Glas fiber

Glasfiber

En glasfiber er en lang, tynd fiber lavet af glas . Under produktionen trækkes tynde tråde fra en glassmelte og bearbejdes til et stort antal slutprodukter.

Glasfibre bruges som optiske bølgeledere (til datatransmission og fleksibel lystransport), som rovings eller som tekstilstof (til varme- og lydisolering ) samt til glasfiberarmeret plast . I dag er disse blandt de vigtigste byggematerialer. De er aldrende og vejrbestandige, kemisk resistente og ikke-brændbare. Deres høje elasticitetsmodul bruges til at forbedre plastens mekaniske egenskaber.

historie

For næsten 4000 år siden brugte fønikerne, grækerne og egypterne smeltede glastråde til at dekorere skibe. I 1713 påpegede Ferchault de Reamur muligheden for at væve fine glasgarn . Glasblæsere fra Thüringen skov producerede også såkaldte fe- eller englehår allerede i det 18. århundrede. Først kun brugt som et dekorativt medium blev mulighederne for fibre (fx termisk isolering af glasuld) gradvist opdaget i Thüringen (Lauscha, Steinach). I Haselbach- glasfabrikken, der blev grundlagt af H. og J. Schuller i 1896 (i dag Vitrulan Technical Textiles GmbH ), blev spindbare glasgevind med en nøjagtigt defineret diameter først produceret som valsede varer i 1930'erne. Stangtromleudtrækningsprocessen udviklet og brugt til dette formål blev registreret til patent i 1930'erne.

Fremstilling

Afhængig af anvendelsen trækkes glasfibre fra en præform eller trækkes fra et glasbad gennem opvarmede dyser.

En præform er et forstørret "billede" af det senere tværsnit af optiske fibre. De indeholder udgangsmaterialerne i deres arrangement og struktur (se også fotonisk krystal ).

Dysemetoden bruger opvarmede dyser (metalblokke eller bøsninger lavet af platin / legeringer med tusindvis af huller opvarmet ved hjælp af jævnstrøm ), gennem hvilke glasset kommer frem ved en defineret temperatur (f.eks. 1200 ° C) og straks strækkes ud tyndt og lang og afkølet. Tilbagetrækningshastigheden er betydeligt højere (f.eks. 500 m / s) end udgangshastigheden fra dyserne.

Begge processer har fælles afhængigheden af ​​den endelige diameter af starttemperaturen og trækhastigheden.

Udgangsmaterialerne er hovedsagelig siliciumdioxid , Al 2 O 3 , MgO , B 2 O 3 , CaO , hvorved udgangsmaterialer og deres renhed bestemme de optiske, mekaniske og kemiske egenskaber.

Både tekstilfibre og optiske fibre skal beskyttes straks efter trækningen, ellers knækker de eller gnider mod hinanden. Denne såkaldte dimensionering er normalt en forretningshemmelighed for producenten og består af en belægning og / eller en adhæsionspromotor. Den er for eksempel baseret på den anvendte syntetiske harpiks , hvormed rovingerne forarbejdes til glasfiberarmeret plast (GRP). Alkoxysilaner som adhæsionsfremmere har f.eks. Hydrofile (bindinger til glasset) og hydrofobe (binding til harpiksen) atomgrupper.

Brug som en lysvejledning

I retning af fibrene kan lys forplantes næsten uhindret i glasfibre. Lyset styres i fiberen ved et brydningsindeks, der falder radialt udad , kontinuerligt eller i trin. Denne egenskab som en lysvejledning bruges i mange tekniske applikationer.

Dataoverførsel

Glasfibre anvendes blandt andet som optiske bølgeledere i glasfibernetværk til optisk datatransmission . Sammenlignet med elektrisk transmission har dette fordelen ved en betydeligt højere maksimal båndbredde . Flere oplysninger kan overføres pr. Tidsenhed. Derudover er det transmitterede signal ufølsomt over for elektriske og magnetiske interferensfelter og er mere sikkert mod aflytning.

Belysning, dekoration, kunst og arkitektur

  • LED-belyst fiberoptisk bundt som dekorativt objekt.

  • Indirekte belysning ved hjælp af optiske fibre.

  • Den ThyssenKrupp test tårn er pakket ind i glasfiber

Optiske fibre bruges i dag i en række lamper og belysningsinstallationer, idet fibrene ikke kun bruges til at transportere lys, men også som udstrålende elementer selv. En usædvanlig anvendelse er produktionen af gennemskinnelig beton : inkorporeringen af ​​tre til fem procent glasfibre skaber gennemskinnelige betonelementer, hvorigennem du kan se lys , skygger og farver op til en vægtykkelse på 20 cm ( se også: Litracon ). Men bygninger er også beklædt med glasfiber for at forskønne dem. Inden for vægbeklædning findes også glasfibertapet .

