2.14 Стеклопластики

Стеклопластик — материал, состоящий из двух основных ком­понентов: синтетического связующего и стеклянного волокна (на­полнителя). Сущность изготовления стеклопластика состоит в том, что в неотвержденную смолу вводят стекловолокно, а затем смолу подвергают отверждению.

Стеклопластики обладают всеми достоинствами, присущими конструкционным пластмассам, отличаясь наиболее высокими из всех пластмасс прочностью и модулем упругости, а также нали­чием светопропускания, химической стойкости и радиопрозрачно­сти (т. е. способности пропускать радиоволны). Недостатками стеклопластика являются старение и горючесть.

В строительных конструкциях стеклопластики находят следу­ющее применение: а) в качестве светопроницаемого материала — для несущих элементов светопропускающих панелей стен и покры­тий, для покрытий типа оболочек и т. п.; б) в качестве материала, стойкого в химически агрессивных средах,—для несущих элементов ограждающих конструкций, емкостей, газоводов, труб ,и т. п.; д) в качестве материала, обладающего радиопроницаемостью, — для конструкций, ограждающих радиоприборы от атмосферных воздействий.

С теклянное волокно в стеклопластике является армирующим элементом. Использование стеклянного волокна обусловлено вы­сокой прочностью, которое приобретает стекло после вытягивания его в волокна. Так, предел прочности при растяжении массивного стекла (алюмоборосиликатного состава) составляет примерно 50 МПа, а полученные из него волокна выдерживают напряжение 1000—2000 МПа, т. е. их прочность в 20—40 раз больше.

Рис. 2.14. Виды стеклопластиков:

а — с прямолинейными непрерывными волокнами; б — с руб­леными стекловолокнами, расположенными хаотично;  - направления ориентированных стекловолокон.

Элементарные волокна получают из расплавленной стеклянной массы, вытягивая ее через небольшие отверстия — фильеры. Диаметр элементарных волокон зависит от скорости вы­тягивания и диаметра фильеры; для стеклопластиков обычно ис­пользуют волокна диаметром 6—20 мкм; 100—200 элементарных волокон объединяют в нити, а несколько десятков нитей (до 60) объединяют в жгуты. Благодаря малому диаметру стекловолокно приобретает гибкость, позволяющую вести его дальнейшую перера­ботку. Вместе с тем увеличенная в тысячи раз (по сравнению с массивным стеклом) поверхность стекловолокна оказывается очень чувствительной к воздействию влаги, случайным механиче­ским повреждениям и т. п.

В стеклопластиках, применяемых в строительстве, используют следующие стекловолокнистые наполнители (рис. 2.14): а) прямо­линейные непрерывные волокна, вводимые в виде жгутов, нитей или элементарных волокон; б) стекловолокно в виде коротких от­резков длиной 50 мм (рубленое стекловолокно); этот вид наполни­теля получают путём нарезания жгутов и распыления отрезков стекловолокна равномерно по поверхности изделия.

Синтетическое связующее выполняет в стеклопла­стике следующие функции: а) придает монолитность и обеспечива­ет стабильность формы готового стеклопластика; б) обеспечивает использование высокой прочности стекловолокна путем равномер­ного распределения усилий между волокнами и обеспечения их устойчивости, защиту волокон от атмосферных и других внешних воздействий; в) воспринимает часть усилий, возникающих в экс­плуатационных условиях.

В стеклопластиках чаще всего используют термореактивные смолы (полиэфирную, эпоксидную, феноло-формальдегидную) с различными модифицирующими добавками, улучшающими техно­логические и эксплуатационные свойства стеклопластика.

Варьируя параметры стекловолокнистого наполнителя и тип связующего, можно получить стеклопластики с разнообразны­ми наборами свойств.

Механические свойства стек­лопластиков зависят от вида стекловолокнистого наполнителя, процента содержания стеклово­локна в материале, механических свойств связующего и прочности соединения (адгезионного контак­та) стекловолокна и связующего.

Наиболее высокими механиче­скими свойствами обладают стек­лопластики, армированные пря­молинейным непрерывным стек­ловолокном (например, жгута­ми). Если при этом все волокно расположено только в одном на­правлении, то именно в этом на­правлении достигаются наиболь­шие прочность — до 1000 МПа при растяжении и модуль упруго­сти— до 40 000 МПа, однако в направлении, поперечном располо­жению волокон, прочность стеклопластика невелика и будет при­ближаться к прочности неармированного связующего (рис. 2.15).

