Стеклопластик своими руками

Что такое стеклопластик

Принцип действия, лежащий в основе прочности стеклопластика, аналогичен железобетону, а по внешнему виду и структуре наиболее близок к армированным слоям современной «мокрой» фасадной обработки. Как правило, вяжущее — композитный, гипсовый или цементный раствор — имеет свойство давать усадку и трескаться, не выдерживая нагрузки, а иногда даже не сохраняя целостность слоя. Чтобы этого избежать, в слой вводят армирующий компонент – стержни, сетки или полотно.

В результате получается сбалансированный слой – связующее (в высушенном или полимеризованном виде) работает на сжатие, а армирующий компонент – на растяжение. Из таких слоев на основе стеклоткани и эпоксидной смолы можно делать объемные изделия, дополнительные армирующие и защитные элементы.

Виды стекловолокнистых наполнителей

Стекловолокно армировано стеклотканью. Основным сырьем для этого является стеклобой – бывшая в употреблении стеклотара, битые оконные стекла, а также различная некондиционная стеклянная продукция. Нитевидные наполнители – это армирующие элементы, которые необходимы для обеспечения структурной жесткости материала и повышения прочности. Их изготавливают путем текстильной обработки кварцевых нитей и первичных стеклянных волокон путем вытягивания расплавленного стекла до диаметра 6-20 мкм. Они могут быть в виде:

• Стеклоткань особой структуры, тканые маты, ленты.
• Стеклянный ровинг (ровинг) в виде нитей или нескрученных волокон.
• Пучки, пряжа и нити на основе первичных скрученных волокон.

Чем прочнее используемый наполнитель сердечника, тем лучше он укрепит и обеспечит жесткость конструкции. В результате изделие из стеклопластика будет более прочным и долговечным. С этой целью для обеспечения повышенной прочности применяют специальные наполнители из высокомодульных стеклянных волокон, модуль упругости которых составляет более 50 ГПа.

Связующие смолы для СПМ

В производстве стеклопластиков используются связующие из полимерных синтетических смол. Они необходимы для:

• «Соедините» наполнитель и другие компоненты, чтобы получился единый монолит.
• Равномерно распределяйте внутреннее напряжение и компенсируйте механическое воздействие на материал снаружи.
• Защищают стеклопластик от внешних негативных воздействий.
• Создать изделие с заданными параметрами по нужным размерам и конфигурации.

При использовании смол образуется полимерная матрица. Он определяет физические и химические параметры материала. Зависит от свойств матрицы:

• Способ производства изделий из стеклопластика.
• Способ утилизации отходов, полученных в процессе производства.

Связующие смолы напрямую влияют на поведение стеклопластика при нагреве – как он поведет себя при нагревании и насколько сохранит форму после затвердевания материала.

В производстве используются два вида смол:

• Термореактивный. Эти вещества представляют собой карбамиды, полиэфиры, компоненты с эпоксидными или фенолоформальдегидными веществами. Они состоят из макромолекул, их частицы связаны пространственными ковалентными связями. Произведенное на их основе стекловолокно имеет необратимую структуру. Использование термопластов обеспечивает неплавкость веществ и способность затвердевать при повышении температуры. Это означает, что стекловолокно на термопласте формуется один раз и не подвергается дальнейшей обработке.
• Термопласт. Это смолы полиамида, полистирола, полиэтилена. Они имеют линейную молекулярную структуру, поэтому такое стекловолокно легко плавится при нагревании, а после охлаждения сохраняет форму. Это позволяет утилизировать изделия, если они утратили свои функциональные свойства. Именно поэтому использовать такой материал проще, а затраты на производство значительно ниже.

Читайте также: Стекловолокно: применение, характеристики, теплоизоляционные свойства, состав и изделия из него: маты, плиты, ткань, рубленый материал, рулоны, панели

Области применения

Стеклопластик – универсальный материал, ему можно придать любую форму, покрасить в разные цвета, если добавить цветовую составляющую. Он очень прочный, долговечный, не подвержен коррозии и не разрушается. А потом его используют в разных сферах.

Стеклопластик востребован при производстве беседок для частных домов и баз отдыха, навесов, бассейнов, фонтанов, искусственных водоемов для дачи. Используется для изготовления других архитектурных и ландшафтных элементов для декора, зонирования помещений.

Подходит для автомобильной промышленности:

• Сделать бампера, багажники, фары.
• Для производства элементов интерьера.
• Для производства гоночных автомобилей.

В кораблестроении используется:

• Для производства корпусов малотоннажных, моторных лодок, спортивных плавсредств, мотороллеров, а также других элементов различных видов водного транспорта.
• Для производства кабин, люковых крышек, разводных мостов, двигателей.

