Wysokowytrzymałe włókna szklane

Starożytni Egipcjanie wykonywali pojemniki z grubych włókien ciągnionych ze zmiękczonego cieplnie szkła. Francuski naukowiec Reaumur, rozważał możliwości formowania drobnych włókien szklanych w szklane tkaniny do wyrobu różnych artykułów już w XVIII w. Ciągłe włókna szklane były wyprodukowane po raz pierwszy w znaczących ilościach poprzez firmę Owens Corning Textile Products w latach 30-tych XX wieku dla wysokotemperaturowych zastosowań elektrycznych. Rewolucyjna i rozwojowa technologia była wciąż ulepszana aż do opracowania produkcji ciągłych włókien szklanych. Materiały wsadowe jak krzemiany, węglan sodu, glina, kamień wapienny, kwas borny, fluoryt, czy też różnorodne tlenki metali są mieszane dla stworzenia tzw. zestawu szklarskiego, który jest następnie topiony w piecu i rafinowany w czasie poprzecznego przepływu w kierunku zasilacza. Roztopione szkło przepływa do wykonanych ze stopu platyny i rodu łódek do snucia włókna szklanego i następnie poprzez poszczególne końcówki tych łódek i kryzy o średnicach od 0,76 do 2,03mm (0,030 do 0,080 cala) jest gwałtownie oziębiane i snute w powietrzu (aby zapobiec krystalizacji) dla utworzenia drobnych włókien w zakresie 3 do 35µm. Mechaniczne przewijarki ciągną włókna z prędkością liniową do 61 m/s poprzez aplikator, który pokrywa włókna odpowiednią chemiczną powłoką tzw. klejonką aby wspomóc dalsze ich przetwarzanie i poprawić końcową jakość produktu finalnego.

Wysokowytrzymałe włókna szklane takie jak Szkło S są kompozycjami glinokrzemianów snutych w wyższych temperaturach dla stworzenia drobnych włókien w zakresie od 5 do 24 µm. Kilka innych rodzajów szklanych włókien krzemianowych jest wytwarzanych dla przemysłu tekstylnego i kompozytowego. Różnorodne składy chemiczne szkieł opisane poniżej za normą ASTM C 162 zostały opracowane aby dostarczyć kombinacji własności włókienmakro sznur SBS 600ukierunkowanych na specyficzne końcowe zastosowania.

Szkło typu A – szkło sodowo-wapniowo-krzemowe stosowane, gdy wytrzymałość, trwałość i dobra rezystywność szkieł typu E nie są wymagane.

Szkło typu C – szkło wapniowo-borokrzemianowe stosowane ze względu na jego chemiczną stabilność w kwasowym środowisku korozyjnym.

Szkło typu D – szkło borokrzemianowe o niskiej przenikalności elektrycznej względnej do aplikacji elektrycznych.

Szkło typu E – szkło korundowo-borokrzemianowe o maksymalnej zawartości alkaliów 2% wagowych stosowane jako włókna ogólnego zastosowania, gdy wymagane są wytrzymałość i wysoka elektryczna rezystywność.

Szkło typu R – szkło wapniowo-glinowo-krzemianowe stosowane jako zbrojenie, gdy wymagana jest dodatkowa wytrzymałość i odporność na korozję kwasową.

Szkło typu S – szkło magnezytowo-glinowo-krzemianowe stosowane jako składnik tekstyliów albo zbrojenie w kompozytowych zastosowaniach konstrukcyjnych, które wymagają wysokiego współczynnika wytrzymałości i stabilności w środowisku ekstremalnej temperatury i korozji.

Składy chemiczne włókien szklanych

Różnorodność składu chemicznego dla danego typu szkła wynika z różnic w dostępnych surowcach do jego produkcji, z prowadzonych procesów topienia oraz formowania lub też z pewnych ograniczeń leżących po stronie zakładu produkcyjnego. Te fluktuacje składu chemicznego nie zmieniają znacząco fizycznych i chemicznych właściwości danego typu szkła. Bardzo szczegółowa kontrola jest prowadzona wewnątrz danego zakładu produkcyjnego aby utrzymać zgodność w składzie chemicznym szkła dla utrzymania zdolności produkcyjnej i wydajności.

