Все о стеклопластике – изделия, виды, технические характеристики

Стеклопластики относятся к категории композиционных материалов универсального применения.

Обладая прочностью конструкционной стали и теплопроводностью натурального дерева, стеклопластик очень востребован при строительстве самолетов, яхт и катамаранов, изготовлении деталей для автомобилей (кузова, бамперы и т.п.).

Наполнительным компонентом в составе стеклопластиковых материалов (далее по тексту – СПМ) служат стеклянные волокна, для изготовления которых чаще всего используются вторичные ресурсы (бытовой стеклобой).

Химическая инертность стекловолокна, формирующего структуру СПМ, наделила стеклопластиковые изделия биологической и антикоррозионной стойкостью, присущей многим термореактивным пластмассам.

При этом СПМ лишены главного недостатка, свойственного термопластичным полимерам (ПВХ, полиэтилен, полистирол) — плавления при температурах, превышающих 150-200°С.

Виды стекловолокнистых наполнителей

Термин «стеклопластики» образован от англ. «FiberGlass» — дословно «стекловолокно».

Однако обиходная речь трансформировала этот термин в качестве названия стеклонаполненных пластиков, в которых наполнителями служат различные стекловолокнистые материалы.

По аналогии с железобетоном, стекловолокна выполняют функции арматуры, обеспечивающей жесткость структуры и прочность СПМ, а синтетические смолы связывают нити наполнителя в единую матрицу, создавая монолитную структуру.

Сырьем для производства стекловолокон служит стеклянный лом (стеклобой), источниками для которого являются:

• битое оконное стекло и стеклотара;
• забракованные или битые изделия, создаваемые в производственных условиях.

Отходы стекла поддаются 100%-ной вторичной переработке, что доказывает приоритетность переработки стеклобоя для экономии первичного сырья и поддержания экологической чистоты окружающей среды.

Битое стекло не попадает в почву, не загрязняет полигоны.

Одна тонна битого стеклосырья экономит более тонны первичного исходного природного материала, используемого промышленностью в производстве стеклоизделий.

Первичное стекловолокно формуют в виде непрерывной стеклонити, вытягивая из расплавленного вторичного стеклосырья элементарные волокна, называемые филаментами.

После дальнейшей переработки из филаментов образуют полуфабрикаты:

• комплексные нити;
• стеклоровинги – пряди из нескрученных волокон (аналог ровницы).

В таком виде стекловолокно как наполнитель практически не применяют.

Полученные полуфабрикаты подвергают текстильной переработке для создания продукции, которая будет уже непосредственно применяться в качестве наполнителя при формовании стеклопластиковых изделий.

Основными видами стекловолокнистого наполнителя являются:

• крученые изделия – шнуры, жгуты, шпагаты;
• сетки тканые и специальной структуры;
• ткани – ленты, маты, холсты.

Связующие смолы для СПМ

Для объединения армирующих стеклонитей в монолитную матрицу используютсясвязующие составы на основе синтетических веществ. По своей сути стеклопластик представляет армированную и полимеризованную смолу.

Связующие составы не способны проникать в структуру стеклонаполнителя, их функция – равномерное обволакивание внешней поверхности каждого волокна и качественное склеивание волокон в процессе застывания смолы.

Соответственно, основными требованиями к связующим смолам являются:

• высокая смачивающая способность;
• хорошая адгезия к стекловолокну.

Наиболее распространенными видами синтетических смол с высокой адгезией к стекловолокну, используемых в производстве стеклопластиковых изделий, являются:

• эпоксидные смолы типа ЭД-5, ЭД-20 или ЭД-22;
• полиэфирные смолы, например, марки М105, М 251, G 200 LE и т.п., либо ПН-1 и ПН-609 ГОСТ 27952-88;
• кремний-органические смолы;
• фенольно-формальдегидные смолы и их различные модификации.

Широко распространены стеклопластики на основе эпоксидных и полиэфирных связующих, называемые соответственно эпоксидными и полиэфирными стеклопластиками.

Полиэфирные стеклопластики надежно работают в диапазоне температур 130-150°С, эпоксидные СПМ – до 200°С.

