Сравнительный анализ видов стеклопластика

Оглавление

Введение 2

Виды стеклопластика 3

1. Стеклопластики  конструкционного назначения 3

2. Высокопрочные  стеклопластики 3

3. Химически  устойчивые стеклопластики 3

4. Термостойкие  стеклопластики 3

5. Электротехнические  стеклопластики 3

Свойства  стеклопластика 4

Изделия из химически  стойкого стеклопластика 5

Производство  стеклопластиков 6

Сравнительный анализ двух видов стеклопластика 7

Применение 9

Заключение 10

Список литературы 11

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Стеклопластик - композиционный материал, состоящий из стеклянного наполнителя  и синтетического полимерного связующего.

Стеклопластики — материалы  с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющие широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью(примерно, как у дерева), прочностью как у стали, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, не обладая недостатками, присущими термопластам.

Стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят сталь по удельной прочности. При изготовлении равнопрочных конструкций из стали и стеклопластика, стеклопластиковая конструкция будет в несколько раз легче. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11–13‧10⁶ 1/°С), что делает его наиболее подходящим материалом для светопроницаемых конструкций. Плотность стеклопластика, полученного путем прессования или намотки, составляет 1,8–2,0 г/см³.

До недавнего времени  стеклопластики использовались преимущественно  в самолётостроении, кораблестроении  и космической технике. Широкое  применение стеклопластиков сдерживалось, в основном, из-за отсутствия промышленной технологии, которая позволила бы наладить массовый выпуск профилей сложной  конфигурации с требуемой точностью размеров.(Чумаченко Ю.Т. Материаловедение: Учебник для СПО. - Ростов н/Д.: Феникс, 2009)[14;15;18;26;34]

2. Виды  стеклопластика

Можно разделить все стеклопластики на цветные и не цветные, прозрачные и непрозрачные.

1. Стеклопластики  конструкционного назначения

Такие стеклопластики применяются  при изготовлении деталей различных  конструкций. В них используется стекловолокно из бесщелочного и  алюмоборосиликатного стекла.

2. Высокопрочные  стеклопластики

Эти стеклопластики применяются в  условиях, когда механические нагрузки на них особенно сильны. Для их изготовления используются высокопрочные стекловолокна  из магнезиально-алюмосиликатного стекла. Их прочность и упругость минимум  на 25% превышает показатели обычных  стекловолокон.

3. Химически  устойчивые стеклопластики

Такие стеклопластики используются для  создания аккумуляторных баков и  различного химического оборудования, так как легко справляются  с агрессивными средами. Для их изготовления применяются стекловолокна из щелочного  алюмоборосиликатного стекла.

4. Термостойкие  стеклопластики

Если необходимо изготовить изделия, способные противостоять температурам около 300°С и более, то используют специальные термостойкие стеклопластики. Они создаются из кремнеземных и кварцевых волокон.

5. Электротехнические  стеклопластики

Так как диэлектрическая проницаемость  у данного вида стеклопластиков  даже ниже (на 35%), чем у стекла, то их часто применяют в качестве диэлектриков и для создания теплоизоляции. Для их изготовления используются волокна  из боросиликатного стекла. Основные характеристики стеклопластика В длинном списке положительных характеристик стеклопластика есть устойчивость к коррозии, гниению, агрессивным средам, небольшая плотность, высокая прочность (сравнима с конструкционными сталями), низкая теплопроводность, отличные диэлектрические показатели. В связи с этим изделия из стеклопластика требуют меньше ремонта, чем их аналоги из других материалов. Они также обладают низкой массой при высокой прочности, отличной износоустойчивостью и долговечностью. При монтаже деталей из стеклопластика и их транспортировке не нужна дополнительная грузоподъемная техника, что позволяет существенно сократить бюджет работ.

3. Свойства  стеклопластика

 

 Свойства стеклопластика зависят, главным образом, от состава, диаметра и длины стекловолокна, его ориентации и процентного содержания, а также от взаимодействия на границе «стекловолокно-связующее» и технологии изготовления. 

