Glasvezel

Glasvezel, ook fiber genoemd, is een haardunne vezel van glas.

Glasvezel wordt onder meer toegepast in telecommunicatie, waarbij licht wordt gestuurd door lange vezels van optisch zeer helder glas om signalen betrouwbaar over grote afstanden te transporteren. Doordat het licht in de glasvezel een bijzonder kleine hoek met de buitenkant van de vezel maakt is reflectie gegarandeerd en blijft het licht in de vezel door interne reflectie.

Een andere toepassing van glasvezel is het verstevigen van allerlei kunststoffen. Zo wordt glasvezel onder meer toegepast in hengels en ski's. Het materiaal dat zo ontstaat, wordt een composiet genoemd.

Inhoud 1 Productieproces 2 Chemisch 3 Eigenschappen 4 Dispersie

[bewerk] Productieproces

Er zijn twee manieren om glasvezel te produceren. De vezel wordt gemaakt via een rechtstreeks smeltproces of via een indirect smeltproces. Daarnaast zijn er ook twee soorten eindproducten : een ononderbroken vezel (kan 1000 meter lang zijn) en een geniete vezel (een kortere vezel). In beide gevallen begint men met de grondstoffen in vaste aggregatietoestand. Men mengt de grondstoffen en smelt ze in een oven.

Indirect smeltproces

Het gesmolten materiaal wordt verdeeld, afgekoeld en verpakt (in bolletjes). Deze bolletjes worden naar de productiefaciliteit gebracht waar zij opnieuw gesmolten worden. Daarna gaat het gesmolten glas naar ringen (zogenaamde spindoppen) waar het tot vezels wordt getrokken.

Rechtstreeks smeltproces

Het gesmolten materiaal (glas) gaat onmiddellijk naar de spindoppen waar het tot vezels wordt getrokken.

Daarna zijn er twee soorten eindproduct, ofwel ononderbroken vezels (filament), die op spoelen worden gewonden, ofwel in een geniete vezel.

In het filamentproces wordt, nadat men de vezels heeft getrokken een lengte aangepast. Deze helpt om de vezels te beschermen wanneer ze op een spoel worden gewonden. De lengte is ook bepalend voor de doeleinden van de vezels.

Voor de geniete vezel zijn er een aantal mogelijkheden om de vezel te vervaardigen. Het glas kan geblazen worden met hitte of stoom. Veelal worden vezels gemaakt tot een soort mat. In deze productiemethode is het meest gebruikte proces het rotatieproces, het glas wordt in een roterende spinner gebracht en door de centrifugale krachten wordt het eruit geworpen. Luchtstralen duwen het verticaal neer waarna het bindmiddel eraan toegevoegd wordt.

[bewerk] Chemisch

De basis van de glasvezels is kiezelzuur (SiO₂) In zijn zuivere vorm bestaat het als polymeer (SiO₂)_n. Het heeft geen exact te bepalen smeltpunt maar wordt op 2000 °C zacht waarna het begint te degraderen. Bij 1713°C kunnen de meeste moleculen zich vrij bewegen. Als het glas daarna snel wordt afgekoeld, heeft het glas niet genoeg tijd om een geordende structuur te vormen. In het polymeer vormen de SiO₄ 4 groepen die zich schikken als een tetraëder met het siliciumatoom in het centrum en de vier zuurstof atomen op de hoeken.

Deze atomen vormen daarna een rooster met gedeelde zuurstofatomen. De glas- en kristallijne toestanden van het kiezelzuur hebben gelijke energieniveaus op een moleculaire basis, met andere woorden het is uiterst stabiel. Om de kristallisatie te bevorderen moet het voor langere tijd blootgesteld worden aan temperaturen van boven de 1200°C. Hoewel het zuivere kiezelzuur haalbaar is in gebruik, moet er toch bij zeer hoge temperaturen gewerkt worden. Deze zijn een nadeel tenzij de specifieke eigenschappen nodig zijn. Het is gebruikelijk om deze temperaturen te verminderen door onzuiverheden (onder de vorm van andere materialen) in het glas te introduceren. Deze materialen kunnen dan ook verscheidene andere eigenschappen aan het glas geven die in verschillende toepassingen nuttig kunnen blijken.

[bewerk] Eigenschappen

• Glasvezels zijn slechte warmte- en elektriciteitgeleiders.
• De treksterkten zijn echter zeer hoog, zelfs hoger dan van de kunststofvezels zoals nylon- en polypropeen
• Glasvezels zijn onbrandbaar en de treksterkte blijft behouden tot ruim 300 °C, hoe hoger de temperaturen hoe sneller de sterkte achteruit gaat.
• In water logen de vezels door het zeer grote oppervlak in de loop der tijd uit.
• Normaal is glas erg bros, maar wanneer het gesmolten is en er dunne draden van getrokken worden (zoals glasvezel) dan is het sterk en buigzaam.
• Er kan geen vermogen getransporteerd worden.
• Korte bochten zijn uit den boze.

[bewerk] Dispersie

Tijdens transport van licht over de glasvezel wordt het lichtsignaal vervormd, enerzijds vanwege vervuiling (tijdens de fabricage) in de glasvezel, anderzijds vanwege de fysieke eigenschappen.

Met Laplacetransformatie is eenvoudig aan te tonen dat een enkele golflengte (Lambda) is opgebouwd uit verschillende kleuren/harmonischen. Elke van deze harmonischen heeft een andere looptijd in de glasvezel en komt dus eerder of later aan op de eindbestemming. Een overgestuurde lichtpuls wordt breder totdat de ene puls overloopt in de andere puls, zodat beide pulsen niet meer te onderscheiden zijn. Dit wordt ook wel dispersie of pulsverbreding genoemd. Dit effect wordt nogmaals versterkt doordat de kleur aan de binnenkant van de glasvezel wordt gereflecteerd (spiegeleffect) waardoor een prisma-effect ontstaat op de golflengte van het lichtsignaal.

Deze effecten zijn tegen te gaan door:

• Dunnere glasvezel te gebruiken, de zogenaamde monomode (=SingleMode) glasvezel: de golf gaat recht door de glasvezel en er ontstaan minder reflecties.
• Licht dat uit 1 golflengte bestaat te versturen: monochromatisch licht. Op deze manier zijn worden er minder harmonischen verkregen.