Где и для чего стекловолокно применяется в строительстве
Где и для чего стекловолокно применяется в строительстве
Представьте себе, сколько полезных материалов для строительства можно изготовить путем переработки стекла
Чем утеплить свой дом? Как сделать штукатурку долговечнее, а бетон прочнее? Ответ на эти вопросы один — стеклянное волокно и различные изделия на его основе. Я расскажу, что такое стекловолокно и как этот материал применяется в строительстве.
Что такое стекловолокно
Стекловолокно производится из расплавленного неорганического стекла. Оно было впервые изобретено в 1932 году Дейлом Клейстом, который жил в Иллинойсе. Он пытался герметично сварить блоки стекла и случайно заметил, что при попадании на него струй сжатого воздуха выделяются тонкие волокна. Так был получен первый экспериментальный образец материала.
В настоящее время стекловолокно производится из отходов стеклянной промышленности, стеклянного боя, известняка, доломита, песка, соды и иных составляющих. При производстве компоненты расплавляют в специальных печах, после чего в полужидкой смеси образуются волокна, которые тоньше человеческого волоса. Материал получается очень качественным и обладает превосходными звукоизоляционными и теплоизоляционными свойствами. Это достигается за счет того, что нити расположены параллельно друг другу. На последнем этапе материалу придают нужные жесткость и оттенок. Если вы ищите приемлемые и эффективные варианты утепления дома, рассмотрите стеклоткань, которая полностью решит вопрос теплоизоляции и поможет создать комфортный микроклимат в помещении.
Производство
Долгое время областью использования стеклопластика являлись космические технологии, авиационная промышленность и судостроение. Исключительные свойства этого материала не могли найти применения в широких отраслях промышленного производства из-за отсутствия в должной мере проработанной и налаженной технологии массового выпуска изделий и профилей заданных форм и размеров. Ситуация изменилась с открытием пултрузионной технологии производства композиционных материалов.
В общем случае процесс заключается в протягивании (pull) армирующего волокна через (throught) форму с разогретым связующим веществом с последующими этапами остывания и отвердевания.
Количество вариантов этой технологии велико. Существуют горизонтальные линии производства, вертикальные, линии непрерывного производства и периодического. При небольших объемах производства применяется метод ручного формования изделий или метод напыления стекловолокна вручную.
Состав и свойства стекол для изготовления стекловолокна.
В зависимости от области применения непрерывного стекловолокна требования к его химическому составу могут быть различными. Для электрической изоляции употребляется только бесщелочное (или малощелочное) алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекло; для конструкционных стеклопластиков применяют главным образом бесщелочные магнийалюмосиликатные или алюмоборосиликатные стекла; для стеклопластиков неответственного назначения можно использовать и щелочесодержащие стекла.
Процесс формирования непрерывного стеклянного волокна предъявляет к стеклу ряд требований: интервал вязкостей, в котором устойчиво протекает формирование непрерывного стеклянного волокна из стекол обычных составов.
Основными требованиями, предъявляемыми к стеклам для производства штапельного волокна, являются малая вязкость при температуре выработки и низкое поверхностное натяжение. В зависимости от способа выработки и назначения штапельного волокна применяют стекла различных составов, однако все они отличаются высоким содержанием оксидов щелочноземельных металлов.
Свойства материала:
От ряда других материалов композиционного состава отличают стеклопластик свойства, среди которых наиболее важными являются следующие:
- небольшой удельный вес;
- высокие показатели механической прочности;
- коррозионная стойкость;
- температурная стойкость;
- низкая теплопроводность;
- высокие диэлектрические показатели;
- относительно низкая стоимость производства.
Другие области применения
Кроме указанных областей, стеклоткань идёт на изготовление кровельных материалов: более дешёвых гладких и не деформирующихся, но более дорогих каркасных.
Используют для утепления и гидроизоляции домов, трубопроводов и автомобилей.
Из стеклоткани делают уникальные по прочности и конфигурации детали для аппаратов и станков.
В 1970-е годы цветное стекловолокно шло даже на украшение интерьеров. Тогда были весьма модными шторы, абажуры и торшеры из этой ткани.
Негорючесть материала служит основанием для использования стеклоткани в качестве штор на некоторых огнеопасных производствах и в наши дни.