Belysning og billeddannelse inden for medicin og metrologi

Glasfibre og fiberoptiske bundter anvendes til belysning og billeddannelse, f.eks. B. anvendt i mikroskoper , inspektionskameraer eller endoskoper eller med kolde lyskilder ( se også: fiberoptik ).

Sensorer

Glasfibre bruges i stigende grad i måleteknologi. Således er fiberoptiske sensorer , hvor den målte værdi ikke er som repræsenteret typisk af en elektrisk størrelse eller overført, men af ​​en optisk til dataopsamling i svært tilgængelige områder såsom dæmninger eller under ekstreme forhold som i stålværker eller magnetisk resonans billeddannelse . Der er to klasser af fiberoptiske sensorer:

laser

Fiberlaser i dobbeltbeklædning fiberkonstruktion

Til den fleksible transport af laserstråling bruges glasfibre til at styre strålingen på den ene side i materialebehandling og i medicin til behandlingspunktet (skæring, svejsning osv.) Og på den anden side i måleteknologi, mikroskopi og spektroskopi til prøven.

I laser show teknologi ledes laserlys fra en central kilde via fiberoptiske kabler til forskellige projektorer fordelt i hele rummet. Kraften her er et par hundrede milliwatt op til tocifrede watt.

Laserstråler kan ikke kun styres i glasfibre, de kan også genereres og forstærkes i dem. Så find z. B. Fiberlasere og erbiumdoterede fiberforstærkere Anvendes i telekommunikationssektoren. På grund af den gode effektivitet ved konverteringsprocessen og den gode afkøling gennem den store overflade af fiberen såvel som den meget høje strålekvalitet bruges fiberlasere med høj effekt til materialebehandling og medicin.

Brug af mekaniske egenskaber

Typiske egenskaber ved glasfibre
massefylde 2,45 ... 2,58 g / cm3
Glødetrådens diameter 5… 24 µm
trækstyrke 1,8… 5 GPa (kN / mm²)
Trækmodul 70… 90 GPa
Forlængelse ved pause <5%
Et bundt glasfibre til forstærkning af plastik (glasfiber-roving)

Til mekaniske anvendelser er glasfibrene for det meste i form af rovings , nonwovens eller vævede stoffer . Til profiler anvendes derimod ensrettet fiber (kører kun i en retning); for eksempel sportspil til bueskydning , pinde til isolering eller z. B. i nogle paraplyer lavet af glasfiberarmeret plast.

Da glasfibre er meget følsomme over for indhak, får de en såkaldt størrelse under fremstillingen eller inden de væves . Denne størrelse (f.eks. En silanstørrelse) fungerer som smøremiddel under vævning og fjernes kemisk efter vævning. Derefter påføres den såkaldte finish på glasfibrene, der fungerer som et bindemiddel mellem glasfibrene og den syntetiske harpiks til anvendelse i fiberkompositmaterialer . Finishen omtales også som en klæbemiddelholdig størrelse. Det kan være op til to procent efter masse, men er normalt 0,3 til 0,8 procent.

Glasfiberarmeret plast viser kun en meget lav tendens til at krybe og absorbere meget lidt fugt .

styrke

Som et skørt materiale er glas følsomt over for spændingstoppe, såsom dem, der opstår ved ufuldkommenheder som hak (sammenlign hvordan en glaskniv fungerer ). Revner fortsætter i hele kroppen. I modsætning til det kompakte materiale er manglenes størrelse begrænset til fibertværsnittet på grund af fiberformen, og glassets molekylstyrke kan anvendes. Forlængelsen ved brud af en enkelt fiber kan være op til 5 procent. De er dog tilbøjelige til knæk og skarpe kanter.

Glasfiberens træk- og trykstyrke sikrer en speciel afstivning af plastik og opretholder en vis fleksibilitet takket være den høje elastiske brudforlængelse (sammenlignet med stål). Egenskaberne af glasfibre anvendes f.eks. Til fremstilling af højstyrke- og lette komponenter såsom sportsbåde, GRP-profiler, forstærkning af GFK eller fiskestænger. Tanke og rør til stærkt ætsende stoffer er også for det meste lavet af glasfiberarmeret plast.

Typisk er den gennemsnitlige kvasistatiske styrke en uarmeret E-fiber af R G = 1,8 GPa anvendes til konstruktionen .

Stivhed

Den modulus af elasticitet glasfiberbrugerindustriens afviger kun lidt fra den for et kompakt volumen af materiale fremstillet af glas. I modsætning til aramidfibre eller kulfibre har glasfibre en amorf struktur. Som med kompakt vinduesglas er molekylorienteringen tilfældig. Glasfiberen har isotrope mekaniske egenskaber. Glasfibre opfører sig ideelt lineært elastisk, indtil de går i stykker. Din materielle dæmpning er meget lav.

