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Bündel von fiberglas
Bündel von fiberglas
Fiberglas oder glasfaser ist material aus extrem feinen Glasfasern. Es wird als Verstärkungsmittel für viele Polymerprodukte verwendet; Das resultierende Verbundmaterial, das als faserverstärktes Polymer (FRP) oder glasverstärkter Kunststoff (GFK) bekannt ist, wird im populären Gebrauch „Fiberglas“ genannt.,
Glasmacher haben im Laufe der Geschichte mit Glasfasern experimentiert, aber die Massenfertigung von Glasfaser wurde erst mit dem Aufkommen feinerer Werkzeugmaschinen ermöglicht. 1893 stellte Edward Drummond Libbey auf der kolumbianischen Weltausstellung ein Kleid aus Glasfasern mit dem Durchmesser und der Textur von Seidenfasern aus. Was heute allgemein als „Fiberglas“ bekannt ist, wurde jedoch 1938 von Russell-Slayer von Owens-Corning als Material zur Isolierung erfunden. Es wird unter dem Handelsnamen Fiberglas (sic) vermarktet, das zu einer generalisierten Marke geworden ist.,
Bildung
Glasfaser entsteht, wenn dünne Stränge aus Silica-basiertem oder anderem Formulierungsglas zu vielen Fasern mit kleinen Durchmessern extrudiert werden, die für die Textilverarbeitung geeignet sind. Glas ist anders als andere Polymere, da es selbst als Faser wenig kristalline Struktur aufweist (siehe amorpher Feststoff). Die Eigenschaften der Struktur von Glas in seiner erweichten Phase ähneln sehr seinen Eigenschaften, wenn es zu Fasern gesponnen wird., Eine Definition von Glas ist “ eine anorganische Substanz in einem Zustand, der kontinuierlich mit und analog zum flüssigen Zustand dieser Substanz ist, aber infolge einer reversiblen Viskositätsänderung während des Abkühlens einen so hohen Viskositätsgrad erreicht hat, dass er für alle praktischen Zwecke starr ist.“
Die Technik des Erhitzens und Ziehens von Glas zu feinen Fasern ist seit Tausenden von Jahren bekannt; Das Konzept der Verwendung dieser Fasern für textile Anwendungen ist jedoch neu. Die erste kommerzielle Produktion von Glasfaser war 1936., Im Jahr 1938 schlossen sich Owens-Illinois Glass Company und Corning Glass Works zur Owens-Corning Fiberglas Corporation zusammen. Bis zu diesem Zeitpunkt war alles Fiberglas als Grundnahrungsmittel hergestellt worden. Als sich die beiden Unternehmen zur Herstellung und Förderung von Glasfaser zusammenschlossen, führten sie Glasfasern mit kontinuierlichem Filament ein. Owens-Corning ist bis heute der größte Glasfaserhersteller auf dem Markt.
Chemie
Die Basis von Glasfasern in Textilqualität ist Kieselsäure, SiO2. In seiner reinen Form existiert es als Polymer (SiO2)n. Es hat keinen echten Schmelzpunkt, erweicht aber bis zu 2000°C, wo es sich zu zersetzen beginnt., Bei 1713°C können sich die meisten Moleküle frei bewegen. Wenn das Glas dann schnell abgekühlt wird, können sie keine geordnete Struktur bilden. Im Polymer bildet es SiO4-Gruppen, die als Tetraeder mit dem Siliziumatom in der Mitte und vier Sauerstoffatomen an den Ecken konfiguriert sind. Diese Atome bilden dann ein an den Ecken verbundenes Netzwerk, indem sie die Sauerstoffatome teilen.
Die Glaskörper-und Kristallinzustände von Siliciumdioxid (Glas und Quarz) weisen auf molekularer Basis ähnliche Energieniveaus auf, was auch bedeutet, dass die glasige Form extrem stabil ist., Um Kristallisation zu induzieren, muss sie über längere Zeit auf Temperaturen über 1200°C erhitzt werden.