Технологии производства и методы формообразования деталей
Основные затраты при производстве изделий приходятся на технологическое оборудование и рабочую силу, затраты на которую велики за счет трудоёмкости и больших временных затрат на производство.
Базовый производственный процесс, применяющийся до настоящего времени, начинается со стеклянных шариков, являющихся сырьем для получения волокна. Использование шариков преследует две цели: шарики легко подавать в расплав с контролируемой скоростью, что облегчает поддержание температуры расплава на заданном уровне, и, второе, в прозрачных шариках легко обнаруживаются примеси.
Стекло расплавляют в электрических печах и выдавливают через перфорированную металлическую пластину, называемую питательной фильерой, или бушингом. Фильеру изготавливают из платины, платинородиевых сплавов или других редких материалов, поскольку расплавленное стекло обладает очень сильным размывающим действием, которому не способны противостоять большинство металлов. Платина, имеющая достаточно высокую температуру плавления (1760°С), позволяет нагревать стекло, размягчающееся в интервале 980–2100°С до состояния текучести.
Для формирования непрерывных нитей расплавленное стекло после прохождения через мелкие отверстия фильеры подается на наматывающую машину, на которой нити растягиваются и уменьшаются в диаметре до 0,7-4,5 мкм. Сотни параллельных волосков собираются в большом стальном барабане, где они соединяются в тонкую нераскручивающуюся нить, наматываемую на бобины. С этого момента она может быть использована в традиционных процессах текстильного производства.
Р. Слейтерс и его коллектив установили, что стекловолокно, помещенное в различные твердеющие смолы, способно формировать легкий прочный и упругий материал, хорошо поддающийся формованию, способный заменить фанеру и листовой металл.
Большинство марок стекловолокна получили название благодаря своим специфическим свойствам:
- Е (electrical) – низкой электрической проводимости;
- S (strength) – высокой прочности;
- C (chemical) – высокой химической стойкости;
- M (modulus) – высокой упругости;
- А (alkali) – высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло;
- D (dielectric) – низкая диэлектрическая проницаемость;
- AR (alkali resistant) – высокая щелочестойкость.
- ECR (extremely corrosion resistance) – устойчивые в агрессивных средах и т.д.).
Изобретение подавляющего числа разновидностей стеклянных волокон принадлежит американской компании Owens Corning, созданной в 1938 г. И в настоящее время являющейся мировым лидером в производстве стекловолокна (табл. 1).
| Год | Тип стекловолокна | Марка |
|---|---|---|
| 1938 | А-стекло | Owens Corning |
| 1939 | E-стекло — ектротехнического назначения, двухстадийное, в настоящее время одностадийное | Owens Corning |
| 1943 | С-стекло – коррозионностойкое, двухстадийное | Owens Corning |
| 1965 | R-стекло – высокопрочное, двухстадийное | Vetrotex |
| 1968 | Glass® – высокопрочное, двухстадийное | Owens Corning |
| 1974 | R-стекло – щелочестойкое, двухстадийное | Owens Corning |
| 1978 | S2-Glass® – высокопрочное, тугоплавкое, двухстадийное | Owens Corning |
| 1980 | ECR-стекло® – электротехническое, коррозионностойкое, одностадийное | Owens Corning |
| 1996 | Advantex® – стекло и технология, улучшение технологии плавки для печей большей мощности; сочетает в себе свойства стекла Е и ECR, одностадийное | Owens Corning |
| 2004 | HPG-стекло (High Performance Glass) – высокопрочное стекло и технология на базе R-стекла, сочетает прочность и тугоплавкость, производство одностадийное в печах высокой производительности | Owens Corning |
| 2004 | H-стекло – высокомодульное стекловолокно, одностадийное | Vetrotex |
| 2007 | DM-S-стекло – высокопрочное стекло по одностадийной технологии, не содержит бора, полностью соответствует стандартам и свойствам S-стекла | Owens Corning |
Механические и физико-химические свойства стекловолокон зависят, главным образом, от химического состава стекла, а также от метода производства. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон.
Химический состав стекла определяет основные направления использования стекловолокон. Для электроизоляции применяется бесщелочное или малощелочное алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно.
Для изготовления конструкционных стеклопластиков, как правило, используют бесщелочное магнийалюмосиликатное или алюмобороси ликатное стекловолокно.
Для стеклопластиков неответственного назначения может быть использовано и щелочесодержащее стекловолокно.
