Glasvesel

'n Bundel glasvesels

Glasvesel (of veselglas) is 'n materiaal wat bestaan uit uiters fyn vesels van glas wat vir sy fisiese eienskappe gebruik word, en op ander maniere as optiese vesel vervaardig word, wat egter ook uit dun vesels van glas bestaan.

Glasmakers het al eeue lank geëksperimenteer met glasvesel, maar die massavervaardiging van glasvesel is eers moontlik gemaak nadat fyn masjiengereedskap ontwikkel is. In 1893 het Edward Drummond Libbey 'n rok by die World's Columbian Exposition uitgestal wat gedeeltelik bestaan het uit glasvesels met die deursnee en tekstuur van sy. Glasvesel kan ook voorkom natuurlik, soos by die vulkaniese materiaal "Pele se hare".

Glaswol, wat ook as "veselglas" bekend staan, is in 1932-1933 deur Russell Games Slayter van Owens-Corning ontwikkel om gebruik te word as termiese isolasie vir geboue.^[1] Dit word onder die handelsnaam Fiberglas bemark, wat 'n generiseerde handelsmerk geword het. By die vervaardiging van glasvesel wat as hitte-isolerende materiaal bestem is, word 'n bindingsagent gebruik om klein lugselle vas te vang, wat die lug-gevulde lae-digtheid "glas wol" familie van produkte kenmerk.

Glasvesel se meganiese eienskappe is min of meer vergelykbaar met ander vesels soos polimere en koolstofvesel. Hoewel dit nie so sterk of so rigied soos koolstof vesel is nie, is dit baie goedkoper en aansienlik minder bros wanneer dit in saamgestelde materiale gebruik word. Glasvesel word dus gebruik as 'n versterkingselement in baie polimeerprodukte, om 'n baie sterk en relatief liggewig vesel-versterkte polimeer saamgestelde materiaal te vorm wat glas versterkte plastiek (Engels "Glass Reinforced Plastic" - GRP), ook algemeen bekend as "veselglas". Hierdie materiaal bevat min of geen lug of gas nie, en is dus digter, en 'n swakker termiese isoleermiddel as glas wol.

Veselvorming

Glas vesel word gevorm wanneer dun stringe van glas (gewoonlik gebaseer op silika) uitgedruk word om vesels met 'n klein deursnee te vorm wat geskik is vir tekstielverwerking. Die tegniek om glas te verhit en in fyn vesels uit te trek is reeds vir millennia bekend, maar die gebruik van hierdie vesels in tekstieltoepassings is meer onlangs. Tot voor die onlangse moderne tyd, is alle glasvesels as stapel gevorm, m.a.w. 'n massa van kort stukkies van die vesel.

Die moderne metode vir die vervaardiging van glaswol is deur Games Slayter ontwikkel toe hy gewerk het by die Owens-Illinois Glasmaatskappy in Toledo, Ohio. Hy het in 1933 vir die eerste keer aansoek gedoen vir 'n patent vir 'n nuwe glaswol vervaardigingsproses. Die eerste kommersiële produksie van glasvesel was in 1936. In 1938 het die Owens-Illinois Glasmaatskappy en Corning Glass Works saamgesmelt om die Owens-Corning Fiberglas Corporation te vorm. Die nuwe maatskappy het filament glasvesel op die mark gebring.^[2] Owens-Corning is nog steeds die grootste glasvesel produsent.^[3]

