كيف يتم صناعة الألياف الزجاجية؟

تشير الألياف الزجاجية إلى مجموعة من المنتجات المصنوعة من ألياف زجاجية فردية مدمجة في مجموعة متنوعة من الأشكال. يمكن تقسيم الألياف الزجاجية إلى مجموعتين رئيسيتين وفقًا لهندستها: الألياف المستمرة المستخدمة في الخيوط والمنسوجات، والألياف المتقطعة (القصيرة) المستخدمة كمضارب أو بطانيات أو ألواح للعزل والترشيح. يمكن تشكيل الألياف الزجاجية إلى خيوط تشبه إلى حد كبير الصوف أو القطن، ثم نسجها في القماش الذي يستخدم أحيانًا في صناعة الستائر. تُستخدم منسوجات الألياف الزجاجية بشكل شائع كمواد تقوية للمواد البلاستيكية المقولبة والمغلفة. يستخدم صوف الألياف الزجاجية، وهو مادة سميكة ورقيقة مصنوعة من ألياف متقطعة، في العزل الحراري وامتصاص الصوت. يوجد بشكل شائع في حواجز وهياكل السفن والغواصات. حجرات محرك السيارة وبطانات لوحة الجسم؛ في الأفران ووحدات تكييف الهواء. ألواح الجدران والسقف الصوتية؛ والفواصل المعمارية. يمكن تصميم الألياف الزجاجية لتطبيقات محددة مثل النوع E (الكهربائي)، المستخدم كشريط عزل كهربائي، والمنسوجات والتعزيز؛ النوع C (كيميائي)، الذي يتمتع بمقاومة فائقة للأحماض، والنوع T، للعزل الحراري.

على الرغم من أن الاستخدام التجاري للألياف الزجاجية حديث نسبيًا، إلا أن الحرفيين صنعوا خيوطًا زجاجية لتزيين الكؤوس والمزهريات خلال عصر النهضة. أنتج عالم فيزياء فرنسي، رينيه أنطوان فيرشولت دي ريومور، منسوجات مزينة بخيوط زجاجية دقيقة في عام 1713، وكرر المخترعون البريطانيون هذا العمل الفذ في عام 1822. وصنع نساج حرير بريطاني نسيجًا زجاجيًا في عام 1842، وعرض مخترع آخر، إدوارد ليبي، فستان منسوج من الزجاج في المعرض الكولومبي عام 1893 في شيكاغو.

تم إنتاج الصوف الزجاجي، وهو عبارة عن كتلة رقيقة من الألياف المتقطعة بأطوال عشوائية، لأول مرة في أوروبا في مطلع القرن العشرين، باستخدام عملية تتضمن سحب الألياف من القضبان أفقيًا إلى أسطوانة دوارة. وبعد عدة عقود، تم تطوير عملية الغزل وحصلت على براءة اختراع. تم تصنيع المواد العازلة من الألياف الزجاجية في ألمانيا خلال الحرب العالمية الأولى. تقدم البحث والتطوير الهادف إلى الإنتاج الصناعي للألياف الزجاجية في الولايات المتحدة في ثلاثينيات القرن العشرين، تحت إشراف شركتين كبيرتين، شركة أوينز إلينوي للزجاج وشركة كورنينج جلاس. يعمل. طورت هذه الشركات أليافًا زجاجية دقيقة ومرنة ومنخفضة التكلفة عن طريق سحب الزجاج المنصهر من خلال فتحات دقيقة جدًا. في عام 1938، اندمجت هاتان الشركتان لتشكلا شركة Owens-Corning Fiberglas Corp. والمعروفة الآن باسم Owens-Corning، وقد أصبحت شركة يبلغ دخلها 3 مليارات دولار سنويًا، وهي شركة رائدة في سوق الألياف الزجاجية.

