждения смолы, затвердевший продукт можно извлечь из формы и подвергнуть дальнейшей обработке. Использование рубленого стекломата обеспечивает стеклопластику изотропные свойства в плоскости.

Свойства

Каждое структурное стекловолокно обладает как жесткостью, так и прочностью на растяжение и сжатие – то есть вдоль своей оси. Хотя может показаться, что волокно слабо при сжатии, на самом деле это связано лишь с большим отношением длины к ширине волокна, из-за чего оно легко гнется. Однако композиты на основе стекловолокна (GFRP) могут сохранять значительную остаточную прочность после воздействия высоких температур (200 °C).

Типы используемых стекловолокнов

Наиболее распространенным типом стекловолокна, используемого в стеклопластике, является стекло E, представляющее собой алюмоборосиликатное стекло с содержанием щелочных оксидов менее 1% по массе, которое в основном используется для производства стеклопластиков. Другие используемые типы стекла включают стекло A (алкальное известьсодержащее стекло с небольшим содержанием или полным отсутствием оксида бора), стекло E CR (электрическая/химическая стойкость; алюмоизвестьсиликатное стекло с содержанием щелочных оксидов менее 1% по массе и высокой кислотостойкостью), стекло C (алкальное известьсодержащее стекло с высоким содержанием оксида бора, используемое для штапельного стекловолокна и изоляции), стекло D (боросиликатное стекло, названное так из-за его низкой диэлектрической проницаемости), стекло R (алюмосиликатное стекло без MgO и CaO с высокими механическими требованиями в качестве армирующего материала) и стекло S (алюмосиликатное стекло без CaO, но с высоким содержанием MgO и высокой прочностью на растяжение). Чистый диоксид кремния (кремнезем), охлажденный в виде кварцевого стекла, не имеющего четкой температуры плавления, может использоваться в качестве стекловолокна для стеклопластика, но его обработка требует очень высоких температур. Для снижения необходимой температуры обработки вводятся другие материалы в качестве "флюсов" (то есть компонентов, снижающих температуру плавления). Обычное стекло A ("A" обозначает "алкальное известьсодержащее") или содоизвестьсодержащее стекло, измельченное и готовое к переплавке в виде так называемого стеклобоя, было первым типом стекла, использованным для производства стеклопластика. Стекло E ("E" от "electrical" – электрическое применение) не содержит щелочей и было первой стеклоформулой, использованной для получения непрерывного волокна. В настоящее время оно составляет основную часть мирового производства стеклопластика и является крупнейшим потребителем минералов бора в мире. Оно подвержено воздействию хлорид-ионов и не подходит для морского применения. Стекло S ("S" от "stiff" – жесткое) используется, когда важна прочность на растяжение (высокий модуль упругости) и поэтому является важным компонентом эпоксидных композитов для строительства и авиации (в Европе оно называется стекло R, "R" от "reinforcement" – армирование). Стекло C ("C" от "chemical resistance" – химическая стойкость) и стекло T ("T" от "thermal insulator" – теплоизолятор, североамериканский вариант стекла C) устойчивы к химическому воздействию; оба часто используются в изоляционных марках надувного стекловолокна.

Резервуары для хранения

Резервуары для хранения могут быть изготовлены из стеклопластика вместимостью до примерно 300 тонн. Меньшие резервуары могут быть изготовлены путем намотки рубленного волокна на термопластичный внутренний резервуар, который служит предварительной формой в процессе изготовления. Гораздо более надежные резервуары изготавливаются с использованием тканого мата или намотки волокна, при этом ориентация волокна перпендикулярна обручному напряжению, возникающему в боковой стенке под действием содержимого. Такие резервуары обычно используются для хранения химических веществ, поскольку пластиковая футеровка (часто из полипропилена) устойчива к широкому спектру агрессивных химических веществ. Стеклопластик также используется для изготовления септиков.

Строительство домов

Стеклопластики также используются для изготовления строительных элементов для домов, таких как кровельный ламинат, обрамления дверей, козырьки над дверями, оконные козырьки и мансардные окна, дымоходы, системы облицовки и перемычки с замковыми камнями и подоконниками. Сниженный вес материала и удобство в обработке по сравнению с деревом или металлом обеспечивают более быстрый монтаж. Массово выпускаемые панели из стекловолокна с эффектом кирпичной кладки могут использоваться при строительстве сборных домов и могут включать теплоизоляцию для снижения теплопотерь.

Системы искусственного подъема нефти и газа

В системах штанговых глубинных насосов часто используются штанги из стекловолокна благодаря их высокому отношению прочности на растяжение к весу. Штанги из стекловолокна имеют преимущество перед стальными, поскольку они обладают большей эластичностью (более низким модулем Юнга) при той же массе, что позволяет поднимать больше нефти из пласта на поверхность с каждым ходом, одновременно снижая нагрузку на привод насоса. Однако штанги из стекловолокна необходимо поддерживать в натяжении, так как они легко разрушаются даже при небольшом сжатии. Плавучесть штанг в жидкости усиливает эту склонность.