Die mees algemene tipe glasvesel wat in veselglas gebruik word, word vervaardig uit E-glas: alumino-borosilikaatglas met minder as 1% m/m alkalioksiede, wat hoofsaaklik gebruik word vir glas-versterkte plastiek. Ander vorme van glas wat gebruik word, is A glas (Alkali-kalk glas met min of geen booroksied), E-CR-glas (Electrical/Chemical Resistance: alumino-kalk silikaat met minder as 1% m/m alkalioksiede, met'n hoë weerstand teen sure), C-glas (alkali-kalk glas met'n hoë booroksied inhoud, wat gebruik word vir glas stapelvesels en isolasie), D-glas (borosilikaat glas, vernoem na sy lae Diëlektriese konstante), R-glas (aluminosilikaat glas sonder MgO en CaO met hoë meganiese vereistes wat gebruik word as versterking), en S-glas (aluminosilikaat glas sonder CaO maar met'n hoë MgO inhoud met hoë treksterkte).^[4]

Suiwer silika (silikondioksied) kan as gesmelte kwarts afgekoel word sodat dit 'n glas vorm wat geen ware smeltpunt oon nie. Dit kan gebruik word as 'n glas vesel vir veselglas, maar het die nadeel dat dit teen 'n baie hoë temperatuur bewerk moet word. Om die nodige werktemperatuur te verlaag, kan ander materiale as smeltmiddels bygevoeg word. Gewone A-glas ("A" vir "alkali-kalk") of sodakalkglas, wat fyngemaal is om gesmelt te word, so-genaamde breekglas, was die eerste tipe glas wat gebruik is vir veselglas. E-glas ("E" as gevolg van die aanvanklike elektriese toepassing), is vry van alkalië, en was die eerste glasformulering wat gebruik is vir deurlopende filamente. Dit maak nou die grootste volume veselglasproduksie in die wêreld uit, en is ook die grootste enkele verbruiker van boorminerale in die wêreld. Dit is vatbaar vir chloriedioon aanval en is dus nie 'n goeie keuse vir toepassings waar dit in kontak met seewater sou wees nie. S-glas ("S" vir "Sterkte") word gebruik wanneer'n hoë treksterkte (modulus) belangrik is, en is dus belangrike in saamgestelde materiale vir bouwerk en vliegtuigkonstruksie. Dieselfde stof is bekend as R-glas ("R" vir "reinforcement": "versterking") in Europa. C-glas ("C" vir "chemiese weerstand") en T-glas ("T" vir "termiese isolator" – 'n Noord-Amerikaanse variant van C-glas) is bestand teen chemiese aanval; beide word gebruik in isolasie-graad geblaaste veselglas.^[5]

Chemie

Die basis van tekstiel-graad glasvesel is silika, SiO₂. In sy suiwer vorm bestaan dit as 'n polimeer, (SiO₂)_n. Dit het geen ware smeltpunt nie, maar word sagter tot by ongeveer 1200 °C, waar dit begin om af te breek. By 'n temperatuur van 1713 °C kan die meeste molekules vrylik beweeg. As die glas uitgedrukt word by hierdie temperatuur en vinnig afgekoel word, sal dit nie in staat wees om 'n geordende struktuur te vorm nie.^[6] In die polimeer vorm dit SiO₄ groepe wat tetrahedraal gerangskik is met die silikonatoom in die middel, en vier suurstofatome by die hoeke. Hierdie atome vorm dan 'n netwerk waar hulle gekoppel is aan die hoeke deurdat die suurstofatome gedeel word.

Die glasagtige en kristallyne state van silika (glas en kwarts) het op 'n molekulêre basis soortgelyke energievlakke, wat die rede is dat die glasagtige vorm uiters stabiel is. Om kristallisasie moontlik te maak, moet dit vir lang tye verhit word tot temperature bo 1200 °C.