مواد خام

المواد الخام الأساسية لمنتجات الألياف الزجاجية هي مجموعة متنوعة من المعادن الطبيعية والمواد الكيميائية المصنعة. المكونات الرئيسية هي رمل السيليكا والحجر الجيري ورماد الصودا. قد تشمل المكونات الأخرى الألومينا المكلسة، والبوراكس، والفلسبار، وسيانيت النيفلين، والمغنسيت، وطين الكاولين، وغيرها. يتم استخدام رمل السيليكا كصانع للزجاج، ويساعد رماد الصودا والحجر الجيري في المقام الأول على خفض درجة حرارة الانصهار. وتستخدم مكونات أخرى لتحسين خصائص معينة، مثل البوراكس للمقاومة الكيميائية. كما يتم استخدام نفايات الزجاج، والتي تسمى أيضًا الزجاجة، كمواد خام. يجب وزن المواد الخام بعناية وبكميات محددة وخلطها جيدًا معًا (يسمى الخلط) قبل صهرها في الزجاج.

التصنيع
عملية

ذوبان

بمجرد تحضير الدفعة، يتم إدخالها إلى فرن الصهر. يمكن تسخين الفرن بالكهرباء أو الوقود الأحفوري أو مزيج من الاثنين. يجب التحكم في درجة الحرارة بدقة للحفاظ على تدفق سلس وثابت للزجاج. يجب حفظ الزجاج المنصهر عند درجة حرارة أعلى (حوالي 2500 درجة فهرنهايت [1371 درجة مئوية]) من أنواع الزجاج الأخرى حتى يتم تشكيله إلى ألياف. بمجرد أن يصبح الزجاج منصهرًا، يتم نقله إلى معدات التشكيل عبر قناة (الموقد الأمامي) موجودة في نهاية الفرن.

تشكيل في الألياف

يتم استخدام عدة عمليات مختلفة لتشكيل الألياف، اعتمادًا على نوع الألياف. يمكن تشكيل ألياف النسيج من الزجاج المنصهر مباشرة من الفرن، أو يمكن تغذية الزجاج المنصهر أولاً إلى آلة تشكل كرات زجاجية يبلغ قطرها حوالي 0.62 بوصة (1.6 سم). تسمح هذه الكرات بفحص الزجاج بصريًا بحثًا عن الشوائب. في كل من عملية الصهر المباشر وصهر الرخام، يتم تغذية الزجاج أو الرخام الزجاجي من خلال البطانات الساخنة كهربائيًا (وتسمى أيضًا المغازل). البطانة مصنوعة من البلاتين أو سبيكة معدنية، مع ما يتراوح بين 200 إلى 3000 فتحة دقيقة جدًا. يمر الزجاج المنصهر عبر الفتحات ويخرج على شكل خيوط دقيقة.

عملية خيوط مستمرة

يمكن إنتاج ألياف طويلة ومستمرة من خلال عملية الخيوط المستمرة. بعد أن يتدفق الزجاج عبر الفتحات الموجودة في الجلبة، يتم التقاط خيوط متعددة في ملفاف عالي السرعة. تدور اللفاف بسرعة حوالي 2 ميل (3 كم) في الدقيقة، وهو أسرع بكثير من معدل التدفق من البطانات. يسحب الشد الخيوط للخارج بينما لا تزال منصهرة، مما يشكل خيوطًا تمثل جزءًا صغيرًا من قطر الفتحات الموجودة في الجلبة. يتم تطبيق مادة رابطة كيميائية، مما يساعد على منع الألياف من التكسر أثناء المعالجة اللاحقة. ثم يتم لف الخيوط على الأنابيب. ويمكن الآن أن تكون ملتوية ومطوية في الغزل.

عملية الألياف الأساسية

الطريقة البديلة هي عملية الدبابيس. وبينما يتدفق الزجاج المنصهر عبر البطانات، تقوم نفاثات الهواء بتبريد الخيوط بسرعة. تعمل دفقات الهواء المضطربة أيضًا على كسر الخيوط إلى أطوال تتراوح من 8 إلى 15 بوصة (20 إلى 38 سم). تسقط هذه الخيوط من خلال رذاذ من مادة التشحيم على أسطوانة دوارة، حيث تشكل شبكة رقيقة. يتم سحب الشبكة من الأسطوانة وسحبها إلى حبلا متواصل من الألياف المجمعة بشكل فضفاض. يمكن معالجة هذا الخيط وتحويله إلى خيوط بنفس العمليات المستخدمة في الصوف والقطن.