Стеклопластики на основе кремний-органических связующих могут долгое время работать при температурах до 350-370°С и выдерживать кратковременные нагревания до 540°С.

Технические качества и физико-механические характеристики

Стеклопластики выгодно отличаются от других конструкционных материалов, сочетая высокие прочностные показатели с малым удельным весом, за что их нередко называют «легкими металлами».

Благодаря варьированию пространственной ориентации армирующих стекловолокон и состава связующих смол, удается регулировать в нужном направлении технические характеристики и физико-механические свойства стеклопластиков.

В таблице приведены усредненные прочностные показатели для СПМ на различных связующих смолах.

Для сопоставления физико-механических характеристик стеклопластика с аналогичными показателями других материалов в таблице ниже приведены сравнительные данные для СПМ, ПВХ, стали и алюминия.

Достоинства и недостатки

К основным достоинствам СПМ относят следующие факторы:

1. Высокие прочностные показатели, по уровню которых СПМ превосходят большинство полимеров и сплавов цветных металлов и могут быть сопоставимы с конструкционной сталью.
2. Небольшой удельный вес, показатели которого «умещаются» в диапазоне 1,4-2,1 г/см³. Для сравнения – удельный вес стали составляет 7,8 г/см³.
3. Высокий показатель удельной прочности, рассчитываемой как арифметическое отношение величины предела прочности к удельному весу или плотности. Для СПМ удельную прочность оценивают в пределах 90,0 единиц, тогда как у стали она всего 3,1.
4. Высокую химическую инертность по отношению к коррозии и агрессии со стороны кислот, щелочей и солей. СПМ устойчивы к воздействию бытовых загрязнителей и моющих средств, не поддаются воздействию большинства растворителей..
5. Стойкость к бактериальному воздействию, стеклопластик не подвержен гниению и разложению.
6. Низкую теплопроводность, благодаря которой СПМ применяются для создания теплоизолирующих конструкций в строительстве, судостроении и т.п.
7. Отличные диэлектрические свойства.
8. Возможность окраски стеклопластика на этапе изготовления. СПМ не выгорают на солнце, отлично удерживают красящий пигмент, на них можно наносить узоры.

Из «минусов» СПМ отмечают следующие:

• сравнительно низкий модуль упругости, вследствие чего могут происходить нежелательные деформации при изгибе изделий, например, стеклопластиковой арматуры в бетонных колоннах;
• слабая износостойкость, плохо переносит абразивные воздействия;
• подверженность к потере прочности и деформациям по истечении нескольких лет эксплуатации;
• образование канцерогенной пыли при механической обработке, что требует использования средств защиты для задействованного персонала;
• зависимость качества изделия от процесса изготовления;
• анизотропия прочностных и других качеств.

Области применения

Стеклопластики обладают достаточно стабильными механическими, теплофизическими и электрическими характеристиками, не зависящими от погодных условий и резких температурных перепадов.

Изделия из СПМ сохраняют свои технико-эксплуатационные качества в диапазоне температур от -70 до +200°С, обеспечивая безотказную службу сроком более 70 лет.

Стеклопластик устойчив к воздействию ударных и вибрационных нагрузок.

При использовании СПМ в машиностроении удается не только снизить весовые характеристики машин, механизмов и приборов, но и обеспечить существенный рост мощности двигателей транспортных установок.

Поначалу СПМ применялись для изделий военной тематики (радиопрозрачные обтекатели ракет, внутренняя обшивка самолетов, приборные панели и т.п.).

Постепенно СПМ «перекочевали» в автомобиле- и судостроение, химическую промышленность, строительство, ветроэнергетику, широко используются для изготовления атрибутов индустрии развлечений.

Наиболее успешно стеклопластиковые изделия и конструкции используют следующие отрасли:

1. Авиация и космическая техника, для которых налажено производство стеклопластиковых изделий, работающих в условиях мощных динамических нагрузок и высоких температур
2. Автомобилестроение, которое обеспечивается стеклопластиковыми изделиями в широком диапазоне размеров и сложности.
3. Судостроение, активно применяющее СПМ из-за прекрасного сочетания прочности, легкости и водостойкости.
4. Электротехника, приборостроение, связь, производство электроинструментов.
5. Нефтегазовая промышленность, постоянно нуждающаяся в большеобъемных стеклопластиковых емкостях, резервуарах, баках, цистернах, которые обладают неоспоримыми достоинствами.
6. Строительная отрасль.
7. Коммунальное хозяйство.
8. Бытовые изделия, домашняя техника, элементы интерьера.
9. Наружная реклама.

