Стеклопластик: способ получения, свойства, применение

Стеклопластики - это композиционные материалы на основе стекловолокон и полимерных связующих. Для армирования используются различные виды стекловолокон, нитей и волокнистых материалов.

Получение стеклопластика

Стекловолокнистые наполнители и связующие для стеклопластиков подбираются с учетом эксплуатационных условий [3]:

- для стеклопластиков конструкционного назначения применяются стекловолокнистые наполнители из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла;

- для материалов и изделий, работающих в условиях высоких механических нагрузок, применяют армирующие волокнистые наполнители (АВН) из высокопрочных и высокомодульных стеклонитей на основе магнезиально-алюмосиликатного стекла, имеющие прочность на 25-50%, а модуль упругости на 25-30% выше, чем обычные стеклонити;

- устойчивые в кислых средах стеклопластики (химическое оборудование, аккумуляторные баки и др.) изготовляют из хемостойкого боросиликатного стекла, для этой цели используют также базальтовые АВН;

- крупногабаритные изделия, не несущие очень высокие механические нагрузки (корпуса судов, строительные панели и др.), изготовляют из тканей на основе дешевого щелочного алюмоборосиликатного стекла;

- термостойкие изделия, работающие при температуре 300°С и выше, изготовляют из кремнеземных и кварцевых нитей;

- для композитов электротехнического назначения используют АВН из боросиликатного стекла, имеющие диэлектрическую проницаемость на 30-40% ниже, чем у других видов стекол.

В качестве полимерных матриц применяются преимущественно термореактивные смолы (фенольные, эпоксидные, полиимидные), а также термостойкие термопласты - ароматические полиамиды, полисульфоны, поликарбонаты. Низкоплавкие термопласты типа полиолефинов применяются относительно редко, так как они имеют низкую адгезию к стекловолокнам и не позволяют реализовать свойства стекловолокнистых наполнителей. Однако, используется стеклонаполненный полиамид. Для стеклопластиков электрорадиотехнического назначения используются связующие с высокими диэлектрическими характеристиками: кремнийорганические, эпоксидные и др.

Для удобства применения в ограниченных количествах изготовляются композиты на основе стекловолокнистых наполнителей и полимерных смол, т.е. содержащие заданное количество армирующего наполнителя и полимерной матрицы материалы, подготовленные для изготовления деталей и изделий - на основе термореактивных связующих и реже - термопластов (препреги, пресс-волокниты, премиксы).

Получают стеклопластики с применением методов прессования, выкладки с последующим прессованием, пултрузии и др. Высокопрочные и высокомодульные углепластики изготовляют из стеклонитей, жгутиков (ровинга), жгутов и лент с высокими механическими характеристиками. В качестве связующих применяют чаще всего термореактивные смолы - фенольные, полиэфирные, эпоксидные, полиимидные, которые обеспечивают высокую адгезию и высокую степень реализации механических свойств стекловолокон. Наполненные термопласты перерабатывают методами прессования, литьевого прессования, литья и др.

Полученные материалы и изделия при необходимости подвергают механической обработке. Однако из-за абразивных свойств стекловолокон предпочтительно применение твердосплавного или алмазного инструмента.

Свойства стеклопластика

Механические свойства стеклопластиков (пресс-волокнитов, текстолитов, материалов на основе однонаправленных армирующих волокон) в направлении армирования в значительной мере определяются свойствами армирующих волокон и их расположением, в меньшей степени они зависят от связующего. Температурные характеристики стеклопластиков обусловлены в основном свойствами связующих.

Текстолит – электроизоляционный конструкционный материал, применяемый для производства подшипников скольжения, шестерён и других деталей, а также в электро- и радиотехнике. Он представляет собой слоистый пластик на основе ткани из волокон и полимерного связующего вещества (например, бакелита, полиэфирной смолы, эпоксидной смолы). Текстолит на основе стеклоткани называется стеклотекстолитом или стеклопластиком.

Стеклотекстолит превосходит обычные текстолиты и органотекстолиты по механическим характеристикам, теплостойкости, электроизоляционным свойствам, действию влаги и активных сред, другим эксплуатационным воздействиям. Стеклотекстолит превосходит текстолит по ряду свойств: термостойкость от 140 до 180 °C против 105-125 °C у текстолита; удельное сопротивление составляет 10¹¹ Ом·м против 10⁷ Ом·м; тангенс угла потерь – 0,02 против 0,07. Листовой стеклотекстолит, покрытый медной фольгой, служит основой для изготовления заготовок печатных плат.