Obwohl reines Siliciumdioxid eine perfekt lebensfähige Glas-und Glasfaser ist, muss es mit sehr hohen Temperaturen gearbeitet werden, was ein Nachteil ist, es sei denn, seine spezifischen chemischen Eigenschaften werden benötigt. Es ist üblich, Verunreinigungen in Form anderer Materialien in das Glas einzuführen, um seine Arbeitstemperatur zu senken., Diese Materialien verleihen dem Glas auch verschiedene andere Eigenschaften, die bei verschiedenen Anwendungen von Vorteil sein können. Die erste Art von Glas für Faser verwendet wurde Soda-Kalk-Glas oder ein Glas. Es war nicht sehr alkalibeständig. Es wurde ein neuer Typ, E-Glas, gebildet, das alkalifrei ist (< 2%) und ein Aluminiumoxid-Borosilikatglas ist . Dies war die erste Glasformulierung, die zur kontinuierlichen Filamentbildung verwendet wurde. E-Glas macht immer noch den größten Teil der Glasfaserproduktion der Welt aus. Seine einzelnen Komponenten können sich geringfügig in Prozent unterscheiden, müssen jedoch in einen bestimmten Bereich fallen., Der Buchstabe E wird verwendet, weil er ursprünglich für elektrische Anwendungen gedacht war. S-Glas ist eine hochfeste Formulierung für den Einsatz, wenn Zugfestigkeit die wichtigste Eigenschaft ist. C-Glas wurde entwickelt, um Angriff von Chemikalien zu widerstehen, meist Säuren, die E-Glas zerstören. T-Glas ist eine nordamerikanische Variante von C-Glas. A-Glas ist ein Industriebegriff für Scherenglas, oft Flaschen, die zu Fasern verarbeitet werden. AR-Glas ist alkalibeständiges Glas. Die meisten Glasfasern haben eine begrenzte Löslichkeit in Wasser, sind aber sehr pH-abhängig. Chloridionen greifen auch E-Glasoberflächen an und lösen sie auf., Ein neuer Trend in der Industrie ist es, den Borgehalt in den Glasfasern zu reduzieren oder zu eliminieren.
Da E-Glas nicht wirklich schmilzt, sondern erweicht, ist der Erweichungspunkt definiert als: „Die Temperatur, bei der ein 0.55 – 0.77 mm Durchmesser 9,25 Zoll lang ist, verlängert sich unter seinem eigenen Gewicht bei 1 mm/min, wenn es vertikal aufgehängt und mit einer Geschwindigkeit von 5°C pro Minute erhitzt wird“. Der Dehnungspunkt wird erreicht, wenn das Glas eine Viskosität von 1014,5 Poise hat., Der Glühpunkt, nämlich die Temperatur, bei der die inneren Spannungen in 15 Minuten auf eine akzeptable kommerzielle Grenze reduziert werden, ist durch eine Viskosität von 1013 Poise gekennzeichnet.
Eigenschaften
Glasfasern sind wegen ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Gewicht nützlich. Die erhöhte Oberfläche macht sie jedoch viel anfälliger für chemische Angriffe.
Durch das Einfangen von Luft in ihnen bilden Glasfaserblöcke eine gute Wärmedämmung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W / mK.,
Glasstärken werden in der Regel auf gerade hergestellte „jungfräuliche“ Fasern getestet und gemeldet. Die frischesten, dünnsten Fasern sind die stärksten, und es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass sich dünnere Fasern leichter biegen lassen. Je mehr die Oberfläche zerkratzt wird, desto geringer ist die resultierende Zähigkeit. Da Glas eine amorphe Struktur aufweist, sind seine Eigenschaften entlang der Faser und über die Faser hinweg gleich. Feuchtigkeit ist ein wichtiger Faktor für die Zugfestigkeit. Feuchtigkeit wird leicht adsorbiert und kann mikroskopische Risse und Oberflächendefekte verschlimmern und die Hartnäckigkeit verringern.,
Im Gegensatz zu Kohlefasern kann Glas vor dem Bruch mehr Dehnung erfahren.
Die Viskosität des geschmolzenen Glases ist sehr wichtig für die Herstellung Erfolg. Während des Ziehens (Ziehen des Glases zur Verringerung des Faserumfangs) sollte die Viskosität relativ niedrig sein. Wenn es zu hoch ist, bricht die Faser während des Ziehens, wenn es jedoch zu niedrig ist, bildet das Glas Tröpfchen, anstatt in Faser herauszuziehen.
