Стеклопластик является одним из наиболее распространенных материалов благодаря уникальной комбинации технических характеристик и эксплуатационных свойств при полном отсутствии вредных для окружающей среды и здоровья компонентов. Его структура состоит из стеклянных или кварцевых волокон, объединенных в высокопрочный монолит с помощью особых связующих веществ. В их качестве используются термопластичные и термореактивные полимеры в сочетании с дополнительными добавками, модифицирующими готовый материал с учетом требуемых параметров и свойств. Это могут быть как красители, так и другие экологически чистые составы, например, улучшающие устойчивость к агрессивным средам, низким или высоким температурам, повышающие прочность на разрыв и другие.
Где применяется материал?
Среди композитных материалов стеклопластик занимает по популярности первое место. Он используется для производства предметов быта, потребительских товаров, техники, инструментов, всевозможных конструкций и транспорта. Уникальные свойства позволяют с его помощью изготавливать трубы и профили различного сечения, выдерживающие высокое давление и механические нагрузки, в их числе, например, корпуса ракетных двигателей.
Особое место стеклопластик занимает в строительстве. С его помощью создаются износостойкие покрытия, конструкции и материалы, которые существенно превосходят по характеристикам аналоги из стали или других материалов. Ярким примером является стеклопластиковая арматура или сетка. Уникальные свойства делают их идеальной альтернативой металлическим изделиям даже с антикоррозийным покрытием.
Преимущества стеклопластика
- Диэлектрические свойства. Диэлектричность — характеристика, определяющая низкую электропроводность. Благодаря этому, стеклопластик является идеальным изоляционным материалом. Его используют для изготовления защитных оболочек кабеля, щитов, корпусов всевозможных приборов, устройств, оборудования и машин.
- Малый вес. Масса металлов, используемых в строительстве и производстве, колеблется от 2,8 до 8,9 г/см3 в зависимости от марки и сорта сплава. Вес стеклопластика составляет всего 1,4–2,1 г/см3. При этом прочностные характеристики композитных изделий не уступают стальным аналогам, а в некоторых случаях даже и превосходят. Это делает незаменимым применение стеклопластика в условиях, когда нужно максимально уменьшить массу конструкции, сохранив высокую прочность. Ярким примером является автомобилестроение, судостроение и строительство, где композиты позволяют увеличивать полезную нагрузку до предельных параметров, снижая при этом массу опорных конструкций или силовых элементов в несколько раз.
- Повышенная прочность. Стеклопластик по прочностным свойствам превосходит сталь и сплавы цветных металлов, которые используются в строительстве. При этом, механические характеристики во многом зависят от композитного наполнителя и структуры, определяемой технологией производства. Наибольшей прочностью обладают изделия, структура которых выполнена на основе непрерывных волокон, расположенных строго ориентировано. Они могут размещаться взаимно параллельно или под заданным углом.
- Эстетичность. В большинстве случаев менее важно, какие характеристики структуры изделия, если оно будет использоваться в качестве облицовки или размещаться на виду. В этом случае на первый план ставится привлекательность внешнего вида. Благодаря большому разнообразию красителей, продукции из стеклопластика можно придавать абсолютно любой цвет и фактуру. Структура поверхности зависит от технологии производства. Она может быть идеально гладкой, шероховатой или рельефной. Чаще ее фактуру, оттенок и другие параметры диктуют условия применения. В то же время для строительных материалов, которые используются в качестве армирующего каркаса, все наоборот. Здесь «внешность» менее важна.
- Высокая коррозийная стойкость. Стеклопластик не подвержен коррозии или окислению, как металл. В зависимости от связующих смол, можно повысить стойкость к кислотам и щелочам. Это позволяет использовать композитные изделия на химических производствах, где к материалам предъявляются особые требования. В дополнение, поверхность материала устойчива к воздействиям — развитию грибков, плесени, других микроорганизмов.
- Теплоизоляционные свойства. Низкая теплопроводность является одним из ключевых факторов, влияющих на популярность продукции, в основе которой стекло или кварц. Благодаря этому ее часто применяются в условиях, требующих повышенной теплоизоляции при минимальном объеме и весе. Ярким примером являются конструкции типа «сэндвич», используемые в судостроении, вагоностроении, промышленности и других отраслях.
- Простота применения. Речь идет о строительных материалах. Выбирая изделия из стеклопластика, не придется менять технологию, использовать специальные инструменты или приспособления. Продукция точно копирует форму и поверхность аналогов из металла. При этом превосходит их по прочности, долговечности и надежности.
- Экологическая безопасность. Основными составляющими композитных материалов являются стеклянные или кварцевые волокна. Это сырье не меняет свою структуру, не выделяет едких запахов и летучих компонентов даже при плавлении. В качестве модификаторов и добавок также используются безопасные компоненты природного происхождения или изготовленные из природных, экологически чистых материалов. Благодаря этому, изделия из стеклопластика используются в пищевой промышленности и других отраслях, где предъявляется особые требования к экологичности, отсутствию аллергенов.
Простота изготовления. Существует множество открытых технологий производства стеклопластика. Всех их объединяет общая черта — простота. Она обусловлена минимальными вложениями и высокой степенью автоматизации технологических линий. Оптимальный вариант — готовое производство, для работы которого достаточно 1–3 оператора. Точное число персонала зависит от ассортимента выпускаемой продукции, мощности и количества смен.
Технологии производства
Существует восемь общеизвестных методов производства стеклопластика. Каждый из них применяется для изготовления конкретных изделий, имеет свои недостатки и преимущества.
