Изучение свойств армированного стекловолокном пластика (FRP)

Стекловолокно отличается низкой плотностью, отличными диэлектрическими свойствами, превосходной теплоизоляцией, а также характеристиками поглощения и теплового расширения.

I. Плотность

Плотность стекловолокна колеблется от 1,5 до 2,0, что на четверть-пятую часть меньше, чем у обычной углеродистой стали, и примерно на две трети легче, чем легкий алюминий. Несмотря на легкость, его механическая прочность впечатляюще высока.

По некоторым параметрам он может даже приблизиться к уровню обычной углеродистой стали. Например, некоторые эпоксидные стеклопластиковые материалы достигают прочности на растяжение, изгиб и сжатие более 400 МПа. Если рассматривать относительную прочность, то стеклопластик не только значительно превосходит обычную углеродистую сталь, но и может соответствовать и даже превосходить уровень некоторых специальных материалов. легированные стали.

Сравнение плотности, прочности на разрыв и относительной прочности стекловолокна и нескольких металлов представлено в таблице 1.

Таблица 1

Соотношение прочности и веса: Это показатель прочности на разрыв на единицу плотности, то есть отношение прочности материала на разрыв к его плотности, показывающее степень его легкости и высокопрочности.

II. Электрические свойства

Стекловолокно обладает превосходными электроизоляционными свойствами, что позволяет использовать его в качестве изоляционного компонента в приборах, двигателях и электроприборах. Оно сохраняет хорошие диэлектрические свойства даже в высокочастотных условиях. Замена бумажной и хлопчатобумажной ткани на стекловолокно в изоляционных материалах позволяет повысить класс изоляции этих материалов.

Используя ту же смолу, можно повысить класс как минимум на один. Стекловолокно составляет от трети до половины общего количества изоляционных материалов. В некоторых крупных двигателях, таких как двигатели мощностью 125 000 кВт, в качестве изоляционного материала используются сотни килограммов стекловолокна.

Кроме того, стекловолокно не подвержено влиянию электромагнетизма и обладает хорошей микроволновой прозрачностью. В таблице 2 приведены диэлектрические свойства некоторых видов стекловолокна.

Таблица 2

III. Тепловые свойства

Стекловолокно обладает отличными тепловыми характеристиками: его удельная теплоемкость в 2-3 раза выше, чем у металлов, а теплопроводность ниже, всего 1/100 - 1/1000 от теплопроводности металлов. металлические материалы.

Кроме того, некоторые виды стекловолокна обладают удивительной устойчивостью к мгновенным высоким температурам. Например, фенольное стекловолокно с высоким содержанием кремнезема образует карбонизированный слой при экстремально высоких температурах, эффективно защищая ракеты, снаряды и космические аппараты от высоких температур 5000-10000 К и высокоскоростных воздушных потоков, которым они подвергаются при прохождении через атмосферу. В таблице 3 приведены тепловые свойства некоторых материалов.

Таблица 3

Как видно из таблицы 3, стекловолокно обладает исключительными теплоизоляционными свойствами, с которыми металлические материалы просто не могут конкурировать.

IV. Сопротивление старению

Все материалы сталкиваются с проблемой старения, и стекловолокно не является исключением, просто его темпы и степень выраженности различны. Под воздействием атмосферных условий, влажного тепла, погружения в воду и агрессивных сред характеристики стекловолокна снижаются. Длительное использование может привести к снижению блеска, изменению цвета, осыпанию смолы, обнажению волокон, расслоению и другим явлениям.

Однако с развитием науки и техники можно предпринять необходимые меры по борьбе со старением, чтобы улучшить его характеристики и продлить срок службы.

Например, когда стекловолокно подвергалось испытаниям на естественное старение в Харбине, наименьшее снижение наблюдалось в прочности панели на растяжение, менее 20%; затем следовала прочность на изгиб, обычно не превышающая 30%; наибольшее снижение наблюдалось в прочности на сжатие, которая также демонстрировала наибольшие колебания, обычно между 25% и 30%. См. таблицу 4 ниже.

Таблица 4

Кроме того, воздействие внешних факторов, таких как ветер, дождь и солнечный свет, может привести к отслаиванию слоя смолы на стекловолоконных поверхностях. Для предотвращения этого необходим регулярный уход.

