Stikla šķiedra — definīcija, īpašības, ražošana un pielietojums

Stikla šķiedra — arī saukta par stikla šķiedrām vai stikla šķiedru — ir tehnisks materiāls, kas izgatavots no ļoti smalkām stikla šķiedrām. Parasti ar šo nosaukumu saprot gan atsevišķas šķiedras, gan to veidotos audumus un matricas pastiprinājumus.

To plaši izmanto kā pastiprinošu elementu daudzos polimēru izstrādājumos. Kompozītmateriālu, kas iegūts, izmantojot stikla šķiedru kā pastiprinājumu, tautā dēvē par "stikla šķiedru", bet precīzāki termini ir ar šķiedru stiegrots polimērs (FRP) vai ar stiklu stiegrota plastmasa (GRP). Šie kompozīti apvieno šķiedru augsto stiprību ar polimēra formējamo īpašību, radot materiālu ar labu stiprības‑pret‑svara attiecību un korozijas izturību.

Kas ir stikla šķiedra un tās īpašības

Stikla šķiedra veidojas, kad stikls uz silīcija dioksīda bāzes vai cita sastāva stikls tiek ekstrudēts daudzās šķiedrās ar mazu diametrs, kas ir piemērots tekstilmateriālu apstrādei. Parasti šķiedru diametrs ir no dažiem līdz daždesmit mikrometriem (piemēram, 5–25 µm), atkarībā no tehnoloģijas un pielietojuma. Atšķirībā no daudziem polimēriem, stiklam pat šķiedras veidā ir maz kristāliskas struktūras — tas pieder pie amorfā cietviela) tipa materiāliem. Šī amorfā struktūra nosaka daļēju stikla trauslumu, taču šķiedras formā tas iegūst ievērojamu stiepes stiprību.

• Mehāniskās īpašības: augsta stiepes stiprība un laba noguruma izturība (atkarīga no šķiras—E‑glass, S‑glass u.c.).
• Blīvums: salīdzinoši zems — tāpēc kompozītiem ir laba stiprības‑pret‑svaru attiecība.
• Elektriskā izolācija: izcila dielektriskā īpašība, līdz ar to piemērota elektriskām un elektroniskām lietojumprogrammām.
• Termiskā stabilitāte un siltumizolācija: stikla šķiedra nedaudz vada siltumu un bieži tiek izmantota kā siltumizolācijai.
• Ķīmiskā izturība: laba pret daudziem šķīdinātājiem un ķimikālijām, taču jutīga pret ļoti bāziskām vidēm (atkarībā no stikla sastāva).

Ražošanas metodes un veidi

Stikla šķiedras ražošana sākas ar izejmateriālu — galvenokārt silīcija dioksīda bāzes stiklu, kam pievieno oksīdus un piedevas, lai iegūtu vēlamās īpašības. Stiklu izkausē un tad tā masu ekstrudēts vai vilkt caur speciālām bushiņām (caurumiem), lai iegūtu smalkas šķiedras. Izplatītas šķiedru iegūšanas metodes:

• Vilkšana caur bushiņām (bushing drawing) — tradicionāla metode stabilu diametru šķiedrām.
• Flam attenuation (liesmas atšķaidīšana) — izmanto, lai iegūtu ļoti plānas šķiedras.
• Centrifugālā šķiedru veidošana — ātrai šķiedru veidošanai no šķidruma stikla masa.

Pēc šķiedru formēšanas tās bieži apstrādā ar speciālu virsmas apstrādi jeb sizing — plānu polimēru kārtu, kas aizsargā šķiedru, uzlabo apstrādi un saķeri ar matricu (epoksīdu, poliesteru u.c.). Gatavās šķiedras tiek sapakotas dažādās formās: rovings (neērta stiegrojuma pavedieni), sasmalcinātas šķiedras, matricas (nemetinātas vai salīmētas šķiedru paklāji), austie audumi un tehniskie diegi.

