كيف يتم صنع الألياف الزجاجية؟

تشير الألياف الزجاجية إلى مجموعة من المنتجات المصنوعة من الألياف الزجاجية الفردية مجتمعة في مجموعة متنوعة من الأشكال. يمكن تقسيم الألياف الزجاجية إلى مجموعتين رئيسيتين وفقًا لهندستها: الألياف المستمرة المستخدمة في الخيوط والمنسوجات ، والألياف المتقطعة (القصيرة) المستخدمة كضربات أو بطانيات أو لوحات للعزل والترشيح. يمكن تشكيل الألياف الزجاجية في غزل مثل الصوف أو القطن ، ومنسوجة في نسيج يستخدم في بعض الأحيان للستائر. تُستخدم المنسوجات الأليفية عادةً كمواد تعزيز للبلاستيك المصبوب والمغطاة. يتم استخدام صوف الألياف الزجاجية ، مادة سميكة ورقيقة مصنوعة من الألياف المتقطعة ، للعزل الحراري وامتصاص الصوت. يوجد عادة في السفن والغواصات الحاجز والكائنات ؛ مقصورات محرك السيارات وبطانات لوحة الجسم ؛ في الأفران ووحدات تكييف الهواء ؛ الجدار الصوتية وألواح السقف ؛ والأقسام المعمارية. يمكن تصميم الألياف الزجاجية لتطبيقات محددة مثل النوع E (الكهربائي) ، وتستخدم كشريط عزل كهربائي ، والمنسوجات ، والتعزيز ؛ النوع C (الكيميائي) ، الذي له مقاومة حمض متفوقة ، والنوع T ، للعزل الحراري.

على الرغم من أن الاستخدام التجاري للألياف الزجاجية حديث نسبيًا ، إلا أن الحرفيين قاموا بإنشاء خيوط زجاجية لتزيين الكبول والمزهريات خلال عصر النهضة. قام عالم فيزيائي فرنسي ، Rene-antoine ferchault de reaumur ، بإنتاج المنسوجات المزينة بأشرطة زجاجية رائعة في عام 1713 ، وقام المخترعون البريطانيون بتكرار الفذ في عام 1822. فستان منسوج من الزجاج في المعرض الكولومبي 1893 في شيكاغو.

تم إنتاج الصوف الزجاجي ، كتلة رقيقة من الألياف المتقطعة بأطوال عشوائية ، لأول مرة في أوروبا في نهاية القرن ، باستخدام عملية تضمنت رسم الألياف من قضبان أفقيًا إلى طبل دوار. بعد عدة عقود ، تم تطوير عملية الغزل وبراءة اختراع. تم تصنيع مواد الألياف الزجاجية العازلة في ألمانيا خلال الحرب العالمية الأولى. البحث والتطوير التي تهدف إلى الإنتاج الصناعي للألياف الزجاجية التي تقدمت في الولايات المتحدة في ثلاثينيات القرن الماضي ، تحت إشراف شركتين رئيسيتين ، شركة Owens-Ellinois Glass و Corning Glass يعمل. طورت هذه الشركات الألياف الزجاجية ذات التكلفة المنخفضة وذات التكلفة من خلال رسم الزجاج المنصهر من خلال فتحات جيدة جدًا. في عام 1938 ، اندمجت هاتان الشركتان لتشكيل شركة أوينز كورنج كورب. المعروفة الآن باسم Owens-Corning ، أصبحت شركة بقيمة 3 مليارات دولار في السنة ، وهي 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 رمال السيليكا والحجر الجيري ورماد الصودا. قد تشمل المكونات الأخرى الألومينا المكسوة ، البوراكس ، الفلسبار ، نيفيلين سيينيت ، المغنيسيت ، كلاي الكاولين ، من بين أمور أخرى. يتم استخدام رمال السيليكا كزجاج سابق ، والرماد الصودا والحجر الجيري يساعد في المقام الأول لخفض درجة حرارة الانصهار. يتم استخدام المكونات الأخرى لتحسين خصائص معينة ، مثل Borax للمقاومة الكيميائية. يستخدم زجاج النفايات ، الذي يسمى أيضًا كوليه ، أيضًا كمواد خام. يجب وزن المواد الخام بعناية بكميات دقيقة ومزجها تمامًا (تسمى الأسطوانة) قبل ذوبانها في الزجاج.