Herstellungsverfahren
Es gibt zwei Haupttypen der Glasfaserherstellung und zwei Haupttypen von Glasfaserprodukten., Erstens wird Faser entweder aus einem direkten Schmelzprozess oder einem Marmor-Remelt-Prozess hergestellt. Beide beginnen mit den Rohstoffen in fester Form. Die Materialien werden miteinander vermischt und in einem Ofen geschmolzen. Dann wird für den Marmorprozess das geschmolzene Material geschoren und zu Murmeln gerollt, die abgekühlt und verpackt werden. Die Murmeln werden in die Faserherstellungsanlage gebracht, wo sie in eine Dose gesteckt und neu geschmolzen werden. Das geschmolzene Glas wird zu der Buchse extrudiert, um zu Fasern geformt zu werden. Im Direktschmelzprozess geht das geschmolzene Glas im Ofen zur Bildung direkt zur Buchse.,
Die Buchsenplatte ist der wichtigste Teil der Maschine. Dies ist ein kleiner Metallofen, der Düsen enthält, durch die die Faser geformt werden kann. Es ist fast immer aus Platin mit Rhodium für Haltbarkeit legiert. Platin wird verwendet, weil die Glasschmelze eine natürliche Affinität zum Benetzen hat. Als Buchsen zum ersten Mal verwendet wurden, waren sie 100% Platin und das Glas benetzte die Buchse so leicht, dass sie nach dem Austritt aus der Düse unter die Platte lief und sich auf der Unterseite ansammelte. Aufgrund seiner Kosten und Verschleißneigung wurde das Platin mit Rhodium legiert., Im Direktschmelzprozess dient die Buchse als Kollektor für das geschmolzene Glas. Es wird leicht erhitzt, um das Glas auf der richtigen Temperatur für die Faserbildung zu halten. Im Marmorschmelzprozess wirkt die Buchse eher wie ein Ofen, da sie mehr vom Material schmilzt.
Die Buchsen machen die Investitionen in die Glasfaserproduktion teuer. Das Düsendesign ist ebenfalls kritisch. Die Anzahl der Düsen reicht von 200 bis 4000 in Vielfachen von 200. Der wichtige Teil der Düse bei der Herstellung von kontinuierlichen Filamenten ist die Dicke ihrer Wände im Austrittsbereich., Es wurde festgestellt, dass das Einfügen eines Gegenstandes hier die Benetzung reduzierte. Heute sind die Düsen so ausgelegt, dass sie am Ausgang eine minimale Dicke haben. Der Grund dafür ist, dass Glas, wenn es durch die Düse fließt, einen Tropfen bildet, der am Ende aufgehängt ist. Wenn es fällt, hinterlässt es einen Faden, der durch den Meniskus an der Düse befestigt ist, solange sich die Viskosität im richtigen Bereich für die Faserbildung befindet. Je kleiner der ringförmige Ring der Düse oder je dünner die Wand am Ausgang ist, desto schneller bildet sich der Tropfen und fällt weg, und desto geringer ist seine Tendenz, den vertikalen Teil der Düse zu benetzen., Die Oberflächenspannung des Glases beeinflusst die Meniskusbildung. Für E-Glas sollte es etwa 400 mN pro m betragen.
Die Dämpfungsgeschwindigkeit (Ziehgeschwindigkeit) ist bei der Düsenkonstruktion wichtig. Obwohl eine Verlangsamung dieser Geschwindigkeit gröbere Fasern verursachen kann, ist es unwirtschaftlich, mit Geschwindigkeiten zu laufen, für die die Düsen nicht ausgelegt waren.
Im kontinuierlichen Filamentprozess wird nach dem Ziehen der Faser eine Größe angewendet. Diese Größe schützt die Faser, wenn sie auf eine Spule gewickelt wird. Die angewandte besondere Größe bezieht sich auf die Endverwendung., Während einige Größen Verarbeitungshilfen sind, lassen andere die Faser eine Affinität zu einem bestimmten Harz haben, wenn die Faser in einem Verbundwerkstoff verwendet werden soll. Größe wird normalerweise bei 0,5–2,0 Gew. – % hinzugefügt. Das Wickeln erfolgt dann bei etwa 1000 m pro min.
In der Stapelfaserproduktion gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, die Faser herzustellen. Das Glas kann nach dem Verlassen der Formationsmaschine mit Wärme oder Dampf geblasen oder gesprengt werden. Normalerweise werden diese Fasern zu einer Art Matte verarbeitet. Der am häufigsten verwendete Prozess ist der Rotationsprozess., Hier tritt das Glas in einen rotierenden Spinner ein und wird aufgrund der Zentrifugalkraft horizontal herausgeworfen. Der Luftstrahl drückt ihn senkrecht nach unten und Bindemittel aufgebracht wird. Dann wird die Matte zu einem Sieb abgesaugt und das Bindemittel im Ofen ausgehärtet.
Endverwendungen für normales Glasfaser sind Matten, Isolierung, Verstärkung, hitzebeständige Stoffe, korrosionsbeständige Stoffe und hochfeste Stoffe.