Стеклопластик. Применение стеклопластика в изделиях из ППУ

Немного истории

Наверное, каждый из нас хоть раз в жизни видел, как плавиться стекло, и, что произойдет, если его затем растянуть. При таком эксперименте из куска материала получается сначала продолговатая форма, а затем, по мере дальнейшего растяжения, и вовсе тонкая нить. Причем, чем нить стает тоньше, тем большую гибкость она приобретает. Это явление заметили стеклодувы еще в средневековье в Венеции на примере плавления стекла для украшения поделок тонкими элементами.

С приходом промышленной революции тонкие нити стекла начали применять и для других целей. Так в 1872 году американский ученый и инженер по фамилии Селлерс, выдувая через расплавленное стекло струю пара, получил белые мягкие нити, которые назвал «минеральным хлопком». Эти нити использовались для теплоизоляции котлов с паром и трубопроводов. А в 1879 году в Германии был открыт первый магазин современной одежды из стеклянной ткани. Следующим серьезным витком развития стеклянных волокон стало изобретение фильтрующей ткани для воздушных фильтров взамен дорогостоящей хлопковой. Такую стеклоткань получали путем помещения порошкового стекла в открытое пламя.

Промышленный способ получения стекловолокна был освоен только в 1932 году – шарики из стекла расплавлялись при температуре до 1750 ˚С и продавливались через фильеры на специальные наматывающие установки. Тогда же было отмечено, что стекловолокно, погруженное в отверждаемые смолы, позволяет давать легкий, прочный и упругий материал, который можно формовать промышленными способами.

Настоящим достижением в 1943 году стало использование полиэфирной смолы и некоторых других видов смол, которые для отверждения не требовали высоких температуры и давления. С этого момента в терминологию вошло понятие стеклопластик (точнее упрочненный стекловолокном пластик), который начал быстро приобретать все новые сферы применения от авиационной до автомобильной и строительной индустрии. Расширение сфер его применения растет и сегодня.

Стеклопластик – что это?

Как мы уже узнали выше, стеклопластик – это композиционный материал, состоящий из двух основных элементов – стекловолокно и вяжущее полимерное вещество (полимерная смола). Стекловолокно играет роль армирующего наполнителя, задающего высокие прочностные качества материала, а полимерная смола – вяжущей основы, объединяющей волокна в единый материал, распределяющей нагрузку на волокна и защищающей их от воздействия агрессивных факторов окружающей среды.

Наибольшее распространение в качестве вяжущего компонента получили полиэфирные смолы, как наиболее универсальные, недорогие и простые в переработке. Реже используются эпоксидные, винилэфирные и фенольные смолы.

Существует 3 наиболее распространенных вида стекловолокна:

• вид «E» - электроизоляционное алюмоборосиликатное стекловолокно, на него приходится до 80% всего рынка стекловолокна;
• вид «S» - специальное высокомодульное стекловолокно, применяется в изделиях, работающих под высокими механическими нагрузками;
• вид «С» - коррозионностойкое стекловолокно, используется для получения химстойких стеклопластиков.

Для некоторых задач применяются комбинации разных типов стекловолокон в одном стеклопластике. Перед применением с стеклопластике волокна проходят обработку аппретами, которые повышают адгезию к вяжущей полимерной основе.

Производители стеклопластиков приобретают в зависимости от конечного изделия и способа переработки стекловолокно в трех видах полуфабриката:

• стекломат – рубленные нити (поставляется в виде рулонов или листов), предварительно скрепленные связующим, способным к растворению в полиэфирном вяжущем при переработке в конечное изделие;
• стеклоткань – ткань из стекловолокна (поставляется в виде рулонов), однородно сплетенного в определенном порядке. Как правило, обладает более высокой прочностью, по сравнению со стекломатом, и более высокой стоимостью;
• ровинг – представляет собой бобину, на которую намотана нить из одного или нескольких сплетенных жил стекловолокна. Обычно используется для переработки намоткой или напылением.

Способы переработки

Самый простой способ переработки стеклопластика в конечные изделия без применения специального оборудования – это ручное (контактное) формование. Волокно для придания требуемой формы выкладывается на матрицу, затем валиками и кистями пропитывается смолой (выводятся пузырьки воздуха) и отверждается при нормальных условиях (для ускорения процесса в сушильных камерах). После изъятия с матрицы производиться ручная доработка изделия, при необходимости покраска и создание технологических отверстий.

Более технологичным способом получения стеклопластика является напыление ровинга (стеклонити). Для этого используется специальный пистолет с ножом-измельчителем, который рубит ровинг на части заданной длины и под действием сжатого воздуха от компрессора подает их на напыляемую поверхность. Одновременно с этим пистолет распыляет смолу с заданной интенсивностью подачи. После напыления требуется прикатка валиком для удаления остаточного воздуха. Затем изделие отверждается. Главным недостатком данного метода является сложность равномерного распределения смолы и стекловолокна, а также относительно высокий расход смолы.

