ความลับของโครงสร้างจุลภาคของไฟเบอร์กลาส

เมื่อเราเห็นผลิตภัณฑ์ที่ทำจากไฟเบอร์กลาสโดยทั่วไปเรามักสังเกตเห็นเพียงรูปลักษณ์และการใช้งานของเส้นใยสีดำหรือขาวบางๆ แต่ไม่ค่อยได้คิดถึงโครงสร้างภายในของมันสักเท่าไหร่ 正是โครงสร้างจุลภาคที่มองไม่เห็นเหล่านี้เองที่ทำให้ไฟเบอร์กลาสมีคุณสมบัติพิเศษ เช่น ความแข็งแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และทนต่อการกัดกร่อน วันนี้เราจะเจาะลึกเข้าไปใน “โลกภายใน” ของไฟเบอร์กลาสเพื่อเปิดเผยความลับของโครงสร้างของมัน

รากฐานระดับจุลภาค: “ระเบียบที่ไม่เป็นระเบียบ” ในระดับอะตอม

จากมุมมองระดับอะตอม ส่วนประกอบหลักของไฟเบอร์กลาสคือซิลิคอนไดออกไซด์ (โดยทั่วไป 50%-70% โดยน้ำหนัก) โดยมีธาตุอื่นๆ เช่น แคลเซียมออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ และอะลูมิเนียมออกไซด์ เติมเข้าไปเพื่อปรับคุณสมบัติ การจัดเรียงของอะตอมเหล่านี้เป็นตัวกำหนดลักษณะพื้นฐานของไฟเบอร์กลาส

แตกต่างจาก "ระเบียบระยะยาว" ของอะตอมในวัสดุผลึก (เช่น โลหะหรือผลึกควอตซ์) การจัดเรียงอะตอมในใยแก้วแสดงให้เห็นถึง...“ความเป็นระเบียบในระยะสั้น ความไม่เป็นระเบียบในระยะยาว”กล่าวโดยสรุป ในบริเวณเฉพาะที่ (ภายในระยะไม่กี่อะตอม) อะตอมซิลิคอนแต่ละอะตอมจะรวมตัวกับอะตอมออกซิเจนสี่อะตอม ก่อให้เกิดโครงสร้างคล้ายพีระมิด“ซิลิกาเตตระเฮดรอน”โครงสร้าง การจัดเรียงในระดับท้องถิ่นนี้เป็นระเบียบ อย่างไรก็ตาม ในระดับที่ใหญ่กว่านั้น เตตระเฮดราซิลิกาเหล่านี้ไม่ได้ก่อตัวเป็นโครงตาข่ายที่ซ้ำกันอย่างเป็นระเบียบเหมือนในผลึก แต่กลับเชื่อมต่อกันแบบสุ่มและเรียงซ้อนกันอย่างไม่เป็นระเบียบ คล้ายกับกองบล็อกตัวต่อที่ประกอบเข้าด้วยกันอย่างไม่เป็นระเบียบ ก่อให้เกิดโครงสร้างแก้วอสัณฐาน

โครงสร้างที่ไม่มีรูปร่างนี้เป็นหนึ่งในความแตกต่างที่สำคัญระหว่างไฟเบอร์กลาสและกระจกธรรมดา ในระหว่างกระบวนการทำให้เย็นตัวของกระจกธรรมดา อะตอมมีเวลาเพียงพอที่จะก่อตัวเป็นผลึกขนาดเล็กที่มีระเบียบในระดับท้องถิ่น ซึ่งนำไปสู่ความเปราะที่สูงขึ้น ในทางตรงกันข้าม ไฟเบอร์กลาสทำโดยการยืดและทำให้กระจกหลอมเหลวเย็นตัวอย่างรวดเร็ว อะตอมไม่มีเวลาที่จะจัดเรียงตัวเองอย่างเป็นระเบียบและถูก "แช่แข็ง" ในสถานะอสัณฐานที่ไม่เป็นระเบียบนี้ ซึ่งช่วยลดข้อบกพร่องที่ขอบผลึก ทำให้เส้นใยยังคงคุณสมบัติของกระจกไว้ได้ ในขณะเดียวกันก็มีความเหนียวและความแข็งแรงดึงที่ดีขึ้น

