2007 szkolny wybór Wikipedii. Powiązane tematy: Inżynieria
Pakiet włókna szklanego
włókno szklane lub włókno szklane to materiał wykonany z bardzo drobnych włókien szklanych. Jest stosowany jako środek wzmacniający dla wielu produktów polimerowych; powstały materiał kompozytowy, właściwie znany jako polimer wzmocniony włóknem (FRP) lub tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (GRP), jest nazywany „włóknem szklanym” w popularnym użyciu.,
szklarze w całej historii eksperymentowali z włóknami szklanymi, ale masowa produkcja włókna szklanego była możliwa dopiero wraz z pojawieniem się drobniejszych obrabiarek. W 1893 roku Edward Drummond Libbey wystawił na Światowej Wystawie kolumbijskiej suknię zawierającą włókna szklane o średnicy i fakturze włókien jedwabnych. To, co jest powszechnie znane jako” włókno szklane ” dzisiaj, zostało jednak wynalezione w 1938 roku przez Russell Games Slayter z Owens-Corning jako materiał do wykorzystania jako izolacja. Jest sprzedawany pod nazwą handlową Fiberglas (sic), która stała się generycznym znakiem towarowym.,
formowanie
włókno szklane powstaje, gdy cienkie pasma szkła na bazie krzemionki lub innego preparatu są wytłaczane na wiele włókien o małych średnicach nadających się do obróbki Tekstyliów. Szkło różni się od innych polimerów tym, że nawet jako włókno ma niewielką strukturę krystaliczną (patrz amorficzne ciało stałe). Właściwości struktury szkła w fazie zmiękczenia są bardzo podobne do jego właściwości w przypadku przędzenia z włóknem., Jedną z definicji szkła jest ” substancja nieorganiczna w stanie ciągłym i analogicznym do stanu ciekłego tej substancji, ale która w wyniku odwracalnej zmiany lepkości podczas chłodzenia osiągnęła tak wysoki stopień lepkości, że jest dla wszystkich praktycznych celów sztywna.”
technika podgrzewania i rysowania szkła na drobne włókna jest znana od tysięcy lat; jednak koncepcja wykorzystania tych włókien do zastosowań tekstylnych jest nowsza. Pierwsza komercyjna produkcja włókna szklanego miała miejsce w 1936 roku., W 1938 roku Owens-Illinois Glass Company i Corning Glass Works połączyły się tworząc Owens-Corning Fiberglas Corporation. Do tego czasu wszystkie włókna szklane były produkowane jako zszywki. Kiedy obie firmy połączyły się, aby produkować i promować włókno szklane, wprowadziły ciągłe włókna szklane. Owens-Corning jest nadal głównym producentem włókna szklanego na rynku.
Chemia
podstawą włókien szklanych klasy tekstylnej jest krzemionka, SiO2. W czystej postaci występuje jako polimer (SiO2) n. nie ma prawdziwej temperatury topnienia, ale zmiękcza do 2000°C, gdzie zaczyna się rozkładać., W temperaturze 1713°C większość cząsteczek może poruszać się swobodnie. Jeśli szkło zostanie szybko schłodzone, nie będą w stanie utworzyć uporządkowanej struktury. W polimerze tworzy grupy SiO4, które są skonfigurowane jako czworościan z atomem krzemu w centrum i czterema atomami tlenu w rogach. Atomy te następnie tworzą sieć połączoną w rogach, dzieląc atomy tlenu.
Stany szkliste i krystaliczne krzemionki (szkła i kwarcu) mają podobny poziom energii na podstawie molekularnej, co oznacza również, że szklista forma jest niezwykle stabilna., Aby wywołać krystalizację, musi być podgrzewany do temperatury powyżej 1200°C przez długi czas.