Hoewel suiwer silika 'n effektiewe materiaal is vir die vervaardiging van glas en glasvesel, moet dit by baie hoë temperature bewerk word, sodat dit selde suiwer gebruik word, tensy sy spesifieke chemiese eienskappe nodig is. Dit is gebruiklik om onsuiwerhede in die glas in te bou om sy werkstemperatuur te verlaag. Hierdie bymiddels verleen ook verskeie ander eienskappe aan die glas wat voordelig kan wees in verskillende toepassings. Die eerste tipe van glas wat gebruik is vir vesel was sodakalkglas: 'n tipe-A glas ("A" vir die alkali dit bevat). Dit bied nie baie weerstand teen alkali nie. 'n Nuwer, alkali-vrye (<2%) tipe, E-glas, is 'n alumino-borosilikaatglas.^[7] C-glas is ontwikkel om aanval van chemikalieë, meestal sure wat E-glas vernietig, te weerstaan. T-glas is'n Noord-Amerikaanse variant van die C-glas. AR-glas is alkali-weerstandige glas. Die meeste glasvesel het 'n beperkte oplosbaarheid in water, maar dit is baie afhanklik van die pH. Chloriedione sal ook E-glas oppervlaktes aanval en ontbind.

E-glas smelt nie eintlik nie, maar versag eerder. Die versagtingspunt word gedefinieer as die temperatuur waarby 'n vesel met 0.55–0.77 mm deursnee en 235 mm lank, onder sy eie gewig teen 1 mm/min verleng wanneer dit vertikaal opgehang word en teen 'n koers van 5 °C per minuut verhit word.^[8] Die vervormingspunt word bereik wanneer die glas 'n viskositeit van 10^14.5 poise bereik. Die uitgloeiingspunt is die temperatuur waar die interne spanning binne 15 minute tot 'n aanvaarbare kommersiële vlak verlaag, en word gekenmerk deur 'n viskositeit van 10¹³ poise.

Eienskappe

Termies

Glas vesel is nuttige termiese isoleerders as gevolg van hulle hoë verhouding van oppervlakte tot gewig. Die verhoogde oppervlakte maak hulle egter baie meer vatbaar vir chemiese aanval. Die lug wat binne blokke van glasvesel vasgevang is, maak dit goeie termiese isolering, met 'n termiese geleidingsvermoë op die orde van 0.05 W/(m·K).^[9]

Treksterkte

Vesel tipe	Treksterkte (MPa)[10]	Druksterkte (MPa)	Digtheid (g/cm^3)	Termiese uitsetting (mm/m·°C)	Versagtings T (°C)	Prys ($/kg)
E-glas	3445	1080	2.58	5.4	846	~2
S-2 glas	4890	1600	2.46	2.9	1056	~20

Die sterkte van die glas word gewoonlik bepaal vir ongerepte vesel wat pas vervaardig is. Die varsste, dunste vesel is die sterkste, want die dunner vesels is meer smeebaar. Hoe meer die oppervlak gekrap is, hoe minder belasbaar is die vesel. Omdat glas 'n amorfe struktuur het, is sy eienskappe dieselfde langs die vesel en dwars oor die vesel. Humiditeit is 'n belangrike faktor in die treksterkte. Vog word maklik geadsorbeer, en kan mikroskopiese krake en oppervlakdefekte vererger, wat die belasbaarheid verder verminder.

Glas kan meer verlenging as koolstofvesel ondergaan voor dit breek. Dunner filamente kan verder buig voordat hulle breek.^[11] Die viskositeit van die gesmelte glas is baie belangrik in die vervaardigingsproses. Tydens die trekproses, waar die warm glas uitgerek word om die vesels dunner te maak, moet die viskositeit relatief laag wees. As dit te hoog is, sal die vesel breek as dit getrek word, maar as dit te laag is, sal die glas druppels vorm in plaas van om in 'n vesel uitgerek te word.

Vervaardigingsproses

Smelting

Daar is twee hoof tipes glasveselvervaardigingsproses, en twee hoof tipes glasvesel produk. Eerstens kan vesel gemaak word deur die direkte smelt proses of 'n albaster hersmeltingsproses. Beide begin met die rou materiaal in vaste vorm. Die materiaal word gemeng en gesmelt in 'n oond. Dan, vir die albasterproses, word die gesmelte materiaal in stukke gesny wat gerol word om albasters te vorm wat afgekoel en verpak word. Die albasters word dan na die veselproduksiefasiliteit vervoer, waar hulle in 'n metaalhouer gesmelt word. Die gesmelte glas word dan deur 'n spuitstuk gedruk. In die direkte smeltproses, word die gesmelte glas in die oond direk deur 'n spuitstuk gedruk vir veselvorming.

