Włókna szklane cz. 1

Włókna szklane. Część 1

Włókna szklane to jeden z najbardziej wszechstronnych materiałów znanych dzisiaj. Są wytwarzane z ogólnodostępnych surowców. Wszystkie włókana szklane opisane w tym artykule bazują na kompozycji zawierającej krzemionkę.

Wykazują one właściowości użyteczne takie jak twardość, transparentność, odporność chemiczną, stabilność, ale również posiadają wręcz pożądane właściwości takie jak wytrzymałość, elastyczność i sztywność. Włókna szklane są wykorzystywane przy produkcji kompozytów jak również obwodów drukowanych i szerokiej gamy produktów specjalnych.

Proces formowania włókna szklanego

Szkło powstaje w procesie topienia krzemionki wraz z minerałami, zawiarającymi tlenki niezbędne do utworzenia właściwej kompozycji. Stopiona masa jest szybko schładzana aby zapobiec krystalizacji i następnie formowana w włókna szklane.

Prawie wszystkie włókna szklane produkowane są w procesie ciągłym i formowane tłoczając stopione szkło przez tuleje znajdujące się w płycie wykonanej ze stopów platyny. Płyta taka może zawierać do kilku tysięcy otworów o średnicy od 0,793mm do 3,175mm ( 0,0312 do 0,125 cala). Ciągle lepkie włókna są szybko rozciągane do odpowiedniej średnicy (zwykle od 3 do 20µm). Pojedyncze włókna są łączone razem w sznury, które mechaniczne nawijarki nawijają z prędkością do 61m/s tworząc szpule.

Preparacja oraz spajanie włókien szklanych

Włókna szklane są szorstkie i aby zapobiec ich wzajemnemu ścieraniu nanoszone są specjalne spoiwa i powłoki. Preparacja ma kluczowe znaczenie przy produkcji włókna szklanego. Pełni ona dwie funkcje: po pierwsze chroni kruche włókna szklane podczas nawijania oraz nadaje szczególne cechy niezbędne dla zbrojenia do chemicznego łączenia się z różnego rodzaju materiałami takimi jak poliestry, epoksydy, poliamidy czy polipropyleny. Składają się one z takich substancji jak tworzące film wodne emulsje, środki antystatyczne, smary i środki poprawiające adhezję. Włókna szklane są impregnowane tuż po wyjściu z ekstrudera poprzez zanurzenie ich w kąpieli w/w substancji.

Spoiwa występują w formie stałej lub emulsji. Mają za zadanie spajać ze sobą włókna szklane w procesie produkcji mat szklanych. Są dostarczane jako żywice syntetyczne w postaci proszku lub wodnych emulsji. Spoiwo jest natryskiwane lub narzucane bezpośrednio na matę. W przypadku aplikacji spoiwa w formie proszku używa się odpowiedniej wielkości cząstek w celu zapewnienia równomiernego i jednorodnego spojenia maty.

Rodzaje włókien szklanych

Możemy wyróżnić dwa rodzaje włókien szklanych: ogólnego zastosowania oraz specjalnego zastosowania. Ponad 90% wytwarzanych włókien szklanych to produkty ogólnego zastosowania. Tego rodzaju włókna szklane są określane mianem szkła typu E. Pozostałe włókna szklane są typu premium specjalnego przeznaczenia Wiele z nich, jak typu E, mają oznaczenie literowe określające specjalne właściwości.

Tabela 1 przedstawia skład chemiczny natomiast Tabela 2 właściwości fizyczne oraz mechaniczne włókien szklanych.

Włókna szklane ogólnego zastosowania

Na rynku występują dwa rodzaje szkła typu E. Szkło to zawiera od 5 do 6%mas. tlenku boronu.

Rygorystyczne przepisy ochrony środowiska wymagają stosowania kosztownych systemów redukcji emisji boronu występującego w gazach powstających podczas przetopu szkła. W związku z powyższym pożądana jest produkcja szkła typu E nie zawierającego boronu. Takie przyjazne środowisku szkło pojawiło się na rynku, nie zawiera ono boronu, a co się z tym wiąże emisja boronu nie występuje w procesie produkcyjnym.

Ekonomiczne szkło typu E zawierające boron występuje w dwóch wariantach: jako pochodne SiO₂-Al₂O₃-CaOMgO oraz SiO₂-Al₂O₃-CaO.

Zawartość tlenków

Każdego rodzaju szkło typu E jest szkłem ogólnego zastosowania ze względu na osiągnięcie odpowiedniej wytrzymałości przy niskim koszcie produkcji.

Tabela 1 przedstawia zawartość tlenków dla obu rodzaji włókien szkłanych, które są obecnie produkowane i mają zastosowanie w kompozytach. Ze względu na fakt, że każdy producent a nawet każdy akład produkcyjny może używać innej receptury do produkcji włókien szklanych zawartość tlenków podano w pewnym zakresie.

Różnice te wynikają przede wszystkim z powodu surowców, których partie mogą się różnić między sobą. Utrzymywanie ścisłej kontroli w zakładzie produkcyjnym jest niezbędne dla otrzymania właściwego składu.

Właściwości mechaniczne

Tabela 2 przedstawia właściwości mechaniczne zarówno szkła typu E zawierającego boron jak i niezawierającego boronu. Moduł sprężystości (lub sztywność włókna) szkła niezawierającego boronu jest o około 5% wyższy niż szkła typu E zawierającego boron, natomiast wytrzymałość na rozciąganie, mierzona w temperaturze pokojowej, jest praktycznie taka sama.

Właściwości fizyczne

Tabela 2 przedstawia także właściwości fizyczne. Najważniejszy parametr – odporność chemiczna szkła typu E niezawierającego boron okazała się siedmiokrotnie wyższa niż szkła zawierającego ten pierwiastek. (mierzona w temp. pokojowej przez 24 godz. w 10% roztworze kwasu siarkowego). Wynik ten jest bliski jak dla szkła ECR.