الألياف المفرومة

بدلاً من تشكيلها على شكل خيوط، يمكن تقطيع الخيوط المستمرة أو طويلة التيلة إلى أطوال قصيرة. يتم تثبيت الخصلة على مجموعة من البكرات، تسمى كريل، ويتم سحبها من خلال آلة تقطعها إلى قطع قصيرة. يتم تشكيل الألياف المقطعة إلى حصائر يضاف إليها مادة رابطة. بعد المعالجة في الفرن، يتم لف الحصيرة. توفر الأوزان والسماكات المختلفة منتجات للألواح الخشبية أو الأسقف المبنية أو الحصائر الزخرفية.

الصوف الزجاجي

يتم استخدام العملية الدوارة أو الدوارة لصنع الصوف الزجاجي. في هذه العملية، يتدفق الزجاج المنصهر من الفرن إلى حاوية أسطوانية بها ثقوب صغيرة. وبينما تدور الحاوية بسرعة، تتدفق تيارات أفقية من الزجاج من الثقوب. يتم تحويل تيارات الزجاج المنصهر إلى ألياف عن طريق نفخ الهواء أو الغاز الساخن أو كليهما. تسقط الألياف على الحزام الناقل، حيث تتشابك مع بعضها البعض في كتلة صوفية. يمكن استخدام هذا للعزل، أو يمكن رش الصوف بمادة رابطة، وضغطه بالسمك المطلوب، ومعالجته في الفرن. تعمل الحرارة على ضبط الرابط، وقد يكون المنتج الناتج عبارة عن لوح صلب أو شبه صلب، أو عجينة مرنة.

الطلاءات الواقية

بالإضافة إلى المواد الرابطة، هناك حاجة إلى طبقات طلاء أخرى لمنتجات الألياف الزجاجية. تُستخدم مواد التشحيم لتقليل تآكل الألياف ويتم رشها مباشرة على الألياف أو إضافتها إلى الرابط. يتم أيضًا في بعض الأحيان رش تركيبة مضادة للكهرباء الساكنة على سطح الحصائر العازلة المصنوعة من الألياف الزجاجية أثناء خطوة التبريد. يتسبب هواء التبريد المسحوب عبر السجادة في اختراق العامل المضاد للكهرباء الساكنة لسمك السجادة بالكامل. يتكون العامل المضاد للكهرباء الساكنة من مكونين - مادة تقلل من توليد الكهرباء الساكنة، ومادة تعمل كمثبط للتآكل ومثبت. التحجيم هو أي طلاء يتم تطبيقه على ألياف النسيج في عملية التشكيل، وقد يحتوي على واحد أو المزيد من المكونات (مواد التشحيم أو المواد الرابطة أو عوامل التوصيل). يتم استخدام عوامل التوصيل على الخيوط التي سيتم استخدامها لتعزيز المواد البلاستيكية، لتقوية الرابطة مع المادة المعززة. في بعض الأحيان تكون هناك حاجة إلى عملية تشطيب لإزالة هذه الطلاءات، أو لإضافة طلاء آخر. بالنسبة للتعزيزات البلاستيكية، يمكن إزالة المقاسات بالحرارة أو المواد الكيميائية وتطبيق عامل اقتران. بالنسبة للتطبيقات الزخرفية، يجب معالجة الأقمشة بالحرارة لإزالة المقاسات وضبط النسج. يتم بعد ذلك تطبيق الطلاءات الأساسية الصبغية قبل الموت أو الطباعة.

تشكيل في الأشكال

تأتي منتجات الألياف الزجاجية في مجموعة واسعة من الأشكال، ويتم تصنيعها باستخدام العديد من العمليات. على سبيل المثال، يتم لف عزل أنابيب الألياف الزجاجية على أشكال تشبه القضبان تسمى الشياق مباشرةً من وحدات التشكيل، قبل المعالجة. يتم بعد ذلك معالجة القوالب التي يبلغ طولها 3 أقدام (91 سم) أو أقل في الفرن. يتم بعد ذلك فك الأطوال المعالجة بالطول ونشرها في أبعاد محددة. يتم تطبيق الواجهات إذا لزم الأمر، ويتم تعبئة المنتج للشحن.