V. Долгосрочная термостойкость и устойчивость к пламени

Термостойкость и огнестойкость стекловолокна зависит от типа используемой смолы. Постоянная рабочая температура не должна превышать температуру теплового искажения смолы. Обычно используемые эпоксидные и полиэфирные стеклопластики легко воспламеняются. Для конструкций, требующих огнестойкости, необходимо использовать огнестойкие смолы или замедлители горения. Поэтому при использовании стекловолокна необходимо соблюдать осторожность.

Как правило, стекловолокно не может использоваться в течение длительного времени при высоких температурах. Например, прочность полиэфирного стекловолокна начинает снижаться при температуре выше 40-45°C, а прочность эпоксидного стекловолокна - выше 60°C.

В последние годы появились высокотемпературостойкие виды стекловолокна, такие как циклоалифатическое эпоксидное стекловолокно и полиимидное стекловолокно. Однако их длительная рабочая температура находится лишь в пределах 200-300°C, что значительно ниже длительной рабочей температуры металлов.

Учитывая эти пять аспектов физических свойств, становится ясно, что стеклопластик отличается от таких материалов, как металлы и керамика. Поэтому, чтобы максимально использовать его преимущества, его нужно правильно применять. Например, стекловолокно обладает отличными низкотемпературными характеристиками, поскольку его прочность не снижается.

Таким образом, даже при понижении температуры наружного воздуха до -45 - -50°C в северные зимы стеклопластик не становится хрупким. Такие наружные конструкции, как градирни и навесы от дождя, остаются безопасными для использования в условиях северной зимы.

И наоборот, в условиях высоких температур для стекловолокна требуются особые смолы и рецептуры. Для длительного использования при температуре 100°C требуется высокотемпературная формула и особые технологические условия формования. В противном случае стекловолокно может быть повреждено при длительной эксплуатации при температуре выше 100°C.

VI. Химические свойства стекловолокна

Главное химическое свойство стекловолокна - исключительная коррозионная стойкость. Он не ржавеет и не корродирует, как металлические материалы, и не гниет, как дерево. Оно практически не подвержено эрозии под воздействием таких сред, как вода и масло. Оно может заменить нержавеющую сталь на химических заводах при изготовлении резервуаров, труб, насосов, клапанов и т. д.

Он не только имеет длительный срок службы, но и не требует мер по защите от коррозии, ржавчины и насекомых, что снижает эксплуатационные расходы. Стеклопластик широко используется благодаря своей коррозионной стойкости. В некоторых крупных промышленных странах из стеклопластика изготавливается более 13% коррозионностойких изделий, и его использование ежегодно растет. В нашей стране оно также широко используется, в основном для облицовки металлического оборудования с целью защиты металла.

Коррозионная стойкость стеклопластика в основном зависит от используемой смолы. Хотя смола, используемая для изготовления стекловолокна, устойчива к коррозии, при нанесении непосредственно на металлические поверхности она может вызвать сильное растрескивание, не предотвратит протечки и не защитит металл.

Добавление определенного количества стекловолокна в смолу может превратить потенциально серьезное растрескивание в многочисленные мелкие трещины. Вероятность того, что эти мелкие трещины образуют непрерывную трещину, минимальна, и они также могут служить для предотвращения дальнейшего растрескивания. Это помогает предотвратить проникновение и коррозию под воздействием химических растворов.

Стеклопластик не только устойчив к воздействию различных кислот, щелочей, солей и растворителей в низкой концентрации, но и устойчив к воздействию атмосферы, морской воды и микроорганизмов.

Однако для различных агрессивных сред следует выбирать соответствующую смолу и стекловолокно, а также продукты из них. Использование стекловолокна для антикоррозионной обработки становится все более популярным в последние годы, демонстрируя такие преимущества, как низкие инвестиции в антикоррозионную обработку, длительный срок службы и значительная экономия средств. материалы из нержавеющей сталичто приводит к значительным экономическим выгодам.

Обычно коррозионная стойкость стекловолокна оценивается путем измерения изменения его массы при помещении в различные агрессивные среды. Меньшее изменение массы указывает на лучшую коррозионную стойкость, а большее изменение массы - на худшую коррозионную стойкость.

В таблице 5 приведены массовые соотношения нескольких типов стекловолокна в различных концентрациях растворов кислот и щелочей, а в таблице 6 показана степень сохранения прочности при изгибе полиэфирного стекловолокна в кислоте, щелочи и других средах.

Таблица 5

Таблица 6

* Время выдержки - один год.