Вес стеклопластика составляет в среднем значении 1,1 г/см³, удельный вес стали 7,8 г/см³, а медь весит 8,9 г/см³. Вес наиболее распространенного сплава дюралюминия, применяемого в промышленности составляет 2,8 г/см³. Поэтому стеклопластик наиболее перспективный материал, применяемый на транспорте. Снижение веса на транспорте приводит к экономии энергии, как следствие экономии топлива, позволяет увеличить радиус действия. Более того, снижение удельного веса транспорта (судов, самолетов, автомобилей и т.д.) дает возможность увеличения полезной нагрузки [3].

Диэлектрические свойства. Стеклопластик является отличным изолятором, как постоянного тока, так и переменного. Это позволяет использовать его в любых электрических силовых схемах и установках.

Стеклопластик практически не стареет. Фактически у него нет усталости, на него не влияет ультрафиолетовый свет.

Также этот материал обладает необычайно высокой стойкостью к коррозии и агрессивным средам. Стеклопластик, как сказано выше, является диэлектриком, поэтому он устойчив к электрохимической коррозии.

При производстве изделию из стеклопластика можно придать любое цветовое исполнение. Если использовать стойкие компоненты красителей, то цвет будет сохраняться бесконечно долго. При использовании светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластик, по оптическим свойствам не на много уступающий стеклу.

Большая механическая прочность при невысоком удельном весе - одно из главных достоинств стеклопластика. При использовании определенных армирующих материалов и специальных смол можно получить стеклопластик, превосходящий по прочности сплавы цветных металлов и даже сталь.

Применение стеклопластика

Прекрасные теплоизоляционные свойства, отсутствие деформаций при низких и высоких температурах позволяют широко применять материал в качестве облицовочных панелей в производстве утеплителя типа сэндвич панель; для утепления конструкций в таких областях как промышленные здания, судостроение, вагоностроение.

Стеклонаполненные пресс-материалы и текстолиты служат для изготовления различных деталей, в качестве конструкционных, электрорадиотехнических, хемостойких материалов. Широкое применение стеклопластики находят в судостроении, транспортных средствах, при изготовлении крупных емкостей.

Из стеклопластиков производят следующие изделия: оконные и другие профили, бассейны, купели, водные аттракционы, водные велосипеды, лодки, каноэ, рыболовные удилища, таксофонные кабины, кузовные панели и обвесы для грузовых и легковых автомобилей, электронепроводящие лестницы и штанги для работ в опасной близости от конструкций под напряжением.

Стеклопластик можно производить любой формы, цвета и толщины.

Стеклопластик - один из наиболее широко применяемых видов композиционных материалов. Из стеклопластиков в частности изготавливают трубы, выдерживающие большое гидравлическое давление и не подвергающиеся коррозии, корпуса ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), корпуса маломерных судов и многое другое. В США начало широкого применения конструкционных стеклопластиков было инициировано осуществлением программы «Поларис» во второй половине 1950-х годов - программы создания первой твердотопливной ракеты ВМФ США для подводного старта [3].

Трубы и трубчатые конструкции получают намоткой пропитанного связующим веществом стекловолокна (смола + отвердитель + модифицирующие добавки), на вращающуюся оправку (чаще всего стальную) с последующим отверждением и распрессовкой (снятием намотанной трубы со стальной оправки).

Стеклопластиковые корпуса моделей судов, самолётов, машин можно вручную изготавливать из эпоксидного клея и стеклоткани в домашних условиях.

Изделия из химически стойкого стеклопластика [3]:

- напорные и безнапорные трубопроводы для транспортировки агрессивных жидкостей и сред;

- емкости (горизонтальные и вертикальные) для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей;

- желоба для подачи электролита;

- секции охлаждающих градирен, напорные коллекторы;

- газоотводящие стволы дымовых труб;

- скрубберы, абсорберы, циклоны, аппараты Вентури;

- колонные аппараты, регенерационные колонны, корпуса электрофильтров;

- травильные, гальванические и электролизные ванны;

- вентиляционные системы для удаления паров вредных веществ от технологического оборудования;

- корпусы различного оборудования.

Изделия из рулонного стеклопластика

Рулонные стеклопластики применяются для устройства верхнего слоя при изоляции различных трубопроводов. При устройстве такой изоляции непосредственно на трубу накладывается теплоизоляция из минеральной ваты или подобного материала и закрепляется вязальной проволокой. Так как минеральная вата при намокании теряет свои теплоизоляционные свойства (заметно увеличивается теплопроводность), ее необходимо защитить от агрессивного воздействия окружающей среды. Для этой цели и используются рулонные стеклопластики. Они представляют собой стеклоткань пропитанную различными лаками и смолами.

В химической, нефтяной и горнодобывающей отраслях нашли применение стеклопластиковые трубы и емкости из стеклопластиков для транспортировки и хранения агрессивных жидкостей и шахтного водоотлива, а также вентиляционные системы для отвода паров и газов.

