Klaaskiud
Klaaskiud on pikk peenike klaasist valmistatud kiud. Tootmise käigus tõmmatakse klaasisulamist peenikesed niidid ja töödeldakse neid mitmesugusteks lõpptoodeteks.
Klaaskiud on keemiliselt vastupidavad ja mittesüttivad, samuti vastupidavad vananemisele ja ilmastikumõjudele. Suur elastsusmoodul võimaldab kasutada klaaskiudu plastmaterjalide ja betooni mehaaniliste omaduste parandamiseks. Klaaskiude kasutatakse optiliste lainejuhtmetena andmeedastuseks ja valguse paindlikuks edasijuhtimiseks, ka kuumuskindla tekstiilmaterjalina.
Tootmine
Klaaskiu peamine toormaterjal on puhas kvartsliiv. Sulast klaasimassist saadakse kiud tõmbamismeetodil. Vastavalt kasutusotstarbele toimub klaaskiudude tõmbamine läbi eelvormi või läbi kuumutatud düüside.
Eelvorm on kiudude hilisema ristlõike suurendatud koopia. Düüsiprotsessis kasutatakse tuhandete aukudega plaatinasulamitest valmistatud kuumutatud seadist – filjeeri, mida läbib kindla temperatuurini (nt 1200 °C) kuumutatud klaas ja millest väljuvad katkematult peened kiud, mida samaaegselt jahutatakse. Väljatõmbekiirus võib olla näiteks 50 m/s.
Mõlema meetodi korral sõltub kiudude lõplik läbimõõt algtemperatuurist ja tõmbamiskiirusest.
Lähteaineteks võivad peale ränidioksiidi (SiO2) olla alumiiniumoksiid (Al2O3), magneesiumoksiid (MgO), boortrioksiid (B2O3) ja kaltsiumoksiid (CaO). Valitud materjalid ja nende puhtus määravad ära kiudude optilised, mehaanilised ja keemilised omadused.
Nii tekstiil- kui ka optilisi kiude tuleb kohe tõmbamise järel kaitsta purunemise eest adhesiooni soodustavast ainest kattekihiga. Selliseksaineks võib olla näiteks alkoksüsilaan, milles on hüdrofiilsed (klaasiga) ja hüdrofoobsed (vaiguga) aatomirühmad. Kattekiht võib põhineda ka sünteetilisel vaigul (kasutatakse heide töötlemisel).
Kasutamine
Klaaskiude kasutatakse paljudes tehnilistes rakendustes: valgusjuhtmetena andmeedastuses, dekoratiivvalgustuses, tugevduskomponendina ehitusmaterjalides ja tekstiilis. Klaaskiust valmistatakse sõude- ja purjepaate, samuti muid suure mehaanilise tugevusega tooteid.
Andmeedastus
Pikemalt artiklis Valgusjuhe
Valgus võib piki klaaskiudu levida peaaegu takistamatult. Valgus levimine klaaskius põhineb täielikul sisepeegeldusel. Seda omadust valgusjuhtmena kasutatakse laialdaselt valguslaine juhtmetena optilisel andmeedastusel. Võrreldes andmeedastusega elektrijuhtmete kaudu on eeliseks oluliselt suurem ribalaius. Ajaühikus saab seega edastada rohkem informatsiooni, lisaks pole edastatav signaal tundlik ei elektri- ega magnethäireväljade suhtes.
Klaaskiu mehaaniliste omaduste kasutamine
| Klaaskiudude tüüpilised omadused | |
|---|---|
| Tihedus | 2,45–2,58 g/cm³ |
| Kiu läbimõõt | 5…24 µm |
| Tõmbetugevus | 1,8–5 GPa |
| Tõmbe-elastsusmoodul | 70–90 GPa |
| Pikenemine katkemisel | < 5 % |
Mehaaniliste rakenduste jaoks kasutatakse klaaskiudu tavaliselt heide, lausriide või kootud kangaste kujul. Profiilide puhul kasutatakse seevastu ühesuunalisi, paralleelseid kiude (näiteks vibunooled).
Kuna klaaskiud on väga täkketundlikud (võrdle klaasilõikuri töörežiimi), kasutatakse tootmise ajal või enne kudumist spetsiaalset määrdeainet (nt silaani), mis eemaldatakse pärast kudumist keemiliselt. Seejärel kantakse klaaskiududele viimistlusliim, mis soodustab klaaskiudude ja kiudkomposiitmaterjalides kasutatava sünteesvaigu vahelist adhesiooni. See võib moodustada kuni kaks protsenti massist, kuid tavaliselt on see 0,3–0,8 protsenti.
