ガラス繊維強化プラスチック（FRP）の特性を探る

グラスファイバーは密度が低く、優れた誘電絶縁特性、優れた断熱性、吸収性、熱膨張特性を誇る。

I.密度

グラスファイバーの密度は1.5から2.0であり、通常の炭素鋼の4分の1から5分の1に過ぎず、軽量アルミニウムの約3分の2の軽さである。その軽さにもかかわらず、機械的強度は驚くほど高い。

ある面では、通常の炭素鋼のレベルに近づくことさえある。例えば、ある種のエポキシ系ガラス繊維素材は、400MPaを超える引張、曲げ、圧縮強度を達成している。相対的な強度を考えた場合、グラスファイバーは通常の炭素鋼を大きく上回るだけでなく、いくつかの特殊な炭素鋼のレベルに匹敵し、それを上回ることさえある。 合金鋼.

グラスファイバーといくつかの金属の密度、引張強度、相対強度の比較を表1に示す。

表1

強度重量比： 単位密度当たりの引張強さ、つまり密度に対する材料の引張強さの比を指し、軽量で高強度な特性の程度を示す。

II.電気的特性

グラスファイバーは優れた電気絶縁特性を持ち、計器、モーター、電化製品の絶縁部品として適しています。高周波条件下でも良好な誘電特性を維持します。断熱材の紙や綿布をガラス繊維布に置き換えることで、これらの材料の絶縁等級を高めることができます。

同じ樹脂を使えば、少なくとも1等級は向上する。ガラス繊維は断熱材の総量の3分の1から2分の1を占める。125,000KWのような大型モーターでは、数百キログラムのガラス繊維が断熱材として使用される。

さらに、ガラス繊維は電磁気の影響を受けず、マイクロ波透過性が良い。表2に数種類のガラス繊維の誘電特性を紹介します。

表2

III.熱特性

ファイバーグラスは優れた熱特性を示し、比熱容量は金属の2～3倍、熱伝導率は金属の1/100～1/1000と低い。 金属材料.

さらに、ある種のガラス繊維は、瞬間的な高温に対して顕著な耐性を有している。例えば、フェノールベースのハイシリカクロスファイバーグラスは、超高温下で炭化層を形成し、ロケット、ミサイル、宇宙船を大気圏通過中に耐えなければならない5000～10000Kの高温と高速気流から効果的に保護します。表3は、いくつかの材料の熱特性の概要を示しています。

表3

表3が示すように、グラスファイバーは優れた断熱性を持っており、金属材料では太刀打ちできない。

IV.耐老化性

すべての素材が経年劣化の問題に直面しますが、ファイバーグラスも例外ではありません。大気条件、湿度の高い熱、浸水、腐食性媒体にさらされると、ファイバーグラスの性能は低下します。長期間の使用により、光沢の低下、色の変化、樹脂の脱落、繊維の露出、層間剥離などの現象が起こります。

しかし、科学技術の進歩により、必要なアンチエイジング対策を講じることで、その性能を向上させ、製品の寿命を延ばすことができる。

例えば、ガラス繊維をハルビンで自然老化試験にかけた場合、パネルの引張強さでは最も低下が少なく20%未満、次いで曲げ強さが一般に30%を超えない。最も低下が見られたのは圧縮強さで、これも最も変動が大きく、通常は25%から30%の間であった。以下の表4を参照。

表4

さらに、風や雨、日光といった屋外の要素にさらされると、グラスファイバー表面の樹脂層が剥がれ落ちる可能性がある。これを防ぐためには、定期的なメンテナンスが必要である。

V.長期耐熱性と難燃性

グラスファイバーの耐熱性と難燃性は、使用する樹脂の種類によって異なります。連続使用温度が樹脂の熱変形温度を超えることはありません。一般的に使用されるエポキシやポリエステルガラス繊維は可燃性です。耐火性が必要な構造物には、難燃性樹脂または難燃剤を使用する必要があります。したがって、ガラス繊維を使用する場合は注意が必要である。

通常、グラスファイバーは高温下で長時間使用することはできない。例えば、ポリエステル繊維ガラスは40℃から45℃を超えると強度が低下し始め、エポキシ繊維ガラスは60℃を超えると強度が低下し始める。

近年、シクロ脂肪族エポキシガラスやポリイミドガラスなど、耐熱性の高いガラス繊維が登場している。しかし、それらの長期使用温度は200～300℃以内であり、金属の長期使用温度よりかなり低い。

これら5つの物理的特性を考えれば、グラスファイバーが金属やセラミックなどの素材とは異なることは明らかだ。したがって、その長所を最大限に生かすには、適切な使い方をする必要がある。例えば、グラスファイバーは強度が低下しないため、低温性能に優れています。

そのため、北国の冬に屋外の気温が-45℃から-50℃まで下がっても、グラスファイバーはもろくなりません。冷却塔や雨よけなどの屋外構造物は、北国の冬でも安全に使用できる。

逆に、高温環境では、グラスファイバー専用の樹脂と配合が必要になる。100℃での連続使用には、耐高温処方と成形のための特定の工程条件が必要である。そうでなければ、100℃を超える温度での連続運転でガラス繊維が損傷する可能性がある。

VI.グラスファイバーの化学的性質

ファイバーグラスの主な化学的特性は、卓越した耐食性です。金属材料のように錆びたり腐食したりすることはなく、木材のように腐ることもありません。水や油のような媒体による浸食にもほとんど影響されない。化学工場でタンク、パイプ、ポンプ、バルブなどを製造する際に、ステンレス鋼の代わりに使用することができます。

耐用年数が長いだけでなく、腐食、錆、虫に対する保護対策が不要で、メンテナンス・コストを削減できる。グラスファイバーはその耐食性から広く使用されている。一部の主要工業国では、13%を超える耐食性製品がグラスファイバーで作られており、その使用量は年々増加しています。わが国でも一般的に使用されており、その多くは金属を保護するための金属製機器のライニングに使用されている。

ファイバーグラスの耐食性は主に使用される樹脂に依存する。グラスファイバーに使用される樹脂は耐食性に優れていますが、金属表面に直接塗布すると激しいひび割れを引き起こし、漏水を防いだり金属を保護したりすることはできません。

樹脂に一定量のガラス繊維を加えることで、潜在的な激しいひび割れを多数の小さなひび割れに変えることができる。これらの小さなクラックが連続的なクラックを形成する可能性は最小限に抑えられ、さらなるクラックの発生を食い止める役割も果たします。これにより、薬液の浸透や腐食を防ぐことができます。

グラスファイバーは、さまざまな低濃度の酸、アルカリ、塩、溶剤に対して安定しているだけでなく、大気、海水、微生物の影響にも強い。

しかし、腐食媒体が異なれば、適切な樹脂とガラス繊維およびその製品を選択する必要がある。防錆のためのガラス繊維の使用は、近年ますます一般的になってきており、防錆への投資が少なく、耐用年数が長く、防錆のための費用を大幅に節約できるという利点を示している。 ステンレス素材大きな経済効果につながる。

通常、グラスファイバーの耐食性は、異なる腐食性媒体に入れたときの質量変化を測定することで評価される。質量変化が小さいほど耐食性が高く、大きいほど耐食性が低いことを示します。

表5は、異なる濃度の酸およびアルカリ溶液中における数種のガラス繊維の質量比を示し、表6は、酸、アルカリおよびその他の媒体中におけるポリエステルガラス繊維の曲げ強さの保持率を示す。

表5

表6

* 浸漬期間は1年。