bélyegkép|500 px|Üvegszál erősítésű kompozitból készült kerti ház Finnországban

Az üvegszál a műszaki textíliák egyik legfontosabb nyersanyaga. A szálasanyagok hivatalos csoportosítása szerint a mesterséges szálasanyagok között a szervetlen anyagokból készült szálak egyike. Kémiailag a szilikátok családjába tartozik. Nem kristályos, hanem amorf szerkezetű. Fő alkotóeleme a szilicium-dioxid, ami mellett különböző más fémoxidokat is tartalmaz, amelyekkel kémiai és fizikai tulajdonságait állítják be. Felhasználják folytonos szálak és rövid szálak formájában egyaránt, részben textiltechnológiai eljárásokkal feldolgozva, részben – a rövid szálakat – más anyagokba bekeverve. Az üvegszálakból készült textíliák műszaki felhasználásaik (kompozitgyártás, építőipar stb.) mellett dekorációs célokra is használatosak, emellett az üvegszálaknak mint optikai szálaknak a távközlésben is fontos szerepe van.

Történet Az üvegszál már az ókorban is ismert volt, a föníciaiak és az egyiptomiak is készítettek durva üvegszálakat, amelyeket tárgyakra ráolvasztva díszítésre használtak. Ezt a technikát a rómaiak is átvették és később, a 16.–18. században a velenceiek továbbfejlesztették, vázákat, tányérokat díszítettek vele. Ekkor még felhevített vékony üvegrudakból húzták a szálakat. 1713-ban René Antoine Ferchault de Réaumur (akinek nevét a róla elnevezett Réaumur-skáláról is ismerjük) készített szövésre alkalmas üvegszálat. 1830 körül Napóleon koporsójához egy üvegfonalakkal díszített terítőt készítettek.

Türingiai üvegfúvók a 19. században honosították meg az angyalhaj néven ismert terméket, amivel karácsonyfákat díszítenek. Ebből fejlődött ki a Hermann Schuller alapította üveggyár, ahol először készítettek meghatározott átmérőjű üvegszálat. Tisztán üvegfonalból készült szövetet először 1842-ben Louis Schwabe készített Manchesterben. A fonalat megolvadt üvegnek apró lyukon való áthúzásával állította elő és ezzel megalapozta ezt a máig is használt technikát.

Az első üvegszál-gyártó manufaktúrát 1866-ban a francia Jules de Brunfaut alapította Bécsben. 6–12 µm átmérőjű üvegszálakat állított elő, amelyeket parókák, sapkák, menyasszonyi fátylak készítésére használt. 1893-ban Edward Drummon Libbey a Chicagóban tartott Columbia Világkiállításon olyan ruhát mutatott be, amelynek anyaga üveg- és selyemszálak kombinációjával készült szövet volt, az üvegszálak a selyem vastagságának megfelelő vastagságúak voltak.

A jelenleg is alkalmazott korszerű eljárások az amerikai Russel Games Slayternek az üveggyapot gyártására az 1930-as években kidolgozott találmányán alapulnak, amelyre gyárat is alapított. Itt elsősorban rövid üvegszálakat (üveggyapotot) gyártott. 1938-ban cégét egyesítette egy másik üveggyárral (Owens-Illinois Glass Co.), ahol munkatársaival, John Thomas-szal és Dale Kleisttel a folyamatos üvegszálak gyártástechnológiáját is kifejlesztették. Az általuk előállított folytonos üvegszál vastagsága 4 µm volt.

Az üvegszálaknak műanyag kompozitok erősítésére való felhasználására az első kísérlet 1930-ban volt, amikor egy hajótestet készítettek el így poliészter gyantába ágyazott üvegszálakból. Az 1940-es években az USA légiereje és tengerészete kezdett alkalmazni üvegszál erősítésű kompozitokat és 1945-ben már közel 32 ezer tonna üvegszálat használtak fel katonai célokra.

Az üvegszálak típusai és alkotórészei Az üvegszálakat többféle változatban gyártják, amelyek mindegyike bizonyos tulajdonságok kiemelését szolgálja. Szokásos típusmegjelöléseik a következők:

A típus: közönséges nátronüveg, nem lúgálló; AR típus: lúgálló (pl. beton szilárdítására használatos); C típus: korrózióálló, vegyszerálló; D típus: kis dielektromos veszteséget biztosító típus (pl. radarállomásokon használatos) ; E típus: a legáltalánosabban használt, „közönséges” üvegszál, az üvegszálak 90%-a ebben a típusban kerül forgalomba. Kiváló hő- és elektromos szigetelő; M típus: nagy rugalmassági modulusú, lúgmentes, nedvességgel szemben ellenálló; R típus: gyártóktól függően különböző tulajdonságú üvegek jelzése; S típus: nagy szilárdságú; T típus: a C típus USA-ban gyártott változata;

Az üveg fő alkotóanyaga a szilicium-dioxid (SiO≤ 2), amely – az üvegszál fajtájától függően – 60–70%-ot képvisel. Emellett – ugyancsak a típustól függően – különböző mennyiségekben tartalmaz alumínium-, kalcium-, magnézium-, bór-, nátrium-, kálium-oxidokat is.

