Стеклопластик: история появления, методы производства, области применения

О чем речь? Стеклопластик – композит, имеющий в своей основе армирующее волокно из соответствующего названию материала, а также какую-либо полимерную смолу в качестве связующего элемента. Часто в состав входят специальные модификаторы для придания конечному изделию необходимых свойств.

Почему популярен? Стеклопластик востребован благодаря набору уникальных свойств вроде малого удельного веса при весьма впечатляющей прочности. Благодаря этому материал постоянно используется в авиации, судостроении, автомобильной промышленности и многих других отраслях.

Общая характеристика стеклопластика

Стеклопластик — это представитель слоисто-волокнистых композитных материалов, обладающий высокой жесткостью и прочностью за счет высокопрочных стеклянных волокон.

Роль связующих веществ могут играть различные полимеры: например, полиимиды или поликарбонаты, а также эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные, фенолформальдегидные смолы. Эти компоненты препятствуют воздействию химических реагентов на волокно, придают монолитность материалу, а также берут на себя часть усилий, которые возникают в материале при нагрузке.

Форма наполнителя также может быть любой: ровница (не скрученные волокна), жгуты и нити из первичных волокон, стеклоткань.

Кроме того, в состав материала вводят модификаторы (затвердители, пластификаторы, огнеупорные компоненты, ускорители реакции) и пигменты, чтобы изделие было окрашенным.

Стекловолокно, которым армируют матрицу из полимера, наделяет стеклопластик свойствами, которые у обычных пластмасс отсутствуют: он становится более прочным, повышается устойчивость к линейному расширению и абразивному износу, а также нагрузкам при вибрации и ударах.

История появления стеклопластика

Первые упоминания о композитных материалах датируются периодом около 5000 лет до н.э. Например, жители Месопотамии смолой пропитывали деревянные лодки, а египтяне использовали для постройки зданий такой древний композит как саманный кирпич — это материал, состоящий из соломы и глины. Некоторые конструкции, созданные из такого кирпича, сохранились до нашего времени. Уже в те времена люди догадались, что если взять два взаимодополняющих материала с разными свойствами, то получится не просто их сумма, а материал с лучшими качествами.

В Древнем Риме были известны такие композиты как строительные смеси и бетон. Их уже осознанно собирали из отдельных компонентов: армирующую роль играл гравий или песок, к которому добавляли для соединения связующий элемент (он делал состав монолитным и перераспределял нагрузку). И в настоящее время принципы, заложенные людьми древнего мира, остаются актуальными.

С девятнадцатого века началось бурное развитие композитных материалов, а позднее и стеклопластика. Многое из того, к чему мы привыкли и считаем обычным, в то время было выдающимся открытием. Начиная с XIX века было изобретено много композитных материалов, которые находят применение в наши дни.

Именно в тот период были открыты каучуки, а резины, которые делаются из них, являются типичным композиционным материалом. Другой важный материал, появившийся в то время — это техническая сажа, которая повышает прочность состава и устойчивость к продолжительным знакопеременным нагрузкам. Сейчас она применяется в производстве шин для автомобилей.

Стекловолокно было изобретено во второй половине девятнадцатого столетия, а первое производство начало работать в 1870-е годы. После этого его очень быстро стали сочетать с другими материалами.

В начале 1930-х годов были созданы полиэфирные смолы. Их комбинация со стеклянными волокнами стала важным шагом в развитии производства полимерных композитов.

С того времени развитие стеклопластиков пошло очень быстро. Прежде всего, материал оценила судостроительная отрасль, где из него производят корпуса катеров и лодок. Также стеклопластики используют в автомобилестроении и авиационной промышленности.

Большую роль в изучении композитных материалов сыграл Андрей Константинович Буров, российский ученый, который работал в Институте кристаллографии РАН. Он одним из первых начал исследование композитов и в 1930-х годах его работы приобрели статус самостоятельного научного направления.

Важнейшим элементом полимерных композитов являются связующие соединения на основе эпоксидных смол. В их изучении русским ученым также отводится немаленькая роль.

Полезные свойства стеклопластика

Стеклопластик по праву называют материалом будущего благодаря его важным свойствам. Далее рассмотрим некоторые из них.

• Небольшой вес

Удельный вес стеклопластика в два раза ниже, чем у дуралюмина, и в 5-6 раз ниже в сравнении с весом черных и цветных металлов. Это свойство делает его удобным для использования в автомобилестроении и машиностроении, поскольку позволяет уменьшить вес транспорта, что способствует экономии энергии.