В этих направлениях стеклопластик востребован больше, чем в промышленных отраслях:

• для бытовых и личных нужд, начиная от шариковых ручек и расчесок до столов, стульев и другой мебели;
• ванны и тазы для стирки, вазоны и декоративные опоры для растений, изготовленные из СПМ, имеются в каждой семье;
• стиральные машины, холодильники, микроволновки, компьютеры наполовину состоят из стеклопластиковых деталей;
• объемные фигуры, декорации и маф (малые архитектурные формы) для рекламы;
• оснащение аквапарков, детских площадок и парков отдыха, в частности, горки и лавки;
• детские игрушки;
• эксклюзивные поделки домашних мастеров – элементы декора;
• корпуса лодок и катеров, фургоны и прицепы, ограждения и садовый инвентарь.

Жидкий стеклопластик популярен среди умельцев при ремонте и укреплении строительных конструкций (трубы, кровля, теплоизоляция и т.п.), поскольку хорошо соединяется с пористыми материалами типа бетона, кирпича или дерева.

Многие мастера используют твердеющую стеклопластиковую матрицу для усовершенствования ручного инструмента, ремонта или изготовления деталей инвентаря.

Коммунальное хозяйство, переживающее сейчас глубокую техническую реформацию, широко использует следующую стеклопластиковую продукцию:

• трубы для систем водообеспечения, отопления и канализации, которыми постепенно заменяют устаревшие проржавевшие стальные и чугунные трубопроводы;
• накопительные емкости различного предназначения, технические колодцы и лотки;
• трехслойные теплоизоляционные сэндвич-панели для утепления помещений и рулонную изоляцию для трубопроводов.

В авиации стеклопластик используется для изготовления:

• обшивок, лонжеронов, обтекателей, панелей;
• лопаток турбин и компрессоров;
• элементов жесткости силовых конструкций.

В автомобилестроении производят:

• автодетали – ручки, рули, панели управления;
• крупные детали корпуса, двери и крыши, бамперы и кресла;
• цельные корпуса, например, сверхскоростные болиды, участвующие в гонках Формулы-1, изготавливаются из СПМ;
• эксклюзивные детали корпусов и интерьера.

В этих областях применения выбор СПМ обусловлен высокими диэлектрическими свойствами стеклопластиков.

Из СПМ производят не только элементы электроаппаратуры, но вспомогательное оборудование и оснастку, например, диэлектрические приставные лестницы, необходимые для работ в зоне высокого напряжения.

В производстве серийного электроинструмента стеклопластик востребован для изготовления большинства вращающихся деталей редукторов и электродвигателей.

В строительстве, где активно используется СПМ, можно выделить следующие виды изделий:

• стеклопластиковую арматуру, используемую при заливке фундаментов, изготовлении колонн, бетонных заборов;
• отделочные и облицовочные материалы для покрытия на основе стеклопластика, имитирующие натуральные строительные материалы (гранит, мрамор, кирпич, дерево);
• профили, применяемые для изготовления карнизов, окон, дверей;
• эксклюзивные изделия по индивидуальным проектам, например, бассейны и купели;
• стеклопластиковые трубы и емкости, например, дренажные системы и септики.

Ее также начали применять художники-оформители при создании бетонных скульптур и садовых фигур для ландшафтного дизайна.

В частном домостроении особой популярностью пользуются садовые беседки с кровлей двух типов:

• из светопрозрачного бесцветного фибролайта;
• из непрозрачного фибровера.

Самодельный стеклопластик не отличается по качеству от изделий, выполненных в заводских условиях. Детали хорошо обрабатываются и обеспечивают жесткость конструкций.

При использовании стеклопластика для внутренней герметизации емкостей, бензобаков или бассейнов гарантировано отсутствие протечек.