 

Среди свойств, присущим всем видам стеклопластиков, можно отметить следующие:

• Малый удельный вес.

Удельный вес стеклопластика - от 0,4 до 2.0 г/см3 (средний — 1,1г/см3).Для  сравнения: удельный вес стали - 7,8 г/см3 ,меди — 8,9 г/см3,дуралюмина — 2,8 г/см3.

• Высокие механические свойства.

При небольшом удельном весе стеклокомпозиты обладают высокими физико-механическими характеристиками. Например, прочность стеклопластика в 9 раз выше, чем у ПВХ и в 2-4 раза выше, чем у алюминия. Используя некоторые смолы и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластики, превосходящие по прочностным свойствам некоторые сплавы цветных металлов и стали.

• Диэлектрические свойства

Стеклокомпозиты являются хорошими электроизоляционными материалами при использовании  как переменного, так и постоянного тока.

• Высокая коррозионная стойкость.

Стеклопластики не подвергаются электрохимической  коррозии (как диэлектрики),бактериальному разложению, устойчивы к различным агрессивным средам (в том числе к воздействию солей, кислот и щелочей) и продуктам биологической жизнедеятельности.

• Теплоизоляционные свойства.

Стеклопластики относятся к  материалам с низкой теплопроводностью (0,24 Вт/мК) и являются изоляторами. Для сравнения: лист стеклопластика толщиной 1мм эквивалентен листу стекла толщиной 5 мм. Кроме того, их теплоизоляционные свойства можно значительно повысить путем изготовления конструкции типа «сэндвич»,используя между слоями стеклопластика пористые материалы (например пенопласт).

• Низкий тепловой коэффициент линейного расширения.
• Низкое водопоглащение.
• Атмосферостойкость.

Материал обладает высокой стойкостью к большому диапазону и резким перепадам температур (диапазон рабочих  температур — от -60 до +80С) При изготовлении с применением поверхностного защитно-декоративного  слоя гелькоута стеклопластик стоек  к воздействию ультрафиолета. Кроме того, материал обладает сейсмостойкостью (100%-е упругое восстановление после деформации),устойчивостью к ветровым нагрузкам при скорости до 300 км/час.

• Радиопрозрачность.
• Трудногорючесть и огнестойкость.

При пожаре стеклопластик не выделяет сильнодействующего газа-диоксина. Кроме того, он имеет класс А огнестойкости по системе ASTM.

• Прозрачность.

На основе некоторых марок светопрозрачных  смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам практически не уступающие стеклу (светопропускание до 92%)

• Хороший внешний вид.

При изготовлении стеклопластики могут  окрашиваться в массе в любой  цвет, а при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго.

• Экологическая безопасность.

Согласно заключению Санитарно-эпидемиологического  надзора РФ, стеклокомпозитные изделия не вредны для здоровья человека, а содержание вредных веществ в них не превышает установленных норм. 

 

Механические свойства стеклопластиков  в направлении армирования в  значительной мере определяются свойствами армирующих волокон и их расположением, в меньшей степени они зависят  от связующего. // http://stekloplastik1.ru/news/2012-03-17/novost-5.htlm(дата обращения 17.10.2012г.)

4. Изделия из химически стойкого стеклопластика

• напорные и безнапорные трубопроводы для транспортировки агрессивных жидкостей и сред;
• емкости — как горизонтальные, так и вертикальные — для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей;
• желоба для подачи электролита;
• секции охлаждающих градирен, напорные коллекторы;
• газоотводящие стволы дымовых труб;
• скрубберы, абсорберы, циклоны, аппараты Вентури;
• колонные аппараты, регенерационные колонны, корпуса электрофильтров;
• травильные, гальванические и электролизные ванны;
• вентиляционные системы для удаления паров вредных веществ от технологического оборудования;
• корпусы различного оборудования.

5. Производство  стеклопластиков

Стеклопластик получают путем горячего прессования стекловолокна, перемешанного  с синтетическими смолами. В стеклопластиках  стекловолокно играет роль армирующего  материала, придающего изделиям высокую  механическую прочность при малой  плотности.

