1 Hauptanwendung
1.1Verdrehungsfreies Vorgeflecht
Das im Alltag gebräuchliche, unverdrillte Rovings hat eine einfache Struktur und besteht aus parallelen Monofilamenten, die zu Bündeln zusammengefasst sind. Man unterscheidet zwei Arten von unverdrilltem Rovings: alkalifreies und mittelalkalisches. Der Hauptunterschied liegt in der Zusammensetzung der verwendeten Glasfasern. Für die Herstellung hochwertiger Glasrovings sollte der Durchmesser der Glasfasern zwischen 12 und 23 µm liegen. Aufgrund seiner Eigenschaften eignet es sich für die direkte Herstellung bestimmter Verbundwerkstoffe, beispielsweise durch Wickel- und Pultrusionsverfahren. Dank seiner sehr gleichmäßigen Spannung kann es auch zu Rovingsgeweben verwebt werden. Darüber hinaus ist das Anwendungsgebiet von Kurzglasrovings sehr breit.
1.1.1Verdrehungsfreies Rovingsmaterial für Jetting
Beim GFK-Spritzgießverfahren muss das verwindungsfreie Rovings folgende Eigenschaften aufweisen:
(1) Da bei der Produktion ein kontinuierliches Schneiden erforderlich ist, muss sichergestellt werden, dass beim Schneiden möglichst wenig statische Elektrizität entsteht, was eine gute Schneidleistung voraussetzt.
(2) Nach dem Schneiden wird eine maximale Rohseidenausbeute gewährleistet, wodurch eine hohe Effizienz der Seidenherstellung sichergestellt wird. Auch die Aufteilung des Vorgarns in einzelne Stränge nach dem Schneiden ist effizienter.
(3) Nach dem Zerkleinern muss das Rohgarn eine gute Filmbeschichtung aufweisen, damit es vollständig von der Form bedeckt wird.
(4) Da es leicht glatt gerollt werden muss, um die Luftblasen zu entfernen, muss es sehr schnell mit Harz durchdringen können.
(5) Da es verschiedene Modelle von Spritzpistolen gibt, ist darauf zu achten, dass die Dicke des Rohdrahts moderat ist, um eine optimale Anpassung an die jeweilige Spritzpistole zu gewährleisten.
1.1.2Verdrillungsfreie Rovings für SMC
SMC, auch bekannt als Sheet Molding Compound, findet sich in vielen Alltagsgegenständen wieder, beispielsweise in bekannten Autoteilen, Badewannen und Sitzen, die aus SMC-Rovings gefertigt werden. In der Produktion von SMC gelten hohe Anforderungen an das Roving. Um die Qualitätsanforderungen der hergestellten SMC-Platten zu erfüllen, sind eine gute Faserstruktur, antistatische Eigenschaften und geringe Faserbildung unerlässlich. Bei farbigem SMC sind die Anforderungen an das Roving anders. Es muss eine gute Penetration des Harzes mit den enthaltenen Pigmenten gewährleisten. Üblicherweise weist das gängige Glasfaser-SMC-Roving eine Feinheit von 2400 tex auf, in einigen Fällen auch 4800 tex.
1.1.3Ungedrehtes Vorgarn zum Aufwickeln
Zur Herstellung von GFK-Rohren mit unterschiedlichen Wandstärken wurde das Wickelverfahren für Lagertanks entwickelt. Das Rovingmaterial für das Wickeln muss folgende Eigenschaften aufweisen.
(1) Es muss leicht zu befestigen sein, üblicherweise in Form eines flachen Klebebands.
(2) Da das allgemeine, nicht verdrillte Vorgarn beim Abwickeln von der Spule leicht aus der Schlaufe fällt, muss sichergestellt werden, dass seine Abbaubarkeit relativ gut ist und die daraus resultierende Seide nicht so unordentlich wie ein Vogelnest aussieht.
(3) Die Spannung darf nicht plötzlich groß oder klein werden, und es darf kein Überhang auftreten.