Катание на лодке

Лодки из стеклопластика производятся с начала 1940-х годов, и многие парусные суда, построенные после 1950 года, были изготовлены с использованием технологии формования методом наложения стекловолокна. По состоянию на 2022 год лодки продолжают производиться из стеклопластика, однако в процессе строительства применяются более современные технологии, такие как вакуумная инфузия.

Броня

Хотя большинство пулезащитных бронежилетов изготавливаются из различных тканей, композиты на основе стекловолокна доказали свою эффективность в качестве баллистической защиты.

Намотка нитей

Намотка нитей – это технология изготовления, преимущественно используемая для производства открытых (цилиндров) или закрытых конструкций (напорных сосудов или резервуаров). Процесс заключается в намотке нитей под натяжением на оправку. Оправка вращается, а ветровой люнет на каретке перемещается горизонтально, укладывая волокна в заданном узоре. Наиболее распространенными материалами для нитей являются углеродное или стекловолокно, которые покрываются синтетической смолой в процессе намотки. После того как оправка полностью покрыта до необходимой толщины, смола отверждается; часто для этого оправку помещают в печь, хотя иногда используются излучающие нагреватели при продолжающемся вращении оправки в машине. После отверждения смолы оправку удаляют, оставляя полый конечный продукт. В некоторых изделиях, таких как газовые баллоны, "оправка" является постоянной частью готового изделия, формируя вкладыш для предотвращения утечки газа или служа барьером для защиты композита от хранимой жидкости. Намотка нитей хорошо поддается автоматизации, и существует множество областей применения, например, производство труб и небольших сосудов под давлением, которые наматываются и отверждаются без участия человека. Контролируемые параметры при намотке включают тип волокна, содержание смолы, угол намотки, ширину ленты или пучка и толщину волокнистого пучка. Угол, под которым располагается волокно, влияет на свойства конечного продукта. Высокий угол "хомута" обеспечивает прочность по окружности или устойчивость к разрыву, в то время как более низкие углы (полярные или спиральные) обеспечивают большую продольную прочность на растяжение. В настоящее время эта технология используется для производства широкого спектра продукции, включая трубы, клюшки для гольфа, корпуса мембран обратного осмоса, весла, вилки для велосипедов, ободы велосипедных колес, опоры линий электропередач и связи, сосуды под давлением, корпуса ракет, фюзеляжи самолетов, уличные фонари и мачты яхт.

Ручная установка стекловолокна

На выбранную форму наносится разделительный состав, обычно в виде воска или жидкости, чтобы обеспечить чистое извлечение готового изделия из формы. Смола – как правило, двухкомпонентный термореактивный полиэстер, винил или эпоксидная – смешивается с отвердителем и наносится на поверхность. В форму укладываются слои стекломата, затем добавляется больше смоляной смеси кистью или валиком. Материал должен плотно прилегать к форме, и между стекловолокном и формой не должно оставаться воздуха. Наносится дополнительная смола и, возможно, дополнительные слои стекломата. Ручное давление, вакуум или валики используются для обеспечения полного пропитывания смолой всех слоев и удаления воздушных пузырей. Работу необходимо выполнять быстро, пока смола не начала отверждаться, если только не используются высокотемпературные смолы, которые отвердеют только после нагрева детали в печи. В некоторых случаях работу накрывают пластиковой пленкой и создают вакуум для удаления пузырьков воздуха и прижима стекловолокна к форме.

Операция по заправке распылением стекловолокна

Процесс распыления стекловолокна аналогичен процессу ручной формовки, но отличается способом нанесения волокна и смолы на форму. Распыление – это технология открытой формовки композиционных материалов, при которой смола и армирующие материалы распыляются на форму. Смола и стекло могут наноситься раздельно или одновременно в виде "рубленого" волокна из рубящего пистолета (чоппера). Рабочие прокатывают распыленный материал для уплотнения ламината. Затем может быть добавлен деревянный брус, пенопласт или другой сердечник, и вторичный слой распыления заключает сердечник между слоями ламината. После этого деталь отверждается, охлаждается и извлекается из многоразовой формы.

Операция пультрузии

Пултрузия — это метод производства, используемый для изготовления прочных и легких композитных материалов. В процессе пултрузии материал вытягивается через формовочное оборудование либо вручную, либо с помощью непрерывных роликов (в отличие от экструзии, где материал продавливается через фильеры). При пултрузии стеклопластика волокна (стекловолокно) вытягиваются с бобин через устройство, которое покрывает их смолой. Затем они обычно подвергаются термообработке и нарезаются по требуемой длине. Стеклопластик, изготовленный таким способом, может иметь различные формы и поперечные сечения, например, W-образные или S-образные.