В настоящее время существует целый  ряд различных смол, используемых в производстве стеклопластиковых  изделий. Наибольшее распространение  получили полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы. В зависимости от метода формования, химсостава и области применения все смолы можно разделить на следующие группы:

а) по методу формования: 

для ручного формования 

для вакуумной инжекции

для горячего прессования

для процессов намотки

для пултрузии

б) по области применения:

обычные конструкционные

химстойкие

огнестойкие

теплостойкие

светопрозрачные

 

6. Сравнительный анализ двух видов стеклопластика

 

Стеклопластик может иметь различные оттенки и цвет, может быть прозрачным (бесцветным и тонированным) и непрозрачным. По оптическим свойствам немногим уступает стеклу (светопропускание- 92 % ).

 

Фибролайт - светопрозрачный бесцветный лист. Основные области 
применения фибролайта - теплицы и иные сооружения, где этот материал используется для облицовки ограждающих конструкций с целью пропускания естественного света. 

 

Свойства Фибролайта

-легкость

-прочность и пластичность

-прозрачность

-устойчивость к воздействию  факторов 
агрессивной внешней среды (климатических, 
физико-химического воздейстия, в т ч. ультрафиолета)

 

Выгоды от применения

 

-экономия трудозатрат  (легок и прост в обращении, монтаже и транспортировке)

-экономия материалов (материал  неприхотлив и может служить  неограниченно долго, не требуя  замены)

-экономия времени (требует  минимум ухода, для монтажа  не требуется специальных знаний, приспособлений,  

 инструментов)

-материал совместим с  комплектующими из других типов  материалов 

 

Технические  характеристики

 

-низкий удельный вес  (1,4-1,6 кг/кв.дм)

-устойчивость к воздействию  УФ-излучения

-стабильность свойств  в широком диапазоне температур (от - 50 до + 50 С)

-высокий коэффициент  светопропускания  (от 85 до 92%)

-низкая теплопроводность (0,18-0,2 кКал/час.град.С)

-высокая прочность на  изгиб (1800-1950 кг/см)

 

Топливные емкости - это цилиндрические резервуары, изготовленные из армированного стеклопластика с использованием особых видов смол, которые имеют высокую устойчивость к дизельному топливу и различным химическим соединениям. Такие емкости предназначаются для хранения дизельного топлива, нефтепродуктов и различных химсоставов. 

 

Свойства топливных емкостей

 

-высокая прочность 

-низкая теплопроводность

-химическая нейтральность

-устойчивость к воздействию ультрафиолетовых лучей

-термическая стойкость

-эластичность.

-пластичность.

-диэлектрическая стойкость

 

 

Выгоды от применения

 

- имеют относительно большой срок эксплуатации (более 50 лет)

- широкий  выбор продукции

- высокая химическая устойчивость к агрессивным средам

- высокая прочность

- малый вес, что в значительной степени облегчает транспортировку и монтаж емкостей для топлива.

 

Технические характеристики

 

- химически устойчивы 
- устойчивы к различным погодным условиям 
- не ржавеют 
- обладают малый удельным весом 1,5–1,8 г/см3; 
- высокопрочны 
- устойчивы к электрохимической коррозии 
- устойчивы к высоким температурам 
- хорошо поддаются окраске в любой цвет

Сравнивая фибролайт и армированный стеклопластик, можно сказать, что производство фибролайта дешевле, так как производится в виде листов, а армированный стеклопластик в виде тар различных объемов и размеров. Анализируя их по свойству прочности, можно с уверенностью сказать, что фибролайт намного прочнее, чем материал армированный стеклопластик, так как в нем больше массовая доля стекловолокна, что делает его структуру кристаллической решетки намного прочней. При транспортировке фибролайт гораздо проще, чем армированный стеклопластик, потому что фибролайт производится в виде листов, что облегчает его транспортировку. Если сравнивать эти материалы по пластичности, армированный стеклопластик является более пластичным, поскольку он используется для хранения различных нефтепродуктов, где возможны различные удары, которые приводят тары к деформации. Подводя итоги сравнения этих двух материалов, можно сказать, что они имеют практически схожие свойства, но из-за их разности в строении кристаллической решетки, они приобретают различные механические свойства. Производство этих материалов токсично для окружающей среды.

