Sekrety mikrostruktury włókna szklanego

Kiedy widzimy produkty wykonane zwłókno szklaneCzęsto zwracamy uwagę jedynie na ich wygląd i zastosowanie, ale rzadko zastanawiamy się: Jaka jest wewnętrzna struktura tego smukłego, czarnego lub białego włókna? To właśnie te niewidoczne mikrostruktury nadają włóknu szklanemu jego unikalne właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość, odporność na wysokie temperatury i korozję. Dzisiaj zagłębimy się w „wewnętrzny świat” włókna szklanego, aby odkryć sekrety jego struktury.

Podstawy mikroskopowe: „Nieuporządkowany porządek” na poziomie atomowym

Z punktu widzenia atomów, głównym składnikiem włókna szklanego jest dwutlenek krzemu (zazwyczaj 50–70% wagowo), a także inne pierwiastki, takie jak tlenek wapnia, tlenek magnezu i tlenek glinu, dodawane w celu dostosowania jego właściwości. Układ tych atomów decyduje o podstawowych właściwościach włókna szklanego.

W przeciwieństwie do „porządku dalekiego zasięgu” atomów w materiałach krystalicznych (takich jak metale lub kryształy kwarcu), układ atomów we włóknie szklanym wykazuje„krótkoterminowy porządek, długoterminowy nieporządek”.Mówiąc prościej, w obszarze lokalnym (w zasięgu kilku atomów) każdy atom krzemu łączy się z czterema atomami tlenu, tworząc strukturę przypominającą piramidę„czworościan krzemionkowy”Struktura. Ten lokalny układ jest uporządkowany. Jednak w większej skali te czworościany krzemionkowe nie tworzą regularnej, powtarzającej się sieci, jak w krysztale. Zamiast tego są one losowo połączone i ułożone w nieuporządkowany sposób, niczym stos chaotycznie ułożonych klocków, tworząc amorficzną strukturę szklaną.

Ta amorficzna struktura jest jedną z kluczowych różnic pomiędzywłókno szklanei zwykłego szkła. Podczas procesu chłodzenia zwykłego szkła atomy mają wystarczająco dużo czasu, aby utworzyć małe, lokalnie uporządkowane kryształy, co prowadzi do większej kruchości. Włókno szklane powstaje natomiast poprzez szybkie rozciąganie i schładzanie stopionego szkła. Atomy nie mają czasu na uporządkowanie się i są „zamrożone” w tym nieuporządkowanym, amorficznym stanie. Zmniejsza to defekty na granicach kryształów, pozwalając włóknu zachować właściwości szkła, a jednocześnie uzyskać lepszą wytrzymałość i wytrzymałość na rozciąganie.

Struktura monofilamentu: Jednolita całość od „skóry” do „rdzenia”

Włókno szklane, które widzimy, w rzeczywistości składa się z wielumonofilamenty, ale każda żyłka jest odrębną jednostką strukturalną. Żyłka ma zazwyczaj średnicę 5–20 mikrometrów (około 1/5 do 1/2 średnicy ludzkiego włosa). Jej struktura jest jednolita.„jednolity kształt cylindryczny”bez wyraźnego warstwowania. Jednak z perspektywy mikroskopowego rozkładu składu, istnieją subtelne różnice w „jądrze skóry”.

Podczas procesu ciągnienia, gdy stopione szkło jest wyciskane przez małe otwory dyszy przędzalniczej, powierzchnia szybko się chłodzi w kontakcie z powietrzem, tworząc bardzo cienką warstwę"skóra"warstwa (o grubości około 0,1-0,5 mikrometra). Ta warstwa skóry stygnie znacznie szybciej niż warstwa wewnętrzna"rdzeń."W rezultacie zawartość dwutlenku krzemu w warstwie naskórkowej jest nieco wyższa niż w rdzeniu, a układ atomów jest gęstszy i zawiera mniej defektów. Ta subtelna różnica w składzie i strukturze sprawia, że ​​powierzchnia monofilamentu charakteryzuje się większą twardością i odpornością na korozję niż rdzeń. Zmniejsza to również ryzyko pęknięć powierzchniowych – uszkodzenia materiału często zaczynają się od defektów powierzchniowych, a ta gęsta warstwa naskórkowa działa jak ochronna „skorupa” dla monofilamentu.

