Классификация стеклопластиков

 

На обрабатываемость стеклопластиков оказывают влияние многочисленные факторы: тип наполнителя и связующего, метод изготовления стеклопластиковых труб, ориентация стекловолокна.

По химическому составу различают три вида стёкол в производстве стеклопластиков: алюмоборосиликатное (бесщелочное), алюмомагнезиальное (щелочное), кремнезёмное.

 Стекловолокно щелочного состава обладает большой гигроскопичностью. Под влиянием влаги на поверхности волокна щелочного состава образуется свободная щелочь, которая, проникая в поверхностные трещины, усиливает процесс разрушения волокна и приводит к снижению его прочности. Незащищенное стекловолокно бесщелочного состава при длительном нахождении во влажной среде также теряет свою прочность (до 40%), однако при высыхании стекловолокна прочность его восстанавливается. Изделия же из стеклопластиков под действием влаги сохраняют свою прочность длительное время.

Для изготовления стеклопластиков с повышенными теплофизическими свойствами начинает широко применяться кремнеземное волокно, получаемое из щелочного или бесщелочного стекла путем его обработки смесью соляной и серной кислот. За исключением кремнезема, остальные компоненты, входящие в состав стекла, под действием кислот растворяются. Получаемое стекловолокно содержит до 98% SiO₂. На основании вышеизложенного марки стеклопластиков по типу стекловолокна можно разделить на две группы:

1) стеклопластики на основе алюмоборосиликатного стекловолокна(примерно 54% SiO₂) АГ-4 С, АГ-4 В, 27-63 С, 33 18 С, СК-9Ф, ВФТ, ФН, ЭФ32 -301, ПН-1, ЭФБ-П, ЭФБ-Н;

2) стеклопластики на основе кремнеземного стекла (примерно 98% SiO₂) П-5-2, РТП, Т3-9Ф.

Классификация стеклопластиков по ориентации стекловолокна. В качестве наполнителя в производстве стеклопластиков непосредственно стекловолокно используется очень редко. В основном стекловолокно используется после текстильной переработки в виде ровниц, жгутов, тканей.

Стеклопластики, изготовляемые из ровниц, обладают резко выраженной анизотропией свойств.

Рубленые пряди из некрученых волокон, называемые жгутами, используются как наполнитель для стеклопластиков с неориентированным расположением волокон. Наибольшее распространение стекловолокно как наполнитель получило в виде крученых нитей в стеклотканях и стеклолентах (узкая ткань).

На основании проведенного анализа видов ориентации стекловолокна стеклопластики можно классифицировать по группам:

1) анизотропные стеклопластики – стеклопластики с однонаправленным расположением волокон (на основе ровниц): 27-63 С, АГ-4 С, 33-18 С;

2) стеклотекстолиты – стеклопластики с взаимно перпендикулярным расположением волокон (на основе тканей): СК-9Ф, ВФТ, ФН, ЭФ-32-301, ПН-1, ЭФБ-П, ЭФБ-Н, Т3-9Ф, ЭДП-10П;

3) изотропные стеклопластики – стеклопластики с неориентированным расположением волокон (на основе жгутов): АГ-4В, П-5-2, РТП.

В мировой промышленности используют 6 типов стекол для производства волокон общего и специального назначения. Они различаются химическим составом, процентным содержание входящих в них оксидов (Таблица 2.1):

1. А-Na, Ca-силикатное стекло, имеет низкую влагостойкость, поэтому редко используется в производстве наполнителей для композиционных материалов.

С-химическое стекло, обладает повышенной химической стойкостью, применяется при изготовлении коррозионно-стойких материалов.

1. Д-стекло с повышенной электрической прочностью, используется в производстве материалов электротехнического назначения.

2. Е-алюмоборосиликатное стекло, используется для производства наполнителей общего назначения.

3. S-высокопрочное, высокомодульное стекло, разработано для применения в материалах для аэрокосмической техники.

4. IM-31A-высокомодульное стекло, используется в производстве стеклопластиков повышенной жесткости.

 

Таблица 2.1 – Типичный состав основных волокнообразующих стекол, % по массе [3]

Компоненты стекла	Марка стекла
	А	C	Е	S	Кварцевое
SiO2	70,5	64,0	53,0	64,2	99,95
Al2O3	3,1	5,5	15,0	24,8	––
Fe2O3	0,2	1,0	0,1	0,21	––
CaO	8,7	12,0	27,0	0,01	––
MgO	3,1	2,0	4,0	10,27	––
Na2O3	12,0	9,5	0,3	0,27	––
B2O3	––	2,0	10,0	0,01	––
BaO	––	2,0	––	0,2	––
Прочие	2,4	2,0	0,6	0,03	0,05

 

Классификация стеклопластиков по типу связующего. Связующее представляет собой композицию синтетических смол, включающих различные добавки (инициатор, ускоритель, катализатор и др.). При изготовлении стеклопластиков связующее не проникает в структуру наполнителя, а лишь обволакивает поверхность стекловолокна. Поэтому основными требованиями, предъявляемыми к связующим, являются хорошая смачивающая способность и адгезия связующего к стекловолокну, которые обеспечивают склеивание отдельных нитей и слоев и одновременность их нагружения в стеклопластиках. На механическую прочность стеклопластиков большое влияние оказывают усадка связующего, его механические свойства, термо-, водо- и атмосферостойкость и другие свойства. Из большого количества смол, обладающих адгезионными свойствами к стекловолокну, в качестве связующих для производства стеклопластиков наибольшее применение находят полиэфирные, эпоксидные, фенольно-формальдегидные, кремнийорганические смолы и их модификации.