(4) Die lineare Dichte des unverdrillten Rovings muss gleichmäßig und kleiner als der vorgegebene Wert sein.
(5) Um sicherzustellen, dass das Rovings beim Durchlaufen des Harztanks leicht benetzt werden kann, ist eine gute Durchlässigkeit erforderlich.
Das Pultrusionsverfahren findet breite Anwendung in der Herstellung verschiedener Profile mit gleichmäßigem Querschnitt. Das für die Pultrusion verwendete Rovings muss einen hohen Glasfaseranteil und eine hohe unidirektionale Festigkeit aufweisen. Das in der Produktion eingesetzte Pultrusionsrovings besteht aus mehreren Rohseidensträngen; es können aber auch direkt gewickelte Rovings verwendet werden. Die übrigen Leistungsanforderungen ähneln denen von Wickelrovings.
1.1.5 Verdrehungsfreies Vorgarn zum Weben
Im Alltag begegnen uns Karostoffe unterschiedlicher Dicke oder in die gleiche Richtung verlaufende Rovings, die eine weitere wichtige Verwendung von Rovings veranschaulichen: die Verwendung zum Weben. Das verwendete Roving wird auch als Webroving bezeichnet. Die meisten dieser Stoffe werden im Handlaminierverfahren für GFK-Formteile verarbeitet. Für das Weben von Rovings müssen folgende Anforderungen erfüllt sein:
(1) Es ist relativ verschleißfest.
(2) Leicht zu befestigen.
(3) Da es hauptsächlich zum Weben verwendet wird, muss vor dem Weben ein Trocknungsschritt erfolgen.
(4) Hinsichtlich der Spannung ist insbesondere darauf zu achten, dass diese nicht sprunghaft ansteigt oder abfällt und gleichmäßig bleibt. Außerdem müssen bestimmte Bedingungen hinsichtlich des Überhangs erfüllt sein.
(5) Die Abbaubarkeit ist besser.
(6) Beim Durchfließen des Harztanks kann das Harz leicht eindringen, daher muss die Durchlässigkeit gut sein.
1.1.6 Verdrillungsfreies Roving für Vorformlinge
Das sogenannte Preform-Verfahren ist allgemein gesprochen ein Vorformungsprozess, bei dem das Produkt nach entsprechenden Schritten entsteht. In der Produktion wird das Rovings zunächst zerkleinert und anschließend auf ein Netz mit vorgegebener Form aufgesprüht. Danach wird Harz aufgesprüht, um die Form zu erhalten. Schließlich wird das geformte Produkt in die Form gegeben, mit Harz gefüllt und heißgepresst. Die Leistungsanforderungen an Preform-Rovings ähneln denen von Jet-Rovings.
1.2 Glasfaser-Rovinggewebe
Es gibt viele Karogewebe, darunter auch Vichy-Karo. Beim Handlaminieren von GFK wird Vichy-Karo häufig als wichtigstes Substrat verwendet. Um die Festigkeit des Vichy-Karos zu erhöhen, muss die Kett- und Schussrichtung des Gewebes umgekehrt werden, wodurch ein unidirektionales Vichy-Karo entsteht. Für die Qualität des Karogewebes müssen folgende Eigenschaften gewährleistet sein.
(1) Der Stoff muss als Ganzes flach sein, ohne Beulen, die Kanten und Ecken müssen gerade sein und er darf keine Schmutzflecken aufweisen.
(2) Länge, Breite, Qualität, Gewicht und Dichte des Gewebes müssen bestimmten Normen entsprechen.
(3) Die Glasfaserfilamente müssen sauber aufgerollt werden.
(4) Um schnell von Harz durchdrungen werden zu können.
(5) Die Trockenheit und Feuchtigkeit der zu verschiedenen Produkten verarbeiteten Stoffe müssen bestimmten Anforderungen genügen.
