Fiberglas

Bündel Glasfaser

Fiberglas oder Glasfasern ist ein Material aus extrem feinen Fasern Glas . Es wird als Verstärkungsmittel für viele Polymerprodukte verwendet; Das resultierende Verbundmaterial, das eigentlich als faserverstärktes Polymer (FRP) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) bekannt ist, wird im allgemeinen Sprachgebrauch als 'Fiberglas' bezeichnet.

Glasmacher haben im Laufe der Geschichte mit Glasfasern experimentiert, aber die Massenproduktion von Glasfasern wurde erst durch das Aufkommen feinerer Werkzeugmaschinen möglich. 1893 stellte Edward Drummond Libbey auf der Weltausstellung in Kolumbien ein Kleid aus, das Glasfasern mit dem Durchmesser und der Textur von Seidenfasern enthielt. Was heute allgemein als 'Fiberglas' bekannt ist, wurde jedoch 1938 von Russell Games Slayter von Owens-Corning als Material für die Verwendung als Isolierung erfunden. Es wird unter dem Handelsnamen vermarktet Fiberglas (sic), die zu einer generischen Marke geworden ist.

Formation

Glasfasern werden gebildet, wenn dünne Stränge aus Glas auf Silikabasis oder einer anderen Formulierung zu vielen Fasern mit kleinen Durchmessern extrudiert werden, die für die Textilverarbeitung geeignet sind. Glas unterscheidet sich von anderen Polymeren darin, dass es selbst als Faser wenig kristalline Struktur hat (siehe amorpher Festkörper). Die Eigenschaften der Glasstruktur im erweichten Zustand sind den Eigenschaften sehr ähnlich, wenn sie zu Fasern gesponnen werden. Eine Definition von Glas ist „ein anorganischer Stoff in einem Zustand, der mit dem flüssigen Zustand dieses Stoffes kontinuierlich und analog ist, der jedoch infolge einer reversiblen Änderung der Viskosität während des Abkühlens einen so hohen Viskositätsgrad erreicht hat um für alle praktischen Zwecke starr zu sein.'

Die Technik des Erhitzens und Ziehens von Glas zu feinen Fasern ist seit Tausenden von Jahren bekannt; Das Konzept, diese Fasern für Textilanwendungen zu verwenden, ist jedoch jünger. Die erste kommerzielle Produktion von Glasfaser erfolgte 1936. 1938 schlossen sich Owens-Illinois Glass Company und Corning Glass Works zur Owens-Corning Fiberglas Corporation zusammen. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden alle Glasfasern als Grundmaterial hergestellt. Als sich die beiden Unternehmen zusammenschlossen, um Glasfaser herzustellen und zu fördern, führten sie Endlosfilament-Glasfasern ein. Owens-Corning ist auch heute noch der größte Glasfaserhersteller auf dem Markt.

Chemie

Die Grundlage von Textil- Glasfasern sind Siliziumdioxid, SiO _zwei . In seiner reinen Form liegt es als Polymer vor (SiO _zwei ) _n . Es hat keinen echten Schmelzpunkt, wird aber bis zu 2000 °C weicher, wo es beginnt, sich zu zersetzen. 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 SiO ₄ Gruppen, die als Tetraeder mit den konfiguriert sind Silizium Atom in der Mitte und vier Sauerstoffatome an den Ecken. Diese Atome bilden dann ein an den Ecken gebundenes Netzwerk, indem sie sich teilen Sauerstoff Atome.

Der Glaskörper und kristallin Zustände von Kieselsäure (Glas u Quarz ) haben auf molekularer Basis ähnliche Energieniveaus, was auch impliziert, dass die glasartige Form extrem stabil ist. Um die Kristallisation zu induzieren, muss es für längere Zeit auf Temperaturen über 1200 °C erhitzt werden.