chociaż czysta krzemionka jest doskonale żywotnym szkłem i włóknem szklanym, musi być obrabiana w bardzo wysokich temperaturach, co jest wadą, chyba że potrzebne są jej specyficzne właściwości chemiczne. Zwykle wprowadza się do szkła zanieczyszczenia w postaci innych materiałów, aby obniżyć jego temperaturę roboczą., Materiały te nadają również różne inne właściwości szkłu, które mogą być korzystne w różnych zastosowaniach. Pierwszym rodzajem szkła używanym do produkcji włókien było szkło sodowo-wapienne lub szkło. Nie był bardzo odporny na alkalia. Powstało nowe szkło typu E, które jest wolne od alkaliów (< 2%) i jest szkłem alumino-borokrzemianowym . Był to pierwszy preparat szklany stosowany do ciągłego tworzenia włókien. E-glass nadal stanowi większość produkcji włókna szklanego na świecie. Jego poszczególne składniki mogą nieznacznie różnić się w procentach, ale muszą mieścić się w określonym zakresie., Litera E jest używana, ponieważ pierwotnie była przeznaczona do zastosowań elektrycznych. S-glass to preparat o wysokiej wytrzymałości do stosowania, gdy wytrzymałość na rozciąganie jest najważniejszą właściwością. C-glass został opracowany, aby oprzeć się atakom chemikaliów, głównie kwasów, które niszczą E-glass. T-glass to północnoamerykańska odmiana szkła typu C. A-glass to termin branżowy dla szkła stłuczki szklanej, często butelek, wytwarzanych w włókno. AR-glass to szkło odporne na alkalia. Większość włókien szklanych ma ograniczoną rozpuszczalność w wodzie, ale jest bardzo zależna od pH. jony chlorkowe atakują i rozpuszczają e-powierzchnie szklane., Najnowszym trendem w branży jest zmniejszenie lub wyeliminowanie zawartości boru we włóknach szklanych.
ponieważ szkło E tak naprawdę nie topi się, ale zmiękcza, punkt mięknienia jest zdefiniowany jako „temperatura, w której włókno o średnicy 0,55 – 0,77 mm o długości 9,25 cala, wydłuża się pod własnym ciężarem z prędkością 1 mm / min, gdy jest zawieszone pionowo i ogrzewane z szybkością 5°c na minutę”. Punkt naprężenia osiąga się, gdy szkło ma lepkość 1014,5 poise., Punkt wyżarzania, czyli temperatura, w której naprężenia wewnętrzne są zmniejszone do dopuszczalnego limitu handlowego w ciągu 15 minut, charakteryzuje się lepkością 1013 poise.
właściwości
włókna szklane są przydatne ze względu na ich wysoki stosunek powierzchni do masy. Jednak zwiększona powierzchnia czyni je znacznie bardziej podatnymi na atak chemiczny.
zatrzymując w nich powietrze, bloki z włókna szklanego zapewniają dobrą izolację termiczną, o przewodności cieplnej 0,04 w / mK.,
mocne szkła są zwykle testowane i zgłaszane pod kątem „dziewiczych” włókien, które właśnie zostały wyprodukowane. Najświeższe, najcieńsze włókna są najsilniejsze i uważa się, że wynika to z faktu, że cieńsze włókna są łatwiejsze do zginania. Im bardziej powierzchnia jest porysowana, tym mniejsza jest wynikająca z tego wytrzymałość. Ponieważ szkło ma amorficzną strukturę, jego właściwości są takie same wzdłuż włókna i w poprzek włókna. Wilgotność jest ważnym czynnikiem w wytrzymałości na rozciąganie. Wilgoć jest łatwo adsorbowana i może pogorszyć mikroskopijne pęknięcia i wady powierzchni oraz zmniejszyć wytrzymałość na rozciąganie.,
w przeciwieństwie do włókna węglowego, szkło może ulegać większemu wydłużeniu, zanim pęknie.
lepkość stopionego szkła jest bardzo ważna dla sukcesu produkcji. Podczas rysowania (ciągnięcia szkła w celu zmniejszenia obwodu włókien) lepkość powinna być stosunkowo niska. Jeśli jest zbyt wysoka, włókno pęknie podczas rysowania, jednak jeśli jest zbyt niskie, szkło tworzy krople, a nie ciągnie się do włókna.
