Стеклянное волокно

Стеклянное волокно, используемое для изготовления стеклопластиковой арматуры, должно быть высокопрочным, химически стойкими обладать электроизолирующими свойствами. Наиболее доступным для производства арматуры в настоящее время является алюмоборосиликатное стандартное стеклянное волокно.
Однако химическая стойкость его при воздействии агрессивных сред недостаточно высока. Поэтому при изготовлении стеклопластиковой арматуры из этого волокна к связующему предъявляют повышенные требования по химической защите арматуры от воздействия агрессивных сред.
Следует отметить, что в научно исследовательских организациях нашей страны и за рубежом ведутся изыскания по синтезу составов стекол для выработки высокопрочного стеклянного волокна повышенной универсальной коррозионной стойкости. В частности, в ИСиА Госстроя БССР в содружестве с Белорусским политехническим институтом под руководством дра хим. наук, проф. Н.Н. Ермоленко, канд. техн. наук Ю.В. Кондратьевой синтезированы специальные составы стекол 7 Тк и 7 Тм для получения стеклопластиковой арматуры с высокой стойкостью при воздействии кислот и щелочей. Однако до сего времени не организовано промышленное производство волокна из стекла этих составов. В связи с этим для изготовления стеклопластиковой арматуры в настоящее время используется непрерывное стандартное алюмоборосиликатное волокно.
Диаметр непрерывного элементарного стеклянного волокна находится в пределах 2 ... 100 мкм и зависит от скорости вытягивания волокна, а также диаметра фильер стеклоплавильного сосуда. Элементарные стеклянные волокна, вытягиваемые из сосуда, обрабатывают замасливателем либо аппретом для предохранения их от повреждений при дальнейшей переработке, улучшения адгезии волокна к полимерным связующим и повышения качества поверхности волокна. Кроме того, замасливатель и аппретирующие составы склеивают отдельные элементарные волокна в первичные нити, которые сматывают затем на бобины.
Масса стеклянного волокна на бобине достигает 0,5 кг. Число элементарных волокон в первичной нити обусловливается числом фильер в стеклоплавильном сосуде и может быть равно 100, 200, 400 и более. При дальнейшей переработке стеклянное волокно собирают в жгуты различной толщины. Толщина жгутов зависит от диаметра и числа сложений первичных нитей в жгуте, которое достигает 60. Жгуты сматывают в поковки, масса которых не превышает 20 кг.
Стеклопластиковую арматуру можно изготовлять из первичного волокна, сматываемого с бобин, или из жгута, собранного в поковки. Наиболее приемлемым является использование стекло жгута ровинга, в котором в меньшей степени проявляется разнодлинность волокна и, как следствие, лучше используется его прочность. Массивное стекло обладает сравнительно малым пределом прочности при растяжении — всего около 40—100 МПа. Прочность же тонких стеклянных волокон значительно выше, она превосходит прочность большинства известных материалов и достигает 2,5 ГПа [2]. Повышение прочности при уменьшении размеров испытуемых образцов характерно не только для стекла, но и для многих других естественных и искусственных материалов. Чем тоньше стеклянное волокно, тем выше его прочность и стоимость, поэтому для получения высокопрочной арматуры, учитывая технико экономические соображения, используют волокно диаметром около 10 мкм.
В отдельных случаях, при определенных условиях формования повышение прочности стеклянного волокна с уменьшением его диаметра не наблюдается. Это свидетельствует о том, что прочность стекла определяется не только его размерами, но и другими факторами. Прочность образца (отрезка) стеклянного волокна в значительной мере зависит от его длины. Зависимость прочности волокна от длины обусловлена его неоднородностью, наличием в нем различных дефектов. С увеличением длины волокна вероятность присутствия опасных дефектов на исследуемом участке возрастает, что и приводит к снижению его прочности. Таким образом, с увеличением длины образца волокна происходит снижение его однородности. Оказывается, что прочность длинного волокна определяется минимальной прочностью отдельных составляющих его отрезков или, иначе говоря, прочностью наиболее ослабленных участков.