Ручное формирование
Одна из наиболее трудоемких и «медленных» технологий. Принцип заключается в ручном нанесении материала равномерными слоями или пластами на специальные формы или подставки, которые создают необходимую геометрию готового изделия. Постепенное нанесение слоев упрощает уплотнение. Для удаления воздуха из структуры при формировании волокон в монолит требуются усилия в пределах 1,5 МПа.
Метод применяется для изготовления крупных и/или малосерийных деталей. Чаще это корпуса кораблей, самолетов, специальные конструкции и детали. Ключевым преимуществом технологии является возможность изготовления изделий любой формы и сложности. К недостаткам относятся трудоемкость ручных операций и большой период изготовления готовых деталей или конструкций.
Напыление
Метод напыления отличается меньшими трудозатратами по сравнению с ручной формовкой, но во многом похож. Рубленые волокна стекла или кварца пропитываются смолой, в которой есть модификаторы, обеспечивающие готовому продукту необходимые свойства. Жидкий состав с помощью распылительного устройства наносится на форму, задающую изделию требуемую геометрию. Поверхности формы защищены специальным покрытием или изготавливаются из композита, не вступающего в адгезию с используемым составом.
Способ требует повышенного контроля над качеством смеси, дозировкой компонентов и равномерностью нанесения. Важно следить за температурой компонентов, длиной волокон и массовой долей составляющих. Чтобы обеспечить необходимые условия, требуются значительные капиталовложения. Поэтому такой метод актуален только при массовом изготовлении и/или производстве сложных изделий с высокими требованиями к качеству.
Намотка
Технология подразумевает наматыванием композитного состава на основе волокон из стекла или кварца на специальную оснастку. Насадка задает необходимый диаметр и форму изделию. Вязкий состав наноситься в процессе ее вращения. Визуально такое действие можно сравнить с работой токарного станка. Различие заключается в том, что здесь слой материала не снимается с заготовки, а наносится — формируется на поверхности насадки.
Способ позволяет изготавливать трубы, бочки и цистерны с повышенными требованиями к устойчивости к конкретным группам химикатов, агрессивным средам и/или высокому давлению. Технология достаточно простая, но требует использования специального оборудования, высокая цена которого предполагает существенные капиталовложения.
Пропитка под давлением
Такая технология относится к закрытому способу производства. Метод подразумевает пропитку волокон из стекла или кварца под действием пресса, накрывающего специальную форму. Существует множество разновидностей технологий, улучшающих характеристики, придающих дополнительные свойства или упрощающих изготовление продукции. Наиболее популярными являются:
- Обработка под давлением с термическим расширением TERTM.
- Пропитка под вакуумом или RTM.
- Обработка с легким вакуумным оттиском Light RTM.
Технология используется преимущественно для мелкосерийного производства изделий. Как правило, она позволяет быстро изменять заготовки, переходя на выпуск другой продукции. Недостатком является значительная усадка материала, низкое качество поверхности, требующее дополнительной обработки, а также невысокая производительность.
Прессование
В отличие от пропитки, метод позволяет работать как с сухими заготовками, так и с жидкими составами. Структура изделия формируется после заполнения матрицы под давлением. Длительность обработки зависит от размеров готовой продукции и составляет 4–7 минут. При работе с составами, излишки материала выходят через специальные отверстия. Чтобы избежать образования воздушных пузырей, уделяется повышенное внимание качеству смешивания ингредиентов, дозировке состава и самому процессу прессования. Для их контроля используются современные средства автоматизации.
Применяется способ для производства мебели, спортивных товаров, облицовочных панелей и строительных конструкций. Метод позволяет получать детали с высоким качеством поверхности. Недостатком является дороговизна изготовления из-за сложности оборудования.
Литье под давлением
Метод литья под давлением подразумевает впрыск жидкого или вязкого, исходного состава в пресс-форму. Технология позволяет достичь более высокой производительности, если сравнивать с прессованием. Дополнительными достоинствами способа являются:
- незначительные потери сырья;
- минимальное время циклов производства;
- хорошее качество поверхности готового продукта.
Недостатком считаются худшие эксплуатационные характеристики изделий. По сопротивлению ударным нагрузкам и прочности они существенно уступают аналогам, изготовленным путем прессования.
Протяжка
Технология подразумевает протяжку армирующего волокна или мата через специальную форму. В качестве исходного сырья используются не рассыпчатые волокна или заготовки, на которые наноситься модифицирующий структуру композитный состав. Для пропитки чаще применяются ненасыщенные полиэфиры, реже — эпоксидные смолы. Перечень модификаторов определяется характеристиками готовой продукции.
Способ используется для производства различных потребительских изделий, строительных материалов, заготовок и деталей. Популярность технологии обусловлена более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению, например, с алюминиевыми профилями.
Пултрузия
Современный вариант технологии вытяжки, отличающийся высокой степенью автоматизации. Принцип производства заключается в непрерывной вытяжке материала из формообразующего филлера. В нем сырье разогревается до +150 0С, а затем под давлением формируется необходимый профиль.
Особенностью метода является повышенная производительность. Специальные станки позволяют изготавливать продукцию непрерывно. Способ используется для производства арматуры, профилей, труб и пластин и другой продукции.
Итог
При выборе технологии для старта собственного бизнеса важно уделить внимание не только автоматизации технологических процессов, но и актуальности продукции. Одним из наиболее перспективных направлений является изготовление арматуры, сетки, стеклопластиковых профилей различных форм и других востребованных стройматериалов. Они являются современной альтернативой устаревшим аналогам из металлов.