В промышленности стекловолокно служит основой для формирования ливневых труб и труб. Из него изготавливают коллекторы, канализационные септики, фильтрующие элементы, отстойники. Также это могут быть трубы для нефтехимической и газовой промышленности, различные резервуары для воды и химикатов, производственные резервуары и резервуары.

Материал используется в строительстве при проведении внутренних и наружных строительных работ. Так изготавливаются фасадные элементы из стеклопластика, декоративные молдинги, детали отделки для частных и многоквартирных домов. Востребована и стеклопластиковая арматура – ​​она служит отличной альтернативой стандартной металлической проволоке при заливке фундамента в малоэтажных домах.

Стеклопластиковые материалы также являются основой для производства межкомнатных перегородок жилых домов и бытовок. Их используют в сочетании с сотовыми панелями – получается многослойный «пирог» с высокой прочностью, отличными звукоизоляционными параметрами.

Стеклопластиковые плиты являются основным материалом для внутренней облицовки стен и отделки фасадов жилых и коммерческих зданий. Иногда им покрывают крышу, делают навесы.

Жидкое стекловолокно также используется в строительстве и ремонте — например, для усиления различных строительных элементов, теплоизоляции, крепления инженерных сетей и дополнительной опоры для труб. Кроме того, из стеклопластика изготавливают плиты, светильники, производят мебель и различные элементы интерьера.

Преимущества стеклопластиков

Стеклопластик имеет множество преимуществ, которые определяют его важное место в современном мире. Рассмотрим наиболее ценные из них:

1. Низкая плотность. Удельный вес сортов стекловолокна колеблется в широком диапазоне от 400 кг/м3 до 1800 кг/м3. Среднее принятое значение плотности составляет 1100 кг/м3, что несколько превышает плотность воды. Для сравнения, у металлов удельный вес гораздо выше, например, у стали — 7800 кг/куб.м, у легкого дюралюминия 2800 кг/куб.м. Для обычных полимеров плотность колеблется от 900 кг/м3 (полипропилен) до 1500 кг/м3 (ПВХ и некоторые полиэфиры) и 1800 кг/м3 (некоторые термопласты). Эта легкость дает стекловолокну особое преимущество при использовании в транспортной отрасли, где важна экономия топлива на одну тягу. То же самое ценно в складских и других логистических приложениях.
2. Хороший диэлектрик. Стеклопластики обладают высокими диэлектрическими свойствами, что делает их отличными электрическими изоляторами. Это свойство широко используется в электротехнике, в том числе для производства электронных плат.
3. Устойчивость к коррозии. Стеклопластик устойчив как к химическим, так и к электрохимическим воздействиям, что определяет его коррозионную стойкость. Используя определенные смолы в качестве связующего для стекловолокна, можно производить стекловолокно, устойчивое к очень агрессивным химическим веществам, даже к концентрированным кислотам и щелочам.
4. Эстетические свойства стеклопластика. При производстве этот композит может быть окрашен в разные цвета, оттенки и их сочетания. При правильной технологии и красителях стойкость цвета может сохраняться на протяжении всего срока службы изделия.
5. Хорошая прозрачность. Используя определенные типы смол, можно производить прозрачное стекловолокно. Их оптические характеристики лишь немного хуже, чем у силикатного стекла.
6. Отличная физическая механика. Несмотря на низкую плотность, стекловолокно характеризуется достаточными механическими свойствами. При определенных условиях производства композита – специальной полимерной основы и правильно подобранного стекловолокна – получается стеклянный материал с более высокими физико-механическими свойствами, чем некоторые металлы и даже марки стали.
7. Теплоизоляция. Стеклопластик представляет собой композит с низким коэффициентом теплопроводности. Однако при изготовлении сэндвич-конструкций с использованием стеклопластика получаются еще более теплоизоляционные материалы. Для этого слои пластика чередуются с высокопористым пластиком, например пенополиуретаном, пенополистиролом. Эти сэндвич-конструкции используются в качестве теплоизоляции при строительстве заводов и заводов, судостроении, автомобилестроении и т д.
8. Простое производство. Детали из стеклопластика могут быть изготовлены несколькими способами. Как правило, такое производство не предполагает больших вложений в машины, оборудование и материалы. Самый простой вариант изготовления таких изделий – ручное литье. Для этого нужна только матрица из подручного сырья (дерево, пластик, металл) и несколько простых инструментов и приспособлений. На сегодняшний день в ходу матрицы из самого стеклопластика, которые также просты и недороги в изготовлении, а также обладают отличной стойкостью и долговечностью. Таким образом, можно сказать, что детали из стеклопластика воспроизводят сами себя.

Производство стеклопластиков

Стекловолокно обычно представляет собой листовой пластик. Их изготавливают методом горячего прессования полимерного связующего, смешанного со стекловолокном или стекловолокном. В данном случае стеклохолст (стекловолокно) является армирующим элементом. Он придает полученному продукту повышенные физико-механические свойства.