Den stivhed af en reel komponent fremstillet af glasfiberforstærket plast resultater fra elasticitetsmodulet, retning og volumenfraktion (standard: 60%) af glasfibrene og, i mindre udstrækning, fra egenskaberne af matrixmaterialet, idet en meget blødere plast bruges normalt. Elasticitetsmodulet for den rene glasfiber er 70 til 90 GPa, omtrent det samme som for aluminium .

Typer af forstærkende fibre

Glaset, hvorfra de armerende fibre er fremstillet, påvirker kompositmaterialets egenskaber. Derfor er forskellige kvaliteter af de forstærkende fibre tilgængelige:

  • E-glas (E = elektrisk ): aluminiumsborosilikatglas med mindre end 2% alkalioxider; betragtes som standardfiber til generel plastforstærkning og til elektriske applikationer angribes ca. 90% af markedet i basiske og sure miljøer;
  • S-glas (S = styrke ): aluminiumsilicatglas tilsat magnesiumoxid; høje mekaniske krav selv ved høje temperaturer;
  • R-Glass (R = Resistance ): Aluminiumsilicatglas med calcium- og magnesiumoxidadditiver, høje mekaniske krav selv ved høje temperaturer;
  • M-glas (M = modul ): berylliumholdigt glas; Fiber med øget stivhed (elasticitetsmodul), der anvendes med de højeste mekaniske krav;
  • C-glas (C = kemisk ): fiber med øget kemisk resistens;
  • ECR-glas ( E-Glass Corrosion Resistant ): fiber med særlig høj korrosionsbestandighed
  • D-Glas (D = Dielektrisk ): fiber med en lav dielektrisk tabsfaktor, f.eks. B. radomer fra en radarstation
  • AR-glas (AR = Alkaline Resistant ): fiber udviklet til brug i beton, der er beriget med zirconium (IV) oxid . Det er stort set modstandsdygtigt over for et grundlæggende miljø.
  • Q-glas (Q = kvarts): fiber lavet af kvartsglas (SiO 2 ). Velegnet til brug ved høje temperaturer op til 1450 ° C
  • Hule glasfibre: fibre (for det meste E-glas) med et hul tværsnit

Bemærk: R-, S- og M-glas er fri for alkali og har øget fugtbestandighed.

Brug af armeringsfibre

Glasfibre tilsættes til beton , hvor de tjener som armering . Glasfiberarmeret beton bruges til bølgeplader , facadeplader eller mistet forskalling . Glasfiber bruges også i afretningsmassen . Derudover forstærkes finbeton med glasfibertekstiler, dvs. tekstilarmeret beton.

Glasfibre er af stor betydning i glasfiberarmeret plast (GRP) (rumfart, kredsløb, både, bobslæder osv.). I luftfartsindustrien bruges lange glasfibre hovedsageligt til at bygge bærende strukturer (fx Schleicher ASK 21 svævefly ). I bilindustrien anvendes lange glasfibre i øjeblikket stadig hovedsageligt til at stive termoplastiske komponenter (f.eks. Beklædning). Men der er en tendens i retning af bærende komponenter her.

I procesteknik anvendes glasfibre hovedsageligt i oprullede rør. Her er glasfiberen kendetegnet ved sin meget gode mediebestandighed og elektriske isoleringseffekt.

I elektroteknik anvendes glasfibre som forstærkningsfibre i printkort eller i elektromagnetisk gennemsigtig beklædning ( radomer ). The High Voltage Technology bruger høj styrke og isolerende egenskaber af fibrene i isolatorer .

Viskelæder af glasfiber bruges til manuel teknisk tegning på tegning af film og til rengøring .

Arbejdssikkerhed i tekstilglasvævværker

Tekstilglasfibre behandles i vævværker i tekstilglas. Man skelner mellem glasfilamenter og glasstifter. Glasfilamenterne, der anvendes i vævning af tekstilglas, falder ikke ind under de geometriske kriterier for WHO-fibrene, der er klassificeret i den tekniske regel for farlige stoffer (TRGS) 905 . Tekstilglasfilamenter kan dog knække eller knuses under bearbejdning til partikler, der svarer til WHO-fibre. BG / BGIA-anbefalingerne giver praktiske råd om, hvordan den nyeste teknologi kan opnås gennem beskyttelsesforanstaltninger i tekstilglasvævværker. Ved behandling af glasfilamenter er der ingen erhvervsmæssig eksponeringsgrænse for fibre.