1.3 Glasfasermatte
1.3.1Gehackte Fasermatte
Zuerst werden die Glasfasern zerkleinert und auf das vorbereitete Gewebeband gestreut. Anschließend wird das Bindemittel darüber gestreut, erhitzt, bis es schmilzt, und dann abgekühlt, bis es aushärtet. So entsteht die Glasfasermatte. Glasfasermatten werden im Handlaminierverfahren und beim Weben von SMC-Membranen verwendet. Um eine optimale Wirkung der Glasfasermatte zu erzielen, müssen in der Produktion folgende Anforderungen an sie gestellt werden.
(1) Die gesamte geschnittene Fasermatte ist flach und gleichmäßig.
(2) Die Löcher der Kurzfasermatte sind klein und von gleichmäßiger Größe
(4) Bestimmte Standards erfüllen.
(5) Es lässt sich schnell mit Harz sättigen.
1.3.2 Endlosfasermatte
Die Glasfaserstränge werden gemäß bestimmter Vorgaben flach auf dem Siebband ausgelegt. Üblicherweise werden sie in Form einer Acht ausgelegt. Anschließend wird Pulverklebstoff darüber gestreut und durch Erhitzen ausgehärtet. Endlosfasermatten sind Kurzfasermatten bei der Verstärkung von Verbundwerkstoffen deutlich überlegen, da die Glasfasern in den Endlosfasermatten durchgehend sind. Aufgrund ihrer besseren Verstärkungswirkung werden sie in verschiedenen Verfahren eingesetzt.
1.3.3Oberflächenmatte
Die Verwendung von Oberflächenmatten ist auch im Alltag üblich, beispielsweise bei der Harzschicht von GFK-Produkten, die aus mittelalkalischem Glas besteht. Am Beispiel von GFK lässt sich dies verdeutlichen: Da die Oberflächenmatte aus mittelalkalischem Glas besteht, ist das GFK chemisch stabil. Gleichzeitig kann die Oberflächenmatte aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer geringen Dicke mehr Harz aufnehmen und erfüllt somit nicht nur eine Schutzfunktion, sondern trägt auch zu einem ansprechenden Erscheinungsbild bei.
1.3.4Nadelmatte
Nadelvliese werden im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilt. Die erste Kategorie besteht aus geschnittenen Glasfasern. Der Herstellungsprozess ist relativ einfach: Zunächst werden Glasfasern mit einer Länge von ca. 5 cm geschnitten und zufällig auf das Trägermaterial gestreut. Anschließend wird das Trägermaterial auf ein Förderband gelegt und mit einer Nadel durchstochen. Durch die Nadelwirkung dringen die Fasern in das Trägermaterial ein und bilden eine dreidimensionale Struktur. Das Trägermaterial muss bestimmte Anforderungen erfüllen und sich flauschig anfühlen. Nadelvliese werden aufgrund ihrer Eigenschaften häufig als Schall- und Wärmedämmstoffe eingesetzt. Sie können zwar auch in Faserverbundwerkstoffen verwendet werden, sind aber aufgrund der geringen Festigkeit und Bruchanfälligkeit des Produkts nicht weit verbreitet. Die zweite Kategorie sind Nadelvliese aus Endlosfasern. Auch hier ist der Herstellungsprozess recht einfach. Zunächst werden die Fasern mithilfe einer Drahtwurfvorrichtung zufällig auf ein vorbereitetes Siebband geworfen. Anschließend werden sie mit einer Nadel durchstochen, um eine dreidimensionale Faserstruktur zu erzeugen. Bei glasfaserverstärkten Thermoplasten werden Endlosnadelmatten häufig eingesetzt.
Durch die Vernähung mit der Verklebungsmaschine lassen sich die geschnittenen Glasfasern innerhalb eines bestimmten Längenbereichs in zwei verschiedene Formen bringen. Zum einen entsteht eine Kurzfasermatte, die eine bindemittelgebundene Kurzfasermatte effektiv ersetzt. Zum anderen entsteht eine Langfasermatte, die die Endlosfasermatte ersetzt. Beide Formen haben einen gemeinsamen Vorteil: Sie kommen ohne Klebstoffe aus, wodurch Umweltverschmutzung und Abfall vermieden werden und dem Wunsch nach Ressourcenschonung und Umweltschutz entsprochen wird.
