Как делается стекловолокно: вытяжка из расплавленного стекла и применение в промышленности

Как делается стекловолокно? Его получают вытяжкой расплавленного стекла через металлические пластины с множеством крошечных отверстий, которые называются фильерами. Каждое отверстие даёт непрерывную нить диаметром от 5 до 25 микрометров. Нити собирают в пучки, наматывают на бобины и используют как армирующий материал в строительстве, авиации, судостроении и электротехнике.

Состав стекла и подготовка сырья

Стекло для волокна принципиально отличается от оконного. Для производства стекловолокна применяют специальные составы, в которых точно контролируют соотношение компонентов. Наиболее распространён тип Е-стекло: кремнезём (54 процента), оксид алюминия (14 процентов), оксид кальция (22 процента), оксид бора (8 процентов) и незначительное количество магния. Такой состав обеспечивает хорошие механические свойства, высокое электрическое сопротивление и химическую стойкость. Для специальных применений, например для кислотостойких фильтров или высокопрочных конструкций, используют другие марки: С-стекло, S-стекло, AR-стекло.

Сырьё (кварцевый песок, известняк, каолин, борная кислота) перемешивают в точных пропорциях и подают в стекловаренную печь. Печь работает непрерывно при температуре 1400–1600 градусов Цельсия. Расплав гомогенизируется, из него удаляют пузырьки газа и подают к фильерным пластинам строго равномерным потоком.

Вытяжка нитей через фильеры

Фильера представляет собой прямоугольную пластину из платино-родиевого сплава, устойчивого к агрессивному расплаву стекла при высоких температурах. В одной фильере от 200 до 8000 отверстий диаметром 1–2 мм. Расплавленное стекло вытекает из отверстий под действием силы тяжести и поверхностного натяжения, образуя капли, которые немедленно вытягиваются высокоскоростным намоточным устройством.

Скорость намотки достигает 3000 метров в минуту. При такой скорости вытяжки нить утоняется до 5–20 микрометров, то есть в 5–10 раз тоньше человеческого волоса. Диаметр нити регулируется соотношением скорости вытяжки и вязкости расплава; вязкость, в свою очередь, зависит от температуры фильеры. Даже небольшое отклонение температуры на 5–10 градусов меняет диаметр нити, поэтому системы контроля работают с точностью до долей градуса.

Сразу после выхода из фильеры нити охлаждают струёй воды или воздуха и обрабатывают замасливателем. Замасливатель — это водная эмульсия из органических связующих и скользящих добавок. Он выполняет сразу три функции: защищает хрупкую стеклянную поверхность от истирания о соседние нити, обеспечивает сцепление нитей в пучок и создаёт химическую совместимость с будущей полимерной матрицей (смолой) в композитном изделии.

Формы выпуска стекловолокна

После намотки на бобины волокно поступает на дальнейшую переработку в зависимости от назначения. Ровинг представляет собой толстый жгут из множества нитей, намотанный в бухту; его используют для намотки труб и резервуаров, а также в пултрузии для изготовления профилей. Стеклоткань ткут из ровинга на ткацких станках; она идёт на производство лопастей ветрогенераторов, корпусов лодок, броне- и конструкционных панелей. Мат из рубленого волокна получают, нарезая нити длиной 25–50 мм и хаотично укладывая их слоями со связующим; он дёшев и хорошо пропитывается полиэфирными смолами. Штапельное волокно, или стекловата, производят иначе: раздувом расплава сжатым воздухом или паром; диаметр таких волокон крупнее (6–15 микрометров), и применяют их в первую очередь как теплоизолятор.

Производство стекловолокна в России

Отечественная промышленность выпускает полный спектр стекловолокнистых материалов. Ключевые производственные площадки расположены в Центральном и Поволжском регионах. Стекловолокно потребляют строительная отрасль (тепло- и звукоизоляция, армирующие сетки для штукатурки), нефтегазовая промышленность (стеклопластиковые трубы и ёмкости), электротехника (печатные платы на основе стеклоткани) и транспортное машиностроение (кузовные панели, обтекатели). Рост производства стекловолокна устойчиво опережает рост строительного рынка, поскольку стеклопластик вытесняет металл и дерево там, где важны коррозионная стойкость и лёгкость конструкции.