Классификация по виду исполнения

Отличительной особенностью изготовления изделий из СПМ является одновременное формирование полимерной матрицы и формование самой детали или конструкции из этого стеклопластика.

Это определяет технические характеристики получаемого композита.

Стеклопластиковый материал получается в процессе изготовления изделия путем укладки стеклонаполнителя на поверхность шаблона или вовнутрь  формы и его пропитки связующей смолой.

Унифицированным алгоритмом изготовления практически всех изделий из СПМ является технология импрегнирования (от англ. «to impregnate» – пропитывать, насыщать), применяемая во многих отраслях, занятых производством конструкционных материалов.

Применительно к производству стеклопластика импрегнирование представляет собой следующие операции:

• подготовку армирующей выкройки-шаблона из стекловолокна или стеклоткани;
• пропитывание шаблона связующей смолой и формирование полимерной матрицы;
• затвердевание созданного композита-стеклопластика, получение готового изделия.

В зависимости от вида армирующего стекломатериала и методики нанесения смолы для пропитки шаблона, производятся различные изделия и конструкции, которые можно классифицировать по виду исполнения и объединить в группы с соответствующими признаками:

1. Изделия, полученные контактным формованием с использованием ручного формования, вакуумной инфузии и напыления.
2. Изделия, производимые по технологии намотки.
3. Рулонные стеклопластики, представляющие собой достаточно гибкий листовой материал, производимый на основе стекловолокнистого наполнителя и разнообразных связующих составов.
4. Листовые стеклопластики.
5. Стеклопластиковые профили.

Изделия, полученные контактным формованием

В этой группе присутствуют изделия, полученные контактным формованием с использованием ручного формования, вакуумной инфузии и напыления.

Для этих технологий характерны следующие факторы:

• большие временные затраты на изготовление и доработку после формования;
• высокая стоимость рабочей силы;
• зависимость качества изделия от человеческого фактора (то есть, от уровня квалификации исполнителя.

Технологии контактного формования СПМ являются малопроизводительными, но они необходимы для постройки габаритных изделий, сложных трехмерных моделей или эксклюзивных конструкций.

В группу изделий, получаемых контактным формованием, входят корпуса лодок и катеров, кабины, крылья и внутреннее оснащение автомобилей, малые архитектурные формы и инвентарь для аттракционов.

На их стоимость существенно влияет цена шаблона-матрицы, на которую будет укладываться стекловолокно.

Простейшие матрицы из стеклопластика для ручной формовки оцениваются в пределах 30-50 у.е., цена сложных шаблонов-матриц  для вакуумной инфузии превышает 1000 у.е. Для крупногабаритных изделий стоимость изготовления из стеклопластика составляет 300-2000 руб./кв. м.

Укажем ориентировочные цены на основные компоненты стеклопластика, используемые при ручном формовании:

• стеклоткань плотностью 17-390 г/кв.м в зависимости от показателя плотности реализуется по ценам от 2,8 до 5,2 у.е./кв.м;
• смола марки ЭД-16 продается по цене 4,6 у.е./кг, марка ЭД-20 – 6,3 у.е./кг;
• отвердители – от 10 до 18 у.е./кг.

Производство по технологии намотки

Технология намотки используется для крупносерийного производства изделий, имеющих форму тел вращения.

Практически вся номенклатура представлена следующими группами изделий:

• стеклопластиковыми трубами, постепенно вытесняющими физически изношенные и морально устаревшие стальные и чугунные коммуникации;
• цистернами, баками, пожарными резервуарами для воды, топлива и другими видами емкостей технического предназначения;
• корпусами, обтекателями, фюзеляжами для авиационной и космической техники.

В зависимости от типоразмеров (диаметр трубы, толщина стенки) стоимость труб из СПМ составляет от 4350 руб./п.м. для труб диаметром 500 мм до 47900 руб./п.м. для изделий диаметром 2000 мм.

На фото ниже показан процесс изготовления трубы способом намотки.

Рулонные

Рулонные стеклопластики представляют собой достаточно гибкий по характеристике листовой материал, производимый на основе стекловолокнистого наполнителя и разнообразных связующих составов.