التصنيع
عملية

ذوبان

بمجرد تحضير الدفعة ، يتم إطعامها في فرن للذوبان. يمكن تسخين الفرن عن طريق الكهرباء أو الوقود الأحفوري أو مزيج من الاثنين. يجب التحكم في درجة الحرارة بدقة للحفاظ على تدفق ناعم وثابت من الزجاج. يجب الاحتفاظ بالزجاج المنصهر عند درجة حرارة أعلى (حوالي 2500 درجة فهرنهايت [1371 درجة مئوية]) من الأنواع الأخرى من الزجاج من أجل تشكيلها في الألياف. بمجرد أن يصبح الزجاج منصيرًا ، يتم نقله إلى معدات التكوين عبر قناة (Forehearth) الموجودة في نهاية الفرن.

تشكيل في الألياف

يتم استخدام العديد من العمليات المختلفة لتشكيل الألياف ، اعتمادًا على نوع الألياف. قد تتشكل ألياف النسيج من الزجاج المنصهر مباشرة من الفرن ، أو قد يتم تغذية الزجاج المنصهر أولاً إلى آلة تشكل قطرًا بحوالي 0.62 بوصة (1.6 سم). تسمح هذه الرخام بالتفتيش للزجاج بصريًا بسبب الشوائب. في كل من عملية ذوبان الذوبان المباشر والرخام ، يتم تغذية الرخام الزجاجي أو الزجاجي من خلال البطانات الساخنة كهربائياً (تسمى أيضًا الدوار). الجلبة مصنوعة من سبيكة البلاتين أو المعدنية ، مع أي مكان من 200 إلى 3000 فتحات جيدة جدا. يمر الزجاج المنصهر عبر الفتحات ويخرج كخيوط رائعة.

عملية تشييد مستمرة

يمكن إنتاج الألياف الطويلة والمستمرة من خلال عملية الأنبحة المستمرة. بعد أن يتدفق الزجاج عبر الثقوب الموجودة في الجلبة ، يتم القبض على خيوط متعددة على لفة عالية السرعة. يدور Winder في حوالي 2 ميل (3 كم) في الدقيقة ، أسرع بكثير من معدل التدفق من البطانات. يسحب التوتر خيوط بينما لا يزال منصيرًا ، مما يشكل خيوطًا جزءًا من قطر الفتحات في الجلبة. يتم تطبيق الموثق الكيميائي ، مما يساعد على منع الألياف من الانهيار أثناء المعالجة اللاحقة. ثم يتم جرح الشعيرة على الأنابيب. يمكن الآن أن تكون ملتوية وتلهف في الغزل.

عملية الألياف الأساسية

طريقة بديلة هي عملية الألياف الأساسية. بينما يتدفق الزجاج المنصهر عبر البطانات ، يبرد الطائرات من الهواء بالخيوط بسرعة. تنقسم رشقات الهواء المضطربة أيضًا خيوط إلى أطوال تتراوح بين 8 و 15 بوصة (20-38 سم). تقع هذه الخيوط من خلال رذاذ من مواد التشحيم على أسطوانة دوارة ، حيث تشكل شبكة رقيقة. يتم سحب الويب من الأسطوانة وسحبها إلى حبلا مستمر من الألياف المجمعة بشكل فضفاض. يمكن معالجة هذا الخيط في الغزل من خلال نفس العمليات المستخدمة للصوف والقطن.