procesy produkcyjne
istnieją dwa główne rodzaje produkcji włókna szklanego i dwa główne rodzaje produktu z włókna szklanego., Po pierwsze, włókno jest wytwarzane w procesie bezpośredniego topienia lub przetapiania marmuru. Oba zaczynają się od surowców w postaci stałej. Materiały miesza się ze sobą i topi w piecu. Następnie, w procesie marmuru, stopiony materiał jest ścinany i zwijany w kulki, które są chłodzone i pakowane. Kulki są zabierane do Zakładu Produkcyjnego włókien, gdzie są wkładane do puszki i przetapiane. Stopione szkło jest wytłaczane do tulei w celu uformowania w włókno. W procesie bezpośredniego topienia stopione szkło w piecu trafia bezpośrednio do tulei w celu utworzenia.,
Płyta tulei jest najważniejszą częścią maszyny. Jest to mały metalowy piec zawierający dysze do formowania włókna. Jest prawie zawsze wykonany ze stopu platyny z rodem dla trwałości. Platyna jest używana, ponieważ stop szklany ma naturalne powinowactwo do zwilżania go. Kiedy tuleje zostały po raz pierwszy użyte, były w 100% Platynowe, a szkło zwilżyło tuleję tak łatwo, że biegło pod płytą po wyjściu z dyszy i zgromadziło się na spodniej stronie. Ponadto, ze względu na koszty i tendencję do zużycia, platyna była stopowana z rodem., W procesie bezpośredniego topienia Tuleja służy jako kolektor dla stopionego szkła. Jest lekko podgrzewany, aby utrzymać szkło w odpowiedniej temperaturze do tworzenia włókien. W procesie topienia marmuru Tuleja działa bardziej jak piec, ponieważ topi więcej materiału.
tuleje są tym, co sprawia, że inwestycje kapitałowe w produkcję włókna szklanego są drogie. Konstrukcja dyszy jest również krytyczna. Liczba dysz waha się od 200 do 4000 w wielokrotnościach 200. Ważną częścią dyszy w produkcji włókien ciągłych jest grubość jej ścianek w rejonie wylotowym., Stwierdzono, że wstawianie przeciwwagi tutaj zmniejsza zwilżanie. Obecnie dysze są zaprojektowane tak, aby miały minimalną grubość na wyjściu. Powodem tego jest to, że gdy szkło przepływa przez dyszę, tworzy kroplę, która jest zawieszona na końcu. Gdy spada, pozostawia nić przymocowaną przez łąkotkę do dyszy, o ile lepkość mieści się w zakresie prawidłowym dla tworzenia włókien. Im mniejszy pierścieniowy pierścień dyszy lub cieńsza ściana przy wyjściu, tym szybciej kropla będzie tworzyć się i opadać, a tym mniejsza jej tendencja do zwilżania pionowej części dyszy., Napięcie powierzchniowe szkła wpływa na powstawanie łąkotki. W przypadku E-glass powinno to wynosić około 400 mN NA m.
prędkość tłumienia (rysowania) jest ważna w konstrukcji dyszy. Chociaż spowolnienie tej prędkości może sprawić, że włókno stanie się grubsze, nie opłaca się pracować z prędkościami, dla których dysze nie zostały zaprojektowane.
w procesie ciągłym włókna, po wyciągnięciu włókna, stosuje się rozmiar. Ten rozmiar pomaga chronić włókno, ponieważ jest nawinięte na szpulkę. Zastosowana wielkość odnosi się do końcowego przeznaczenia., Podczas gdy niektóre rozmiary są pomoce przetwarzania, inne sprawiają, że włókno ma powinowactwo do pewnej żywicy, jeśli włókno ma być stosowane w kompozytu. Rozmiar jest zwykle dodawany w 0,5-2,0% wagowo. Nawijanie odbywa się wówczas z prędkością około 1000 m / min.
w produkcji włókien odcinkowych istnieje wiele sposobów produkcji włókna. Szkło może być dmuchane lub piaskowane za pomocą ciepła lub pary po wyjściu z maszyny formującej. Zazwyczaj te włókna są wykonane w jakiś rodzaj maty. Najczęściej stosowanym procesem jest proces rotacyjny., Tutaj szkło wchodzi do obracającego się wirnika i ze względu na siłę odśrodkową jest wyrzucane poziomo. Dysze powietrza popychają go pionowo i aplikuje się spoiwo. Następnie mata jest odkurzana do ekranu, a spoiwo utwardza się w piekarniku.
zastosowania końcowe dla zwykłych włókien szklanych to maty, izolacje, zbrojenia, tkaniny żaroodporne, tkaniny odporne na korozję i tkaniny o wysokiej wytrzymałości.