Что такое стеклопластик

Стеклопластик - композиционный материал, состоящий из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон; связующим - полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др.

Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости.

Механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластики с неориентированным расположением волокон: материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05.

Свойства стеклопластика

Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами, дающими ему право называться одним из материалов будущего. Ниже перечислены некоторые из них.

Малый вес. Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см³. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди  - 8,9 г/см³. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, - дуралюмина составляет 2,8 г/см³. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.

Диэлектрические свойства. Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока.

Высокая коррозионная стойкость. Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии. Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.

Хороший внешний вид. Стеклопластики при изготовлении хорошо окрашиваются в любой цвет и при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго. Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу.

Высокие механические свойства. При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, например Norpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.

Теплоизоляционные свойства. Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д.

Простота в изготовлении. Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.

Стеклопластики обладают высокой ремонтопригодностью. При повреждении поверхности изделий (трещины, сколы, промоины и т. д.) ремонт производится в кратчайшие сроки (методом напыления рубленого волокна, либо наложением на повреждённые места стеклоткани, пропитанной смолой). После ремонта стойкость конструкции увеличивается из–за дополнительного слоя стеклопластика.

Сырье для производства стеклопластиков

Основным сырьем для производства стеклопластиков является стекловолокно (в качестве армирующего наполнителя) и смолы (в качестве связующих).

В качестве стекломатериалов используются:

-    Ровинг рассыпающийся с линейной плотностью 2400 tex  применяется при изготовлении стеклопластика методом напыления.

-    Ровинг прямой  применяется для изготовления изделий методом намотки и пултрузии.

-    Стекломат рубленный состоит из рубленного на отрезки различной длины ровинга. Между собой отрезки в стекломате связаны с помощью специального клея. Стекломаты различают по типу связующего отрезков рубленного ровинга и поверхностной плотности.

-    Стекломат эмульсионносвязанный применяется при ручном формовании стеклопластика, при производстве стеклопластика напылением и по технологии закрытого формования. Поверхностная плотность стекломата – 300, 450, 600, 900 г/м².

-    Стекломат порошковосвязанный применяется при изготовлении сухих заготовок (преформ) для изготовления стеклопластика по технологии закрытого формования, изготовления светопрозрачного стеклопластика. Поверхностная плотность стекломата 300, 450, 600 г/м².

-    Стекломат длинноволокнистый – нетканый стекломат из непрерывного полиэфирного волокна, содержащего в своей структуре микробаллоны. Применение данного стекломата позволяет сократить расход полиэфирной смолы, получить экономию в весе свыше 50%, уменьшить усадку и улучшить теплоизолирующие свойства изделия из стеклопластика, быстро набрать требуемую величину стеклопластика, улучшить физико-механические свойства стеклопластика.

-    Порошковосвязанные стекломатериалы различной плотности – применяются при изготовлении сухих заготовок (преформ) для формования методом RTM, изготовления светопрозрачного стеклопластика.

-    Стеклоткани и стеклорогожка представляют собой сотканные из стекловолокна тканые материалы; применяются для формования изделий с повышенными физико-механическими свойствами.

-    Стекловуаль плотностью 30 г/м²  используется для формования слоя, следующего непосредственно за гелькоутом, с целью уменьшения проявления структуры стекломатериала на поверхности готового изделия, а также для создания в химостойких трубах и емкостях слоя с обильным содержанием химостойкой смолы, обращенного непосредственно к агрессивной среде.

-    Вуаль декоративная – применяется для создания поверхностного декоративного слоя с различным рисунком в зависимости от выбранного типа. Позволяет создавать имитацию различных пород дерева, мрамора, произвольный рисунок.

-    Длинноволокнистые стекломаты для процессов RTM и пултрузии.

-    Стекломатериал, состоящий из двух сотканных из Е-стекловолокна пластин, связанных друг с другом вертикальным ворсом в так называемую «сэндвич»-структуру. При пропитке смолой структура впитывает смолу, ворс укрепляется, структура увеличивается до заданной высоты. Полученный в результате легкий и прочный «сэндвич» обладает превосходными механическими свойствами и широко применяется в авто- и судостроении, при производстве и ремонте цистерн для хранения агрессивных сред.