Для покровного слоя теплоизоляции емкостей и трубопроводных коммуникаций применяется стеклопластик марки РСТ (Р — рулонный, С – стеклопластик, Т – теплоизоляционного назначения).

Масса 1 кв. метра РСТ составляет от 100 до 850 г/кв.м.

Наиболее широко на рынке строительных материалов представлены следующие марки рулонных стеклопластиков:

1. Стеклопластик РСТ 430 по цене, начиная от 47 руб./пог.м, используемый для теплоизоляции трубопроводов, внутренних стен жилых помещений, для наружных работ. Обладает высокими водонепроницаемыми свойствами.
2. Стеклопластик рулонный кровельный РСТ 250 по цене, начиная от 41 руб./пог.м., обладающий хорошими водоотталкивающими свойствами.

Листовые

Стеклопластики в форме листов производятся на конвейерных линиях с использованием рубленого стекложгута или стеклоткани и связующих составов на основе эпоксидных, полиэфирных или фенол-формальдегидных смол.

Наиболее востребован листовой стеклопластик в следующих отраслях:

1. В электротехнической промышленности — в качестве конструкционного материала при изготовлении элементов электрооборудования. Из листовых электротехнических стеклопластиков в промышленных масштабах производят монтажные панели и распределительные щиты, автоматические выключатели систем электроснабжения и панели управления в электротранспорте.
2. В машиностроении и приборостроении применяется стеклотекстолит, идущий на изготовление токонепроводящих высокопрочных подшипников, втулок, зубчатых колес и шестерней, шкивов и роликов. Толщина изготавливаемых деталей составляет от 0,35 до 140 мм. В зависимости от марки стеклотекстолита и толщины листа цена листового СПМ составляет от 305 до 845 руб. за кг.
3. В промышленном строительстве и транспортном машиностроении (вагоны метро, трамваев и железнодорожных составов) – в качестве электроизоляционного, трудно-горючего конструкционного и отделочного материала.
4. В гражданском строительстве листовые СПМ используются для обустройства теплиц, оранжерей, зимних садов, навесов, павильонов. В обиходе популярно название «стеклопластиковый шифер», принятое для кровельных профилированных стеклопластиковых листов.

Из облицовочных и кровельных материалов популярны:

• фибролайт – прозрачный бесцветный стеклопластик, обеспечивающий естественное солнечное освещение; его используют в теплицах и оранжереях для создания кровли;
• фибротон – тонированный материал для декорирования;
• фибровер – непрозрачный стеклопластик, выпускаемый различными расцветками.

Стоимость бесцветного профильного листа «Фибролайт» размером 140х1165х1,2 мм составляет 1410 руб., такого же профиля, но размером 3500х1080х1,2 мм – 3630 руб.

Стеклопластиковые профили

Профильные стеклопластиковые изделия представляют собой стержневые детали заданного профиля, изготовленные методом непрерывной протяжки ровинга, пропитанного эпоксидными или полиэфирными связующими смолами.

Профили из стеклопластика удобно использовать как конструктивные элементы взамен листовых заготовок для изготовления каких-либо деталей.

Это существенно снижает затраты на механическую обработку материала.

Промышленностью выпускаются следующие разновидности стеклопластиковых профилей:

• прутки и стержни простых типовых сечений – круг, квадрат и прямоугольник, трапеция;
• типовые профили — швеллеры, тавры и двутавры, уголки, Z и С – профили;
• сложные профили для изготовления рам и дверей.

Стоимость профилей зависит от сложности формы и предназначения профиля. Наиболее простые прутки могут оцениваться в пределах 6,5 руб/пог.м, а стеклопластиковые профили для окон будут продавать не дешевле 60-120 руб/пог.м.

Видео по теме

Смотрите в данном видео краткий обзор технологии изготовления емкостей из стеклопластика:

 Заключение

Многообразие стеклопластиковых изделий подчеркивает актуальность инновационных решений, направленных на отработку технологий вторичной переработки отходов стекла.

Прочитав статью, вы узнали о свойствах и технических характеристиках стеклопластика, областях его применения. Мы также рассказали о том, сколько стоит листовой и рулонный материал, о его цене за 1 кв. м.