ضبط الجودة

أثناء إنتاج عزل الألياف الزجاجية، يتم أخذ عينات من المواد في عدد من المواقع أثناء العملية للحفاظ على الجودة. تتضمن هذه المواقع: الدفعة المختلطة التي يتم تغذيتها إلى المصهر الكهربائي؛ الزجاج المنصهر من البطانة التي تغذي جهاز الألياف؛ الألياف الزجاجية الخارجة من آلة الألياف؛ والمنتج النهائي المعالج يخرج من نهاية خط الإنتاج. يتم تحليل عينات الزجاج والألياف السائبة للتأكد من تركيبها الكيميائي ووجود العيوب باستخدام أجهزة التحليل الكيميائي والمجاهر المتطورة. يتم الحصول على توزيع حجم الجسيمات للمادة الدفعية عن طريق تمرير المادة من خلال عدد من المناخل ذات الأحجام المختلفة. يتم قياس سمك المنتج النهائي بعد التغليف حسب المواصفات. يشير التغير في السُمك إلى أن جودة الزجاج أقل من المستوى المطلوب.

يستخدم مصنعو عزل الألياف الزجاجية أيضًا مجموعة متنوعة من إجراءات الاختبار القياسية لقياس وضبط وتحسين المقاومة الصوتية للمنتج وامتصاص الصوت وأداء حاجز الصوت. يمكن التحكم في الخصائص الصوتية عن طريق ضبط متغيرات الإنتاج مثل قطر الألياف والكثافة الظاهرية والسمك ومحتوى المادة الرابطة. يتم استخدام نهج مماثل للتحكم في الخواص الحرارية.

المستقبل

تواجه صناعة الألياف الزجاجية بعض التحديات الرئيسية خلال الفترة المتبقية من التسعينيات وما بعدها. زاد عدد منتجي عزل الألياف الزجاجية بسبب الشركات الأمريكية التابعة للشركات الأجنبية والتحسينات في إنتاجية الشركات المصنعة الأمريكية. وقد أدى ذلك إلى فائض في الطاقة، وهو ما لا يستطيع السوق الحالي وربما المستقبلي استيعابه.

وبالإضافة إلى السعة الزائدة، سوف تتنافس مواد عزل أخرى. أصبح الصوف الصخري مستخدمًا على نطاق واسع بسبب التحسينات الأخيرة في العمليات والمنتجات. يعد العزل الرغوي بديلاً آخر للألياف الزجاجية في الجدران السكنية والأسطح التجارية. مادة أخرى منافسة هي السليلوز، والذي يستخدم في عزل العلية.

وبسبب انخفاض الطلب على العزل بسبب سوق الإسكان الميسر، يطالب المستهلكون بأسعار أقل. ويأتي هذا الطلب أيضًا نتيجة للاتجاه المستمر في دمج تجار التجزئة والمقاولين. واستجابة لذلك، سيتعين على صناعة العزل بالألياف الزجاجية الاستمرار في خفض التكاليف في مجالين رئيسيين: الطاقة والبيئة. ويجب استخدام أفران أكثر كفاءة لا تعتمد على مصدر واحد فقط للطاقة.

ومع وصول مدافن النفايات إلى طاقتها القصوى، سيتعين على مصنعي الألياف الزجاجية تحقيق ما يقرب من الصفر في إنتاج النفايات الصلبة دون زيادة التكاليف. وسيتطلب ذلك تحسين عمليات التصنيع لتقليل النفايات (بالنسبة للنفايات السائلة والغازية أيضًا) وإعادة استخدام النفايات حيثما أمكن ذلك.

قد تتطلب هذه النفايات إعادة المعالجة وإعادة الصهر قبل إعادة استخدامها كمواد خام. العديد من الشركات المصنعة تعالج بالفعل هذه المشكلات.