В промышленности для производства изделий из этого пластика используют несколько различных полимерных смол. Наиболее популярны среди них смолы на полиэфирной основе, винилэфирные и эпоксидные пластики. Все виды применяемых полимеров делятся на виды по способу литья, химическому строению и назначению:

• по способу литья:

1. Справочник;
2. вакуумный впрыск;
3. горячее прессование;
4. обмотка;
5. пултрузия.

• по договоренности:

1. стандартная конструкция;
2. химически стойкий;
3. пожаробезопасный;
4. термостойкие;
5. прозрачный.

Способы получения продуктов из стеклопластика

Ручное формование

Эта технология предполагает пропитку стеклоткани или стеклоткани полимером с помощью ручных инструментов, таких как валики или щетки. В результате получаются полуфабрикаты – стекломаты. При получении маты помещаются в формовочное оборудование, где они обрабатываются с помощью фальцевальных валиков. Вальцовка используется для удаления пузырьков воздуха из стеклянных матов и распределения полимера в полученном ламинате. Затем при комнатной температуре проводят выдержку для затвердевания изделия. Затем его извлекают из формы, и происходит доводка изделия: снятие заусенцев, получение канавок и отверстий и так далее.

Для этого литья подходят практически все ранее перечисленные виды смолы и стекловолокна, подходящие друг другу. Преимуществами технологии являются отсутствие дорогостоящего оборудования, простота, большой выбор подходящих комплектующих, их низкая стоимость и достаточно большой процент ввода стеклопластика. Недостатками ручного литья являются низкая производительность, высокая зависимость качества готовых изделий от человеческого фактора — уровня подготовки и ответственности персонала, который к тому же вынужден работать во вредных для здоровья условиях. При этом способе также вероятно, что в продукте останутся воздушные включения.

Способ напыления

Во время напыления стеклянная нить направляется к ножам специального устройства, которое разрезает ее на короткие волокна. Полученная ткань называется рубленым ровингом.

Он смешивается на воздухе с потоком связующего полимера и катализатора, затем поступает в форму, где прокатывается для максимального отделения пузырьков воздуха, попавших в материал при смешивании. После прокатки стеклопластик должен, как и при ручном литье, отверждаться в нормальных условиях.

При напылении рубленого ровинга используют в основном полиэфирные полимеры и стеклянную проволоку в виде ровинга. Метод используется давно и привлекателен скоростью производства. Однако его более широкое применение ограничено существенными недостатками. Расход полимерной смолы обычно высок, что приводит к большой массе производимого пластика. Он содержит исключительно короткие волокна, что обуславливает низкие прочностные характеристики стекловолокна. Используемый полимер маловязкий, что также приводит к ухудшению механических и прочностных свойств и термостойкости изделий. Как и при ручном литье, условия в рабочей зоне при напылении вредны, воздух содержит много стеклянной пыли, а качество готовых изделий сильно зависит от уровня персонала.

Способ RTM

Этот метод, называемый литьем смолы, чем-то напоминает литье пластмасс под давлением, особенно его разновидность IMD (In Mold Decoration). Он заключается в том, что стеклянный материал помещается в матрицу в виде заранее подготовленных заготовок или шаблонов. После этого в форму помещается пуансон, который закрепляется на матрице под действием специальных зажимов. Полимер под действием высокого давления поступает в формующую полость. Для облегчения протекания процесса перемещения смолы через стекло в полости формы можно применять вакуум. После полной пропитки стекломатериала смолой впрыск прекращают и полуфабрикат, как и по другим технологиям, подвергают сшиванию методом НЦ, но уже непосредственно в форме. Также с помощью метода RTM возможно отверждение при повышенной температуре.

Для изготовления изделий RTM используются эпоксидные или полиэфирные связующие и широкий спектр стекловолокон, предпочтительно связанных и с проводящим слоем. Преимуществами этого метода являются возможность получения материала с большим наполнением стекла и малым содержанием воздушных включений. Немаловажно и то, что работа ведется на изолированном оборудовании, что обеспечивает безопасные условия труда и отсутствие вредных выбросов в окружающую среду. Один оператор может управлять несколькими установками, повышая производительность процесса и снижая затраты. Кроме того, внешний вид изделий при таком способе имеет преимущества перед ручным производством, а технологические потери минимальны. Недостатки процесса: Обязательные вложения в дорогостоящее оборудование и сложные формы. Сам производственный процесс тоже нельзя назвать простым, он требователен к персоналу, в том числе обслуживающему станки и установки.

Пултрузия

Метод аналогичен экструзии термопластов. Стеклопластик поступает из рамы барабана через емкость со связующим и поступает в нагретый формующий инструмент (матрицу). Там с него удаляют лишний полимер и формируют профиль с последующим отверждением стеклопластика. Наконец, готовый профиль поступает в режущее устройство, где разрезается на мерные отрезки.