โครงสร้างของเส้นใยเดี่ยว: หน่วยที่เป็นเนื้อเดียวกันตั้งแต่ "ผิว" ถึง "แกนกลาง"

ไฟเบอร์กลาสที่เราเห็นนั้น แท้จริงแล้วประกอบด้วยวัสดุหลายชนิดเส้นใยเดี่ยวแต่เส้นใยเดี่ยวแต่ละเส้นเป็นหน่วยโครงสร้างที่สมบูรณ์ในตัวเอง โดยทั่วไปเส้นใยเดี่ยวจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5-20 ไมโครเมตร (ประมาณ 1/5 ถึง 1/2 ของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์) โครงสร้างของมันมีความสม่ำเสมอ“รูปทรงกระบอกตัน”โดยไม่มีการแบ่งชั้นที่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของการกระจายองค์ประกอบในระดับจุลภาค จะพบความแตกต่างเล็กน้อยระหว่าง "ผิวและแกนกลาง"

ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป เมื่อแก้วหลอมเหลวถูกบีบออกมาจากรูเล็กๆ ของหัวฉีด พื้นผิวจะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับอากาศ ทำให้เกิดเป็นชั้นบางๆ"ผิว"ชั้นผิว (หนาประมาณ 0.1-0.5 ไมโครเมตร) ชั้นผิวนี้เย็นตัวลงเร็วกว่าส่วนภายในมาก“แกนหลัก”ด้วยเหตุนี้ ปริมาณซิลิคอนไดออกไซด์ในชั้นผิวจึงสูงกว่าในแกนกลางเล็กน้อย และการจัดเรียงอะตอมก็หนาแน่นกว่าโดยมีข้อบกพร่องน้อยกว่า ความแตกต่างเล็กน้อยในองค์ประกอบและโครงสร้างนี้ทำให้พื้นผิวของเส้นใยโมโนฟิลาเมนต์มีความแข็งและทนต่อการกัดกร่อนมากกว่าแกนกลาง นอกจากนี้ยังช่วยลดโอกาสการแตกร้าวบนพื้นผิว ซึ่งความเสียหายของวัสดุมักเริ่มต้นจากข้อบกพร่องบนพื้นผิว และชั้นผิวที่หนาแน่นนี้ทำหน้าที่เป็น "เปลือก" ป้องกันสำหรับเส้นใยโมโนฟิลาเมนต์

นอกจากความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างผิวชั้นในและชั้นในแล้ว คุณภาพสูงยัง...ไฟเบอร์กลาสเส้นใยโมโนฟิลาเมนต์ยังมีความสมมาตรเป็นวงกลมสูงในหน้าตัด โดยมีความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปควบคุมได้ภายใน 1 ไมโครเมตร โครงสร้างทางเรขาคณิตที่สม่ำเสมอนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเมื่อเส้นใยโมโนฟิลาเมนต์ถูกดึง แรงดึงจะกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งหน้าตัด ป้องกันการกระจุกตัวของแรงดึงที่เกิดจากความไม่สม่ำเสมอของความหนาในบางจุด และด้วยเหตุนี้จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงดึงโดยรวม

โครงสร้างโดยรวม: การจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบของ “เส้นด้าย” และ “ผ้า”

แม้ว่าเส้นใยโมโนฟิลาเมนต์จะแข็งแรง แต่เส้นผ่านศูนย์กลางของมันละเอียดเกินไปที่จะใช้เพียงอย่างเดียว ดังนั้น เส้นใยไฟเบอร์กลาสจึงมักอยู่ในรูปของเส้นใยแบบอื่นๆ“ส่วนรวม”โดยทั่วไปแล้วจะเป็นดังนี้“เส้นใยแก้ว”และ“ผ้าใยแก้ว”โครงสร้างของพวกมันเกิดจากการเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบของเส้นใยเดี่ยว