Vorming

Die mees belangrike deel van die glasveselmasjinerie is die spuitoond: 'n klein metaal oondjie met spuitstukke vir die veselvorming. Dit bestaan byna altyd uit 'n platinum-rhodium legering vir duursaamheid. Platinum word gebruik omdat dit goed benat word deur gesmelte glas. Suiwer platinum spuitoonde word egter te goed benat, sodat die glas onder die plaat indring nadat dit die spuitstuk verlaat, en ophoop aan die onderkant. Hierdie eienskap, sowel as die hoë prys en geneigdheid om te verweer, het daartoe gelei dat die suiwer platinum met 'n legering vervang is. In die direkte smelt proses, dien die spuitoond as 'n versamelaar vir die gesmelte glas. Dit word effens verhit om die glas by die korrekte temperatuur vir veselvorming te hou. In die albaster smeltproses, tree dit eerder as 'n oond op, omdat dit die materiaal moet smelt.^[12]

Spuitoonde is die grootste koste-element in veselglas produksie. Die spuitstukontwerp is ook van kritieke belang. Die aantal spuitstukke in 'n spuitoond wissel van 200 tot 4000 in veelvoude van 200. Die belangrikste eienskap van die spuitstuk vir deurlopende filamentvervaardiging is die wanddikte by die uitlaat. Die invoeging van 'n insinking hier verminder benatting. Moderne spuitstukke word ontwerp om 'n minimumdikte by die uitgang te hê. Terwyl glas deur die spuitstuk vloei, vorm dit 'n druppel wat van die punt afhang. Wanneer dit val, word 'n draad gevorm wat deur die meniskus van die spuitstuk vasgehou word so lank as wat die viskositeit is in die korrekte bereik is vir veselvorming. Hoe kleiner die annulêre ring van die mondstuk is, en hoe dunner die wand by die uitlaat, hoe vinniger sal die druppel vorm en wegval, en hoe kleiner is sy neiging om die vertikale deel van die spuitstuk te benat.^[13] Die oppervlakspanning van die glas beïnvloed die meniskusvorming. Vir E-glas moet dit rondom 400 mN/m wees.

Die treksnelheid is belangrik vir die ontwerp van die mondstuk. Dikker vesel kan gemaak word deur 'n stadiger treksnelheid te gebruik, maar dit is onekonomies om 'n spoed te gebruik waarvoor die spuitpunte nie ontwerp is nie.

Deurlopende filamentproses

In die deurlopende filamentproses, nadat die vesel getrek is, word 'n materiaal aangebring om die vesel te beskerm wanneer dit op 'n spoel gewen word. Partykeer dien dit net as 'n prosesseringshulpmiddel, maar party bedekkings maak dat die vesel beter vaskleef aan sekere hars, as die vesel in 'n saamgestelde materiaal gebruik moet word. Die bymiddel maak gewoonlik 0,5–2,0% van die gewig uit. Die vesel word teen ongeveer 1 km/min op die spoel gewen.

Stapelveselproses

Wanneer kort lengtes van glasvesel gemaak word, die sogenaamde stapelvesel, is 'n aantal alternatiewe prosesse moontlik. Die glas kan geblaas word met warm lug of stoom nadat dit die vormingsmasjien verlaat. Gewoonlik word hierdie vesel in 'n soort mat gevorm. Die mees algemene proses wat gebruik word is die slingerproses. Hier gaan die gesmelte glas in 'n roterende spinner, en word deur sentrifugale krag horisontaal uitgegooi. Die lugstrale druk dit vertikaal afwaarts, en 'n bindingsmateriaal word aangebring. Dan word die mat op 'n sif vasgesuig en die bindingsmateriaal word in 'n oond verhard.^[14]