При изучении деформативных свойств стеклянных волокон различного диаметра установлено, что масштабный фактор не влияет на значение модуля упругости, а зависимость "напряжение — деформация" для волокон разного диаметра из стекла алюмоборосиликатного состава имеет линейный характер. Модуль упругости алюмоборосиликатного волокна примерно равен 72 ГПа. Физические свойства силикатных волокон, т.е. диэлектрические, термические, а также их химическая стойкость при воздействии различных реагентов определяются химическим составом стекла. Изучению старения стеклянных волокон посвящено много исследований. Прочность волокна определяли через разные промежутки времени после его формования. Установлено, что прочность свежего грубого волокна соответствует значениям прочности тонкого волокна. На основании этих исследований сделаны выводы, что прочность свежевытянутых волокон не зависит от их диаметра. Используя это явление в ИХФ АН СССР под руководством дра хим. наук ГД. Андреевской проводят весьма интересные исследования, результаты которых в ближайшее время позволят использовать для изготовления арматуры высокопрочные грубые свежевытянутые волокна диаметром до 100 мкм. Это даст возможность упростить технологию стеклопластиковой арматуры и существенно снизить ее стоимость.
 На поверхности стеклянных волокон в процессе их формования возникают микротрещины. Проникание жидкости в трещины, расположенные на поверхности волокна, снижает его прочность. Чем тоньше стеклянное волокно, тем меньше размеры микротрещин. При увеличен™ диаметра волокна и, как. следствие, размеров микротрещин проникание в них влаги облегчается, за счет чего происходит более активное снижение прочности волокна. Снижение прочности волокна в результате проникания влаги в микротрещины, расположенные на его поверхности, называется адсорбционным старением. Адсорбционное снижение прочности волокна зависит от химического состава стекла, причем чем ниже химическая стойкость волокна при воздействии влаги, тем активнее происходит старение даже тонких волокон. Такое явление характерно, например, для кальциевонатриевого состава стекла и, как указывалось выше, практически не проявляется у тонкого алюмобо росиликатного волокна Г.Д. Андреевская подробно рассматривает влияние условий получения стеклянных волокон на их прочность и приходит к следующим выводам [2]. Формование стеклянного волокна происходит при высокой температуре и большой скорости вытягивания. Тонкие волокна охлаждаются и затвердевают с очень большой скоростью  до 3500 м/мин, поэтому в тонких волокнах фиксируется структура расплавленного стекла более гомогенная, чем структура объемных образцов.
 Охлаждение тонких волокон происходит настолько быстро, что температура на их поверхности и в центре бывает практически одинакова. Это обеспечивает отсутствие внутренних остаточных температурных напряжений. С увеличением диаметра волокна скорость остывания на поверхности и в объеме будет различной, поэтому возможны остаточные температурные напряжения. Кроме того, при вытягивании волокна происходит ориентация микротрещин вдоль оси волокна. Чем больше скорость вытягивания (тонкое волокно), тем больше вероятность ориентации трещин, и наоборот, при малых скоростях в грубом волокне вероятность ориентации трещин уменьшается, что и обусловливает его меньшую прочность по сравнению с тонким. П.А. Ребиндером и его школой  даны теоретические обоснования влияния окружающей среды и длительности воздействия нагрузок на прочность стеклянного волокна.
 Известно, что чем выше влажность окружающей среды, тем ниже прочность волокна. Снижение его прочности в этих условиях объясняется прониканием влаги в микротрещины. Разрастание микротрещин происходит в результате двух явлений. С одной стороны, на стенках микротрещин молекулы воды образуют адсорбционные слои. Молекулы этих слоев стремятся двигаться во все стороны вдоль поверхностей трещин, и в частности к их вершинам, и тем самым способствуют углублению трещин. С другой стороны, тонкая пленка влаги, т.е. несжимаемого вещества, расположенная внутри трещины, вызывает расклинивающий эффект при ее сужении (при деформации волокна).