Сгибание

Одна из заметных особенностей стеклопластика заключается в том, что используемые смолы сжимаются в процессе отверждения. Для полиэстера это сжатие часто составляет 5–6%, для эпоксидных смол – около 2%. Поскольку волокна не сжимаются, эта разница может приводить к изменению формы изделия в процессе отверждения. Деформации могут возникать через часы, дни или недели после того, как смола затвердеет. Хотя эту деформацию можно минимизировать за счет симметричного расположения волокон в конструкции, создается определенное внутреннее напряжение, и если оно превысит допустимый предел, образуются трещины.

Опасность для здоровья

В июне 2011 года Национальная токсикологическая программа США (NTP) исключила из своего Отчета о канцерогенах всю биорастворимую стеклянную вату, используемую для тепло- и звукоизоляции жилых и промышленных зданий, а также для продукции, не предназначенной для изоляции. Однако NTP считает, что пыль, образующаяся при работе со стекловолокном, "вероятно, является канцерогеном для человека (определенные волокна стеклянной ваты (вдыхаемые))". Аналогично, Управление по оценке экологических рисков для здоровья штата Калифорния ("OEHHA") опубликовало в ноябре 2011 года изменения в свой список Proposition 65, включив в него только "волокна стеклянной шерсти (вдыхаемые и биостойкие)". Действия NTP США и OEHHA Калифорнии означают, что маркировка о канцерогенности для биорастворимой стеклянной ваты, используемой для изоляции жилых и промышленных зданий, больше не требуется в соответствии с федеральным законодательством или законодательством штата Калифорния. Все виды стекловолокна, обычно используемые для тепло- и звукоизоляции, были переклассифицированы Международным агентством по изучению рака (IARC) в октябре 2001 года как неклассифицируемые по канцерогенности для человека (Группа 3). Воздействие стекловолокна на рабочем месте может происходить при вдыхании, контакте с кожей или глазами. Управление по охране труда и гигиене труда (OSHA) установило предельно допустимую концентрацию (ПДК) для воздействия стекловолокна на рабочем месте в размере 15 мг/м³ в общем и 5 мг/м³ для респираторного воздействия в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в 3 волокна/см³ (диаметром менее 3,5 микрометра и длиной более 10 микрометров) в среднем за 8-часовой рабочий день, а также общий предел в 5 мг/м³. Европейский Союз и Германия классифицируют синтетические стекловидные волокна как потенциально или вероятно канцерогенные, но волокна могут быть исключены из этой классификации, если они проходят специальные тесты. Основой для этих классификаций являются в основном исследования на экспериментальных животных и механизмы канцерогенеза. Эпидемиологические исследования стеклянной ваты были рассмотрены группой международных экспертов, созванной IARC. Эти эксперты пришли к выводу: "Эпидемиологические исследования, опубликованные за 15 лет после предыдущего обзора этих волокон IARC в 1988 году, не предоставляют доказательств увеличения риска рака легких или мезотелиомы (рак оболочки полостей тела) при профессиональном воздействии во время производства этих материалов, и в целом недостаточны для оценки любого риска развития рака". Аналогичные обзоры эпидемиологических исследований были проведены Агентством по токсичным веществам и регистру заболеваний (ATSDR), Национальной токсикологической программой, Национальной академией наук и Медицинской и общественной школой здравоохранения Гарварда, которые пришли к тому же выводу, что и IARC: нет доказательств увеличения риска при профессиональном воздействии волокон стеклянной ваты. Стекловолокно раздражает глаза, кожу и дыхательную систему. Возможные симптомы включают раздражение глаз, кожи, носа, горла, затрудненное дыхание, боль в горле, охриплость и кашель. Эти правила техники безопасности не всегда соблюдаются, и стекловолокно часто остается открытым в подвалах, которые впоследствии становятся жилыми помещениями. По мнению Американской ассоциации легких, стекловолокно никогда не должно оставаться открытым в жилых помещениях. При отверждении смол выделяются пары стирола, которые раздражают слизистые оболочки и дыхательные пути. Поэтому в Германии в соответствии с Постановлением об опасных веществах установлен максимальный предел профессионального воздействия в 86 мг/м³. При определенных концентрациях может образоваться потенциально взрывоопасная смесь. Дальнейшая обработка компонентов стеклопластика (шлифовка, резка, пиление) создает мелкую пыль и опилки, содержащие стеклянные нити, а также липкую пыль в количествах, достаточных для воздействия на здоровье и функциональность машин и оборудования. Для обеспечения безопасности и эффективности требуется установка эффективного оборудования для удаления и фильтрации пыли.