A leggyakrabban használt típusok nyersanyagait az alábbi táblázat foglalja össze:

Összetevő A típus(%) C típus(%) D típus(%) E típus(%) R típus(%) S típus(%) AR típus(%) SiO2 70–72 60–66 72–75 50–56 60 62–65 60,9 Al2O3 ≤ 2,5 ≤ 6 ≤ 0,5 12–16 24–25 20–26 – CaO 5–10 ≤ 14 – 16–25 6–9 – 4,8 MgO 0,9–4 ≤ 3 0,2 ≤ 6 6–9 10–15 0,1 B2O3 ≤ 0,5 2–7 22–23 6–13 – ≤ 1,2 – F – – – ≤ 0,7 – – – Na2O 12–15 8–15 1,3 0,3–2 0,4 ≤ 1,1 14,3 ZrO2 – – – – – – 10,2 K2O ≤ 1,5 1–8 ≤ 1,5 0,2–0,5 0,1 – 2,7 Fe2O3 ≤ 0,5 ≤ 0,3 0,2 0,3 0,3 – – TiO2 – – – – 0,2 – – SO3 0,7 – – – – – 0,2

Az üvegszálak előállítása bélyegkép|150px|Üvegszál-köteg (roving)

Folytonos üvegszálak A Slayter által kidolgozott eljáráson alapuló üvegszálgyártás alapja, hogy a szilicium-dioxidot (SiO2) 1400 °C-ra hevítik, majd hideg víz rápermetezésével gyorsan visszahűtik 1200 °C-ra, így nem kristályosodik és amorf szerkezetűvé válik. Az olvadék a platinából készült szálképző lap apró (a kívánt szálvastagságtól függően 4–34 µm átmérőjű) nyílásain a gravitáció hatására kifolyik, a viszkózus folyadékot víz rápermetezésével lehűtik. Így alakulnak ki a folytonos szálak (filamentek), amelyeket nagy sebességgel (sokkal gyorsabban, mint ahogy az üvegszál képződik) csévékre tekercselnek, miközben a sebességkülönbség miatt meg is nyúlnak.

Az üvegszálakat a felcsévélés során folyamatosan védőbevonatal látják el, ami a szál tömegéhez képest 0,5–2%-ot képvisel. Célja a rovingban levő szálak összetartása és a szálak védelme a felület sérüléseitől a további feldolgozási műveletek során. Kenőanyagként különböző műgyantákat használnak, amelyek jól tapadnak az üveghez. Ezeknek a védőbevonatoknak a jelenlétére a kompozitgyártásnál nagy figyelmet kell fordítani, hogy a szál és a kompozit mátrix anyaga tökéletesen egymáshoz tapadjon.

A szálképző lapon több ezer nyílás van, az ezeken kijövő egyedi szálakat nagyjából ezresével az ún. rovingba fogják össze. A roving finomsága a benne levő egyedi szálak vastagságától függ és azt a fonalaknál alkalmazott finomsági számozási rendszer szerint Európában tex-ben, angol nyelvterületen yard/font-ban (yd/lb) adják meg. (1 yd/lb = 0,153 tex.)

Rövid üvegszálak A gyártási folyamat itt is az üveg megolvasztásával kezdődik. A megolvadt üveget az olvasztó tartály nyílásain kilépő szálakra nagy sebességű gőz- vagy forró levegőáramot fújnak, amely nyújtja és darabolja a szálakat. A lehulló, 200–380 mm hosszú szálakra (angolul: staple fibres) olajat permeteznek és egy forgó dobon gyűjtik össze, ahonnan szalag formájába tömörítve választják le azokat. Ez a szalag ugyanúgy nyújtható és sodorható, mint a pamut- vagy gyapjúszálakból készített szalagok (lásd bővebben a Fonás címszó alatt).

Olyan eljárás is ismeretes, amely szerint a szálakat üvegrudak hevítéssel megömlesztett végéből húzzák. Az egymás mellett elhelyezett üvegrudakból húzott, 7–10 µm vastagságú szálakat egy dobra tekercselik, majd meghatározott hossz elérésekor leválasztják a dobról és 70–120 mm hosszú darabokra vágják.

bélyegkép|150px|Aprított üvegszálak

Aprított üvegszálak A csak néhány (3–13) milliméter hosszúra darabolt, 10–13 µm vastag üvegszálakat (angolul: chopped fibres) műanyag kompozitok erősítésére, továbbá tömörített szalagok formájában szigetelőanyagként használják.