Нам уже известно, что при вытягивании стеклянного волокна происходит ориентация трещин вдоль оси волокна. Следовательно, в стеклянном волокне часть трещин расположена параллельно его оси, а часть трещин может иметь иное направление. Количественное соотношение трещин вдоль оси волокна и трещин других направлений зависит от скорости выработки волокна и, как следствие, от диаметра волокна. При растяжении волокон посредством внешней нагрузки трещины, ориентированные вдоль оси волокна, будут сужаться, а влага, находящаяся в них, изза расклинивающего эффекта будет их удлинять. Имеющиеся в структуре волокна неоднородности могут изменять осевую направленность этих трещин и тем самым снижать прочность волокна. Трещины, расположенные в иных направлениях по отношению к оси волокна, при его растяжении внешним усилием будут удлиняться и увеличивать ширину раскрытия, а молекулы адсорбционных слоев влаги будут перемещаться в глубь вершин трещин.
В тех случаях, когда не произойдет разрушения волокна, например при повторных нагрузках, эти трещины будут стремиться сомкнуться находящаяся в них влага будет создавать расклинивающий эффект, способствующий дальнейшему развитию трещин, и тем самым еще более снижать прочность стеклянного волокна. Таким образом, присутствие молекул воды во всех трещинах, расположенных на поверхности волокна независимо от их направления, снижает прочность волокна. Адсорбционная влага производит механическое разрушение волокон в напряженном состоянии, причем особенно велико будет разрушающее действие этой влаги при изменениях напряженного состояния образцов. Следовательно, надежная защита полимерным связующим волокна в арматурном стержне от проникания влаги является весьма важной задачей.
Адсорбционное снижение прочности стеклянных волокон — процесс обратимый, так как после высушивания образцов первоначальная прочность волокна может восстановиться. Такое свойство волокна проявляется и в стеклопластиковой арматуре. А.Ф. Зак и ЮЛ. Манько изучали изменение прочности стеклянного волокна алюмоборосиликатного состава при нагреве. При этом установлено, что температурные воздействия в пределах О.. . 500°С не сказываются на снижении прочности волокна. Однако после термообработки стеклянных волокон при температуре выше 200°С и последующем охлаждении прочность их при повторном нагреве до 300°С составляет 70% исходной, а при температуре 500°С — всего лишь 35 . . . 40%. Таким образом, многократные нагревы стеклянного волокна приводят к непрерывному снижению его прочности после охлаждения. Наиболее высокая механическая прочность волокна достигается при его охлаждении до минусовых температур. Это явление объясняется вымораживанием влаги при низких температурах, в результате чего устраняется расклинивающий эффект несжимаемой адсорбционной влаги, которая ранее находилась в микротрещинах стеклянного волокна.
 Следует заметить, что повышение прочности волокна при воздействии отрицательных температур — процесс обратимый, так как после помещения волокна в зону положительных температур прочность его вновь снижается до исходных значений. Следует предположить, что при температурных воздействиях на стеклопластиковую арматуру возможны подобные изменения ее прочности. Модуль деформации волокна при повышении температуры меняется незначительно. Только при температуре, близкой к температуре стеклования, можно наблюдать некоторое снижение его значений, зафиксированных при комнатной температуре.
 Стеклопластиковая арматура должна обладать высокой коррозионной стойкостью. Химическая стойкость арматуры предопределяется стойкостью основного материала арматуры, т.е. стеклянного волокна, поэтому изучение причин снижения прочности волокна при воздействии агрессивных сред представляет определенный интерес. При воздействии различных агрессивных реагентов на стеклянное волокно наблюдается процесс растворения волокна, т.е. химического взаимодействия состава стеклянного волокна со средой. При таком взаимодействии происходит либо равномерное растворение всех компонентов стекла, либо выщелачивание некоторых.
Характер и скорость разрушения волокон при этом зависят от химического состава самого стекла и воздействующего на него реагента. После процесса взаимодействия наблюдается снижение массы стеклянного волокна и его прочности. При более или менее равномерном растворении всех компонентов стекла происходит утонение стеклянного волокна. В тех случаях, когда в раствор переходят не все компоненты, несмотря на глубокое и полное растворение части компонентов, волокно сохраняет цилиндрическую форму и, как правило, первоначальный диаметр. После такого взаимодействия волокно представляет собой пространственный каркас из нерастворенного компонента, обладающий довольно сильными молекулярными связями. Например, при действии раствора серной кислоты на алюмобороси ликатное стеклянное * волокно растворяются все компоненты стекла, кроме кремнезема. При этом характер разрушения волокон зависит от их диаметра и продолжительности обработки раствором. На массивном стекле возникают поверхностные трещины, имеющие форму сот.
