ГлавнаяВ ряду композитов конструкционного назначения стеклопластикам принадлежит ведущая роль. Стеклопластики можно перерабатывать в изделия путем формования и горячего прессования с направленным и беспорядочным расположением стеклянных волокон. Из стеклопластиков изготавливается ряд изделий общего назначения — листы, холсты, ткани, трубы, стержни, протяжные профили. Основное техническое достоинство стеклопластиков — сочетание высокой прочности с относительно небольшой массой изделия.
В качестве армирующей основы стеклопластиков используют стеклянные волокна, связующими являются различные синтетические смолы — фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические и др. Стекловолокна обеспечивают изделию прочность и жесткость, а связующее придает ему монолитность, способствует эффективному использованию механических свойств основы, равномерному распределению усилий между волокнами, защищает последние от химических, атмосферных и других внешних воздействий. Связующее выполняет также технологическую роль: способствует формированию стеклопластиков в изделия различной конфигурации. Кроме того, оно воспринимает часть нагрузок на себя.
По принципиальному расположению арматуры стеклопластики делятся на хаотически армированные и ориентированные, хотя иногда, кроме того, выделяют типы «дозирующихся» (в виде коротких лент) и листовые стеклопластики. По технологии переработки различают стеклопластики, изготовленные прессованием, контактным формованием, намоткой, протяжкой.
Армирующая основа — стекловолокно — определяет основные свойства конструкционного стеклопластика: высокую механическую прочность, небольшой удельный вес, адгезию, а связующее — такие качества, как коррозионную стойкость, электроизоляционные характеристики, светопропускание и др. Стекловолокно применяется в виде крученых или некрученых нитей диаметром от 2,5 до 12 мкм, которые формируют также в ленты, маты, сетки, ткани, нетканые и вязально-прошивные материалы.
В процессе производства волокно покрывается замасливателем, который придает им гибкость и выполняет роль смазки при прядении в жгут, предупреждая разрушение волокна от трения друг о друга. Стеклянный жгут представляет собой прядь ориентированных, равномерно уложенных нитей.
Стеклянные ткани вырабатываются из крученых комплексных нитей или ровинга. Ткани различаются по составу стекла, марке замасливателя, типу переплетения, основными из которых являются полотняное, саржевое и сатиновое (рис. 3.2).
Нетканые армирующие материалы изготавливаются из непрерывных некрученых нитей, состоящих из волокон относительно большого диаметра — 10—12 мкм. Некоторые листовые материалы нарабатывают в виде жестких и мягких холстов из рубленых стеклянных нитей и нетканых перекрестных материалов из жгутов. Нетканый перекрестный материал, подобно ткани, состоит из жгутов, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях, но не переплетенных (исключена операция ткачества), а склеенных между собой или соединенных отрезками волокон. Основные, несущие нити таких материалов не перегибаются.
Нетканый вязально-прошивной материал (ВПР) представляет собой две свободно наложенные друг на друга системы жгутов (основы и утка), связанные («прошитые») между собой другими нитями. Вязально-прошивной материал в 6—10 раз производительнее ткацкого.
Неориентированные нетканые материалы выпускают в виде холстов (матов) различного типа. Их нарабатывают из хаотически расположенных комплексных нитей длиной около 50 мм, скрепляемых между собой связкой или прошивкой (МБС, ХМК). Маты могут вырабатываться также из непрерывных нитей (хжкн).
Мягкие прошивные маты служат обычно исходными заготовками для производства листовых стеклопластиков методом горячего прессования. К высоким достоинствам стеклотканей, холстов и матов относится возможность в достаточно широких пределах регулировать распределение нагрузки, что осуществляется путем переориентации количества нитей по основе и по утку. Создание ориентированных стеклопластиков особенно эффективно при использовании процессов намотки или протяжки, например при создании труб (намотка) и анкеров (протяжка), более подробная информация о которых будет дана ниже.
В качестве связующего для стеклопластиков используют систему полимерных материалов: некоторые из описанных ранее синтетических смол с отвердителями, пластификаторы, стабилизаторы, пигменты и другие добавки в зависимости от предъявляемых к материалу технологических и технических требований. К технологическим требованиям относятся: смачивающая способность и адгезия к стекловолокну, высокая когезионная прочность, пластичность, термостойкость, гидрофобность, инертность к наполнителю, малая усадка при отверждении и др. Технические требования диктуются условиями эксплуатации стеклопластиков, например химическая стойкость, электроизоляция, огнестойкость, водостойкость, устойчивость при работе в динамических режимах и др.
