Klaaskiud: määratlus, omadused, ajalugu ja kasutusalad (GRP/FRP)

Klaaskiud on materjal, mis on valmistatud väga peentest klaaskiududest. Need kiud on tavaliselt tehtud sulatatud klaasist, mis on töödeldud nii, et tekib väga õhuke ja vastupidav niit või kiud. Klaaskiudu kasutatakse laialdaselt paljude polümeertoodete tugevdusmaterjalina; sellest koosnev komposiit nimetatakse igapäevases kõnepruugis sageli "klaaskiudaineks". Õiged terminid on kiududega tugevdatud polümeer (FRP) või klaasiga tugevdatud plast (GRP).

Struktuur ja koostis

Klaaskiud moodustub siis, kui ränidioksiidipõhine või muu klaasisegu ekstrudeeritakse paljudeks väikese läbimõõduga kiududeks, mis sobivad tekstiilitöötluseks ja komposiitide valmistamiseks. Klaas erineb orgaanilistest polümeeridest selle poolest, et isegi kiudude tasandil on tal vähe kristallilist struktuuri – klaas on enamasti amorfne tahke aine. Selle tulemusena on klaasi mehaanilised ja keemilised omadused stabiilsed ning neid saab töödelda mikromeetrite suuruste kiududena.

Ajalugu lühidalt

Klaasitootjad on klaaskiudu katsetanud juba pikka aega, kuid massiline tootmine sai võimalikuks alles siis, kui arendati peenemaid tööriistu ja masinaid. Esimene tuntud tööstuslik kasutusala klaasvillana tekkis 1930ndatel ja seda hakati kasutama peamiselt isoleerimiseks. Hiljem levis klaaskiud peaaegu kõigis tööstusharudes tänu headele tugevus- ja isoleerimisomadustele ning töötlemisvõimalustele.

Peamised tüübid ja tootmismeetodid

• Klaasitüübid: levinumad on E-glass (elektriliselt isoleeriv), S-glass (suurema tugevusega), C-glass (korrosioonikindel) ja AR-glass (aluselisele keskkonnale vastupidav).
• Tootmistehnoloogiad: klaasi sulatamine -> kiududeks tõmbamine (fiberizing), mis annab filament-rovingud, keermestatud lõngad, lõigatud kiudud, kangad ja vaibad.
• Komposiitide valmistamine: levinud meetodid on hand lay-up (käsitsi laminaat), spray-up, filament winding (niidikorvi keeramine), pultrusion (pikisuunaline pigistamine), resin transfer molding (RTM) ja pressvormimine.

Omadused ja tehnilised näitajad

• Kõrgendatud tugevus: klaaskiud tugevdab vastuoluliselt polümeere, suurendades komposiidi tõmbe- ja paindeelastsust.
• Kerge kaal: võrreldes metallidega annab klaaskiud suure tugevuse/kaalu suhte.
• Korrosioonikindlus: klaaskiud ei roosteta ja on sageli vastupidav keemilisele korrosioonile sõltuvalt klaasitüübist ja vaigust.
• Elektrilised omadused: paljud klaasitüübid on hea isolaator.
• Termilised omadused: klaaskiud talub mõõdukaid temperatuure, kuid kõrged temperatuurid ja tulekahju võivad halvendada vaigu-klaasi liidest ja komposiidi tugevust.
• Pinna ja viimistlus: klaaskiudseid tooteid saab hõlpsasti vormida, värvida ja viimistleda.

Kasutusalad

Klaaskiudu ja sellest valmistatud FRP/GRP-komponente kasutatakse väga laialdaselt:

• paadid ja jahid (kere ja sisustuselemendid),
• autotööstus (katted, korpused, keredetailid),
• torustikud ja keevituskindlad torud keemiatööstusele,
• tuulegeneraatorite labad ja struktuurid,
• ehitus (fassaadid, elemendid, sildanosad),
• elektroonika ja elektriseadmed (isolatsioon, korpused),
• spordivarustus (rattaraamid, suusakepid, aerulised osad),
• isolatsioonimaterjalid (klaasvill),
• prototüüpide ja esteetiliste osade tootmine.

Eelised ja piirangud

• Eelised: kõrge tugevus/kaalu suhe, hea korrosioonikindlus, mitmekülgsus vormimise ja viimistluse osas, elektriline isolatsioon.
• Piirangud: suhteliselt halb tulekindlus ilma spetsiaalsete lisanditeta, mehaaniliselt ränk kokkupõrkel on silemetallist madalam plastilisus, UV-kiirgus võib pikaaegsel mõjutamisel degradeerida vaigumaatriksi, ning komposiitmaterjalide taaskasutus on keerukam kui puhtalt metallide puhul.

Keskkond, ohutus ja taaskasutus

Klaaskiud ei ole bioloogiliselt lagunev ja selle tootmine nõuab energiat ning teatud määral kemikaale. Komposiitide taaskasutus on tööstuse valdkond, kus uuritakse nii mehaanilist taaskasutust (purustamine ja täitematerjalina kasutamine), keemilist ringlussevõttu (pürrolüüs ja solvolüüs) kui ka komposiidi ümberkujundamist uute toodete koostisesse. Praegused lahendused sageli viivad kiudude "downcycling"‑ini, kuid ringlussevõtu ja uute lahenduste väljatöötamine on aktiivne uurimisvaldkond.

Toodete töötlemisel ja lõikamisel tuleb järgida ohutusnõudeid: klaaskiudne tolm ja kiud võivad ärritada nahka, silmi ja hingamisteid, seetõttu kasutatakse isikukaitsevahendeid (respiraatorid, kaitseprillid, kindad). Ka värvimisel ja vaigutoodete kasutamisel tuleb järgida tootja ohutusjuhiseid.

Kokkuvõte

Klaaskiud on mitmekülgne ja laialt kasutatav materjal, mis võimaldab valmistada kergemaid, tugevaid ja korrosioonikindlaid komponente mitmes valdkonnas. FRP/GRP‑komposiidid on tänapäeva tööstuses asendamatud, kuid nende nõuetekohane tootmine, töötlemine ja ringlussevõtt on olulised nii tehniliste omaduste kui ka keskkonnamõjude tõttu.

Küsimused ja vastused

K: Mis on klaaskiud?

K: Millised on klaaskiust valmistatud komposiitmaterjali õiged nimetused?

K: Miks sai klaaskiu massiline tootmine võimalikuks alles hilisemas ajaloos?

K: Milline oli klaaskiu esimene suurem kasutusala?

K: Kuidas klaaskiud moodustub?

K: Kuidas sarnaneb klaasi struktuur pehmes staadiumis selle omadustega, kui see on ketratud kiudududeks?

K: Kas klaaskiududega on läbi aegade eksperimenteeritud?

Otsing