Pielietojums

Stikla šķiedra ir universāls materiāls un tiek izmantota daudzās nozarēs:

• Transporta nozare — automobiļu detaļas, autobusru korpusi, jūras laivu korpusi, vilcieni.
• Vides inženierija un būvniecība — siltumizolācija, caurules, kompozīta betona pastiprināšana, fasāžu paneļi.
• Enerģētika — vēja ģeneratoru lāpstiņas, izolatori un paneļi.
• Industriālas konstrukcijas — rezervuāri, korozijizturīgas iekārtas, ķimikālās rūpniecības komponentes.
• Patēriņa preces un sports — sporta inventārs, baseini, motokrosa ķiveres (kā kompozīta daļa).
• Elektronika — dielektriskie paneļi, PCB pamatmateriāli dažos gadījumos.
• Filtrācija un siltumizolācija — gan rūpnieciskā, gan mājsaimniecības mērogā.

Stikla šķiedru veidi

Pastāv vairākas stikla šķiedru šķiras atkarībā no sastāva un īpašībām — visbiežāk sastopamās ir:

• E‑glass (elektriskais) — universāls, labas dielektriskās īpašības, plaši lietots kompozītos.
• S‑glass (stiepes‑stiprības modifikācija) — augstākas mehāniskās īpašības, izmanto tehniski prasīgās konstrukcijās.
• C‑glass — uzlabota korozijas izturība pret ķimikālijām.
• AR‑glass — alkālijizturīgs stikls, piemērots cementa vai alkālisku vidi pastiprināšanai.

Sadarbība ar matricām un apstrāde

Lai stikla šķiedra pilnvērtīgi izpaustu savas īpašības kompozītā, ļoti svarīga ir pareiza virsmas apstrāde (sizing) un saderība ar matricu. Bez atbilstošas saķeres šķiedru mehāniskā jauda netiek pilnībā nodota polimēra matricai. Apstrāde arī samazina šķiedru bojāšanās ražošanas laikā un uzlabo izturību pret mitrumu.

Vēsture un attīstība

Stikla šķiedru izmantošanas idejas ir pazīstamas jau ilgāku laiku, taču masveida ražošana kļuva pieejama 20. gadsimta sākumā, kad izstrādāja smalkas mašīnas un instrumentus šķiedru vilkšanai. Plašāka ieviešana notika 20. gadsimta 30. gados — vispirms kā siltumizolācijai. Kopš tā laika tehnoloģijas ir attīstītas — parādījušās jaunas stikla šķiras, uzlabota bushiņu tehnika, sizing sistēmas un kompozītmateriālu apstrādes metodes.

Drošība un vide

Darbs ar stikla šķiedru prasa ievērot drošības pasākumus: smalkas šķiedras un putekļi var kairināt ādu, acis un elpceļus, tāpēc ražošanas un apstrādes vietās jālieto aizsargapģērbs, respiratori un ventilācija. Daļēji bojātas vai atkritumu kompozīta detaļas var saturēt šķiedras — jāizstrādā atbilstoša atkritumu apsaimniekošana. Reģenerācija un pārstrāde ir tehniski iespējama, bet komerciāli dažkārt izaicinoša — tiek attīstītas metodes šķiedru atkārtotai izmantošanai un enerģijas atgūšanai.

Kopumā stikla šķiedra ir daudzpusīgs tehnoloģisks materiāls ar plašu pielietojumu spektru — no vienkāršas siltumizolācijas līdz sarežģītiem inženiertehniskiem kompozītiem. Pareiza ražošana, virsmas apstrāde un konstrukcijas projektēšana ļauj pilnībā izmantot tās priekšrocības.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir stikla šķiedra?

J: Kādi ir pareizie nosaukumi kompozītmateriālam, ko ražo no stikla šķiedras?

J: Kāpēc stikla šķiedras masveida ražošana kļuva iespējama tikai vēlāk vēsturē?

J: Kāds bija pirmais lielais stikla šķiedras izmantošanas veids?

J: Kā veidojas stikla šķiedra?

J: Kā stikla struktūra mīkstā stadijā ir līdzīga tā īpašībām, kad tas savērpts šķiedrā?

Vai vēstures gaitā ir veikti eksperimenti ar stikla šķiedrām?

Meklēt pēc burta