Классификация стеклопластиков по связующим несколько условна, так как связующие некоторых стеклопластиков содержат смолы, относящиеся к различным группам. Тем не менее, при данной классификации имеем группы:

1) стеклопластики на основе эпоксидных смол и модифицированных эпоксидных смол: ЭФ-32-301, ЭДП-10П, 27-63С, 33-18С, ЭФБ-П, ЭФБ-Н;

2) стеклопластики на основе полиэфирной смолы – ПН-1;

3) стеклопластики на основе фенольно-формальдегидных смол и модифицированных фенольно-формальдегидных смол: П-5-2, ВФТ, ФН, АГ-4С, АГ-4В;

4) стеклопластики на основе кремнийорганических смол и модифицированных кремнийорганических смол: РТП, ТЗ-9Ф, СК-9Ф.

Тип связующего также определяет такую важную характеристику материала, как его термо­стойкость. Основная масса стеклопластиков может долго работать при тем­пературах 130-150°С и кратковременно — до 250°С. Стеклопластики на основе эпоксидных смол работают при температурах до 200°С, а на основе кремнийорганических связующих — до 370 °С [12].

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 химически стойких изделий.

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. 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.

Эпоксидная смола превосходит полиэфирную по адгезии практически ко всем материалам, в то время как полиэфирная не обеспечивает даже надежной адгезии стеклоткани к древесине. Эпоксидная смола гарантирует полное отверждение, она пожаробезопасна и менее токсична.

Классификация стеклопластиковых намотанных изделий выглядит следующим образом. В зависимости от типа укладки армирующего волокнистого материала в намотанном изделии различают следующие технологические схемы намотки: прямая (окружная), спирально-винтовая (тангенциальная, кольцевая), спирально-перекрёстная (спирально-продольная, спирально-поперечная), продольно-поперечная и др.

Прямую намотку применяют в тех случаях, когда необходимо получить оболочку, длина которой меньше или равна ширине наматываемой ленты.

Рисунок 2.1 – Схема прямой намотки. 1 – оправка; 2 – рулон с тканью

 

Продольно-поперечная намотка. Технологическая схема намотки показана на рисунке 6. Вертлюг – дорн, на котором по периметру установлены шпули с волокном, вращаясь синхронно с оправкой, перемещается вдоль ее оси, укладывая продольные ленты. Одновременно укладываются кольцевые слои, фиксирующие ленты продольной укладки.

 

Рисунок 2.2 – Схема продольно – поперечной намотки.

1 – оправка; 2 – вертлюг катушек продольных лент; 3 – катушка кольцевой ленты; 4 – наматываемая оболочка; 5 – катушка продольной ленты

 

Сущность спирально-винтовой намотки заключается в укладке армирующего материала на поверхность оправки по винтовой линии. При этом витки, образованные непрерывной укладкой арматуры, плотно прилегают между собой или имеют строго постоянный нахлёст, величина которого связана с числом формируемых одновременно слоёв заданной структуры. Возможны два варианта укладки слоёв армирующего наполнителя: однослойная укладка и многослойная.

Этот метод широко используется в сочетании с другими. Отдельно он применяется в тех случаях, когда необходимы повышенная кольцевая прочность или жесткость (например, упрочнение металлических труб).

Но хочется особое внимание уделить косослойной продольно – поперечной намотке, так как в нашем случае (для нарезания резьбы) данная схема армирования обеспечивает наибольшую прочность изделия. Кроме того данный способ намотки наиболее часто применим в производстве напорных стеклопластиковых труб среднего диаметра.

 

Рисунок 2.3 – Схема косослойной продольно – поперечной намотки.

1 – оправка; 2 – катушка для нитей; 3 – вертлюг для укладки осевых нитей; 4 – ванна для пропитки

 

Метод заключается в том, что слой продольно- поперечного армирования формируется не в пределах всей оправки, а в пределах технологической ленты, укладываемой на оправку спирально-винтовым методом с малой подачей. Набор требуемой толщины стенки формуемого изделия осуществляется обычно за один ход раскладывающего устройства (Рисунок 7) [9].

Так как выбранное мной изделие должно применяться в нефтегазовой промышленности, через которые могут перекачиваться так же углекислый газ, от -50°С до + 100°С, то целесообразно выбрать стеклопластик на основе непрерывного волокна из С-химического стекла. Важным моментом для производства качественного изделия являются адгезия смолы и пропитываемость волокон, так как монолитность и совместная работа волокон обеспечивается полимерным связующим. Поэтому связующее выбираем – эпоксидное.