Для пултрузии используются эпоксидные, полиэфирные или винилэфирные смолы и практически любое волокно. Преимуществами метода являются производительность и автоматизация процесса, а также возможность быстрого изменения состава композиции. Готовый продукт имеет хорошие прочностные характеристики благодаря ориентации стекловолокна, высокому содержанию волокна и стабильности процесса. Процесс пултрузии является закрытым, что для РТМ обеспечивает достойные условия работы и не приводит к выбросам. Среди недостатков процесса небольшой выбор продукции, в которую в основном входят профили, а также дорогое оборудование и инструменты.

Метод намотки

Этот метод чаще всего используется при производстве тары, труб и других полых изделий. Суть технологии заключается в том, что стеклянные волокна пропускают через ванну со связующим, затем через натяжные ролики для намотки. Ролики не только растягивают волокно для последующего использования, но и удаляют из него излишки смолы. Обычно смоченные смолой волокна наматывают на оправку или сердечник нужного размера. После отверждения изделие извлекается из сердцевины.

При намотке нет ограничений на использование того или иного связующего и волокон. Ткани из стекловолокна обычно не используются. Основными преимуществами данной технологии являются быстрота и производительность, возможность регулирования соотношения количества стекловолокна и полимера, хорошие прочностные показатели данного композита и его малый удельный вес. Также при намотке волокна ориентируются, что дает дополнительное повышение свойств стекловолокна, содержание стекла в пластике достаточно высокое. Среди недостатков метода можно назвать узкий ассортимент продукции, большие затраты на оборудование и керн. Внешний вид готовых изделий не всегда желаемого качества.

Технология RFI

Суть технологии Resin Film Infusion заключается в том, что стеклянные субстанции и слои вязкой пленки из связующего помещаются в форму для получения полуфабриката упаковки. Затем его покрывают пленкой, создавая в пресс-форме вакуумное углубление. На следующем этапе форма переносится в термошкаф (также используется автоклав). При нагревании полимер плавится в ней и пропитывает полуфабрикат. Затем происходит реакция сшивания смолы.

Для технологий РЧИ используются только эпоксидные связующие, но волокна любого типа. Среди преимуществ процесса – высокий процент стекловолокна и низкий процент газовых включений, хорошие прочностные характеристики и низкая стоимость, а также экологичность. Самым большим недостатком является необходимость в специальном производственном оборудовании: вакуумной системе, термошкафу или автоклаве.

Препреги

В методе препрега используется предварительно пропитанная связующим стеклоткань. Их пропитывают предварительно катализированным полимером путем нагревания и высокого давления. При необходимости препреги затем можно хранить в течение длительного времени, предпочтительно при низкой температуре. В процессе литья они помещаются на поверхность литья, а мешок используется для вакуумирования области литья. В зависимости от типа смолы материал нагревается до 120-180 градусов. Связующее становится жидким, и пластик занимает полость формы. Затем, как обычно, происходит сшивка полимера и система превращается в твердый продукт заданной формы.

При использовании препрег-технологии в качестве связующего используют эпоксидные, полиэфирные, фенольные и некоторые другие виды полиреактивных полимеров и волокна любого типа. Преимущества метода – большой процент стекловолокна и малое количество газа. Также важны возможная автоматизация процесса, экологичность и хорошие показатели охраны труда. Из недостатков отметим дорогие комплектующие и ограниченные габариты получаемых деталей.

Компоненты стеклопластика

Усиливающий компонент*. Для изготовления бытовых и вспомогательных строительных элементов обычно используют три вида армирующего материала:

1. Сетка из стекловолокна. Это стеклосетка с ячейкой от 0,1 до 10 мм. Поскольку эпоксидный раствор является агрессивной средой, для изделий и строительных конструкций настоятельно рекомендуется использовать пропитанную сетку. Ячейку сетки и толщину нити следует выбирать исходя из назначения изделия и его требований. Например, для армирования нагруженного самолета слоем стекловолокна подойдет сетка с ячейкой от 3 до 10 мм, толщиной проволоки 0,32–0,35 мм (армированная) и плотностью от 160 до 330 г/куб.см.
2. Стекловолокно. Это более совершенный вид основы из стекловолокна. Это очень плотная сетка из «стеклянных» (кремниевых) нитей. Используется для изготовления и ремонта бытовых изделий.
3. Стекловолокно. Он обладает теми же свойствами, что и материал для одежды – мягкий, эластичный, податливый. Этот компонент очень разнообразен – отличается прочностью на разрыв, толщиной нити, плотностью ткани, специальными пропитками – все эти показатели существенно влияют на конечный результат (чем они выше, тем прочнее изделие). Основной показатель – плотность, от 17 до 390 г/кв м. Такая ткань намного прочнее даже знаменитого военного сукна.