8. Виды армирующих волокон

8.1. Стекловолокна

Стекловолокна применяются в производстве стеклопластиков и характеризуются высокой прочностью, теплостойкостью и хемостойкостью, не сорбируют влагу, характеризуются низкой теплопроводностью, негорючи. Плотность от 2400-2600 кг/м³. Форма поперечного сечения в основном круглая , но могут быть и профилированные , , и полые.

Промышленность выпускает стекломатериалы в виде: непрерывной нити (ткани) и штапельного волокна (маты, холсты). Получают вытяжкой из расплава.

Сырье: кварцевый песок, известняк, глина, уголь, шпат, борная кислота. Перемешивают в смесителях и плавят в высокотемпературных печах. Тпл для различного ассортимента различная, но в среднем 1260^оС.

При одностадийном процессе из расплава получают сразу нить, при двухстадийном – вначале расплав перерабатывают в стеклосферы (сами могут быть наполнителем), которые затем поступают в плавильные печи. Расплав стекла продавливается через отверстия фильеры. Нити поступают в предфильерный холодильник, где охлаждаются (закалка) в потоке водяных брызг, вытягиваются. Если через фильеры нить выходит с d = 0,8-3 мм, то при последующем вытягивании d составляет 3-19 мкм. Для предотвращения истирания хрупких волокон при транспортировке и при текстильных переработках (ткачестве) замасливаются. Технологические замасливатели - это парафиновая эмульсия или замасливатели на основе крахмала.

Собранная в пучок нить называется стренг (жгут). Скорость формования 32 км/мин.

При получении штапельного волокна расплавленная стекломасса, вытекающая из отверстия фильеры, вытягивается и разрывается воздухом – длина волокон 200-380 мм, но может быть значительно меньше, до 8 мм.

Нить кондиционируется, поступает на крутильные машины и получает крутку.

Стекло является аморфным материалом. Химически состоит в основном из кремнеземной основы (SiО₂), но чистые кварцевые волокна, содержащие 91-99% SiО₂, можно получить вытягиванием стержней, так как кварц даже при температуре 2200^оС имеет очень высокую вязкость, что делает невозможным формование из расплава через фильеру.

Наиболее распространенным являются высокощелочные натриевые (бутылочные стекла), используемые в основном для производства различных емкостей и листового стекла. Известково-натриевое стекло известно под маркой А, обладает повышенной хемостойкостью, но невысокими электрическими свойствами (табл.7).

Хорошими электроизоляционными свойствами обладают стекла на основе низкощелочных композиций (алюмоборсиликаты-Е), водостойки.

Ассортимент:

	SiО2	Аl2O3	СаО	МgО	В2О3	ВеО
1.Высокощелочное (А)	72	0,6	10	2,5	-	0,7
2.Алюмоборсиликатное (Е)	54,3	15,2	17,2	4,7	8,0	-
3.Натрийборсиликатное (С)	64,6	4,1	13,2	3,3	4,7	-
4.Магнийалюмосиликатное (S)	64,2	24,8	0,1	10,27	0,01	-
5.Бериллийкальцийсиликат-ное (М)	65	-	13,0	9,0	-	8,0

Таблица 7

Свойства волокон

Тип стекла	, кг/м3	Gр, МПа	Ер, МПа	Коэффициент линейного термического расширения х10-6, К-1	Коэффициент теплопроводности, Вт/мК	V, Омм	Е(эл..пр.) В/мм (кВ)/м
А	2500	3033	-	8,6	-	-	-
С	2490	3033	69,0	7,2	-	-	-
Е	2540	3448	72,4	5,0	10,4	1017	19920 (19,9)
S	2480	4585	85,5	5,6	-	1018	-

Е - стекла разрушаются под действием кислот и щелочей.

Из Е - стекол изготавливается большая часть стекловолокон. Могут быть созданы стекла с необходимыми характеристиками.

Особо хемостойкие – это натрийборсиликатные стекла – С. Высокопрочные стекла – магнийалюмосиликатные (S) – хемостойкие, используются для материалов несущих конструкций в самолето- и ракетостроении и характеризуются также повышенной теплостойкостью (табл.8).

Таблица 8

Свойства эпоксидных смол, армированных Е-стеклом (1:1)

Схема армирования	, кг/м3	Gр, МПа	Ер, ГПа	, Вт/мК	V, Омсм
Однонаправленные	2000	1600	56	0,4	51016
Ортогонально армированные	1900	500	26	0,3	5106

Композиция М-стекла содержит Мg и Ве, что позволяет получить стекло с модулем = 113 ГПа, но бериллий канцерогенен, что препятствует созданию коммерческой продукции.

Д-стекла характеризуются низкими диэлектрическими свойствами, а поэтому применяются в электронике, так как обладают низкой диэлектрической проницаемостью и могут применяться при создании обтекателей антенн радиолокаторов. L-стекла (свинцовые) хороши для радиационной защиты.

Стеклянные волокна термостойки: Е кварцевого волокна при 20^оС=74 МПа, а при 900^оС – 88 МПа.

Алюмоборсиликатные волокна теряют прочность при 300^оС, а А, С стекла - при 700-200^оС.

Удельная прочность стеклянных волокон (отношение прочности при растяжении к плотности) выше, чем у стальной проволоки.

Перед изготовлением стеклопластиков технологические замасливатели удаляют – выжиганием 800^оС или смывают водой, если водорастворимые.

После удаления замасливателя на поверхность волокон наносят аппреты, содействующие созданию прочной адгезионной связи на границе Н:С.В промышленности стеклопластиков аппреты способствуют снижению поверхностной энергии _f, так как в КМ должно быть согласовано _f Gn (поверхностное натяжение связующего).

В качестве аппретов применяют соединения, в которых органическая составляющая взаимодействует с полимерной матрицей, а неорганическая - со стекловолокном.

Чаще всего используется гаммаминопропилтриэтоксисилан:

Н₂N(СН₂)₃ Si(ОСН₃)₃.

При гидролизе одной или нескольких связей SiOR в молекуле аппрета образуются силональные группы SiОН, способные реагировать с гидроксильными группами на поверхности стеклянных волокон, а между стеклом и полимерной матрицей могут возникнуть ковалентные связи.

Кремнийорганические аппреты малоэффективны, поэтому стали создавать Р-N-металлосодержащие соединения, например, тетраэтилсвинец.