Стеклопластик: состав, свойства и применение¶

Стеклопластик — это композиционный материал (композит), состоящий из стеклянного армирующего наполнителя в виде волокон, тканей или матов и полимерного связующего (обычно термореактивной смолы: полиэфирной, эпоксидной или винилэфирной). Относится к классу армированных пластмасс и характеризуется высокой прочностью при малой плотности, коррозионной стойкостью и диэлектрическими свойствами.

¶Состав и структура

Стеклопластик формируется из двух основных компонентов:

• Стекловолокно — армирующий наполнитель, обеспечивающий прочность. Применяются различные типы: стеклоткань, стекломат, стеклорогожа, ровинг (непрерывное волокно), chopped strand mat (рубленое волокно, скрепленное связующим).
• Полимерное связующее — матрица, которая перераспределяет нагрузку между волокнами и защищает их от внешней среды. Наиболее распространены полиэфирные смолы, эпоксидные смолы, винилэфирные смолы, реже — фенольные и бисмалеимидные.

Дополнительно в состав могут входить наполнители (карбонат кальция, тальк), пигменты, стабилизаторы, огнестойкие добавки и катализаторы, ускоряющие отверждение смолы.

¶Свойства

Основные технические характеристики стеклопластика определяются соотношением волокна и смолы (обычно 60–70 % волокна и 30–40 % смолы по массе):

Ключевые преимущества материала:

• Низкая плотность — примерно в 4–5 раз легче стали при значительной удельной прочности.
• Коррозионная стойкость — не подвержен электрохимической коррозии, устойчив к кислотам, щелочам и солевым растворам.
• Диэлектрические свойства — не проводит электрический ток, применяется в электроизоляции.
• Малая теплопроводность — используется как теплоизоляционный материал.
• Формообразуемость — легко принимает заданную геометрию при изготовлении методом намотки, литья или напыления.

К недостаткам относятся: низкая устойчивость к ультрафиолету (при отсутствии защитного покрытия), горючесть полимерной матрицы (без специальных добавок), анизотропия свойств (прочность зависит от направления укладки волокон) и сложность вторичной переработки.

¶Способы изготовления

Основные технологии производства изделий из стеклопластика:

1. Ручная укладка — послойное нанесение стекломатов и пропитка их смолой кистью или валиком. Простой и дешёвый метод, применяется для крупногабаритных изделий малой серии.
2. Вакуумная инфузия — смола затягивается в форму под действием вакуума. Обеспечивает более равномерное распределение связующего и меньшее содержание летучих компонентов.
3. Пултрузия — непрерывное протягивание пропитанных волокон через нагреваемую фильеру. Позволяет выпускать профили постоянного сечения: уголки, швеллеры, стержни.
4. Намотка — намотка пропитанного ровинга на оправку. Изготавливаются трубопроводы, баллоны, сосуды.
5. Термопрессование — штамповка заготовок под давлением и при повышенной температуре. Применяется для серийного производства.

¶Применение

Стеклопластик нашёл применение в широком спектре отраслей:

• Строительство — сэндвич-панели, кровельные материалы, вентилируемые фасады, арматура (стеклопластиковая композитная арматура, СКЛА), трубы для водопроводов и канализации.
• Судостроение — корпуса катеров, яхт, лодок, надувные и прогулочные суда.
• Автомобилестроение — элементы кузова, бамперы, обвесы, детали интерьера.
• Химическая промышленность — ёмкости, реакторы, трубопроводы, вытяжные шкафы, работающие в агрессивных средах.
• Энергетика — изоляторы ЛЭП, корпуса трансформаторов, лопасти ветроустановок (в составе сэндвич-структур).
• Авиастроение и космос — элементы планеров, обшивка, детали беспилотных аппаратов.
• Спортивный инвентарь — лыжи, доски для серфинга, велосипедные рамы, лодочные весла.

¶Стеклопластик и другие композиты

В отличие от углепластика (карбона), стеклопластик обладает меньшим модулем упругости, но значительно более низкой стоимостью. В отличие от арболита (древесно-полимерного композита) стеклопластик имеет полностью минеральное армирование. Стеклопластиковые трубы конкурируют с чугунными, стальными и полимерными (ПНД, ПВХ) за счёт коррозионной стойкости и малого гидравлического сопротивления.

¶Экология и переработка

Стеклопластик относится к трудноразрушимым материалам: полимерная матрица не поддаётся естественному биоразложению. Основные направления утилизации — механическое дробление с получением стеклопластиковой крошки, используемой как наполнитель в бетоне и новых композитах, а также пиролиз с восстановлением волокна. Разработка технологий полноценной переработки остаётся активной областью исследований.

Источники:

• Маслов К. А. «Композиционные материалы»
• Фрунзе В. И., Липатов Ю. С. «Химия и технология высокомолекулярных соединений»
• ГОСТ Р 53432-2009 «Пластики армированные. Общие технические условия»
• Кричевский Г. Е. «Структура и свойства полимерных композитов»