Для изготовления круглых, цилиндрических и овальных пустотелых изделий из стеклопластика используют метод намотки. Он заключается в пропуске стекловолоконной нити через ванну со смолой с последующим прохождением через ролики для удаления избытка смолы и намотки на матрицу. Матрица повторяет форму конечного изделия.

Также применяются методы формования при помощи вакуума и инфузии, пултрузия, методы трансферного формования, а также технологии RTM, базирующиеся на инжецировании смолы в пресс-форму, где между пуансоном и матрицей располагают стекловолокно.

Свойства

Главным достоинством стеклопластиков является сочетание малого удельного веса и высокой прочности. Стеклопластики превосходят сталь по удельной прочности, в 2-3 раза легче при той же прочности.

Другие свойства стеклопластиков:

• относительно низкая теплопроводность (сравнимая с древесными материалами);
• стойкость к воздействию влаги, биологических факторов и атмосферных воздействий;
• низкий коэффициент теплового расширения, практически как у стекла;
• высокие диэлектрические параметры;
• коррозионная стойкость;
• выкрашивается и покрывается пленками;
• долговечность.

К отрицательным свойствам стеклопластиков относят хрупкость, невысокую абразивостойкость, появление вредной для здоровья человека пыли при мехобработке.

Применение

Стеклопластик – один из наиболее распространенных композиционных материалов. Главными сферами применения являются:

• судостроение – корпуса и элементы судов, лодок, катеров, яхт, катамаранов и т.д.;
• самолетостроение – корпуса и элементы самолетов, планеров и легкомоторных самолётов, элементы салона;
• автомобилестроение – кузовные элементы и обвесы для легкового и грузового транспорта, сидения для общественного транспорта и т.д.
• космическая промышленность - корпуса ракетных двигателей, радиопрозрачные купола, обтекатели различных антенн и т.д.
• строительство – трубы для работы под давлением, дверные и оконные профили, аттракционы аквапарков, бассейны, ванны, кровельные покрытия, навесы, дымоходы и т.д.
• химическая промышленность – химстойкие емкости, резервуары и трубопроводы для транспортировки агрессивных сред, стволы дымовых труб и т.д.;
• прочие отрасли – рыболовные удилища, диэлектрические шланги и трубопроводы, основа для компьютерных плат, композитная броня для военной техники и т.д.

Применение стеклопластика в изделиях из ППУ

Стеклопластики в рулонах используются в качестве финишного покрытия для защиты от окружающей среды и механических воздействий. Так широкое распространение получили ППУ-скорлупы с покрытием из стеклопластика, используемые для тепловой изоляции трубопроводов. Сами ППУ-скорлупы представляют собой полуцилиндры длиной около 1 м, соединяемые между собой на трубе хомутами. Для сокращения теплопотерь по всему периметру скорлупы из ППУ пролегает замок (нахлест).

Финишное покрытие может быть нанесено на ППУ-скорлупы 2-мя способами:

1. В процессе переработки ППУ. Перед заливкой компонентов для получения ППУ в пресс-форму равномерно укладывается стеклопластиковая ткань. Пенополиуретан при переработке имеет прекрасную адгезию, в том числе к стеклопластиковой ткани, благодаря чему не требуется применения каких-либо клеев. После извлечения из пресс-формы ППУ-скорлупа уже имеет финишное покрытие из стеклопластика.
2. Поклейкой на готовое изделие. После получения ППУ-скорлупы в пресс-форме на изделие кистью наносится адгезив, и прикатывается валиком стеклопластиковая ткань. После чего изделие ожидает отверждения адгезива до отгрузки потребителю.

Покрытая стеклопластиком скорлупа из ППУ приобретает целый ряд положительных качеств:

• стеклопластик защищает ППУ-скорлупу от главного врага – ультрафиолетового излучения, тем самым многократно продлевая ее срок службы при монтаже на открытой для попадания солнечных лучей поверхности;
• ППУ-скорлупа приобретает высокую стойкость к механическим воздействиям на ее поверхность;
• продлевается срок эксплуатации не менее чем в 1,5 раза до 30-50 лет;
• стеклопластиковое покрытие существенно снижает негативное воздействие на ППУ от грунтовых вод и от давления, создаваемого самим слоем грунта, при прокладке скорлуп под землей. Это важное качество вкупе с ценой позволяют ППУ-скорлупам со стеклопластиковым покрытием конкурировать с предизолироваными ППУ трубами с оболочкой из пластика;
• дополнительная защита от коррозионных, бактериальных и грибковых процессов;
• покрытие из негорючего стеклопластика снижает пожароопасность изделия в целом;
• эстетичный наружный вид и постоянство цвета.

Кроме стеклопластика ППУ-скорлупы также покрывают фольма-тканью. Помимо скорлуп в ППУ промышленности стеклопластиковым покрытием наделяют листовой ППУ, который чаще всего применяется для теплоизоляции ограждающих конструкций при строительстве.

Материалы по теме:

Производство скорлупы ППУ

Зачем переплачивать за пенополиуретан, если есть минвата?

Теплозащита для труб — какой утеплитель выбрать?