Tugevus
Klaaskiu tõmbe- ja survetugevus tagab plastmaterjalile jäikuse, säilitades samal ajal teatud painduvuse tänu suurele elastsele (võrreldes nt terasega). Klaaskiudude tugevusomadusi kasutatakse näiteks ülitugevate ja kergete komponentide (nagu sportpaadid, õngeridvad jm klaaskiuga tugevdatud plastprofiilid) valmistamisel. Ka tugevalt söövitavate ainete mahutid ja torud valmistatakse enamasti klaaskiuga tugevdatud plastikust.
Jäikus
Klaaskiudude elastsusmoodul erineb vähe kompaktse klaasmaterjali omast. Erinevalt aramiidkiududest või süsinikkiududest on klaaskiul amorfne struktuur. Nagu kompaktse aknaklaasi puhul, on ka kiududes molekulide orientatsioon juhuslik. Seega on klaaskiudude mehaanilised omadused isotroopsed. Klaaskiud käituvad pikisuunas ideaalselt elastselt, kuni nad purunevad.
Klaaskiuga tugevdatud plastist valmistatud reaalse komponendi jäikus oleneb klaaskiudude elastsusmoodulist, jõu mõjumise suunast ja vähesel määral ka maatriksmaterjali omadustest, sest see on palju pehmem. Puhta klaaskiu elastsusmoodul (70–90 GPa) on ligikaudu sama mis alumiiniumil.
Tugevduskiudude tüübid
Klaas, millest tugevduskiud on valmistatud, mõjutab komposiitmaterjali omadusi. Seetõttu on saadaval erisuguste omadustega tugevdavaid kiude:
- E-klaas (E sõnast electric): alumiiniumborosilikaatklaas, milles on vähem kui 2 % leelisoksiide; peetakse standardkiuks plastide tugevdamisel; kasutusel elektrilistes rakendustes eriti leeliselises ja happelises keskkonnas;
- S-klaas (S strength): alumiiniumsilikaatklaas magneesiumoksiidi lisandiga; suur tugevus isegi kõrgetel temperatuuridel;
- R-klaas (R resistance): alumiiniumsilikaatklaas kaltsium- ja magneesiumoksiidi lisanditega, suur mehaaniline tugevus isegi kõrgetel temperatuuridel
- M-klaas (M modulus): berülliumi sisaldav klaas; Suurendatud jäikusega kiud, vastab kõrgeimatele mehaanilistele nõuetele
- C-klaas (C chemical): suure keemilise vastupidavusega kiud
- ECR-klaas (E-class corrosion resistant): eriti suure korrosioonikindlusega kiud
- D-klaas (D dielectric): väikese dielektrikuskaoga kiud
- AR-klaas (AR alkaline resistant): tsirkoonium(IV)oksiidiga rikastatud kiud, mõeldud kasutamiseks betoonis
- Q-klaas (Q quarz): kvartsklaasist valmistatud kiud. Sobib kasutamiseks temperatuuril kuni 1450 °C
- Õõnes klaaskiud: õõnsa ristlõikega kiud (tavaliselt E-klaas)
Märkus: R-, S- ja M-klaasid on leelisevabad ja neil on suurem niiskuskindlus.
Tugevduskiudude kasutamine
Klaaskiud betoonis toimivad materjalis tugevdusena (nagu terasvarrastest sarrus). Klaaskiuga armeeritud raudbetooni kasutatakse fassaadipaneelide või laineplaatidena. Klaaskiudu kasutatakse ka tasanduskihis. Lisaks tugevdatakse peeneteralist betooni klaaskiudtekstiilidega.
Laialdaselt kasutatakse klaaskiududega tugevdatud plasti (paadid, bobikelgud jm). Lennundus- ja autotööstuses kasutatakse pikki klaaskiude peamiselt kandekonstruktsioonides.
Elektrotehnikas kasutatakse tugevdavaid klaaskiude trükkplaatides, ka elektromagnetiliselt läbipaistvates katetes (nt radarikuplites). Kõrgepingeisolaatorites annavad klaaskiud isolaatoritele suure tugevuse ja head isoleerivad omadused.