Rodzaje włókien szklanych i ich właściwości

Możemy wyróżnić dwa rodzaje włókien szklanych: ogólnego zastosowania oraz specjalnego zastosowania. Ponad 90% wytwarzanych włókien szklanych to produkty ogólnego zastosowania. Tego rodzaju włókna szklane są określane mianem szkła typu E. Pozostałe włókna szklane są typu premium specjalnego przeznaczenia Wiele z nich, jak typu E, mają oznaczenie literowe określające specjalne właściwości.

Włókna szklane ogólnego zastosowania

Na rynku występują dwa rodzaje szkła typu E. Szkło to zawiera od 5 do 6%mas. tlenku boronu.

Rygorystyczne przepisy ochrony środowiska wymagają stosowania kosztownych systemów redukcji emisji boronu występującego w gazach powstających podczas przetopu szkła. W związku z powyższym pożądana jest produkcja szkła typu E nie zawierającego boronu. Takie przyjazne środowisku szkło pojawiło się na rynku. Nie zawiera ono boronu, a co się z tym wiąże emisja boronu nie występuje w procesie produkcyjnym.

Ekonomiczne szkło typu E zawierające boron występuje w dwóch wariantach: jako pochodne SiO₂-Al₂O₃-CaOMgO oraz SiO₂-Al₂O₃-CaO.

Zawartość tlenków

Każdego rodzaju szkło typu E jest szkłem ogólnego zastosowania ze względu na osiągnięcie odpowiedniej wytrzymałości przy niskim koszcie produkcji.

Tabela 1 przedstawia zawartość tlenków dla obu rodzaju włókien szklanych, które są obecnie produkowane i mają zastosowanie w kompozytach. Ze względu na fakt, że każdy producent, a nawet każdy zakład produkcyjny, może używać innej receptury do produkcji włókien szklanych zawartość tlenków podano w pewnym zakresie.

Różnice te wynikają przede wszystkim z powodu surowców, których partie mogą się różnić między sobą. Utrzymywanie ścisłej kontroli w zakładzie produkcyjnym jest niezbędne dla otrzymania właściwego składu.

Właściwości mechaniczne

Tabela 2 przedstawia właściwości mechaniczne zarówno szkła typu E zawierającego boron, jak i nie zawierającego boronu. Moduł sprężystości (lub sztywność włókna) szkła nie zawierającego boronu jest o około 5% wyższy niż szkła typu E zawierającego boron, natomiast wytrzymałość na rozciąganie, mierzona w temperaturze pokojowej, jest praktycznie taka sama.

Właściwości fizyczne

Tabela 2 przedstawia także właściwości fizyczne. Najważniejszy parametr – odporność chemiczna szkła typu E nie zawierającego boronu okazała się siedmiokrotnie wyższa, niż szkła zawierającego ten pierwiastek (mierzona w temp. pokojowej przez 24 godz., w 10% roztworze kwasu siarkowego). Wynik ten jest bliski jak dla szkła ECR.

Włókna szklane specjalnego zastosowania

Włókna szklane specjalnego zastosowania mają obecnie duże znaczenie dla rynku. Wśród nich możemy wyróżnić włókna o dużej odporności na korozję (szkło ECR), w tym szkło AR Resistant- szkło alkalioodporne cyrkonowe (o zawartości tlenku cyrkoni ok. 16-19%) używane w budownictwie w połączeniu z materiałami na bazie cementu, wysokiej wytrzymałości (typ S, R, Te), o niskiej stałej dielektrycznej (szkło typu D), włókna wysokiej wytrzymałości oraz włókna kwarcowe/ krzemionkowe używane w bardzo wysokich temperaturach.

Szkło ECR

Odporność chemiczna włókna szklanego zależy od jego struktury chemicznej. W odniesieniu do szła typu E ogólnego zastosowania, szkło typu ECR wykazuje podwyższoną, długoterminową odporność na działanie kwasów oraz krótkoterminową na działanie związków zasadowych.

Dodatkowo wysoka zawartość ZnO i TiO₂ podnosi odporność na korozję chemiczną, lecz okupione to jest wzrostem kosztów wytworzenia tego rodzaju szkła (wymagana zawartość około 2% ZnO i 2% TiO₂).

Szkło typu S, R, Te.