1.4 Gemahlene Fasern
Die Herstellung von gemahlenen Fasern ist sehr einfach. Man gibt die gehackten Fasern in eine Hammer- oder Kugelmühle. Gemahlene Fasern finden vielfältige Anwendung in der Produktion. Beim Reaktionsinjektionsverfahren dienen sie als Verstärkungsmaterial und weisen deutlich bessere Eigenschaften als andere Fasern auf. Um Risse zu vermeiden und die Schwindung bei der Herstellung von Guss- und Formteilen zu reduzieren, können gemahlene Fasern als Füllstoffe eingesetzt werden.
1,5 Glasfasergewebe
1.5.1Glastuch
Es handelt sich um ein Glasfasergewebe. Glasfasergewebe unterliegt je nach Produktionsstandort unterschiedlichen Standards. In meinem Land wird Glasfasergewebe hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: alkalifreies und mittelalkalisches Glasfasergewebe. Die Anwendungsbereiche von Glasfasergewebe sind sehr vielfältig. Beispiele für alkalifreies Glasfasergewebe sind Fahrzeugkarosserien, Schiffsrümpfe und herkömmliche Lagertanks. Mittelalkalisches Glasfasergewebe zeichnet sich durch eine höhere Korrosionsbeständigkeit aus und wird daher häufig für Verpackungen und korrosionsbeständige Produkte verwendet. Zur Beurteilung der Eigenschaften von Glasfasergeweben sind vier Aspekte entscheidend: die Eigenschaften der Faser selbst, die Struktur des Glasfasergarns, die Kett- und Schussrichtung sowie das Gewebemuster. Die Dichte in Kett- und Schussrichtung hängt von der Garnstruktur und dem Gewebemuster ab. Die physikalischen Eigenschaften des Gewebes werden durch die Dichte in Kett- und Schussrichtung sowie die Struktur des Glasfasergarns bestimmt.
1.5.2 Glasband
Glasbänder werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Webkantenbänder und Vlies-Webkantenbänder, die in Leinwandbindung gewebt werden. Glasbänder eignen sich für elektrische Bauteile, die hohe dielektrische Eigenschaften erfordern, sowie für hochfeste Bauteile in elektrischen Geräten.
1.5.3 Unidirektionales Gewebe
Unidirektionale Stoffe im Alltag werden aus zwei Garnen unterschiedlicher Dicke gewebt, und die resultierenden Stoffe weisen eine hohe Festigkeit in Hauptrichtung auf.
1.5.4 Dreidimensionales Gewebe
Dreidimensionale Textilien unterscheiden sich in ihrer Struktur von planaren Textilien. Durch ihre dreidimensionale Beschaffenheit erzielen sie bessere Ergebnisse als herkömmliche planare Fasern. Dreidimensionale faserverstärkte Verbundwerkstoffe bieten Vorteile, die andere faserverstärkte Verbundwerkstoffe nicht aufweisen. Dank der dreidimensionalen Faserstruktur ist die Gesamtwirkung besser und die Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen höher. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik und der steigenden Nachfrage in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Schiffbau hat sich diese Technologie immer weiterentwickelt und findet mittlerweile sogar Anwendung im Bereich Sport- und Medizintechnik. Dreidimensionale Textilien lassen sich in fünf Hauptkategorien einteilen und sind in vielen Formen erhältlich. Das Entwicklungspotenzial dreidimensionaler Textilien ist daher enorm.
1.5.5 Geformter Stoff
Formgewebe werden zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen eingesetzt. Ihre Form hängt hauptsächlich von der Form des zu verstärkenden Objekts ab und muss, um die Formstabilität zu gewährleisten, auf einer speziellen Webmaschine gewebt werden. In der Produktion können wir symmetrische oder asymmetrische Formen mit geringen Einschränkungen und guten Zukunftsaussichten herstellen.
