Поверхностные свойства стеклянных волокон

Стекловолокно представляет собой сильно замороженную термодинамически неустойчивую систему, так как в результате резкого охлаждения в процессе выработки в стекловолокне замораживается высокотемпературная структура стекла. Эта структура различна внутри и в поверхностном слое стекловолокна, вследствие неодинаковых условий охлаждения его объема и поверхности [6]. Все стекла имеют микронеоднородное строение, но обладают при этом различной структурой (размерами микронеоднородностей, характером их границ, различной структурой микронеоднородностей и т. д.) [6]. Тепловая обработка не изменяет строения стекла, но изменяет его структуру. Микронеоднородная структура расплава стекла четко фиксируется в стеклянных волокнах. Эта структура неравновесна и стабилизируется при термической обработке стеклянных волокон [7]. Идеальные однокомпонентные стекла являются структурно-однородными, например, хорошо гомогенезированное кварцевое стекло [7]. Однако промышленное кварцевое стекло независимо от метода его наплавления всегда имеет примеси в своем составе и участки с упорядоченными структурными группами. Такую микронеоднородную структуру имеют и кварцевые волокна промышленного производства.

На формирование структуры и свойств стеклянных волокон большое влияние оказывает тепловое прошлое стекла. Многократная тепловая обработка стекла усиливает его структурную неоднородность, что влечет за собой изменение физико-механических свойств волокон [7].

Стекла и стекловолокна имеют поверхностный слой, содержащий различные дефекты. Под дефектами, определяющими их прочность, понимают микротрещины, включения, микроразрывы любых малых размеров, а также резкие нарушения плотности и химического состава в объемах, значительно превышающий элементы микронеоднородной структуры стекла. Сами элементы микронеоднородной структуры (области микронеоднородностей, их границы и стыки) не относятся к дефектам, так как являются характерными мотивами структуры всех реальных стекол. Следовательно, микронеоднородная бездефектная структура реального стекла характеризуется закономерным чередованием слабых и прочных микроучастков. Данные испытаний «бездефектного» стеклянного волокна свидетельствуют, что все слабые места структуры практически одинаковы по своей прочности [6].

Исследования адгезии стекла показали, что факторы, обусловливающие прилипание разнородных тел при контакте, зависят от химической природы этих тел. При исследовании ряда стекол установлено, что содержание щелочей в составе стекла отрицательно сказывается на адгезии полимеров. Однако при введении в состав натрийкальцийсиликатного стекла оксидов свинца и циркония удельная энергия прилипания, например, глифталевой смолы к пленке повышается почти в 2 раза. Аналогичная закономерность выявлена при измерении удельной энер­гии прилипания кремнийорганических лаков, содержащих активные по­лярные группы (К-17), к различным стеклам, а в композициях с неполярными полимерами (кремнийорганический лак К-43) состав стекла на адгезию не влияет (таблица 15.5).

Таблица 15.5 – Влияние состава стекла на адгезию полимеров к стекловолокнам [8].

Вид стекла	Удельная энергия прилипания, мДж/м2
Глифталевая смо­ла	Кремнийорганические лаки
К-43	К-47
Кварцевое
Бесщелочное алюмоборосвинцовое
Бесщелочное алюмоборосиликатное
Бесщелочное алюмоборобариевое
Бесщелочное алмобороцинковое		–
Бесщелочное алюможелезосиликатное		–
Боратное			–
Силикат свинца			–
Натрийкальцийсиликатное
Натрийалюмомагнезиальное
Натрийсвинцовосиликатное
Натрийцирконийсиликатное		–

Адгезионные свойства стек­лянных волокон тем выше, чем выше содержание оксидов кремния и алюминия в составе стекла, т.е. это кварцевое и бесщелочное алюмосиликатное стекло (таблица 15.5) [8].