Veiligheid

Glasvesel het toegeneem in gewildheid sedert die ontdekking dat asbes kankerwekkend is, en uit die meeste produkte verwyder is. Die veiligheid van glasvesel word egter ook in twyfel getrek, aangesien navorsing toon dat die samestelling van die materiaal (asbes en glas vesel is beide silikaat vesels) soortgelyke toksisiteit as asbes kan veroorsaak.^[15][16][17]

Studie op rotte in die 1970s het getoon dat veselagtige glas met 'n deursnee van minder as 3 μm en 'n lengte groter as 20 μm intens karsinogenies is. Die Internasionale Agentskap vir Navorsing oor Kanker het ook in 1990 gevind dat dit "redelikerwys verwag kan word om 'n karsinogeen te wees". Die American Conference of Governmental Industrial Hygienists het egter bevind dat daar onvoldoende getuienis is, en klassifiseer glasvesel in groep A4: "Nie klassifiseerbaar as'n menslike karsinogeen".

Die North American Insulation Manufacturers Association (NAIMA) beweer dat glasvesel fundamenteel verskil van asbes, omdat dit mens-gemaak is, en nie natuurlik voorkom nie.^[18] Hulle beweer dat glasvesel in die longe oplos, terwyl asbes in die liggaam bly.

'n 1998 studie op rotte het gevind dat slegs 0,04–10% sintetiese vesel na een jaar in die liggaam oorgebly het, maar 27% van amosiet asbes. Vesel wat langer in die liggaam bly is gevind om meer karsinogenies te wees.^[19]

Glasversterkte plastiek (veselglas)

Glas versterkte plastiek (Engels: "Glass Reinforced Plastic", of GRP) is 'n saamgestelde materiaal of vesel-versterkte plastiek wat bestaan uit plastiek wat versterk is deur fyn glasvesels. Die saamgestelde materiaal word ook algemeen veselglas genoem. Die glas kan in die vorm van 'n gekapte veselmat ("Chopped Strand Mat" ­– CSM) of 'n geweefde stof uit kontinue filamente bestaan.^[20]

Soos by baie ander saamgestelde materiale (soos gewapende beton), werk die twee materiale saam om mekaar se tekorte te oorkom. Terwyl die plastiek sterk is onder druk en relatief swak in treksterkte, is die glasvesel is baie sterk onder spanning, maar kan nie kompressie weerstaan nie. Die kombinasie van die twee materiale kan beide druk- en trekkragte goed weerstaan.^[21] Die twee materiale kan eweredig versprei word, of die glas kan veral geplaas word in daardie gedeeltes van die struktuur wat aan trekkragte onderwerp word.

Gebruike

Normale glasvesel word gebruik vir termiese isolasie, elektriese isolasie, klankdigting, hoë-sterkte tekstiele, en hitte - en korrosiebestande tekstiele. Dit word ook gebruik om verskillende materiale te versterk, soos tentpale, paalspringpale, pyle, boë en kruisboë, deurskynende dakpanele, motorrompe, hokkiestokke, branderplanke, en bootrompe. Dit word vir mediese doeleindes soos spalke gebruik. Veselglas word ook wyd gebruik word vir tenks.

Losgeweefde glasvesel roosters word gebruik om teerpaaie te versterk.^[22] Nie-geweefde gemengde glasvesel/polimeer matte word versadig met teeremulsie en bedek met teer, wat 'n waterdigte, kraak-bestande membraan tot gevolg het. Gebruik van die glasvesel versterkte polimeer wapening in plaas van staalwapening is belowend vir toepassings waar roes van staalwapening problematies is.^[23]

Herwinde glasvesel

Vervaardigers van glasvesel isolasie kan herwinde glas gebruik om vesel met tot 40% herwinde glas te maak.^[24][25]