В таблице 2 и 3 представлены химический состав различных марок стекол для производства стекловолокна и их физико-химические и механические свойства.
Отметим, что точный состав стекловолокна может различаться не только у разных производителей, но и у разных заводов одной компании, что обусловлено особенностями химического состава используемого сырья.
В настоящее время в мире выпускается два типа стекловолокна марки Е – боросодержащее стекло (содержит 4-10% оксида бора) и стекловолокно без бора.
Эти два типа стекловолокна отличаются химическим составом – стекловолокно с оксидом бора содержит 52-56% SiO2, тогда как в стекловолокне без бора содержание оксида кремния несколько выше – 59-61%.
Отличительной особенностью Е-стекол, не содержащих бор, является повышенное содержание в них оксида титана – от 0,5 до 1,5 %, в то время как в классическом Е-стекле его содержание находится в пределах 0,4-0,6 %.
Механические свойства обоих видов волокон на основе Е-стекла почти одинаковы. Прочность на разрыв составляет 3100-3800 МПа, однако модуль упругости у волокон без оксида бора несколько выше (80-81 ГПа), чем у обычных волокон (76-78 Гпа).
Основным отличием стекловолокна марки Е без бора является более чем в 7 раз большая кислотостойкость (выдержка при комнатной температуре в течение 24 часов в 10% растворе серной кислоты).
По своей кислотостойкости эти волокна приближаются к химически стойким волокнам на основе ECR стекла.
Основные переплетения:
- Полотняное – для электроизоляционных тканей;
- Сатиновое и полотняное – материалы для конструкций;
- Саржевое, сатиновое и полотняное – фильтровальные материалы.
Многослойные или сложные переплетения используются при изготовлении особых конструкционных материалов. Для декоративных материалов применяется крупноузорчатое и мелкоузорчатое переплетение.
Стеклоткани
Список областей применения стеклотканей огромен — от строительства до автомобильной промышленности. Из стеклоткани производят стекловолоконные конструкции и платы. Стеклоткани подразделяются на группы: для электроизоляции, стеклоткань из ровинга и НГП. Различаются стеклоткани только химическим составом. Самое широкое применение стеклоткань нашла в обтяжке трубопроводов. В сочетании со стекловатой стеклоткань эффективно удержит тепло. Стеклоткань не проводит электричество и часто используется в качестве изоляционного средства в разнообразных устройствах.
Кремнеземные ткани
Отличаются повышенным содержанием оксида кремния — до 95 процентов. Кремнеземная ткань работает при температурах до 1100-1200 градусов. Такая ткань является надежным барьером для защиты от пожаров, применяется в качестве фильтров в условиях агрессивной среды. Ткань обладает низкой теплопроводностью, отличными электроизоляционными свойствами и стойкостью к радиационным излучениям. Кремнеземная ткань получила широкое распространение во многих отраслях промышленности в качестве теплоизоляционного и огнезащитного средства. Кремнеземные ткани безопасны для здоровья человека и являются хорошей заменой вредному для человека асбесту.
Кварцевые ткани
Кварцевое волокно в своем составе имеет уже более 99 процентов оксида кремния. Температура плавления подобных волокон — 1750 градусов. При температуре 1200 градусов изделия из кварцевого волокна показывают высокую устойчивость — волокно способно выдержать температуру в 2000 градусов при условии кратковременного воздействия. Кварцевое волокно, благодаря своим свойствам, главным образом используется в аэрокосмической промышленности и в областях, где необходима очень высокая термостойкость. Учитывая это, а также большую прочность и устойчивость к ультрафиолетовому излучению, из кварцевых волокон делают обтекатели самолетов, изготавливаются материалы для теплозащиты атомных реакторов и высокотемпературных печей. Ткани из кварцевого волокна идут на изготовление высокоэффективных подложек для нанесения катализаторов. Как видим, изменяя химический состав стекла, ему можно придать нужные свойства – устойчивость к воздействию высоких температур, способность противостоять агрессивной среде, прочность и необходимые электрофизические характеристики.
Стекловолокно. Виды и применение. Производство и особенности
Стекловолокно – это распространенный материал на основе кварцевого песка. Он используется для изготовления стройматериалов, а также различных высокотехнологичных и прочных легких конструкций.