На грубом волокне появляются поперечные трещины, причем от волокон отслаиваются отдельные части кольцевидной формы. Такие волокна рассыпаются на отдельные небольшие куски. В процессе воздействия раствора щелочи на алюмоборосиликатное волокно химическим анализом раствора установлено, что происходит растворение всех компонентов стекла и диаметр волокна при этом уменьшается. Таким образом, в результате многочисленных исследований химической стойкости стеклянного волокна установлено, что все волокна в большей или меньшей мере подвержены разрушению при воздействии различных агрессивных сред, причем степень, скорость и характер разрушения зависят от многочисленных факторов: химического состава стекла, количества компонентов, вида реагентов, диаметра, времени, температуры, состояния поверхности волокна и др.
Влияние агрессивных сред на прочность стеклянного волокна в ИСиА Госстроя БССР изучал С.С. Жаврид . Жгуты стеклянных волокон длиной 400 мм выдерживали в сушильных шкафах при температуре 110... 120°С в течение 1 ч, после чего эти жгуты средней частью погружали в раствор реагента и кипятили. Через 6, 12, 24 и 48 ч жгуты извлекали, просушивали и определяли их прочность на разрывной машине. Во избежание раздробления волокна в захвате машины концы жгутов перед испытанием пропитывали бакелитовым лаком и заполимеризовывали. В качестве агрессивных сред использовали однонормальные растворы щелочи и серной кислоты, дистиллированную воду. На представлены зависимости снижения разрывного усилия от времени выдержки жгута в реагенте. Наиболее агрессивной средой для всех волокон явилась щелочь, наименее агрессивной — вода. Кислота по степени агрессивности имеет промежуточное значение для всех волокон, кроме алюмоборосили катного, которое в однонормальном растворе серной кислоты за 24 ч кипячения полностью теряет прочность. Представленные зависимости снижения прочности показывают, что все стеклянные волокна снижают прочность после воздействия реагентов, однако некоторые из них в зависимости от химического состава волокна и вида реагентов снижают прочность значительно меньше. К наиболее химически стойким относятся стеклянные волокна состава № 14 Г3 (состав разработан в ИО и НХ АН БССР) и состава № 7 Тк и 7 Тм (составы разработаны в Белорусском политехническом институте и ИСиА Госстроя БССР). Следует отметить, что в серной кислоте волокну состава № 7 (ВНИИСПВ) также присуща повышенная стойкость. Бэтой связи при организации промышленного производства стеклопластиковой арматуры одновременно следует решать вопрос о замене стандартного алюмоборо силикатного волокна волокном из специального состава стекла, а именно из 7 Тк или 7 Тм, которое для этого создано. Характер разрушения, т.е. кинетика спада прочности в процессе воздействия агрессивных сред, у волокон из различных составов практически одинаков. При воздействии влаги на стеклянное волокно прочность его, как отмечалось выше, снижается. В значительно большей мере происходит снижение прочности стеклянного волокна при воздействии пара, причем чем выше давление пара и его температура, тем больше сброс прочности волокна во времени. Следует отметить, что пароустойчивость волокна зависит от химического состава стекла.
 Стеклянное волокно обладает диэлектрическими свойствами. Наиболее высоким электрическим сопротивлением обладает кварцевое и бесщелочное стекло, малое электросопротивление характерно для щелочных стекол. Электросопротивление стеклянного волокна зависит от температуры. При нагреве выше 100°С волокно теряет влагу, поэтому электросопротивление его увеличивается, а после пребывания во влажной среде — уменьшается до первоначальных значений. Алюмоборосиликатное волокно обладает высокими электротехническими свойствами. Покрытие стеклянных волокон гидрофобными веществами предохраняет волокна от воздействия влаги и повышает их диэлектрические свойства. Наибольший эффект получается при использовании кремнийорганических замасливателей (покрытий), которые наносят в процессе выработки стеклянных волокон. В этом случае электросопротивление волокна практически не меняется, даже если оно находится во влажной среде.