Стеклопла́стик — полимерный композиционный материал, в котором армирующим компонентом служат стеклянные волокна, а матрицей — полимерное связующее. Стеклянный наполнитель может применяться в виде непрерывных волокон, ровинга, тканей, матов, рубленых нитей и других волокнистых полуфабрикатов.
Стеклопластики относятся к волокнистым полимерным композитам. Их структура и свойства зависят от состава стекла и полимерной матрицы, содержания и ориентации волокон, качества связи между наполнителем и матрицей, а также технологии изготовления.
Материал применяется в строительстве, транспортной и авиационной технике, судостроении, электротехнике, трубопроводной инфраструктуре и других областях.
Состав и структура
Стеклянное армирование
Основную армирующую функцию в стеклопластике выполняют стеклянные волокна. Для конструкционных материалов применяются различные типы стекла, отличающиеся химическим составом, механическими, электрическими и эксплуатационными характеристиками.
Армирующий материал может применяться в форме:
непрерывного ровинга; нитей и жгутов; стеклотканей; одно- и многонаправленных полотен; стекломатов; рубленых стеклянных волокон.
В материалах с преимущественно однонаправленным расположением непрерывных волокон механические свойства выраженно анизотропны: характеристики вдоль направления армирования существенно отличаются от характеристик в поперечном направлении.
Для улучшения взаимодействия стеклянного волокна с полимерной матрицей поверхность волокна обрабатывают замасливателями и аппретирующими веществами. Исследования показывают, что состав стекла и поверхностная обработка волокон оказывают влияние на прочностные характеристики получаемого стеклопластика.
Полимерная матрица
В качестве матрицы стеклопластика используются термореактивные и термопластичные полимеры. ГОСТ 33742-2016 классифицирует полимерные композиты в том числе по природе материала матрицы и виду армирующего наполнителя.
К распространённым термореактивным связующим относятся:
эпоксидные; ненасыщенные полиэфирные; винилэфирные; фенольные связующие.
Полимерная матрица фиксирует положение волокон, передаёт нагрузку между ними, формирует поверхность изделия и защищает армирующий материал от внешнего воздействия.
Свойства
Стеклопластик не обладает единым фиксированным набором физических и механических характеристик. Свойства конкретного материала определяются типом и долей армирующих волокон, их ориентацией, составом матрицы, способом изготовления и условиями эксплуатации.
Для различных видов конструкционных стеклопластиков характерны:
сравнительно малая плотность по отношению к металлическим конструкционным материалам; высокая удельная прочность; возможность ориентировать армирование в направлении основных нагрузок; отсутствие электрохимической коррозии, свойственной металлическим материалам; электроизоляционные свойства; сравнительно низкая теплопроводность.
Эти свойства не являются одинаковыми для всех стеклопластиков. Например, механические характеристики однонаправленного профиля в продольном и поперечном направлениях существенно различаются.
Воздействие влаги и среды
Свойства стеклопластиков могут изменяться при длительном воздействии влаги, температуры и агрессивных сред.
Исследования эпоксидных стеклопластиков показывают зависимость влагопоглощения и сохранения механических характеристик от типа стеклянного наполнителя, состава стекла и его поверхностной обработки.
Поэтому химическую, атмосферную и водную стойкость оценивают применительно к конкретной системе «армирующий материал — полимерная матрица» и условиям эксплуатации.
Технологии изготовления
Для производства изделий из стеклопластика используется несколько технологических процессов. Выбор способа зависит от формы и размеров детали, типа армирования, требуемой серийности и характеристик изделия.
К распространённым технологиям относятся:
контактное формование; напыление рубленого стекловолокна; вакуумная инфузия; RTM — пропитка армирования связующим в закрытой форме; прессование; формование препрегов; намотка; пултрузия.
Контактное формование и инфузия
При контактном формовании армирующие слои укладываются в форму и пропитываются жидким связующим.
При вакуумной инфузии сухой армирующий пакет герметизируется вакуумным мешком, а жидкое связующее поступает в него под действием перепада давления.
Эти методы используются, в частности, для изготовления крупногабаритных оболочек, панелей, корпусов и других изделий.
Намотка
При намотке непрерывное стеклянное волокно или ровинг укладывается по заданной траектории на вращающуюся оправку. После отверждения связующего получают цилиндрические или близкие к ним оболочки.
Намотка широко применяется при изготовлении стеклопластиковых труб, ёмкостей и других тел вращения.
Пултрузия
Пултрузия представляет собой непрерывное изготовление длинномерных изделий постоянного поперечного сечения. Пропитанный полимерным связующим армирующий материал протягивается через нагреваемую формующую фильеру.
Таким способом производятся уголки, швеллеры, двутавры, трубы, стержни и профили специальных сечений.
Требования к конструкционным пултрузионным профилям из полимерных композитов устанавливает ГОСТ 33344-2015.
Полиэфирные прессматериалы SMC
Одной из разновидностей стеклонаполненных термореактивных материалов является SMC () — листовой химически загущённый прессматериал, содержащий термореактивное связующее, стеклянное армирование, наполнители и технологические добавки.
ГОСТ Р 50443-92 определяет SMC как листовой препрег, высокая вязкость которого достигается применением химического загустителя.
Изделия из SMC получают преимущественно горячим прессованием в закрытых металлических пресс-формах. Под действием температуры и давления материал растекается в полости формы и отверждается.
Технология используется для серийного изготовления крупно- и среднегабаритных деталей, включая панели, корпуса и конструкционные элементы.