เส้นใยไฟเบอร์กลาสคือกลุ่มของเส้นใยเดี่ยวหลายสิบถึงหลายพันเส้นที่ประกอบเข้าด้วยกันโดยวิธีใดวิธีหนึ่ง“การบิด”หรือเป็น“ไม่บิดเบี้ยว”เส้นด้ายที่ไม่บิดเกลียว คือกลุ่มของเส้นใยเดี่ยวที่เรียงตัวขนานกันอย่างหลวมๆ มีโครงสร้างที่เรียบง่าย ส่วนใหญ่ใช้ในการทำใยแก้ว เส้นใยสับ เป็นต้น ในทางกลับกัน เส้นด้ายที่บิดเกลียว เกิดจากการบิดเส้นใยเดี่ยวเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดโครงสร้างเป็นเกลียวคล้ายกับด้ายฝ้าย โครงสร้างนี้ช่วยเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวระหว่างเส้นใยเดี่ยว ป้องกันไม่ให้เส้นด้ายคลายตัวเมื่อถูกดึง ทำให้เหมาะสำหรับการทอ การม้วน และเทคนิคการแปรรูปอื่นๆ"นับ"ของเส้นด้าย (ดัชนีที่ระบุจำนวนเส้นใยเดี่ยว เช่น เส้นด้าย 1200 เท็กซ์ ประกอบด้วยเส้นใยเดี่ยว 1200 เส้น) และ"บิด"จำนวนเกลียวต่อหน่วยความยาวมีผลโดยตรงต่อความแข็งแรง ความยืดหยุ่น และประสิทธิภาพในการแปรรูปของเส้นด้าย

ผ้าใยแก้วเป็นโครงสร้างคล้ายแผ่นที่ทำจากเส้นใยแก้วโดยกระบวนการทอ การทอพื้นฐานสามแบบ ได้แก่ การทอแบบธรรมดา การทอแบบทวิลล์ และการทอแบบซาตินทอธรรมดาผ้าเกิดจากการสานสลับกันของเส้นด้ายยืนและเส้นด้ายพุ่ง ทำให้ได้โครงสร้างที่แน่นหนา มีการซึมผ่านต่ำ แต่มีความแข็งแรงสม่ำเสมอ จึงเหมาะที่จะใช้เป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับวัสดุผสมการทอแบบทวิลล์ผ้าทอแบบนี้ เส้นด้ายยืนและเส้นด้ายพุ่งจะสานกันในอัตราส่วน 2:1 หรือ 3:1 ทำให้เกิดลวดลายเฉียงบนพื้นผิว ผ้าทอแบบนี้มีความยืดหยุ่นมากกว่าผ้าทอธรรมดา และมักใช้กับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการการดัดงอหรือขึ้นรูปผ้าซาตินทอมีจุดประสานน้อยกว่า โดยเส้นด้ายยืนหรือเส้นด้ายพุ่งจะก่อตัวเป็นเส้นลอยต่อเนื่องบนพื้นผิว การทอแบบนี้ให้สัมผัสที่นุ่มนวลและมีพื้นผิวเรียบ ทำให้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนตกแต่งหรือชิ้นส่วนที่มีแรงเสียดทานต่ำ

ไม่ว่าจะเป็นเส้นด้ายหรือผ้า โครงสร้างโดยรวมมีแก่นสำคัญอยู่ที่การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งาน“1+1>2”เกิดจากการจัดเรียงเส้นใยเดี่ยวอย่างเป็นระเบียบ เส้นใยเดี่ยวให้ความแข็งแรงพื้นฐาน ในขณะที่โครงสร้างโดยรวมทำให้วัสดุมีรูปทรง ความยืดหยุ่น และความสามารถในการแปรรูปที่หลากหลาย เพื่อตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกัน ตั้งแต่ฉนวนกันความร้อนไปจนถึงการเสริมความแข็งแรงของโครงสร้าง