Oprócz subtelnej różnicy w strukturze skóry, wysokiej jakościwłókno szklaneWłókno monofilamentowe charakteryzuje się również silnie kołową symetrią przekroju poprzecznego, a błąd średnicy jest zazwyczaj kontrolowany z dokładnością do 1 mikrometra. Ta jednorodna struktura geometryczna zapewnia równomierne rozłożenie naprężeń na całym przekroju poprzecznym podczas naprężania włókna monofilamentu, zapobiegając ich koncentracji spowodowanej lokalnymi nierównomiernościami grubości, a tym samym poprawiając ogólną wytrzymałość na rozciąganie.

Struktura zbiorowa: uporządkowane połączenie „przędzy” i „tkaniny”

Chociaż monofilamenty są wytrzymałe, ich średnica jest zbyt mała, aby stosować je samodzielnie. Dlatego włókno szklane zazwyczaj występuje w postaci"kolektyw,"najczęściej jako„przędza z włókna szklanego”I„tkanina z włókna szklanego”.Ich struktura jest wynikiem uporządkowanego połączenia monofilamentów.

Przędza z włókna szklanego to zbiór od kilkudziesięciu do tysięcy pojedynczych włókien, połączonych ze sobą w sposób"pokrętny"lub bycie"rozkręcony."Przędza nieskręcona to luźny zbiór równoległych monofilamentów o prostej strukturze, stosowany głównie do produkcji wełny szklanej, włókien ciętych itp. Przędza skręcona natomiast powstaje poprzez skręcenie monofilamentów, tworząc spiralną strukturę podobną do nici bawełnianej. Struktura ta zwiększa siłę wiązania między monofilamentami, zapobiegając rozplataniu się przędzy pod wpływem naprężeń, dzięki czemu nadaje się ona do tkania, nawijania i innych technik przetwarzania."liczyć"przędzy (indeks określający liczbę monofilamentów, np. przędza o gęstości 1200 texów składa się ze 1200 monofilamentów) i"twist"(liczba skrętów na jednostkę długości) bezpośrednio decyduje o wytrzymałości przędzy, jej elastyczności i późniejszej wydajności przetwarzania.

Tkanina z włókna szklanego to struktura przypominająca arkusz, wykonana z przędzy z włókna szklanego w procesie tkania. Trzy podstawowe sploty to: płócienny, skośny i satynowy.Splot płóciennyTkanina powstaje w wyniku naprzemiennego przeplatania się osnowy i wątku, co skutkuje zwartą strukturą o niskiej przepuszczalności, ale równomiernej wytrzymałości, dzięki czemu nadaje się jako materiał bazowy do materiałów kompozytowych.splot skośnyTkanina, osnowa i wątek przeplatają się w stosunku 2:1 lub 3:1, tworząc na powierzchni skośny wzór. Jest on bardziej elastyczny niż splot płócienny i często stosowany do wyrobów wymagających gięcia lub kształtowania.Splot satynowyma mniej punktów przeplotu, a nitki osnowy lub wątku tworzą ciągłe, unoszące się linie na powierzchni. Splot ten jest miękki w dotyku i ma gładką powierzchnię, dzięki czemu nadaje się do elementów dekoracyjnych lub o niskim współczynniku tarcia.

Niezależnie od tego, czy chodzi o przędzę czy tkaninę, rdzeniem struktury zbiorczej jest osiągnięcie poprawy wydajności„1+1>2”poprzez uporządkowane połączenie monofilamentów. Monofilamenty zapewniają podstawową wytrzymałość, a struktura zbiorcza nadaje materiałowi różne formy, elastyczność i podatność na przetwarzanie, aby sprostać zróżnicowanym potrzebom, od izolacji termicznej po wzmocnienie konstrukcji.