Üveggyapot Üveggyapot készítésénél a megolvadt üveget egy apró lyukakkal ellátott hengeres tartályba folyatják, amely nagy sebességgel forog. A folyékony üveg a centrifugális erő hatására kitüremlik a lyukakon és a közben ráfújt forró levegő- vagy gázáram hatására megnyúlt szálakká alakul. A szálakat egy futószalagon gyűjtik össze, ahol rendezetlen állapotú, vattaszerű halmazt alkotnak, amit ráfújt kötőanyaggal, majd ezt követő hőkezeléssel szilárdítanak meg. A kötőanyagtól függ, hogy az így képződött anyaghalmaz mennyire lesz hajlékony vagy kemény. Az üveggyapotot általában hőszigetelő anyagként használják fel.

Az üvegszálak védőbevonata A gyártás során az üvegszálakra kopásállóságuk javítására védőbevonatot permeteznek. Az üveggyapot elektrosztatikus feltöltődése ellen a kötőanyagba antisztatizáló készítményt kevernek. Kompozitok gyártására szánt üvegszálakat olyan bevonattal látják el, amely elősegíti a mátrix anyaghoz való kötődésüket. Ha az üvegszálakból olyan textíliát szándékoznak készíteni, amit később színeznek, ennek megfelelő bevonatot kell felvinni a szálakra, amely lehetővé teszi a színezőanyag megkötését.

Az üvegszálak tulajdonságai Az alábbi adatok a legáltalánosabban használt E-üvegre vonatkoznak.

Fizikai és mechanikai tulajdonságok Mikroszkópi kép – A bevonat nélküli üvegszál mikroszkóp alatt sima, szerkezet nélküli képet mutat. Keresztmetszete kör, átmérője a szál hossza mentén enyhén ingadozik, felületi egyenetlenségek nem láthatók rajta.

Vastagság – A leggyakraban alkalmazott üvegszálak vastagsága 17 vagy 24 µm. A hang- és hőszigetelésre, valamint szűrőkben használt üveggyapot 6–10 µm átmérőjű üvegszálakból áll. Textilipari célokra legalább 70, de inkább több mint 100 elemiszálból álló üvegfonalak alkalmasak.

Szakítószilárdság, szakadási nyúlás – Az üvegszálak igen nagy szilárdságúakÉrdekes módon minél vékonyabb egy üvegszál, annál nagyobb a felületegységre eső (N/mm² ) szakítóereje. Ennek az az oka, hogy a szál vékonyítását erőteljes nyújtással végzik, ami által a szál tengelye mentén rendeződő molekulák között erősebb kapcsolatok jönnek létre.

A leggyakrabban alkalmazott E típusú üvegszál adatait összehasonlítva más, ugyancsak nagy szilárdságú szintetikus szálasanyagokéval, az alábbi táblázat foglalja össze.

Száltípus Sűrűség(g/cm³ ) Szakító-szilárdság(GPa) Rugalmasságimodulus(GPa) Szakadásinyúlás(%) Szakító-hosszA szakítóhossz az az elméleti szálhosszúság, amely alatt a szál saját súlya alatt elszakadna. Matematikailag a GPa-ban kifejezett szakítószilárdság és a g/cm³ -ben kifejezett sűrűség hányadosának százszorosa.(km) E típusú üvegszál 2,6 2,5 72 4,8 96 Szénszál 1,78 3,4 240 1,4 190 Kevlar 1,44 3,3 75 3,6 230 Acélhuzal 7,86 4,0 210 1,1 50

Rugalmasság – Az üvegszál rugalmas visszaalakuló képessége 100%, azaz a szakadási nyúlás határán belül megfeszítve a tehermentesítéskor azonnal visszanyeri eredeti hosszát.

Hajlékonyság – A textilipari célokra készült üvegszálak viszonylag hajlékonyak, mert az igen vékony szálakat a gyakorlatban a vastagságukhoz képest többnyire nagy görbületi sugarú ívben kell meghajlítani. Ez teszi lehetővé például a több elemiszálból készült fonalak sodrattal való egyesítését.

Nedvszívó képesség – Az üvegszál nem nedvszívó, ami villamosipari felhasználása szempontjából nagyon hasznos tulajdonság. Az üvegszálakból font fonalakban ill. az ezekből készült kelmékben a kapilláris hatás erősen érezteti a hatását, ezért ezek a kelmék vízzel érintkezve hamar átnedvesednek.

Hő hatása – Az üvegszál éghetetlen. 300 °C körül szilárdsága csökkenni kezd (400 °C-nál eredeti szilárdságának már csak 65%-át mutatja), 650 °C-nál meglágyul, majd 800 °C körüli hőmérsékleten megolvad, égési gázok vagy hamu azonban eközben nem keletkezik. Igen jó hőszigetelő.

Elektromos tulajdonságok Ellenállás – Az üvegszál fajlagos ellenállása 1013 Ωcm nagyságrendű, ami azonban függ a nedvességtől.

Átütési feszültség – Az üvegszövetből készült szigetelőanyagok átütési feszültsége a levegőével egyezik meg, mert a szikra az üvegszövet hézagain üt át.

Dielektromos állandó – 1 MHz frekvenciánál 6,4, 1 GHz frekvenciánál 6,13.

Az E-üveg kiemelkedik jó elektromos szigetelő tulajdonságával.

Optikai tulajdonságok