1.5.6 Gerilltes Kerngewebe
Die Herstellung des Kerngewebes ist ebenfalls relativ einfach. Zwei Gewebelagen werden parallel übereinandergelegt und anschließend durch vertikale Stege verbunden, wobei ihre Querschnittsflächen garantiert regelmäßige Dreiecke oder Rechtecke bilden.
1.5.7 Glasfaserverstärktes Gewebe
Es handelt sich um einen ganz besonderen Stoff, der auch als Strickmatte oder Webmatte bezeichnet wird, aber er ist nicht mit Stoffen oder Matten im üblichen Sinne vergleichbar. Erwähnenswert ist, dass es sich um einen genähten Stoff handelt, der nicht durch Kette und Schuss verwebt, sondern durch abwechselnde Überlappung von Kette und Schuss hergestellt wird.
1.5.8 Isolierhülle aus Glasfaser
Der Produktionsprozess ist relativ einfach. Zunächst werden Glasfasergarne ausgewählt und anschließend zu Röhren verwebt. Je nach den Anforderungen an die Isolationsklasse werden die gewünschten Produkte dann durch Beschichtung mit Harz hergestellt.
1.6 Glasfaserkombination
Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschafts- und Technikausstellungen hat auch die Glasfasertechnologie bedeutende Fortschritte gemacht, und seit 1970 sind verschiedene Glasfaserprodukte auf den Markt gekommen. Im Allgemeinen gibt es folgende:
(1) Kurzfasermatte + unverdrilltes Vorgarn + Kurzfasermatte
(2) Ungedrehtes Rovinggewebe + Kurzfasermatte
(3) Kurzfasermatte + Endlosfasermatte + Kurzfasermatte
(4) Zufällige Faservliese + zerkleinerte Matte im Originalverhältnis
(5) Unidirektionale Kohlenstofffaser + Kurzfasermatte oder -gewebe
(6) Oberflächenmatte + gehackte Stränge
(7) Glasgewebe + dünner Glasstab oder unidirektionales Roving + Glasgewebe
1.7 Glasfaser-Vliesstoff
Diese Technologie wurde nicht zuerst in meinem Land entdeckt. Die früheste Technologie wurde in Europa entwickelt. Später gelangte sie durch Migration in die Vereinigten Staaten, nach Südkorea und in andere Länder. Um die Entwicklung der Glasfaserindustrie zu fördern, hat mein Land mehrere relativ große Fabriken errichtet und erheblich in den Aufbau mehrerer hochmoderner Produktionslinien investiert. In meinem Land werden nassverlegte Glasfasermatten hauptsächlich in folgende Kategorien unterteilt:
(1) Dachmatten spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Eigenschaften von Asphaltmembranen und farbigen Asphaltschindeln und machen diese dadurch noch besser.
(2) Rohrisolierung: Wie der Name schon sagt, wird dieses Produkt hauptsächlich in Rohrleitungen eingesetzt. Da Glasfaser korrosionsbeständig ist, schützt sie die Rohrleitung wirksam vor Korrosion.
(3) Die Oberflächenmatte wird hauptsächlich auf der Oberfläche von GFK-Produkten zum Schutz dieser Oberfläche verwendet.
(4) Die Furniermatte wird hauptsächlich für Wände und Decken verwendet, da sie das Abplatzen der Farbe wirksam verhindert. Sie sorgt für eine glattere Wandoberfläche und muss über viele Jahre nicht zugeschnitten werden.
(5) Die Bodenmatte dient hauptsächlich als Basismaterial für PVC-Böden.
(6) Teppichmatte; als Basismaterial für Teppiche.
(7) Die auf dem kupferkaschierten Laminat angebrachte Kupferkaschierungsmatte kann dessen Stanz- und Bohrleistung verbessern.