• Диэлектрические свойства

При использовании постоянного или переменного тока стеклопластики обеспечивают отличные электроизоляционные качества.

• Хорошая коррозионная устойчивость

Благодаря своим диэлектрическим свойствам стеклопластики устойчивы к электрохимической коррозии.

• Устойчивость к химическому воздействию

За счет введения определенных смол стеклопластики приобретают высокую химическую стойкость, том числе в отношении концентрированных кислот и щелочей.

• Привлекательный внешний вид

При производстве стеклопластиков их можно окрасить в любой цвет, который сохраняется в течение длительного времени.

• Прозрачность

Если при изготовлении композита использовать светопрозрачные смолы, можно получить прозрачный стеклопластик, который будет иметь практически не уступающие стеклу оптические свойства.

• Отличные механические свойства

Определенные виды армирующих материалов и смол позволяют получить стеклопластик, который превосходит некоторые виды стали и сплавы цветных металлов по прочностным характеристикам.

• Высокие теплоизоляционные качества

Стеклопластик обладает низкой теплопроводностью. Для повышения теплоизоляционных свойств также создают конструкции типа «сэндвич», когда между слоями стеклопластика размещают пенопласт или другие пористые материалы.

Классификация стеклопластика

Стеклопластики классифицируют по разным признакам.

По типу полимерной матрицы

• Полиэфирные — экономичный вид материала, который используется чаще других, легко обрабатывается, имеет высокую химическую стойкость, отличается хорошим соотношением «цена-качество».
• Эпоксидные — по сравнению с полиэфирными более жесткие и прочные, имеют хорошую адгезию к стекловолокну. Отличаются термостойкостью и химической инертностью.
• Винилэфирные — находятся посередине между эпоксидными и полиэфирными материалами. Имеют хорошие механические свойства, отличаются высокой устойчивостью к воздействию кислот и других химических веществ.
• На основе термопластичных полимеров — это передовое направление стеклопластиков, имеющих тип матрицы ПЭ (полиэтилен), ПП (полипропилен) и другие термопласты.

В таких материалах сочетаются армирующие свойства стекловолокна и преимущества термопластов (гибкость, ударная прочность, возможность повторной переработки).

По виду наполнителя

• Стекловолокниты — в качестве армирующего элемента содержат стекловолокно. Характеризуются изотропностью в плоскости листа, используются для производства сложных корпусных деталей.
• Стеклотекстолиты — это стеклопластики, армированные стеклотканью. Отличаются повышенной прочностью в двух направлениях, применяются в обшивках и плоских панелях.
• Однонаправленные стеклопластики — армируются ровингом. Имеют высокую прочность вдоль волокон, используются для изготовления труб, стержней, лонжеронов.
• Маты из рубленого волокна — имеют невысокую прочность и хаотичную ориентацию, применяются в ненагруженных корпусных деталях.

В зависимости от структурной организации различают тканые, нетканые, однонаправленные непрерывные армирующие наполнители и наполнители объемного плетения. От вида наполнителя зависят конструкционные свойства материала и сфера использования.

По схеме расположения волокон

• Однонаправленные (анизотропные) — волокна параллельны друг другу.
• Перекрестные — волокна располагаются под определенным углом друг к другу. По отношению к изделию угол может быть постоянным или переменным.
• Хаотично-армированные (изотропные) — направление волокон не имеет определенной ориентации.

Механические свойства стеклопластиков зависят от направления волокон, поэтому меняя ориентацию, можно существенно менять свойства материала.

По назначению

В зависимости от назначения различают электроизоляционные, радиопрозрачные, конструкционные, химически стойкие, теплозащитные и другие стеклопластики.

По форме поставок

Существует листовой и рулонный стеклопластик, трубы, профили, гранулы для литья и т. д.

При выборе типа стеклопластика учитывают его характеристики, условия использования, технологию производства.

Методы производства стеклопластика

Стеклопластик получают горячим прессованием смеси стекловолокна и синтетических смол. Стекловолокно выполняет армирующую функцию, которая обеспечивает высокую механическую прочность изделий при небольшой плотности стеклопластика.

Для изготовления материала применяют разнообразные смолы. Они классифицируются на группы в зависимости от химического состава, метода формования и сферы применения. По методу формования различают смолы для вакуумной инжекции, ручного формования, процессов намотки для пултрузии, горячего прессования.

По области применения выделяют химически стойкие, теплостойкие, обычные конструкционные, светопрозрачные, огнестойкие смолы.