Se også

litteratur

  • Gerhard Neckermann, Hans Wessels: Glasindustrien - et billede af branchen. Duncker & Humblot, Berlin 1987, ISBN 3-428-06216-7 , s. 72 ff.
  • Peter H. Selden (red.): Glasfiberarmeret plast. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1967.
  • Alfred Hummel, Josef Sittel, Kurt Charisius, Fridel Oberlies, Deodata Krüger, Hans Lenhard, Martin Herrmann, Wolfgang Dohmöhl, Lothar Krüger: Nylige undersøgelser af byggematerialer og komponenter. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1942, s. 25-27.

Weblinks

Commons : Fiberoptisk  samling af billeder
Commons : Fiberoptiske kabler  - samling af billeder
Wiktionary: fiberoptik  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. ↑ Fedor Mitschke: Glasfibre. Fysik og teknologi, Spectrum Academic Publishing House, 2005, ISBN 978-3-8274-1629-2 .
  2. ^ Peter Grübl, Helmut Weigler, Sieghart Karl: Beton. Typer, produktion og egenskaber, Verlag Ernst & Sohn, München 2001, ISBN 978-3-433-01340-3 , s. 622 ff.
  3. ↑ Fiberforstærkede polymerer ( Memento fra 4. januar 2018 i internetarkivet ) (PDF, adgang til 4. januar 2018).
  4. ↑ a b Axel Donges: Optiske fibre - fysiske principper og applikationer netzwerk-lernen.de (PDF, tilgængelig den 4. januar 2018).
  5. ↑ Trudi Gerster: Hvordan englehår kom på juletræet. I: Julehistorier. Buchverlag Basler Zeitung, ISBN 3-85815-094-0 .
  6. ^ A b Ingefær Gardiner: Fremstilling af glasfiber. compositesworld.com. Hentet 6. januar 2018.
  7. ↑ a b Karen Mason: Sizing Up Fiber Sizings compositesworld.com. Hentet 6. januar 2018
  8. ↑ Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt, Wolfgang Oberschelp: Elementer af anvendt elektronik. Kompendium til træning og arbejde, Vieweg + Teubner, ISBN 978-3-8348-0543-0 , s.282.
  9. ^ Andres Keller: Bredbåndskabler og adgangsnetværk. Tekniske basics og standarder. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17631-9 , s. 73, 82, 141-144, 157, 173, 181, 257, 268.
  10. ↑ Erik Theiss: lysteknologi. Nye teknologier til indendørs og udendørs belysning, Oldenbourg R. Verlag GmbH, München 2000, ISBN 3-486-27013-3 , s. 84–86.
  11. ↑ Helmut Naumann, G. Schröder, Martin Löffler-Mang: Manuel optiske komponenter. Basics - Materials - Devices - Measuring technology, 7. udgave, Carl Hanser Verlag, München 2014, ISBN 978-3-446-42625-2 , s. 532-536.
  12. ^ Dieter Bäuerle: Laser. Grundlæggende og anvendelser inden for fotonik, teknologi, medicin og kunst, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2009, ISBN 978-3-527-40803-0 , s. 87-94, 110, 161.
  13. R Rovingstof af glas (PDF, tilgængelig den 4. januar 2018).
  14. ^ A b Manfred Flemming, Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth: Fiberkompositkonstruktionsmetoder . Fibre og matricer, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1995, ISBN 978-3-642-63352-2 , s. 51-66.
  15. ↑ Chokri Cherif (red.): Tekstilmaterialer til let konstruktion - Teknikker - Processer - Materialer - Egenskaber. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17991-4 , s.68 .
  16. ↑ Monika Helm: Stålfiberarmeret beton i praksis. Fremstilling - Behandling - Overvågning. Verlag Bau + Technik, Düsseldorf 2014, ISBN 978-3-7640-0560-3 , s. 28–35.
  17. ↑ Roman Teschner: Glasfibre. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-38328-1 .
  18. ↑ Joachim Lenz (red.): Rørledninger - en uendelig historie? Vulkan Verlag, Essen 2003, ISBN 978-3-8027-5389-3 , s. 321 ff.
  19. ↑ Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Ewald Werner: Materialeteknologi. Fremstilling - forarbejdning - fremstilling. 5. opdaterede udgave, Pearson Education, München 2011, ISBN 978-3-86894-006-0 , s. 1111-1115.
  20. ^ Forening af tyske sekretærer V. (BDS) (red.): Afgang ind i kontorets fremtid. Specialudgave af magasinet SEKRETARIAT, Springer Fachmedien, Wiesbaden 1982, ISBN 978-3-409-91021-7, s.94 .
  21. ^ Beuth Verlag GmbH: DIN 61850: 1976-05: Tekstilglas og proceshjælpemidler; Betingelser. Hentet 2. januar 2020 .
  22. ↑ Tysk lovpligtig ulykkesforsikring e. V. (DGUV): DGUV-information 213-721 - BG / BGIA-anbefalinger til risikovurdering i henhold til forordningen om farlige stoffer - Tekstilglasvævning. Hentet 2. januar 2020 .