Właściwości włókien szklanych

Właściwości włókna szklanego takie jak wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga i trwałość chemiczna są mierzone bezpośrednio na badanych włóknach. Inne właściwości takie jak przenikalność elektryczna względna, współczynnik rozproszenia, wytrzymałość dielektryczna, oporność objętościowa i powierzchniowa i rozszerzalność cieplna są mierzone dla włókna, które zostaje ukształtowane w masywną próbkę oraz odprężone (obrobione cieplnie), aby usunąć naprężenia wynikające z formowania. Własności takie jak gęstość i współczynnik załamania światła są mierzone zarówno dla samych włókien jak i masywnych próbek w postaci odprężonej i nieodprężonej.

Własności fizyczne

Gęstość włókien szklanych jest mierzona i podawana albo w stanie po ich formowaniu albo dla próbek odprężanych. Metoda wg normy ASTM C 693 jest jedną z używanych do określania ich gęstości. Gęstość włókna jest niższa niż jej wartość dla próbki odprężonej o ok. 0,04 g/cm3 w temperaturze pokojowej. Gęstości włókna szklanego stosowanego w kompozytach zmieniają się od ok. 2,11 g/cm3 dla szkła typu D do 2,58 g/cm3.sznur SWE 560 makro firmy Sinograf

Wytrzymałość na rozciąganie włókien szklanych jest na ogół podawana dla obnażonego pojedynczego włókna lub też wielowłóknowego splotu i mierzona w powietrzu w temperaturze pokojowej. Wilgoć ma szkodliwy wpływ na wytrzymałość pojedynczego obnażonego włókna szklanego. Jest to najlepiej zilustrowane podczas mierzenia wytrzymałości pojedynczego obnażonego włókna szklanego w temperaturze ciekłego azotu, gdzie wpływ wilgoci jest zminimalizowany. W rezultacie osiąga się wzrost wytrzymałości od 50 do 100% ponad wartość uzyskaną podczas pomiaru w temperaturze pokojowej w powietrzu o wilgotności względnej równej 50%. Maksymalna zmierzona wytrzymałość włókien szklanych typu S w temperaturze ciekłego azotu wynosi 11.6GPa dla odcinka pomiarowego próbki długości 12.7mm i włókna o średnicy 10µm. Utrata wytrzymałości szkła wystawionego na działanie wilgoci, gdy podlega zewnętrznemu obciążeniu znana jest jako zmęczenie statyczne. Wytrzymałość obnażonych włókien szklanych zmniejsza się, gdy są one wystawione na rosnącą temperaturę. Szkła typu E oraz S zachowują jedynie około 50% swojej wytrzymałości dla włókien obnażonych w temperaturze pokojowej, gdy podgrzane są do 53ºC.

Moduł sprężystości Younga nieodprężonych krzemianowych włókien szklanych zmienia się w przedziale od około 52GPa do 87GPa. Podczas podgrzewania włókna moduł stopniowo zwiększa się. Włókna szklane typu E, które zostały odprężone aby zagęścić ich budowę atomową, zwiększą swój moduł Younga do zakresu od 72GPa do 84,7GPa. Dla większości szkieł krzemianowych, współczynnik Poissona mieści się w przedziale 0,15 do 0,29. Współczynnik Poissona dla szkła typu E wynosi 0,22±0,02 i podaje się, że nie zmienia się wraz ze zmianą temperatury aż do 510ºC.