Wytrzymałość na rozciąganie włókien szklanych jest określana przez strukturę wiązań krzemianu, a w szczególności brakiem tlenków alkaicznych. Struktura tlenku boru, choć jest częścią sieci, jest słabsza niż tlenku krzemu, a zatem tlenek boru służy jako topnik. Znanych jest kilka rodzajów włókien wysokiej wytrzymałości , w tym szkło S,R,Te.

Wszystkie oferują 10 do 15% większą wytrzymałość w porównaniu do szła typu E mierzoną w temperaturze pokojowej, ale ich rzeczywista przewaga to wytrzymałość na wysokie temperatury w trakcie użytkowania w porównaniu do szkła typu E. Włókna te znajdują zastosowanie w przemyśle zbrojeniowym, gdzie muszą spełniać rygorystyczne wymagania jakościowe.

Włókna kwarcowe/krzemowe

Włókna szklane o podwyższonej zawartości SiO₂ mogą być stosowane w aplikacjach wymagających odporności na bardzo wysokie temperatury. Włókna wysokokrzemionkowe (95% SiO₂) otrzymuje się poprzez ługowanie kwasem borokrzemianowym szkła typu E. Są one wykorzystywane jako koce izolacyjne w temperaturach do 1040^oC. Czyste włókna krzemionkowe (99% SiO₂) powstają w procesie przędzenia suchego z roztworu szkła wodnego. Najczęściej występują w formie przędzy do izolacji rur pracujących w temperaturach do 1090^oC.

Ultraczyste włókna krzemionkowe oraz włókna kwarcowe (99,99% SiO₂) mają również postać amorficzną. Włókna te łączą znakomitą odporność temperaturową z bardzo wysoką transparentnością. Wykonuje się z nich np. osłony radarów w samolotach, gdzie mają za zadanie chronić antenę radaru przed błyskawicami i rozładowaniami elektrostatycznymi.

Szkło typu D

Właściwości elektryczne włókien szklanych określane są przez rezystancję, przewodność powierzchniową, stałą dielektryczną. Szkło typu E ze stosunkowo wysoką stałą dielektryczną jest głównym włóknem stosowanym do produkcji płytek drukowanych, lecz miniaturyzacja skłania przemysł do wykorzystywania specjalnych włókien o niższej stałej dielektrycznej.

Szkło typu D występuje w kilku wariantach. Wszystkie posiadają wysoką zawartość B₂O3 (20 do 26%) dlatego mają dużo niższą stałą dielektryczną w porównaniu do szła typu E (4.10 do 3.56 w porównaniu do 6.86 do 7.00). Ze względu na wysokie koszty szkło typu D pozostaje specjalnością o stosunkowo niskim zapotrzebowaniu rynkowym.

Szkło typu AR Resistant

Włókno szklane o dużej zawartości tlenku cyrkoni (min. 16%) charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością chemiczną, zarówno w środowisku kwasowym, jak i wysoce zasadowym, co wykorzystuje się w wyrobach budowlanych, gdzie lepiszczem zazwyczaj jest cement portlandzki w połączeniu ze związkami wapnia, czyli wysoko alkaliczne środowiska, gdzie zwykłe włókno szklane ulega szybkiej korozji chemicznej. Szkła tego typu pozwoliły na wykorzystanie metod produkcji i transfer technologii z przemysłu kompozytów poliestrowo-szklanych do wyrobów typowo budowlanych, które już przy zawartości 3-5% wagowej elementu noszą nazwę techniczną GRC, (czyli glass reinforced cement), lub GFRC (glass fibre reinforced cement). Zaletą tego typu wyrobów na bazie cyrkonowego włókna szklanego jest ograniczenie przekroju wyrobów przy zachowaniu wytrzymałości mechanicznej. Cienkościenne wyroby GRC (GFRC) znajdują zastosowanie w budownictwie począwszy od paneli elewacyjnych, płyt budowlanych stosowanych jako okładziny np. tuneli, dworców i innych konstrukcji komunikacyjnych i militarnych (świetne tłumienie drgań i hałasu), ekranów akustycznych, liniowych elementów odwodnieniowych, itp. Ponadto włókno tego typu świetnie nadaje się jako mikrozbrojenie wyrobów chemii budowlanej, w tym tynków cienkowarstwowych, szpachli i klejów, zbrojeń posadzek przemysłowych, w tym autostrad i dróg betonowych, parkingów i płyt postojowych lotnisk itp.