Рассмотрим, какими методами чаще всего получают изделия из стеклопластика.

• Ручное формование

В этом случае стеклоармирующий материал пропитывают смолой вручную, используя валики или кисти. После этого стекломат помещают в форму и прикатывают специальными валиками. За счет прикатки из ламината удаляются включения воздуха, и смола равномерно распределяется по всему объему. Ламинат затвердевает при комнатной температуре, далее его достают из формы и проводят механическую обработку (сверлят отверстия, обрезают облой и т. д.).

• Напыление рубленного ровинга

Стеклонить рубят на короткие волокна в ножах пистолета, после чего в воздухе смешивают с струей катализатора и смолы, а затем на носят на форму.

Рубленный роввинг прикатывают на форме, чтобы удалить включения воздуха из ламината. Прикатанный материал отвердевает в обычных условиях.

• Метод RTM

Стеклоармирующий материал укладывают на матрицу, представляющую собой заранее заготовленные выкройки определенного вида. Затем к матрице прижимают пуансон. Смола под определенным давлением поступает в полость формы. В некоторых случаях внутри формы создают вакуум, чтобы смола легче проходила через материал. Когда стекломатериал полностью пропитывается смолой, инжекцию прекращают и оставляют ламинат отвердевать в форме. Отверждение происходит при повышенной либо комнатной температуре.

• Метод пултрузии

От катушечной рамы волокна поступают к ванне со смолой, после чего пропускаются через нагретую фильеру, где устраняется лишняя смола, ламинат профилируется и отвердевает. Полученный профиль режется на куски нужного размера.

• Метод RFI

На сухую ткань выкладывают слои пленки из смолы, находящейся в полутвердом состоянии и закрывают специальной пленкой, под которой образуется вакуум. Далее форму помещают в автоклав или термостат. При нагревании смола начинает течь и пропитывает материал за счет вакуума. Спустя некоторое время происходит полимеризация смолы с образованием листового стеклопластика.

• Метод намотки

Таким способом обычно получают трубы, резервуары и другие круглые или овальные пустотелые секционные изделия.

Волокна сначала проходят через ванну со смолой, потом поступают на натяжные валики, где удаляются излишки смолы, а сами волокна натягиваются. Затем они под определенным углом наматываются на сердечник с сечением требуемого размера. Угол определяется соотношением скорости вращения и быстротой движения тележки.

• Метод препрегов

Препрег — это стеклоткань, которую предварительно пропитывают пред-катализированной смолой под давлением и при высокой температуре. В таком виде она сохраняется в течение нескольких недель, а понижение температуры позволяет еще больше продлить срок хранения. А препрегах смола имеет полутвердое состояние. Для формования препреги размещают на поверхности формы, сверху кладут вакуумный мешок и нагревают до 120-180⁰С. Смола становится текучей, благодаря чему препрег заполняет форму по границам. Дальнейшее нагревание приводит к отвердеванию смолы. Для создания дополнительного давления, необходимого для формования (до 5 атмосфер), используют автоклав.

Области применения стеклопластика

Стеклопластик — это относительно недорогой материал, имеющие отличные эксплуатационные качества. Он подвергается механической обработке, окрашиванию, позволяет наносить разные покрытия, поэтому находит широкое применение во многих отраслях.

Авиационная промышленность

Стеклопластик устойчив к коррозии, легкий, имеет высокую удельную прочность и отличные теплоизоляционные и электроизоляционные показатели. Эти качества позволяют использовать его для производства деталей самолетов и других летательных аппаратов, в том числе обтекателей радиолокационных станций, так как он еще является радиопрозрачным, то есть не искажает радиосигналы. Из стеклопластика делают капоты двигателей, зализы, люки, грузовые отсеки, закрылки, элероны, створки шасси самолетов.

Судостроение

Именно судостроение стало стимулом для развития производства изделий из стеклопластика. Почти весь мировой малотоннажный флот использует корпуса из данного материала. Стеклопластик используется в строительстве лодок (моторных и весельных), крейсерных и гоночных яхт, катеров, спасательных шлюпок, скутеров, рыболовецких судов и других плавсредств.

Из этого материала также изготавливают ходовые мосты, детали кабин, палуб и двигателей, крышки люков. С недавнего времени из стеклопластика делают разные емкости, например, бассейны, ванны, искусственные водоемы, аналогично тому, как производят лодочные корпуса.