Molekulare Struktur von Glas

Obwohl reines Siliziumdioxid ein vollkommen brauchbares Glas und eine Glasfaser ist, muss es bei sehr hohen Temperaturen verarbeitet 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 einzubringen, um seine Arbeitstemperatur zu senken. Diese Materialien verleihen dem Glas auch verschiedene andere Eigenschaften, die bei verschiedenen Anwendungen vorteilhaft sein können. Der erste Glastyp, der für Fasern verwendet wurde, war Kalknatronglas oder A-Glas. Es war nicht sehr alkalibeständig. Ein neuer Typ, E-Glas, wurde gebildet, das frei von Alkalien (< 2 %) ist und ein Alumino-Borsilikatglas ist. Dies war die erste Glasformulierung, die für die Bildung kontinuierlicher Filamente verwendet wurde. E-Glas macht immer noch den größten Teil der Glasfaserproduktion weltweit aus. Seine einzelnen Bestandteile können sich prozentual leicht unterscheiden, müssen aber innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Der Buchstabe E wird verwendet, weil er ursprünglich für elektrische Anwendungen gedacht war. S-Glas ist eine hochfeste Formulierung zur Verwendung, wenn die Zugfestigkeit die wichtigste Eigenschaft ist. C-Glas wurde entwickelt, um dem Angriff von Chemikalien zu widerstehen, hauptsächlich Säuren, die E-Glas zerstören. T-Glas ist eine nordamerikanische Variante von C-Glas. A-Glas ist ein Industriebegriff für Glasscherben, häufig Flaschen, die zu Fasern verarbeitet werden. AR-Glas ist alkalibeständiges Glas. Die meisten Glasfasern haben eine begrenzte Löslichkeit in Wasser, die jedoch stark vom pH-Wert abhängt. Chloridionen greifen auch E-Glas-Oberflächen an und lösen sie auf. Ein neuer Trend in der Industrie besteht darin, den Borgehalt in den Glasfasern zu verringern oder zu eliminieren.

Da E-Glas nicht wirklich schmilzt, sondern erweicht, ist der Erweichungspunkt definiert als „die Temperatur, bei der sich eine Faser mit einem Durchmesser von 0,55 – 0,77 mm und einer Länge von 9,25 Zoll unter ihrem eigenen Gewicht mit 1 mm/min verlängert, wenn sie vertikal aufgehängt und erhitzt wird die Rate von 5°C pro Minute“. Der untere Kühlpunkt ist erreicht, wenn das Glas eine Viskosität von 10 hat ^14.5 Haltung. Der Glühpunkt, das ist die Temperatur, bei der die inneren Spannungen in 15 Minuten auf eine akzeptable kommerzielle Grenze reduziert werden, ist durch eine Viskosität von 10 gekennzeichnet ¹³ Haltung.

Eigenschaften

Glasfasern sind wegen ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Gewicht nützlich. Die vergrößerte Oberfläche macht sie jedoch viel anfälliger für chemische Angriffe.

Durch das Einschließen von Luft in sich bilden Glasfaserblöcke eine gute Wärmedämmung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W/mK.

Glasfestigkeiten werden normalerweise für frisch hergestellte Fasern getestet und angegeben, die gerade hergestellt wurden. Die frischesten, dünnsten Fasern sind die stärksten, und es wird angenommen, dass dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass sich dünnere Fasern leichter biegen lassen. Je stärker die Oberfläche zerkratzt wird, desto geringer ist die resultierende Zähigkeit. Da Glas eine amorphe Struktur hat, sind seine Eigenschaften entlang der Faser und quer zur Faser gleich. Feuchtigkeit ist ein wichtiger Faktor für die Zugfestigkeit. Feuchtigkeit wird leicht adsorbiert und kann mikroskopische Risse und Oberflächendefekte verschlimmern und die Zähigkeit verringern.

Im Gegensatz zu Kohlefaser kann sich Glas stärker ausdehnen, bevor es bricht.

Die Viskosität des geschmolzenen Glases ist sehr wichtig für den Herstellungserfolg. Beim Ziehen (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 sich zu Fasern auszudehnen.

Herstellungsprozess

Es gibt zwei Haupttypen der Glasfaserherstellung und zwei Haupttypen von Glasfaserprodukten. Erstens werden Fasern entweder durch ein direktes Schmelzverfahren oder ein Marmorumschmelzverfahren 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 geschert und zu Murmeln gewalzt, die gekühlt und verpackt werden. Die Murmeln werden zur Faserherstellungsanlage gebracht, wo sie in eine Dose gefüllt und erneut geschmolzen werden. Das geschmolzene Glas wird zur Düse extrudiert, um es zu Fasern zu formen. Beim Direktschmelzverfahren gelangt das geschmolzene Glas im Ofen zur Bildung direkt in die Düse.