7. Применение

Из стеклопластиков производят следующие изделия: оконные и другие профили, бассейны, купели, водные аттракционы, водные, лодки, каноэ, рыболовные удилища, таксофонные кабины, кузовные панели и обвесы для грузовых и легковых автомобилей, электронепроводящие лестницы и штанги для работ в опасной близости от конструкций под напряжением.

Очень удобно, что стеклопластик  можно производить любой формы, цвета и толщины.

Стеклопластик - один из наиболее широко применяемых видов композиционных материалов. Из стеклопластиков в частности изготавливают трубы, выдерживающие большое гидравлическое давление и не подвергающиеся коррозии, корпуса ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), лодки, корпуса маломерных судов и многое другое. В США начало широкого применения конструкционных стеклопластиков было инициировано осуществлением программы "Поларис" во второй половине 1950-х годов - программы создания первой твердотопливной ракеты ВМФ США для подводного старта.

Трубы и трубчатые конструкции  получают намоткой пропитанного связующим (смола + отвердитель + модифицирующие добавки) стекловолокна, на вращающуюся  оправку (чаще всего стальную) с последующим  отверждением и распрессовкой (снятием  намотанной трубы со стальной оправки). Если диаметр трубы большой, то технически и экономически целесообразно использовать стеклопластиковую оправку.

Стойкость к действию химикатов  и эксплуатационные показатели стеклопластика продемонстрированы за прошедшие 60 лет  успешным использованием разнообразных  изделий из композитов в сотнях различных  химических сред. Практический опыт был  дополнен систематической оценкой  соединений, подвергнутых большому количеству химических сред в лабораторных условиях.

Стеклопластиковые корпуса моделей судов, самолётов, машин и т.п. можно вручную изготавливать из эпоксидного клея и стеклоткани в условиях кружка или детской мастерской, что довольно часто практикуется в домах детского творчества.//http://www.biysk.ru/~zimin/00200/00168.html(дата обращения 19.10.2012г.)

 

 

8. Заключение

Стеклопластики — вид композиционных материалов — пластические материалы, состоящие из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества (термореактивные и термопластичные полимеры). Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон; связующим - полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости. Механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентировано расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

Большей изотропией механических свойств  обладают стеклопластики с неориентированным  расположением волокон: материалы  на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Изделия из стеклопластика с ориентированным  расположением волокон изготавливают  методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием  либо прессованием, из пресс-материалов - прессованием и литьём.

Стеклопластики являются одним из самых доступных и  недорогих композиционных материалов. Основные затраты при производстве изделий из стеклопластика приходятся на технологическое оборудование и рабочую силу, затраты на которую велики за счет трудоемкости и больших временных затрат на производство. Соответственно, на данный момент изделия из стеклопластика проигрывают по цене изделиям из металла из-за трудоёмкого и длительного процесса выклейки стеклопластиковых деталей, что вызывает большие затруднения при массовом производстве. Наиболее выгодно использование стеклопластика при мелкосерийном производстве. Крупносерийное производство становится более выгодным при использовании вакуумного формования. Также выгодным может быть и контактное формование, в случае если цена рабочей силы невелика.

Список литературы

1. Барташевич А.А. Материаловедение. – Ростов н/Д.: Феникс, 2008.  – 252 с. 

2.Ржевская С.В. Материаловедение: Учебник для ВУЗов. - М.: Университетская книга Логос, 2006. – 247с.

3. Солнцев Ю.П. Материаловедение: Учебник для СПО. – М.: Академия, 2008. – 256 – 293с.

4.Чумаченко Ю.Т. Материаловедение: Учебник для СПО. - Ростов н/Д.: Феникс, 2009. – 15 – 40 с.