Aantekeninge en verwysings

1. Slayter patent for glass wool. Application 1933, granted 1938.
2. Loewenstein, K.L. (1973). The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers. New York: Elsevier Scientific. pp. 2–94. ISBN 0-444-41109-7.
3. http://www.researchandmarkets.com/reports/592029.
4. E. Fitzer (2000). "Fibers, 5. Synthetic Inorganic". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.a11_001.
5. Fiberglass. Redorbit.com (2014-06-20). Retrieved on 2016-06-02.
6. Gupta, V.B. (1997). Manufactured Fibre Technology. London: Chapman and Hall. pp. 544–546. ISBN 0-412-54030-4.
7. Volf, Milos B. (1990). Technical Approach to Glass. New York: Elsevier. ISBN 0-444-98805-X.
8. Lubin, George (Ed.) (1975). Handbook of Fiberglass and Advanced Plastic Composites. Huntingdon NY: Robert E. Krieger.
9. Incropera, Frank (1990). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (3rd uitg.). John Wiley & Sons. pp. A11. ISBN 0-471-51729-1.
10. Frederick T. Wallenberger (Oktober 2009). Fiberglass and Glass Technology: Energy-Friendly Compositions and Applications. Springer. pp. 211–. ISBN 978-1-4419-0735-6. Besoek op 29 April 2011.
11. Hillermeier KH, Melliand Textilberichte 1/1969, Dortmund-Mengede, pp. 26–28, "Glass fiber—its properties related to the filament fiber diameter".
12. Loewenstein, K.L. (1973). The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers. New York: Elsevier Scientific. p. 91. ISBN 0-444-41109-7.
13. Loewenstein, K.L. (1973). The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers. New York: Elsevier Scientific. p. 94. ISBN 0-444-41109-7.
14. Mohr, J.G. (1978). Fiberglass. Atlanta: Van Nostrand Reindhold. p. 13. ISBN 0-442-25447-4.
15. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/household-safety/tips/dangerous-insulation1.htm.
16. http://www.einstein.yu.edu/ehs/Industrial%20Hygiene/Fs_Fibergls.htm.
17. Infante, PF (1996). "Fibrous glass insulation and cancer: response and rebuttal". American journal of industrial medicine. 30 (1): 113–20. doi:10.1002/(sici)1097-0274(199607)30:1<113::aid-ajim21>3.3.co;2-n.
18. http://www.naima.org/pages/resources/faq/faq_fiber.html#Anchor-What-32744.
19. T. W. Hesterberga, G. Chaseb, C. Axtenc, 1, W. C. Millera, R. P. Musselmand, O. Kamstrupe, J. Hadleyf, C. Morscheidtg, D. M. Bernsteinh and P. Thevenaz (2 Augustus 1998). "Biopersistence of Synthetic Vitreous Fibers and Amosite Asbestos in the Rat Lung Following Inhalation". 151 (2): 262–275. doi:10.1006/taap.1998.8472.
20. Ilschner, B (2000). "Composite Materials". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.a07_369.
21. Erhard, Gunter. Designing with Plastics. Trans. Martin Thompson. Munich: Hanser Publishers, 2006.
22. "Reflective Cracking Treated with GlasGrid" (PDF). CTIP News. 2010. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 26 Februarie 2013. Besoek op 1 September 2013.
23. "Steel Versus GFRP Rebars?". Public Roads. September–Oktober 2005. Besoek op 1 September 2013.
24. New recycling effort aims to push KC to go green with its glass, Kansas City Star, October 14, 2009
25. FAQs About Fiber Glass Insulation. North American Insulation Manufacturers Association

Eksterne skakels

• CDC – Fibrous Glass – NIOSH Workplace Safety and Health Topic
• Fiberglass and health Geargiveer 3 November 2017 op Wayback Machine
• International Geosynthetics Society, algemene informasie oor geotekstiele and geosintetiese materiale.