2 Spezielle Anwendungen von Glasfasern
2.1 Verstärkungsprinzip von glasfaserverstärktem Beton
Das Prinzip von glasfaserverstärktem Beton ähnelt dem von glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Durch die Zugabe von Glasfasern zum Beton nehmen diese die inneren Spannungen des Materials auf und verzögern oder verhindern so die Ausbreitung von Mikrorissen. Bei der Entstehung von Betonrissen wirkt das Material als Zuschlagstoff und verhindert deren weitere Ausbreitung. Ist die Wirkung des Zuschlagstoffs ausreichend, können sich die Risse nicht ausbreiten und in tiefere Schichten vordringen. Die Rolle der Glasfasern im Beton entspricht der des Zuschlagstoffs und kann die Entstehung und Ausbreitung von Rissen wirksam verhindern. Breitet sich ein Riss in die Nähe der Glasfasern aus, blockieren diese sein Fortschreiten. Dadurch wird der Riss gezwungen, einen Umweg zu nehmen, wodurch sich die Ausbreitungsfläche des Risses und somit auch die zur Schädigung benötigte Energie erhöht.
2.2 Zerstörungsmechanismus von glasfaserverstärktem Beton
Bevor der glasfaserverstärkte Beton bricht, wird die Zugkraft hauptsächlich vom Beton und den Glasfasern aufgenommen. Während des Rissbildungsprozesses wird die Spannung vom Beton auf die benachbarten Glasfasern übertragen. Steigt die Zugkraft weiter an, werden die Glasfasern beschädigt. Die Schadensarten sind hauptsächlich Scher-, Zug- und Ausrissschäden.
2.2.1 Scherversagen
Die Schubspannung im glasfaserverstärkten Beton verteilt sich auf die Glasfaser und den Beton. Sie wird durch den Beton auf die Glasfaser übertragen, wodurch die Glasfaserstruktur beschädigt werden kann. Glasfasern weisen jedoch auch Vorteile auf: Aufgrund ihrer Länge und geringen Schubwiderstandsfläche ist die Verbesserung der Schubfestigkeit durch Glasfasern gering.
2.2.2 Zugversagen
Wenn die Zugkraft der Glasfaser einen bestimmten Wert überschreitet, bricht sie. Bei Rissen im Beton dehnen sich die Glasfasern aufgrund der Zugverformung übermäßig aus, ihr Querschnitt verringert sich, und die Zugkraft führt zu einem schnelleren Bruch.
2.2.3 Abreißschaden
Sobald der Beton bricht, wird die Zugkraft der Glasfaser stark erhöht, und diese Zugkraft ist größer als die Kraft zwischen der Glasfaser und dem Beton, sodass die Glasfaser beschädigt wird und dann herausgezogen wird.
2.3 Biegeeigenschaften von glasfaserverstärktem Beton
Wenn Stahlbeton belastet wird, lässt sich seine Spannungs-Dehnungs-Kurve gemäß einer mechanischen Analyse in drei Abschnitte unterteilen (siehe Abbildung). Im ersten Abschnitt tritt zunächst elastische Verformung bis zum Auftreten des ersten Risses auf. Charakteristisch für diesen Abschnitt ist der lineare Anstieg der Verformung bis zum Punkt A, der die anfängliche Rissfestigkeit des glasfaserverstärkten Betons darstellt. Im zweiten Abschnitt wird die Last nach dem Auftreten des ersten Risses auf die benachbarten Fasern übertragen. Die Tragfähigkeit hängt von der Glasfaser selbst und der Haftkraft im Beton ab. Punkt B markiert die maximale Biegefestigkeit des glasfaserverstärkten Betons. Im dritten Abschnitt brechen oder lösen sich die Glasfasern bei Erreichen der maximalen Festigkeit. Die verbleibenden Fasern können weiterhin einen Teil der Last tragen und verhindern so einen Sprödbruch.
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Veröffentlichungsdatum: 06.07.2022