Применение
Авиационная и транспортная техника
Стеклопластики применяются в авиационной технике для изготовления панелей, обтекателей, элементов интерьера и других конструкций.
Для авиационных стеклопластиков разработаны системы на основе эпоксидных связующих и различных стеклянных наполнителей; исследования таких материалов включают оценку прочности, влагопоглощения и поведения при климатических воздействиях.
Стеклопластиковые изделия применяются также в автомобилестроении и железнодорожной технике — в панелях, кожухах, облицовках и других деталях.
Судостроение
Стеклопластик используется для изготовления корпусов катеров, яхт и других маломерных судов, надстроек, палубных элементов и панелей.
Для крупногабаритных судовых конструкций применяются контактное формование и вакуумная инфузия.
Строительство
В строительстве стеклопластики используются в конструкционных профилях, арматуре, фасадных элементах, настилах, лестницах, ограждениях, кровельных и светопрозрачных конструкциях.
Пултрузионные стеклопластиковые профили выпускаются в виде уголков, швеллеров, двутавров, коробчатых профилей, труб и специальных сечений.
Композитная арматура
Стеклопластиковая арматура представляет собой разновидность полимерной композитной арматуры, в которой основным армирующим компонентом служит стеклянное волокно.
Требования к композитной полимерной арматуре для бетонных конструкций устанавливает ГОСТ 31938-2022.
Стеклопластиковые трубы
Стеклопластиковые трубы используются в промысловых, промышленных, водопроводных и других трубопроводных системах.
ГОСТ Р 59411-2021 распространяется на проектирование, строительство, реконструкцию и эксплуатацию промысловых трубопроводов из стеклопластиковых труб диаметром DN 50—450 при рабочем давлении до 21 МПа.
ГОСТ Р 53201-2023 устанавливает требования к трубам из реактопластов, армированных стекловолокном и/или базальтоволокном, и фитингам с резьбовыми соединениями.
Защитные футляры трубопроводов
Стеклопластик применяется для изготовления защитных футляров трубопроводов. Футляр представляет собой наружную конструкцию большего диаметра, предназначенную для восприятия внешних воздействий и защиты рабочего трубопровода, в частности на участках пересечения с автомобильными и железными дорогами.
Для участков магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов ГОСТ 34950-2023 определяет защитный футляр как конструкцию из трубы большего диаметра, предназначенную для восприятия внешних нагрузок и защиты трубопровода на пересечениях препятствий. В качестве футляра допускается применение стальных, железобетонных, пластиковых или композитных труб при условии обеспечения требуемой прочности и устойчивости.
В российской научно-технической литературе рассматривается применение стеклопластиковых защитных футляров на переходах газопроводов через автомобильные дороги. В исследовании 2022 года выполнено численное моделирование стального и стеклопластикового защитных кожухов магистрального газопровода. Авторы показали различие напряжений и деформаций двух конструкций и отметили необходимость дальнейших исследований применения композитных футляров на магистральных газопроводах.
Конструкция разъёмного футляра позволяет собирать оболочку вокруг уже проложенного рабочего трубопровода.
Стеклопластиковые футляры используются не только на газопроводах, но и для защиты других трубопроводов и инженерных коммуникаций. Конкретное применение и конструктивные параметры назначаются в зависимости от требований проектной документации и нормативов соответствующего вида трубопровода.
Электротехника и электроника
Слоистый стеклопластик на основе стеклянной ткани и полимерного связующего называется стеклотекстолитом.
Фольгированный стеклотекстолит широко применяется как основание для изготовления печатных плат. Стекловолоконное армирование обеспечивает жёсткость и размерную стабильность основы, а полимерная матрица выполняет электроизоляционную функцию.
Стеклопластики используются также для диэлектрических деталей, изоляторов, защитных оболочек и радиопрозрачных конструкций.
Рулонный стеклопластик
Рулонные стеклопластики типа РСТ представляют собой гибкие покровные материалы на основе стекловолокнистого полотна и полимерного связующего.
Они применялись, в частности, как наружный покровный слой тепловой изоляции трубопроводов и оборудования.Тепловая изоляция. Справочник строителя / под ред. Г. Ф. Кузнецова. — 4-е изд. — М.: Стройиздат, 1985. — С. 163—165.
Промышленное применение в России
В России разработкой и промышленным производством изделий из стеклопластика занимаются предприятия авиационной, транспортной, нефтегазовой и строительной отраслей.
В научно-техническом журнале «Наноиндустрия» в 2017 году описывалось производство полимерных композитов Нанотехнологическим центром композитов (НЦК). В публикации среди применяемых предприятием технологий перечислены вакуумная инфузия, RTM, SMC/BMC, пултрузия и намотка, а среди выпускаемой продукции — стеклопластиковые профили и различные конструкционные изделия.
Этот пример иллюстрирует одновременное промышленное применение нескольких технологий переработки стекловолоконных полимерных композитов.
Механическая обработка и безопасность
После формования изделия из стеклопластика могут подвергаться резке, сверлению, фрезерованию и другой механической обработке.
При механической обработке образуются полимерная и стекловолоконная пыль и частицы. Технологические операции выполняются с применением соответствующей вентиляции и средств индивидуальной защиты.
Требования безопасности при производстве и переработке стекловолокна устанавливаются нормативными документами по охране труда и промышленной санитарии.
Стандартизация
К основным действующим российским и межгосударственным стандартам, относящимся к стеклопластикам и изделиям на их основе, относятся:
ГОСТ 32794-2014 — термины и определения полимерных композитов; ГОСТ 33742-2016 — классификация полимерных композитов;