В настоящее время невозможно найти в зарубежной практике класс технических, транспортных, строительных конструкций, в котором не было бы примера использования композиционных материалов. Веское подтверждение такому прогрессирующему процессу - ежегодно увеличивающееся потребление стекловолокна в гражданском производстве.

На рисунке 2.1 показано распределение мирового потребления стекловолокна в 2002 году.

Доля России приходится на фрагмент «остальные регионы», то есть находится в составе стран, входящих в 2%.

Рисунок 2.1 – Распределение мирового потребления стекловолокна в 2002 году. 1 - Европа (32%), 2 - Азия (30%), 3 - Южная Америка (3%), 4 - Северная Америка (33%), 5 - Остальные регионы (2%)

Механическая прочность, хороший коэффициент светопропускания и способность окрашиваться в любой цвет требуемой интенсивности позволяет использовать стеклопластики в строительстве в виде плоских и гофрированных листов, рулонных материалов, многослойных панелей и фонарей.

В электротехнике стеклопластики используют в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов, а также для изделий при изготовлении высоковольтных выключателей, траверс, панелей, деталей, электрических машин, и корпусов приборов и т.д. Широкое применение нашли стеклопластики в авиационной промышленности и ракетно-космической технике, где используются их высокая удельная прочность, стойкость к вибрационным нагрузкам, а также к кратковременному действию высоких температур.

Коррозионная стойкость, антимагнитные свойства и технологичность определили использование стеклопластиков в судостроении в производстве речных и морских судов со значительным водоизмещением, глубоководных аппаратов и тому подобное.

Области применения стеклопластиков

Стеклопластик применяется в различных отраслях машиностроения, из которых следует особо отметить автомобильную промышленность, станкостроение, вагоностроение (это крыши и сиденья автобусов и вагонов, кузова и детали автомашин, контейнеры, цистерны и т.д.). Стеклопластики также применяют для производства спортивного инвентаря и товаров народного потребления (кресла, цветочницы, шесты для прыжков, удочки, ограждения балконов, мотошлемы, и многое другое).

Рассмотрим на основании имеющегося зарубежного опыта применение стеклопластиков в различных областях гражданского строительства. Одними из наиболее сложных и ответственных являются искусственные сооружения автодорог: мосты, эстакады, тоннели. За рубежом уже построено несколько сотен пешеходных и автомобильных мостов и эстакад, конструкции которых частично или полностью состоят из композиционных материалов. Освоено практически всё - опоры, силовые балки, мостовые настилы, перильные ограждения, ливневые системы, кабельные каналы и прочее. Большое распространение получили настилы взамен традиционных при реконструкции и ремонте старых мостов. Такие конструкции доказали свою высокую эффективность ввиду того, что они в несколько раз легче традиционных, а это приводит к сокращению сроков монтажа и упрощению строительства. В тоннельных сооружениях стеклопластики используют в виде защитно-облицовочных плит, панелей, анкерных устройств для укрепления грунта в виде стержней различного сечения, армирующих бетон решёток [3].

Другой областью применения стеклопластиков являются инженерные сооружения, требующие огромных затрат на содержание. Это перильные ограждения, столбы, линии электропередач, решетки и настилы производственных площадок, опоры и подвески воздушных силовых электросетей для электрофицированного железнодорожного и городского транспорта.

В дорожной инфраструктуре стеклопластики нашли применение в ограждающих конструкциях: всевозможных сетках, решётках, панелях и анкерах, используемых для усиления откосов насыпей; трубах для проколов под автотрассами; столбах рекламных и информационных щитов. Композиционные материалы используют при строительстве домов. Кроме широко распространенных оконных рам и дверей из стеклопластика, прочные и «теплые» профили позволяют быстро собирать несущие каркасы для малоэтажных домов и мобильных временных жилищ для геологов, нефтянников, малых посёлков при ликвидации поледствий стихийных бедствий и катастроф. Такие постройки имеют малую массу и не требуют специальных грузоподъемных механизмов при монтаже, обладают повышенной сберегающей способностью. Кроме того в области домостроения используются всевозможные трубы из композиционных материалов для мусоропроводов, кабельных каналов, канализационных систем, водоснабжения и так далее.

Высокая коррозионная стойкость обеспечила применения стеклопластиков в конструкциях, работающих в непосредственном контакте с водой: в сваях, дамбах, отстойных системах, отчистных сооружениях.

Приведенный перечень отражает внедрение таких конструкций в мировой практике. В России успехи в этой области значительно скромнее. Это отражают и объемы производства и объёмы потребления стекловолокна.