Если стекловолокно уложено по двум взаимно перпендикулярным направлениям, то механические свойства будут выше вдоль того направления, по которому уложена большая часть волокна. Независимо от вида стекловолокнистого наполнителя все стек­лопластики, армированные в одном или по двум взаимно перпен­дикулярным направлениям, являются материалами анизотропными. Изотропными являются стеклопластики, армированные рубленым стекловолокном. Одинаковая прочность этого материала по всем направлениям достигается за счёт хаотического располо­жения отрезков волокон.

Рис. 2.15 Зависимость прочности при растяжении (Rвр) стеклопластиков от угла а между направлениями при­ложенной силы и стекловолокна: ­­­­---------- стеклопластик, армированный непрерывным волокном в одном направлении; -- -- -- то же, но по двум взаимно-перпен­дикулярным направлениям; - - - - — стек­лопластик, армированный рублеными хаотично расположенными стекло­волокнами.

Прочность таких материалов составляет 60—120 МПа при растяжении, что заметно ниже, чем прочность стеклопластиков, армированных непрерывным стекловолокном, но зато они дешевле и имеют технологические преимущества (появ­ляется возможность изготовлять материал высокопроизводитель­ным непрерывным способом).

В материалах на основе рубленого стекловолокна усилия от одного отрезка волокна к другому передаются только через свя­зующее и поэтому прочность связующего сказывается в большей степени.

Светопроницаемость, или светопрозрачность. Некоторые марки стеклопластиков обладают высоким коэффициентом светопропускания (до 0,85), что открывает им широкую область применения в строительстве.

Светопропускание стеклопластиков зависит от двух основных факторов: светопропускания смолы и стеклянного волокна; бли­зости коэффициентов преломления этих двух компонентов.

Из термореактивных смол наибольшим светопропусканием об­ладают полиэфирные смолы, которые и используются для изготов­ления светопрозрачных стеклопластиков. Стеклопластики в отли­чие от оконного стекла пропускают свет не направленно, а рассеян­но (диффузно), обеспечивая равномерную без бликов; освещенность. От оконного стекла выгодно отличает их также высокая ударная прочность (свойственная и всем другим стекло­пластикам). При окраске стеклопластиков коэффициент свето­пропускания снижается.

Атмосферостойкость (стойкость против старения) характеризу­ется скоростью снижения механических свойств, ухудшением ка­чества поверхности, появлением трещин и раковин, снижением светопроницания. Чтобы предотвратить старение, в материал вво­дятся различные добавки. Это позволяет получить стеклопласти­ки, свойства которых в течение 15—20 лет эксплуатации в атмос­ферных условиях практически остаются неизменными.

В зависимости от состава стеклопластики являются материалом сгораемым или трудносгораемым. Для повышения предела огне­стойкости конструкций из стеклопластика в состав связующего вводят добавки, придающие материалу свойство самозатухаемости.

Виды стеклопластиков. В строительных конструкциях чаще все­го применяют светопрозрачные пластики.

Светопрозрачные стеклопластики. В России в больших объёмах выпускается обладающий светопропусканием плоский и волнистый стеклопластик полиэфирный листовой (МРТУ 6-11-134—69), который состоит из рубленого стекловолокна и поли­эфирного связующего.

Изготовление этих стеклопластиков осуществляется на уста­новках непрерывного действия, на которых можно получать листы толщиной 1,5—2,5 мм с продольным или поперечным гофром, а также плоские листы (рис. 2.16). Ширина листа 0,8—1,5 м, длина листов с продольной волной до 6,0 м, а с поперечной волной — до 40 м. Стеклопластики с поперечной волной можно не разрезать на отдельные листы, а сматывать в рулоны. Согласно МРТУ выпуска­ют листы с размерами волн 200/54, 167/60, 125/35, 115/28, 90/30, 90/27, 78/18, 75/20, 60/14, 36/8 (числитель дроби — шаг волны, а знаменатель — высота волны в миллиметрах). Размеры волн стеклопластиковых листов увязаны с соответствующими размера­ми других листовых мате­риалов, асбестоцементных листов и листов из алюми­ниевых сплавов.

Светонепроницаемые стеклопластики, применяемые в строительст­ве, представлены маркой АГ-4 Стеклопластик АГ-4 (С и В) выпускается с примене­нием волокна прямолиней­ного в виде нитей или лент. Он используется для изготовления болтов, фасонок, профильных и других изделий, эксплуатируемых в химически агрессивных сре­дах, где металлы быстро корродируют.
	Рис. 2.16. Волнистые стеклопластики: а — с поперечной волной; б — с продольной волной; в - параметры поперечного сечения.