Из чего делают стекловолокно
Впервые стекольное волокно получились случайно. На производстве стекла произошла авария, при которой расплавленная масса была раздута подаваемым под давлением воздухом. В результате получились нити, отличающиеся некой долей гибкости. Это стало неожиданностью, поскольку толстое стекло после застывания является очень твердым. С тех пор прошло уже более 150 лет. Технология немного изменилась, но принцип остался прежним.
Для производства стекловолокна применяется кварцевый песок или битое стекло. Применяемая технология не подразумевает использования сложного оборудования, она является довольно простой. При этом получаемый материал обладает рядом свойств, зависящих от способа подготовки волокна.
Процесс изготовления стекловолокна заключается в выдувании из него тонких ниток. Для этого осуществляется разогрев битого стекла или кварцевого песка до температуры 1400°С. Расплавленная тягучая масса подается на формирующее оборудование. Если ее пропустить через центрифугу, то получится стекловата с переплетенными, замешанными между собой волокнами. Если же применять специальное сито с микроотверстиями, через которые масса выдувается под давлением пара, то получаются ровные длинные волокна. В дальнейшем они могут использоваться как сырье для изготовления сложных изделий.
Технические особенности
Стекловолокно имеет целый ряд положительных качеств, делающих его отличным сырьем для изготовления строительных материалов. К его неоспоримым достоинствам можно отнести:
- Теплопроводность.
- Устойчивый химический состав.
- Высокую плотность.
- Повышенную температуру плавления.
- Устойчивость к горению.
Одним из самых важных достоинств стекловолокна является низкая теплопроводность. Это позволяет делать из данного сырья теплоизоляционные материалы. Из всей группы изделий, которые можно получить из данного сырья, самым лучшим теплоизолятором является стекловата.
Стекловолокно имеет высокую химическую устойчивость, поскольку практически полностью состоит из кварцевого песка. При воздействии на него щелочами отсутствует любая химическая реакция, что делает волокно практически универсальным для сочетания с любыми стройматериалами.
Нити имеют высокую плотность, которая составляет 2500 кг/м³. Однако благодаря тому, что они являются распушенными, готовые из них изделия имеют большой объем, при этом малый вес. Чтобы расплавить даже тонкие волокна, их необходимо разогреть до температуры как минимум 1200°С. Такое возможно только при целенаправленном воздействии горелки. Это негорючий материал, что позволяет его использовать для создания различных пожаробезопасных конструкций. Теоретически возможно воссоздание определенных условий, при которых отдельные сорта стекловолокна могут гореть. При этом они должны содержать связующие полимерные компоненты, что встречается редко.
Сфера применения стекловолокна
Стекловолокно очень распространенный материал, из которого изготовляют самые разнообразные изделия. Его используют практически во всех сферах:
- Строительство.
- Производство бытовых предметов.
- Электроизоляция проводников.
- Медицина.
Использование в производстве стройматериалов
Стекловолокно является сырьем для изготовления различных материалов. Из него делают:
- Утеплительные маты.
- Рулонную мягкую стекловату.
- Штукатурную сетку.
- Стекломаты.
- Ткань.
- Стеклопластик.
- Стеклопластиковую арматуру.
Жесткие маты делают из стекловаты. Это достаточно плотный материал, применяемый для выполнения утепления фасадов. Кроме этого он при определенной длине нитей может выступать качественным звукоизолятором. Материал отличается стабильностью, но при его раскрое лучше пользоваться респиратором. Во время реза матов поднимается мелкая стекольная пыль. При попадании на кожу она вызывает ее раздражение, также такие частицы могут скапливаться в легких.
Рулонная стекловата является более гибким и менее плотным аналогом жестких матов. Она изготовлена аналогичным способом, однако сворачивается в рулон, что облегчает транспортировку. Ее используют в качестве теплоизоляционного материала, в частности совместно с металлическим профилем. Стекловата закладывается между направляющими, после чего закрывается отделочным материалом. Она в отличие от матов не может штукатуриться сверху, поэтому всегда должна применяться только с дальнейшим накрытием. Ее укладывают под кровлю, дощатый настил пола. В помещении на стенах ее закрывают гипсокартоном, на фасадах – металлическими панелями или вагонкой.
