Zusammenfassung
In den letzten mehr als einem halben Jahrhundert wurden faserverstärkte Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften häufig eingesetzt, und die wichtige Rolle der Verstärkungsfasern in Verbundwerkstoffen liegt auf der Hand. Seit dem Aufkommen vonKompositmaterialienVerstärkungsfasern haben einen Übergang von Naturfasern zu synthetischen Fasern durchlaufen.
Zu den derzeit gebräuchlichsten Verstärkungsfasern gehören Glasfasern, Aramidfasern,Kohlenstofffasernusw. In diesem Artikel werden die Eigenschaften und Anwendungen von Glasfasern zur Verbundverstärkung vorgestellt.
Was istGlasfaser?
Glasfasern werden aufgrund ihrer Kosteneffizienz und guten Eigenschaften häufig verwendet, vor allem in der Verbundwerkstoffindustrie. Bereits im 18. Jahrhundert erkannten die Europäer, dass Glas zu Fasern für die Weberei gesponnen werden konnte. Der Sarg des französischen Kaisers Napoleon hatte bereits Dekostoffe aus Fiberglas. Glasfasern bestehen sowohl aus Filamenten als auch aus kurzen Fasern oder Flocken. Glasfilamente werden häufig in Verbundwerkstoffen, Gummiprodukten, Förderbändern, Planen usw. verwendet. Kurzfasern werden hauptsächlich in Vliesfilzen, technischen Kunststoffen und Verbundwerkstoffen verwendet.
Die attraktiven physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Glasfasern, die einfache Herstellung und die im Vergleich zu Kohlefasern niedrigen Kosten machen sie zum Material der Wahl für Hochleistungsverbundanwendungen. Glasfasern bestehen aus Siliziumoxiden. Glasfasern verfügen über hervorragende mechanische Eigenschaften wie weniger Sprödigkeit, hohe Festigkeit, geringe Steifigkeit und geringes Gewicht.
Glasfaserverstärkte Polymere bestehen aus einer großen Klasse verschiedener Formen von Glasfasern, wie z. B. Längsfasern, Schnittfasern, gewebten Matten uswgehackte Litzenmatten und werden zur Verbesserung der mechanischen und tribologischen Eigenschaften von Polymerverbundwerkstoffen eingesetzt. Glasfasern können zunächst hohe Aspektverhältnisse erreichen, Sprödigkeit kann jedoch dazu führen, dass Fasern während der Verarbeitung brechen.
Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Arten von Glasfasern und Zusammensetzungen:
Glasfasereigenschaften
Zu den Hauptmerkmalen von Glasfasern zählen folgende Aspekte:
Nicht leicht Wasser aufzunehmen: Glasfaser ist wasserabweisend und nicht für Kleidung geeignet, da der Schweiß nicht absorbiert wird und der Träger ein nasses Gefühl hat; Da das Material wasserunempfindlich ist, schrumpft es nicht.
Unelastizität: Aufgrund der mangelnden Elastizität weist der Stoff nur eine geringe Eigendehnung und Erholung auf. Daher benötigen sie eine Oberflächenbehandlung, um der Faltenbildung vorzubeugen.
Hohe Festigkeit: Fiberglas ist extrem stark, fast so stark wie Kevlar. Wenn die Fasern jedoch aneinander reiben, brechen sie und der Stoff bekommt ein struppiges Aussehen.
Isolierung:In Kurzfaserform ist Glasfaser ein hervorragender Isolator.
Drapierbarkeit:Die Fasern lassen sich gut drapieren und eignen sich daher ideal für Vorhänge.
Hitzebeständigkeit:Glasfasern haben eine hohe Hitzebeständigkeit, halten Temperaturen bis zu 315 °C stand und werden nicht durch Sonnenlicht, Bleichmittel, Bakterien, Schimmel, Insekten oder Laugen angegriffen.
Anfällig: Glasfasern werden durch Flusssäure und heiße Phosphorsäure angegriffen. Da es sich bei der Faser um ein Produkt auf Glasbasis handelt, sollten einige rohe Glasfasern, wie z. B. Isoliermaterialien für den Haushalt, mit Vorsicht gehandhabt werden, da die Faserenden zerbrechlich sind und die Haut durchdringen können. Daher sollten beim Umgang mit Glasfaser Handschuhe getragen werden.
Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften typischer handelsüblicher Glasfasern sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Glasfaserherstellungsprozess
Glasfaser ist eine nichtmetallische Faser, die derzeit häufig als Industriematerial verwendet wird. Zu den Grundrohstoffen für Glasfasern gehören im Allgemeinen verschiedene natürliche Mineralien und künstliche Chemikalien. Die Hauptbestandteile sind Quarzsand, Kalkstein und Soda.
Quarzsand wirkt als Glasbildner, während Soda und Kalkstein dazu beitragen, die Schmelztemperatur zu senken. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient in Kombination mit der geringen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Asbest und organischen Fasern macht Glasfaser zu einem formstabilen Material, das Wärme schnell ableitet.
Ablaufdiagramm des Glasfaserherstellungsprozesses
Glasfasern werden durch direktes Schmelzen hergestellt, was Prozesse wie Compoundieren, Schmelzen, Spinnen, Beschichten, Trocknen und Verpacken umfasst. Die Charge ist der Ausgangszustand der Glasherstellung, in dem die Materialmengen gründlich gemischt werden und die Mischung in einen Ofen zum Schmelzen bei einer hohen Temperatur von 1400 °C geleitet wird. Diese Temperatur reicht aus, um den Sand und andere Bestandteile in einen geschmolzenen Zustand zu überführen; Die Glasschmelze fließt dann in den Refiner und die Temperatur sinkt auf 1370 °C.
Beim Spinnen von Glasfasern fließt geschmolzenes Glas durch eine Hülse mit sehr feinen Löchern. Die Auskleidungsplatte wird elektronisch erhitzt und ihre Temperatur wird gesteuert, um eine konstante Viskosität aufrechtzuerhalten. Beim Austritt aus der Hülse wurde ein Wasserstrahl verwendet, um das Filament mit einer Temperatur von etwa 1204 °C abzukühlen.
SchematischDDiagramm vonGMädelFiberSfeststecken
Der extrudierte Strom aus geschmolzenem Glas wird mechanisch zu Filamenten mit Durchmessern im Bereich von 4 μm bis 34 μm gezogen. Mithilfe eines Hochgeschwindigkeitswicklers wird für Spannung gesorgt und das geschmolzene Glas wird zu Filamenten gezogen. Im letzten Schritt werden die Filamente mit chemischen Beschichtungen aus Gleitmitteln, Bindemitteln und Haftvermittlern versehen. Die Schmierung trägt dazu bei, die Filamente vor Abrieb zu schützen, wenn sie gesammelt und zu Paketen aufgewickelt werden. Nach dem Schlichten werden die Fasern in einem Ofen getrocknet; Anschließend stehen die Filamente zur Weiterverarbeitung zu Schnittfasern, Rovings oder Garnen bereit.
Anwendung vonGMädelFiber
Glasfaser ist ein anorganisches Material, das nicht brennt und bei 540 °C etwa 25 % seiner ursprünglichen Festigkeit behält. Die meisten Chemikalien haben kaum Auswirkungen auf Glasfasern. Anorganisches Fiberglas schimmelt nicht und zersetzt sich nicht. Glasfasern werden durch Flusssäure, heiße Phosphorsäure und stark alkalische Substanzen angegriffen.
Es ist ein ausgezeichnetes elektrisches Isoliermaterial. Glasfasergewebe zeichnen sich durch Eigenschaften wie geringe Feuchtigkeitsaufnahme, hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit und niedrige Dielektrizitätskonstante aus, was sie zu idealen Verstärkungen für Leiterplatten und Isolierlacke macht.
Das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht macht Glasfaser zu einem hervorragenden Material für Anwendungen, die hohe Festigkeit und minimales Gewicht erfordern. In textiler Form kann diese Festigkeit unidirektional oder bidirektional sein, was Flexibilität in Design und Kosten für eine breite Palette von Anwendungen im Automobilmarkt, im Bauwesen, bei Sportartikeln, in der Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Elektronik, im Heimbereich und in der Windenergie ermöglicht.
Sie werden auch bei der Herstellung von Strukturverbundwerkstoffen, Leiterplatten und verschiedenen Spezialprodukten eingesetzt. Die weltweite jährliche Glasfaserproduktion beträgt etwa 4,5 Millionen Tonnen. Die Hauptproduzenten sind China (60 % Marktanteil), die Vereinigten Staaten und die Europäische Union. (Quelle: Carbon Fiber and its Composite Material Technology)
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 21. Juli 2021