Второй основной составляющей при производстве стеклопластиков являются смолы. От выбора смолы в определяющей степени зависят физико-механические свойства готовых изделий. Самым важным моментом для производства качественного изделия, независимо от природы волокна, являются адгезия смолы и пропитываемость волокон.

Эпоксидные смолы представляют самое универсальное семейство смол, применяемых для производства стеклопластиков. Практически по всем параметрам эти смолы обеспечивают самые высокие показатели клеевого шва и прочности. В настоящее время разработаны смолы, не содержащие вредных для здоровья веществ и не выделяющие при отверждении фенола. Смолы обладают крайне малой усадкой. Часто эпоксидная смола используется в качестве химически стойкого барьерного слоя стеклопластиков, т. к. обладает очень низким водопоглощением (менее 0,5%). Современные эпоксидные смолы могут обладать низкой вязкостью и контролируемым временем отверждения.

В случае ремонта изделий из стеклопластиков, подвергнутых деформации и трещинам, не имеет значения, из какого сочетания наполнителя и связующего состоит ремонтируемое изделие, эпоксидная смола хорошо впитается и навсегда образует с ним композитное единое целое.

Полиэфирные смолы могут применяться только со стекловолокном. Главное преимущество полиэфирных смол по сравнению с винилэфирными и эпоксидными – их крайняя дешевизна. Отрицательными сторонами являются высокий уровень фильтрации воды, сильная усадка и высокое содержание вредных веществ. Обладают худшими по сравнению с эпоксидными смолами характеристиками в области адгезии и растяжения, в результате чего готовое изделие склонно к образованию микротрещин и формированию слабого вторичного клеевого соединения. Эти характеристики приобретают значение, когда заходит речь о соединении разнородных материалов в одном изделии, или когда материалы не имеют обычной стекловолокнистой основы. Лучше всего подходят для изготовления конструкций, не критичных к весу, адгезии и прочности на излом.

Полиэфирные смолы применяются при производстве изделий методом ручного формования, напыления, машинного изготовления и пултрузии, используются для выпуска прозрачных стеклопластиков, пожаростойких и химостойких изделий.

Винилэфирные смолы являются гибридными смолами, с заложенными в их основу эпоксидными молекулами. Усадка при отверждении умеренная. Повышенная прочность модифицированной смолы предотвращает образование микротрещин, а сама основа смолы к тому же служит повышению адгезии к поверхности. Обладают неплохими водостойкими качествами.

Винилэфирные смолы превосходят по характеристикам полиэфирные, однако их адгезия к разнородным и ранее отвержденным поверхностям остается крайне низкой и многие изделия на базе винилэфирной смолы страдают проблемой массового отслоения наружного слоя стеклопластика от заполнителя. Винилэфирные смолы обладают хорошей адгезией к стекловолокну и низкой адгезией к кевлару и углеволокну. Для отверждения полиэфирных и винилэфирных смол на открытой поверхности требуется введение специальных добавок. Нанесение последующих слоев нуждается в тщательной подготовке поверхности для обеспечения адгезии.

Винилэфирные смолы характеризуется высокой стойкостью к влагопоглощению, высокой механической прочностью, относительно высокой температурой термической деформации (790^оС), малой усадкой вследствие малого содержания стирола (35%). В результате, поверхность стеклопластика имеет лучшее качество по сравнению со стеклопластиками на основе полиэфирных смол. Часто применяются для создания слоя skin-coat, защищающего последующий стеклопластиковый ламинат от абсорбирования воды и образования осмотических пузырей в структуре стеклопластика.

Акриловые смолы идеально подходят для технологии инжекции смолы в закрытую матрицу, вакуумного и холодного формования. Стеклопластики имеют превосходные механические свойства, благодаря присущей смоле низкой вязкости. Низкая вязкость обеспечивает отличное пропитывание стеклоткани, стекломата или другого армирующего наполнителя, и прекрасную ударную вязкость полимеризованной акриловой смолы. Особенное значение это имеет в композитных материалах со сложной структурой. Из-за низкой вязкости акриловая смола также обеспечивает идеальные условия для создания ее смесей с огнестойкими наполнителями  (например, тригидратом алюминия). В результате получаются пожаростойкие композитные материалы, в том числе с низким выделением дыма и низкой токсичностью.