Автомобилестроительная отрасль

Здесь стеклопластик применяется для получения бамперов, кабин, элементов кузова, обвесов, внутренних деталей салона и багажников для перевозки груза на крыше. Двери, корпуса, крышки багажников, капоты, крыши гоночных машин также выполнены из этого материала. Его популярность в данной отрасли обусловлена тем, что его можно легко восстановить при деформации после ударов, и он не ржавеет. К тому же стеклопластик легко окрашивается, а чтобы получить нужный цвет, не требуется наносить большое количество слоев. За счет этого производство и ремонт автомобилей обходятся значительно дешевле.

Канализационные сооружения и элементы водоснабжения

Стеклопластик находит широкое применение для изготовления ливневых коллекторов и трубопроводов высокого давления. Трубы из этого материала не ржавеют, не требуют монтажа станций катодной защиты, легко монтируются благодаря небольшому весу, их можно прокладывать под автомобильными дорогами без использования специальных защитных гильз. Также стеклопластик используется для производства резервуаров локальных канализационных очистных конструкций (из него делают аэротенки, фильтры, септики, отстойники). Данный материал обладает высокой прочностью, поэтому из него можно делать достаточно большие сооружения с тонкими стенками, что позволяет значительно снизить затраты на производство в сравнении с традиционными железобетонными конструкциями. К преимуществам стеклопластика также относятся большой срок службы, отсутствие необходимости ежегодного ремонта и особого ухода.

Строительный сектор

В сфере строительства стеклопластик также широко применяется. Например, его используют как альтернативу каменным конструкциям и изделиям из металла. Стеклопластик является более дешевым материалом, обладает отличными декоративными и прочностными характеристиками. Стеклопластиковая арматура применяется в малоэтажном строительстве при заливке бетонных стен и фундамента.

В высотном строительстве данный материал применяется для производства декоративной лепнины и элементов фасада. Кроме того, стеклопластик используют при изготовлении окон и дверей вместо привычного ПВХ-профиля. При благоустройстве дорог и тротуаров также применяют стеклопластиковую арматуру. Если не нарушать строительную технологию, полотно, содержащее стеклопластик, не деформируется, не прогибается и не растрескивается.

Энергетическая отрасль

Стеклопластик является отличным диэлектриком, прочным и долговечным, что позволяет успешно применять его в сфере электроэнергетики. Из него делают крышки корпусов коммутационных и электротехнических приборов, изоляторы, элементы ячеек, щитов и шкафов управления, детали высоковольтных пускателей. Также стеклопластик используется в производстве таких строительных конструкций электропомещений как ограждающие короба и панели, настилы, плиты фальшполов и т.д.

Определенные минусы стеклопластика

Стеклопластик обладает очевидными преимуществами перед другими материалами, однако в некоторых случаях его применение ограничивается определенными недостатками.

• Отсутствие пластичности. Стеклопластик хорошо переносит удары и физические нагрузки, но требует большой осторожности в работе. Если на него оказывать сильное давление, он может разрушиться. Например, под действием грунта стенки емкости могут повредиться.
• Низкая устойчивость к износу. Из-за отсутствия пластичности при изгибах, сильных ударах или повышенных нагрузках материал подвергается механическим повреждениям.
• Маленький модуль упругости. Конструкции, испытывающие высокую нагрузку, должны иметь ребра жесткости, утолщенные стенки или дополнительное усиление.
• Чувствительность к производственным условиям и режиму использования. Если не соблюдать технологию производства, эксплуатационные показатели готовых изделий заметно ухудшаются. Также не нужно забывать об ограничениях, связанных с условиями эксплуатации и типом смолы.
• Анизотропия упругих, прочностных и других характеристик. При проектировании необходимо учитывать, что на свойства материала влияет направление воздействия, поэтому они могут меняться.
• Гетерогенная структура. Приводит к тому, что химические соединения и влага быстрее проникают в материал из внешней среды.
• Подверженность воздействию УФ-лучей. Солнечные лучи приводят к разрушению полимерной смолы, из-за чего материал теряет цвет и прочность, поверхность шелушится. Чтобы защитить стеклопластик от излучения, в него вводят УФ-стабилизаторы, а также используют специальные покрытия (гелькоут).
• Ограничения по температурному режиму. В зависимости от типа смолы стеклопластик имеет разные температурные ограничения: полиэфирные смолы позволяют использовать его до температуры +100⁰С, эпоксидные — не выше +120⁰С, а винилэфирные — до +150⁰С. Если температура превышает верхнюю границу, происходит размягчение смолы и материал разрушается. Стеклопластик, предназначенный для эксплуатации в условиях высоких температур, содержит специальные термически стойкие смолы, но они стоят дороже обычных.
• Проблемы с ремонтом и механической обработкой. При сверлении, резке или фрезеровке материала образуется абразивная пыль, ускоряющая износ инструмента. Об этом же говорят о отзывы специалистов, использующих стеклопластик в работе. Обрабатывать стеклопластик рекомендуется на сниженной скорости резания с помощью алмазных или твердосплавных инструментов, а для ремонта необходимы специальные технологии и материалы.
• Дороговизна. Высокая цена объясняется сложностью производственных процессов, а также тем, что изготовление стеклопластика требует применения дорогих смол и стекловолокна.
• Трудности с утилизацией. Смолы имеют термореактивную природу, из-за чего после отвердевания не подвергаются повторному расплавлению, поэтому их вторичная переработка затруднена. Утилизацию проводят механическим способом, а также путем сжигания или пиролиза, но эти методы ухудшают механические свойства материала, что ограничивает возможность повторного использования отходов, а также загрязняют воздух вредными выбросами.