Odporność chemiczna

Odporność chemiczna włókien szklanych na korozyjne i ługujące działanie kwasów, zasad i wody jest wyrażana poprzez procentowy ubytek masy (pod wpływem chemicznych oddziaływań). Im mniejsza wartość tego ubytku, tym bardziej odporne jest dane szkło na roztwór korozyjny. Metodyka badania polega na poddaniu danej masy włókien szklanych o średnicy 10 mikronów bez dodatków spoiw i klejów działaniu znanej objętości roztworu korozyjnego utrzymywanego w temperaturze 96ºC. Włókna są utrzymywane w roztworze przez wymagany czas i następnie z niego usunięte, wypłukane, wysuszone i zważone dla określenia ubytku masy. Odporność chemiczna włókien szklanych zależy od składu chemicznego włókna, rodzaju roztworu korodującego i czasu ekspozycji. Należy zauważyć, że korozja szkła w środowisku kwasowym jest złożonym procesem rozpoczynającym się z początkową dużą szybkością korozji. Dla dłuższego czasu, na powierzchni ługowanego włókna szklanego powstaje efektywna bariera i szybkość korozji pozostałego (nie skorodowanego) włókna zwalnia, kontrolowana poprzez dyfuzję związków chemicznych przez ługowaną warstwę. Później szybkość korozji maleje prawie do zera, jako że związki chemiczne nie zawierające krzemionki znajdujące się w włóknie wyczerpują się. Dla danego składu chemicznego szkła, na szybkość korozji może wpływać stężenie kwasu, temperatura, średnica włókna i stosunek objętości roztworu do masy włókna. W środowiskach alkalicznych pomiary ubytku masowego są bardziej subiektywne, jako że alkalia działają także na usieciowanie i wytrącają powtórnie tlenki metali. Wytrzymałość na rozciąganie po takiej ekspozycji jest lepszym wskaźnikiem własności pozostałego (nie skorodowanego) włókna szklanego.

Właściwości elektryczne

Przenikalność elektryczna względna (stała dielektryczna) jest stosunkiem reaktancji pojemnościowej układu z próbką jako dielektrykiem do reaktancji pojemnościowej układu z próżnią jako dielektrykiem. Reaktancja pojemnościowa jest zdolnością materiału do magazynowania ładunku elektrycznego. Na wartości przenikalności wpływają: częstotliwość testowa, wilgotność względna, zanurzenie w wodzie i starzenie w warunkach atmosferycznych. Współczynnik rozproszenia dielektryka jest to stosunek reaktancji równoległej do rezystancji równoległej lub też tangens kąta strat, który jest na ogół nazywany tangensem kąta stratności. Jest to także odwrotność tzw. współczynnika dobroci i gdy wartości są małe, tangens kąta strat jest zasadniczo równy współczynnikowi mocy lub sinusowi kąta stratności. Współczynnik mocy jest to stosunek mocy wyrażonej w watach rozproszonej w dielektryku do użytecznej mocy w woltoamperach. Współczynnik rozproszenia jest bezwymiarowy. Niemal w każdej aplikacji elektrycznej pożądana jest niska wartość współczynnika rozproszenia. Redukuje to wewnętrzne nagrzewanie materiału i utrzymuje niskie odkształcenie sygnału. Współczynnik rozproszenia jest na ogół mierzony jednocześnie z pomiarem przenikalności i jest w znacznym stopniu zależny od częstotliwości, wilgotności, temperatury i imersji wodnej.sznury termoizolacyjne z włókien szklanych

Współczynnik strat (wskaźnik strat, jak jest czasem nazywany) jest czasami mylony z współczynnikiem rozproszenia lub tangensem kąta stratności. Współczynnik strat jest po prostu iloczynem współczynnika rozproszenia i przenikalności i jest proporcjonalny do strat energii w dielektryku.

Napięcie przebicia dielektryka jest to napięcie, dla którego wystąpi uszkodzenie elektryczne w przyjętych warunkach testowych wewnątrz materiału elektrycznie izolacyjnego, umieszczonego pomiędzy dwiema elektrodami. Jeśli grubość materiału izolacyjnego pomiędzy elektrodami może być zmierzona dokładnie, stosunek napięcia przebicia dielektryka do grubości próbki może być wyrażony jako wytrzymałość dielektryczna w kV/cm. Wartości napięcia przebicia zależą od geometrii elektrod, grubości próbki (ponieważ wytrzymałość dielektryczna zmienia się w przybliżeniu z odwrotnością pierwiastka kwadratowego z grubości), temperatury, czasu przyłożenia napięcia, postaci falowej napięcia, częstotliwości, otaczającego ośrodka, wilgotności względnej, imersji wodnej i kierunkowości w laminowanych i niejednorodnych tworzywach sztucznych.

[…]

Pozostała część artykułu dostępna na życzenie u Wydawcy.