Наибольшее практическое применение для создания стеклопластиков получили связующие на основе фенолоформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных и кремнийорганических смол. Фенолоформальдегидные смолы получили наибольшее распространение при изготовлении стеклопластиковых пресс-материалов. Более половины всех выпускаемых в нашей стране стеклопластиков выпускается на фенолоформальдегидных смолах.
Достоинства этих смол — твердость, высокий модуль упругости, термостойкость, химическая стойкость, небольшая стоимость. К недостаткам относятся: токсичность выделяемых летучих, усадка в процессе отверждения, хрупкость готового изделия. На основе фенолоформ альдегидного связующего Р-2М (резольной смолы Р-2 с клеем БФ-4) изготавливают широко известные пресс-материалы АГ-4В, АГ-4С, ДСВ-2-Р-2М, CBAM-Р-2М и др.
Эпоксидные смолы в качестве связующих обладают наиболее ценными показателями: высокой смачивающей способностью и адгезией к стеклянным волокнам, сравнительно высокой прочностью, малой усадкой в процессе отверждения, высокими диэлектрическими характеристиками, отсутствием летучих продуктов реакции полимеризации. Для производства стеклопластиков применяются эпоксидные смолы марок ЭД-5, ЭД-6, ЭД-20. Однако в чистом виде эпоксидные смолы применяются редко, чаще их используют в составе компаундов, в состав которых входят также другие смолы, разбавители и наполнители: эпоксидные, эпоксидиановые, эпоксиалифатические и др.
В качестве отвердителей эпоксидных смол применяют полиэтиленполиамин (ПЭПА), диэтилендиамиды (ДЭТА), триэтилендиамины (ТЭТА), а также фенолоформальдегидные смолы новолачного и резольного типов, изоцианаты, некоторые комплексные соединения. Для повышения пластичности и улучшения других физико-механических свойств в эпоксидные связующие вводят разбавители, например дибутилфталат, стирол, фенол и др. Дефицитность и высокая стоимость эпоксидных смол ограничивают объемы их применения в стеклопластиках.
Широкое применение в качестве связующего при производстве стеклопластиков нашли полиэфирные смолы. Например, в США на основе полиэфирных смол изготавливают более 80% стеклопластиков. Ненасыщенные полиэфирные смолы являются растворами ненасыщенных полиэфиров в олигомерах. Полиэфиры получают реакцией поликонденсации гликолей с ненасыщенными дикарбоновыми кислотами или с их ангидридами.
Для получения смол с заданными свойствами применяют галогеносодержащие ангидриды, кислоты и другие модификаторы. В качестве растворителей полиэфиров чаще всего используют стирол и метилметакрилат. К положительным сторонам полиэфирных связующих относятся: невысокие температуры отверждения, требование невысоких давлений при прессовании, возможность широко варьировать физико-химические свойства и характеристики стеклопластиков. Основными недостатками являются; слабая адгезия к волокну, склонность к старению, невысокая термостойкость, токсичность производства (особенно стиролсодержащих смол).
В нашей стране в качестве связующих для стеклопластиков применяются различные ненасыщенные полиэфирные смолы марок ПН. Например, ПН-1 — смола общего назначения, стирольная; ПН-11 —также общего назначения, но не содержащая летучего мономера; ПН-ЗС — стирольная смола повышенной огнестойкости; ПН-10 — смола с повышенной стойкостью к действию воды и кислот.
Для отверждения полиэфирных смол применяют отвердите-ли, а для ускорения этого процесса без повышения температуры применяют также различные инициаторы (ускорители). В качестве отвердителей используют органические перекиси или гидроперекиси: гидроперекись кумола, перекись метилэтилкетона, гидроперекись изопропилбензола и др. Для инициирования процесса чаще всего применяют нафтенат кобальта (НК-ускоритель), являющийся стирольным раствором кобальтовой соли нафтеновых кислот, а для бесстирольных смол — ускорители БНК-2 и ЛКТ-3.
Кремнийорганические смолы применяют главным образом для производства стеклопластиков с хорошими диэлектрическими характеристиками, стойких к воздействию влаги и термоокислению. Главным недостатком этих смол является низкая когезионная прочность, равно как и невысокая адгезия к стекловолокну. Применение кремнийорганических смол ограничивается стеклопластиками термо- и электроизоляционного назначения.
За последние годы стеклопластики нашли широкое применение во всех отраслях промышленности, включая угольную и горнорудную.