Инновации в области производства стеклопластика

Активное развитие области композитных материалов продолжается, появляются новые технологии и составы. Например:

1. Биостеклопластик. Разработки в этом направлении позволяют получить экологически чистые и биоразлагаемые материалы, из которых можно делать медицинское оборудование, упаковку и т. д.
2. Углеродные волокна и стеклопластик. При соединении стеклопластика и углеродных волокон образуются жесткие сверхпрочные композиты. Они могут использоваться в аэрокосмической и авиационной промышленности, а также в сфере производства товаров для спорта. Стеклопластик с наночастицами в аэрокосмической промышленности применяют для изготовления обшивки ракет и спутников, так как здесь важна прочность и легкость материала. В авиации из стеклопластика, включающего углеродные волокна, делают элементы крыльев и хвостов самолетов.
3. 3D-печать стеклопластика. С помощью 3D-печати получают сложные конструкции и формы, например печатают детали прототипов для автомобилей или сложные фрагменты архитектуры.
4. Стеклопластиковые композиты, способные самостоятельно восстанавливаться. В настоящее время ведутся работы по получению стеклопластиковых материалов, которые без человеческого участия могут после повреждения возвращать себе прочность. Для автопроизводителей эти материалы имеют хорошие перспективы в производстве облицовки и бамперов.
5. Радиационная стойкость. В этой области исследованиями занимаются военные ученые. Стеклопластиковые материалы, обладающие устойчивостью к радиации, могут быть использованы в космической или ядерной сфере.
6. Интеграция с умными технологиями. Стеклопластик можно внедрять в композитные изделия с умными системами контроля или сенсорами. Благодаря разработкам ученых сейчас есть возможность встраивать в стеклопластик фотоэлектрические панели, получая таким образом солнечные батареи, и делать из этого материала прозрачные легкие фасады зданий.

Часто задаваемые вопросы о стеклопластике

В чем отличие между стеклопластиком и углепластиком?

Эти материалы отличаются армирующим компонентом: стеклопластик содержит стеклянные волокна, а углепластик — волокна из углерода. Изделия из стеклопластика обладают повышенной жесткостью, тогда как углепластик отличается прочностью и упругостью, но его стоимость в 5-10 раз выше.

Насколько прочность стеклопластика выше прочности обычного пластика?

У стеклопластика прочность на разрыв в сравнении с ПНД в несколько раз выше, а отличия по жесткости выражены еще сильнее. Стеклопластик менее подвержен давлению содержимого и грунта (корпус деформируется значительно меньше).

Нужно ли специальное оборудование, чтобы обрабатывать стеклопластик?

Для механической обработки материала применяют стандартные инструменты, но они должны быть оснащены твердосплавными пластинами. Поскольку в процессе образуется абразивная стеклянная пыль, необходимо предусмотреть эффективную систем ее удаления. Для фрезерования и сверления используют обычные станки, работы ведут при повышенной скорости.

Сколько служат изделия из стеклопластика?

Если стеклопластиковые конструкции правильно спроектированы и эксплуатируются без нарушений, они могут прослужить 30-50 лет. Например, емкости для химических веществ и трубы из стеклопластика сохраняют свои эксплуатационные показатели более 30 лет.

Мир стремительно развивается и, вероятно, человечество сделает много открытий. Композитные материалы — это возможность повышения технологичности и универсальности привычных нам вещей, а также способ сохранить природные ресурсы.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com