Die Durchführungsplatte ist der wichtigste Teil der Maschinerie. Dies ist ein kleiner Metallofen, der Düsen enthält, durch die die Faser geformt werden soll. Es besteht fast immer aus mit legiertem Platin Rhodium für Haltbarkeit. Platin wird verwendet, weil die Glasschmelze eine natürliche Neigung hat, sie zu benetzen. Als Düsen zum ersten Mal verwendet wurden, bestanden sie zu 100 % aus Platin, und das Glas benetzte die Düse so leicht, dass es nach dem Austritt aus der Düse unter die Platte lief und sich auf der Unterseite ansammelte. Auch wurde das Platin wegen seines Preises und der Verschleißneigung mit Rhodium legiert. Beim Direktschmelzverfahren dient die Buchse als Sammler für das geschmolzene Glas. Es wird leicht erhitzt, um das Glas auf der richtigen Temperatur für die Faserbildung zu halten. Beim Marmorschmelzprozess wirkt die Buchse eher wie ein Ofen, da sie mehr Material schmilzt.

Die Buchsen sind es, die die Kapitalinvestition in die Glasfaserproduktion teuer machen. 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 Endlosfaserherstellung ist die Dicke ihrer Wände im Austrittsbereich. Es hat sich herausgestellt, dass das Einbringen einer Senkung hier die Benetzung reduziert. Heute werden die Düsen so konstruiert, dass sie am Austritt eine Mindestdicke aufweisen. Der Grund dafür ist, dass das Glas, wenn es durch die Düse fließt, einen Tropfen bildet, der am Ende hängt. Beim Fallen hinterlässt es einen Faden, der durch den Meniskus an der Düse befestigt ist, solange die Viskosität im richtigen Bereich für die Faserbildung liegt. Je kleiner der ringförmige Ring der Düse oder je dünner die Wand am Austritt, desto schneller bildet sich der Tropfen und fällt ab und desto geringer ist seine Neigung, den vertikalen Teil der Düse zu benetzen. Die Oberflächenspannung des Glases beeinflusst die Ausbildung des Meniskus. Für E-Glas sollten es etwa 400 mN pro m sein.

Die Dämpfungs-(Zieh-)Geschwindigkeit ist bei der Düsenkonstruktion wichtig. Obwohl eine Verlangsamung dieser Geschwindigkeit gröbere Fasern erzeugen kann, ist es unwirtschaftlich, mit Geschwindigkeiten zu arbeiten, für die die Düsen nicht ausgelegt sind.

Beim kontinuierlichen Filamentverfahren wird nach dem Ziehen der Faser eine Schlichte aufgetragen. Diese Größe hilft, die Faser zu schützen, wenn sie auf eine Spule gewickelt wird. Die jeweils aufgetragene Größe bezieht sich auf die Endverwendung. Während einige Schlichten Verarbeitungshilfen sind, verleihen andere der Faser eine Affinität zu einem bestimmten Harz, wenn die Faser in einem Verbundstoff verwendet werden soll. Schlichte wird normalerweise mit 0,5–2,0 Gew.-% hinzugefügt. Das Wickeln erfolgt dann mit etwa 1000 m pro min.

Bei der Stapelfaserherstellung gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, die Faser herzustellen. Das Glas kann geblasen oder mit Hitze oder Dampf gestrahlt werden, nachdem es die Formgebungsmaschine verlassen hat. Normalerweise werden diese Fasern zu einer Art Matte verarbeitet. Das am häufigsten verwendete Verfahren ist das Rotationsverfahren. Hier tritt das Glas in eine rotierende Schleuder ein und wird aufgrund der Zentrifugalkraft horizontal ausgeschleudert. Durch die Luftstrahlen wird es senkrecht nach unten gedrückt und Bindemittel aufgetragen. Anschließend wird die Matte zu einem Sieb vakuumiert und das Bindemittel im Ofen ausgehärtet.

Endanwendungen für normales Fiberglas sind Matten, Isolierungen, Verstärkungen, hitzebeständige Stoffe, korrosionsbeständige Stoffe und hochfeste Stoffe.