Особым спросом пользуется сетка из стекловолокна. Она применяется как армирующее изделие при выполнении штукатурных работ. Материал обладает высокой устойчивостью к растягиванию, что предотвращает появление трещин на стенах. Ее используют при выполнении внутренних и наружных штукатурных работ. Для отделки внутри помещения применяется сетка с небольшой плотностью от 80 г/м². Она выпускается в рулонах шириной 1 м. Сетка отличается достаточной гибкостью, но при сильном заломе ее волокна разламываются. Достоинство стеклосетки над обычной стальной штукатурной сеткой в том, что она не ржавеет. Со временем от нее на стенах не проявляются рыжие пятна.
Также из стекловолокна делают стекломаты. Их получают путем сложения между собой кусочков стеклянных волокон смешанных в произвольном направлении. Они скрепляются без использования клеящих составов. В результате смешанные иголочки поддерживаются между собой, обеспечивается надежная фиксация. Это армирующий материал, который ламинируется смолой. Из него можно создавать различные крепкие формы, к примеру, корпуса лодки. Для этого стекломаты и смола применяются как папье-маше.
Более легким и тонким аналогом стекловаты является стеклоткань. Она делается по аналогичной технологии с сеткой, но более сложным ткацким способом. В частности из нее состоят стеклообои и стеклохолст. Последний приклеивается на качественно оштукатуренную и шпаклеванную стену, после чего осуществляется ее покраска. Наличие стеклохолста препятствует образованию трещин, позволяет скрыть мелкие дефекты основания. Такая поверхность является ремонтопригодной.
Особым спросом пользуется стеклопластик, который помимо стеклянных волокон содержит в себе связующие смолы. Это очень прочный износоустойчивый материал, из которого делают самые разнообразные изделия. Примером такого использования является стеклопластиковая арматура. Она является аналогом стальной арматуры, используемой для армирования бетонных конструкций. Неоспоримым достоинством стеклопластикового изделия является низкая стоимость, небольшой вес, а также возможность транспортировки в виде скрученной бухты. Материал обладает аналогичной устойчивостью к разрыву, что и стальная арматура, при этом быстро разрезается даже ручной ножовкой по металлу.
Стекловолокно имеет очень широкое использование в строительстве, однако в последнее время уступает свои позиции базальтовой вате по направлению теплоизоляции. Это аналогичный материал, сделанный не из кварцевого песка, а базальта. Последний является более безопасным для человека, поскольку его волокна меньше осыпаются и раздражают слизистые оболочки и кожу. Однако при соблюдении определенных строительных норм возможно использование стекловолокна не только в промышленных зданиях, но и в жилых объектах.
Материал по-прежнему очень широко применяется для утепления трубопроводов. Что касается стеклообоев и штукатурной сетки, то ее применение абсолютно безопасно, поскольку в этом случае для ее производства используются длинные нити, а не короткие высыпающиеся волокна. Поэтому данные материалы являются неоспоримыми лидерами рынка.
Из стекловолокна с полимерными добавками получают стеклопластик, из которого делают корпуса судов и лодок, облегченные кузова гоночных машин. Это отличный материал для изготовления лыж, и даже емкостей для питьевой воды. Стеклопластик гораздо крепче обычной пластмассы, кроме этого он намного долговечнее. Он обладает лучшей устойчивостью к высоким температурам.
Использование в качестве изолятора
Из стекловолокна делают изоляцию для проводов. Она выступает непроницаемым диэлектриком. Изоляционная оболочка представляет собой сплетенную ткань, обмотанную вокруг проводника. Также огромным спросом пользуется оптоволокно, представляющее собой длинные цельные нитки с внешней ПВХ оболочкой.
Применение в медицине
Из стекловолокна изготавливают протезы и безопасные для здоровья импланты, которые могут контактировать с живыми тканями. В частности хорошо зарекомендовали себя зубные протезы. Стекловолокно при стабильной структуре, без осыпающихся частей, является абсолютно нейтральным для человека. Именно поэтому значительная часть медицинского оборудования и инструмента содержит стекловолоконные части. Материал применяется для изготовления хирургического лазерного скальпеля.
Применение в медицине подтверждает безопасность волокна для здоровья человека. Единственным исключением являются пыль и мелкие частицы волокон, которые втягивается в легкие человека из воздуха. Они окружают стекловату, а также образуются при распиле стеклопластика. Во всех остальных случаях материал абсолютно безопасен.