К вспомогательным материалам при производстве стеклопластиковых изделий относятся: гелькоуты; акселераторы, катализаторы, ингибиторы, пластификторы; склеивающие и пигментные пасты; средства для обработки матриц (воски, разделительные системы); полировальные пасты.

Гелькоут - полиэфирный состав, служащий в качестве декоративного и защитного слоя при изготовлении стеклопластика. Нанесение гелькоатного покрытия освобождает от дальнейшей покраски изделия. Кроме того, гелькоатный слой увеличивает срок службы изделия, защищает ламинат от воздействий окружающей среды, скрывает структуру стеклопластика, тем самым, придавая эстетичный вид конечному продукту.

Акселераторы (ускорители) - химическое соединение, добавляемое в полиэфир для ускорения разложения метилэтилкетона или других инициаторов (катализаторов). Другими славами, акселератор служит для ускорения процесса полимеризации смолы.

Катализаторы (инициаторы) - химическое соединение, добавляемое в полиэфир для ускорения реакции полимеризации. Как правило, в качестве катализаторов применяются различные органические перекиси и гидроперекиси.

Инициирование пероксидом можно считать фактором «точной настройки» Вашего процесса. Важно, что изменение условий производства нельзя компенсировать изменением дозы пероксида. Это может не проявиться «на поверхности», однако в каждом случае вероятен риск получения не вполне качественного изделия. Таким образом, можно считать пероксид окончательной «точной настройкой», которая приводит ваш процесс или продукт к оптимальному результату.

Ингибиторы (замедлители) - химические соединения, применяемые для увеличения времени гелеобразования.

Тиксотропные агенты - способность жидких материалов, не стекая, удерживаться на вертикальных поверхностях.

По этому признаку смолы разделяются на тиксотропные и не тиксотропные.

При нанесении не тиксотропной смолы на стекловолокнистый материал, уложенный на вертикальные и наклонные поверхности, она будет стекать вниз, не проникая между волокнами. В результате после отвердения верхняя часть изделия будет содержать меньше смолы, чем это требуется для связывания стекловолокнистого материала в единое целое; зато нижняя часть изделия будет иметь избыток смолы в виде наплывов и затеков. Прочность изделия будет недостаточна как вверху, так и внизу. Для предотвращения этого явления в смолу вводятся тиксотропные добавки. Наиболее эффективной добавкой является высокодисперсный порошок окиси кремния (Аэросил). Мельчайшие частицы порошка образуют в смоле очень частую сетку, в результате чего смола теряет свою текучесть. При нанесении тиксотропной смолы на поверхность стекловолокнистого материала происходит механическое разрушение образовавшейся структуры, смола приобретает достаточную текучесть, позволяющую ей проникнуть между волокнами стекла. Затем, однако, структурное состояние смолы восстанавливается, она приобретает высокую вязкость и уже не может стекать с наклонной или вертикальной поверхности.

Количество аэросила, вводимого в смолу для предотвращения стекания связующего при формовании стеклопластика на наклонных и вертикальных поверхностях, составляет 1 - 3% от веса смолы.

Пластификаторы (от греч. plaslós - лепной, пластичный и лат. facio - делаю), вещества, повышающие пластичность и (или) эластичность полимеров при их переработке и (или) эксплуатации. Благодаря применению пластификаторов (иногда их называют также мягчителями) облегчается диспергирование в полимерах наполнителей и других сыпучих ингредиентов, снижаются температуры переработки композиций на технологическом оборудовании. Некоторые пластификаторы придают полимерным материалам негорючесть, свето-, термо-, морозо-, влагостойкость и другие ценные специальные свойства.

В качестве пластификаторов используют нелетучие, химически инертные продукты, способные совмещаться с полимером, т. е. образовывать с ним устойчивые композиции при введении достаточно больших количеств пластификаторов (иногда до 100% в расчёте на массу полимера). К распространённым пластификаторам относятся эфиры органических и неорганических кислот, например дибутилфталат, ди-(2-этилгексил) фталат, дибутилсебацинат, трикрезил- и трибутилфосфат; продукты нефтепереработки, например масла нефтяные; продукты переработки каменного угля и древесных материалов, например кумароноинденовые смолы, канифоль; эпоксидированные масла растительные и др.

 продолжение