Коли ми бачимо вироби, виготовлені зскловолокно, ми часто помічаємо лише їхній зовнішній вигляд та використання, але рідко замислюємося: яка внутрішня структура цієї тонкої чорної або білої нитки? Саме ці невидимі мікроструктури надають скловолокну його унікальні властивості, такі як висока міцність, стійкість до високих температур та корозійна стійкість. Сьогодні ми заглибимося у «внутрішній світ» скловолокна, щоб розкрити секрети його структури.
Мікроскопічний фундамент: «Невпорядкований порядок» на атомному рівні
З атомної точки зору, основним компонентом скловолокна є діоксид кремнію (зазвичай 50%-70% за вагою), а для регулювання його властивостей додаються інші елементи, такі як оксид кальцію, оксид магнію та оксид алюмінію. Розташування цих атомів визначає фундаментальні характеристики скловолокна.
На відміну від «далекого порядку» атомів у кристалічних матеріалах (таких як метали або кристали кварцу), розташування атомів у скловолокні демонструє«короткочасний порядок, довгочасний безлад».Простіше кажучи, в локальній області (в межах кількох атомів) кожен атом кремнію зв'язується з чотирма атомами кисню, утворюючи пірамідоподібну структуру.«кремнеземний тетраедр»структура. Це локальне розташування впорядковане. Однак у більшому масштабі ці кремнеземні тетраедри не утворюють регулярну повторювану решітку, як у кристалі. Натомість вони хаотично з'єднані та складені невпорядкованим чином, подібно до купи будівельних блоків, хаотично зібраних, утворюючи аморфну скляну структуру.
Ця аморфна структура є однією з ключових відмінностей міжскловолокноі звичайне скло. Під час процесу охолодження звичайного скла атоми мають достатньо часу для утворення дрібних, локально впорядкованих кристалів, що призводить до підвищеної крихкості. Натомість, скловолокно виготовляється шляхом швидкого розтягування та охолодження розплавленого скла. Атоми не встигають розташуватися впорядковано та «заморожені» в цьому невпорядкованому, аморфному стані. Це зменшує дефекти на межах кристалів, дозволяючи волокну зберігати властивості скла, одночасно отримуваючи кращу в'язкість та міцність на розтяг.
Структура монофіламенту: однорідна сутність від «шкіри» до «ядра»
Скловолокно, яке ми бачимо, насправді складається з багатьохмонофіламенти, але кожна мононитка є окремим цілісним структурним блоком. Мононитка зазвичай має діаметр 5-20 мікрометрів (приблизно від 1/5 до 1/2 діаметра людської волосини). Її структура є однорідною«тверда циліндрична форма»без очевидного нашарування. Однак, з точки зору мікроскопічного розподілу складу, існують тонкі відмінності між «шкірою та ядром».
Під час процесу витягування, коли розплавлене скло видавлюється з маленьких отворів фільєри, поверхня швидко охолоджується при контакті з повітрям, утворюючи дуже тонкий шар.«шкіра»шар (товщиною близько 0,1-0,5 мікрометра). Цей шар шкіри охолоджується набагато швидше, ніж внутрішній«ядро».В результаті вміст діоксиду кремнію в скін-шарі трохи вищий, ніж в ядрі, а розташування атомів щільніше з меншою кількістю дефектів. Ця незначна різниця у складі та структурі робить поверхню монофіламенту міцнішою за твердістю та корозійною стійкістю, ніж ядро. Це також зменшує можливість появи поверхневих тріщин — руйнування матеріалу часто починається з поверхневих дефектів, і ця щільна оболонка діє як захисна «оболонка» для монофіламенту.
Окрім ледь помітної різниці між шкірою та серцевиною, високоякіснаскловолокноМононитка також має високу кругову симетрію у своєму поперечному перерізі, з похибкою діаметра, яка зазвичай контролюється в межах 1 мікрометра. Ця однорідна геометрична структура гарантує, що коли мононитка напружується, напруга рівномірно розподіляється по всьому поперечному перерізу, запобігаючи концентрації напружень, спричиненій локальними нерівностями товщини, і тим самим покращуючи загальну міцність на розтяг.
Колективна структура: впорядковане поєднання «пряжі» та «тканини»
Хоча монофіламенти міцні, їхній діаметр занадто малий, щоб використовувати їх окремо. Тому скловолокно зазвичай існує у формі«колективний»,найчастіше як«скловолоконна пряжа»і«склотканина».Їхня структура є результатом упорядкованого поєднання монофіламентів.
Скловолокниста пряжа — це сукупність десятків або тисяч монофіламентів, зібраних або«скручування»або бути«розкручений».Некручена пряжа — це пухкий набір паралельних монофіламентів простої структури, який використовується переважно для виготовлення скловати, рубаних волокон тощо. Кручена пряжа, навпаки, утворюється шляхом скручування монофіламентів разом, створюючи спіральну структуру, подібну до бавовняної нитки. Ця структура збільшує силу зв'язку між монофіламентами, запобігаючи розплітанню пряжі під напругою, що робить її придатною для ткацтва, намотування та інших технік обробки.«рахувати»пряжі (індекс, що вказує на кількість монофіламентів, наприклад, пряжа 1200 текс складається з 1200 монофіламентів) та«поворот»(кількість скруток на одиницю довжини) безпосередньо визначають міцність, гнучкість та подальшу обробку пряжі.
Склотканина — це листоподібна структура, виготовлена зі скловолокнистої пряжі за допомогою процесу ткацтва. Три основні переплетення: гладеньке, саржеве та атласне.Плотне переплетенняТканина утворюється шляхом чергування переплетення ниток основи та качка, що призводить до щільної структури з низькою проникністю, але рівномірною міцністю, що робить її придатною як базовий матеріал для композитних матеріалів.саржевого переплетенняТканина, нитки основи та утка переплітаються у співвідношенні 2:1 або 3:1, створюючи діагональний візерунок на поверхні. Воно гнучкіше, ніж полотняне переплетення, і часто використовується для виробів, які потребують згинання або формування.Атласне плетіннямає менше точок переплетення, при цьому нитки основи або утка утворюють безперервні плаваючі лінії на поверхні. Це переплетення м’яке на дотик і має гладку поверхню, що робить його придатним для декоративних або низькотертєвих компонентів.
Чи то пряжа, чи тканина, основою колективної структури є досягнення підвищення продуктивності«1+1>2»завдяки впорядкованій комбінації монофіламентів. Мононитки забезпечують основну міцність, тоді як колективна структура надає матеріалу різні форми, гнучкість та технологічні можливості для задоволення різноманітних потреб, від теплоізоляції до конструкційного армування.
Час публікації: 16 вересня 2025 р.