الألياف المفرومة

بدلاً من تشكيله في الغزل ، قد يتم تقطيع حبلا مستمر أو طويل المراقبة إلى أطوال قصيرة. يتم تثبيت حبلا على مجموعة من البكر ، تسمى كريل ، وسحبها من خلال آلة تقطعها إلى قطع قصيرة. يتم تشكيل الألياف المفرومة في الحصير التي تتم إضافة الموثق إليها. بعد المعالجة في الفرن ، يتم لف حصيرة. تعطي الأوزان والسماكة المختلفة منتجات للقوباء المنطقية أو الأسقف المبنية أو الحصير الزخرفية.

الصوف الزجاجي

يتم استخدام عملية الدوران أو الدوار لصنع الصوف الزجاجي. في هذه العملية ، يتدفق الزجاج المنصهر من الفرن إلى حاوية أسطواني له ثقوب صغيرة. عندما تدور الحاوية بسرعة ، تتدفق الجداول الأفقية من الزجاج من الثقوب. يتم تحويل تيارات الزجاج المنصهر إلى ألياف بواسطة انفجار هبوط من الهواء أو الغاز الساخن أو كليهما. تسقط الألياف على حزام النقل ، حيث يتداخلون مع بعضهم البعض في كتلة فريدة. يمكن استخدام هذا للعزل ، أو يمكن رش الصوف بموثق ، مضغوط في السمك المطلوب ، وعلاجه في الفرن. تقوم الحرارة بتعيين الموثق ، وقد يكون المنتج الناتج عبارة عن لوحة صلبة أو شبه صوتية ، أو بات مرنة.

الطلاء الواقي

بالإضافة إلى المجلدات ، هناك حاجة إلى الطلاءات الأخرى لمنتجات الألياف الزجاجية. يتم استخدام مواد التشحيم لتقليل تآكل الألياف وإما رشها مباشرة على الألياف أو إضافتها إلى الموثق. يتم رش التركيبة المضادة للثبات في بعض الأحيان على سطح حصائر عزل الألياف الزجاجية أثناء خطوة التبريد. يؤدي تبريد الهواء المرسوم من خلال حصيرة إلى اختراق العامل المضاد للثبات في سماكة حصيرة كاملة. يتكون العامل المضاد للثبات من مكونين-مادة تقلل من توليد الكهرباء الساكنة ، ومواد تعمل كمثبط للتآكل ومثبت. المزيد من المكونات (مواد التشحيم ، المجلدات ، أو عوامل الاقتران). يتم استخدام عوامل الاقتران على خيوط سيتم استخدامها لتعزيز البلاستيك ، لتعزيز الرابطة للمواد المعززة. في بعض الأحيان تكون هناك حاجة إلى عملية تشطيب لإزالة هذه الطلاء ، أو لإضافة طبقة أخرى. للتعزيزات البلاستيكية ، يمكن إزالة الأزواج بالحرارة أو المواد الكيميائية وعامل اقتران. بالنسبة للتطبيقات الزخرفية ، يجب معالجة الأقمشة للحرارة لإزالة الأزواج وتعيين النسج. ثم يتم تطبيق الطلاء قاعدة صبغ قبل الموت أو الطباعة.

تشكيل في الأشكال

تأتي منتجات الألياف الزجاجية في مجموعة واسعة من الأشكال ، مصنوعة باستخدام العديد من العمليات. على سبيل المثال ، يتم عزل أنابيب الألياف الزجاجية على أشكال تشبه قضيب تسمى المغزل مباشرة من وحدات التكوين ، قبل المعالجة. ثم يتم علاج أشكال القالب ، بطول 3 أقدام (91 سم) أو أقل ، في الفرن. ثم يتم إزالة الأطوال المعالجة بالطول ، وتنشر في أبعاد محددة. يتم تطبيق المواجهات إذا لزم الأمر ، ويتم تعبئة المنتج للشحن.

ضبط الجودة

أثناء إنتاج عزل الألياف الزجاجية ، يتم أخذ عينات من المواد في عدد من المواقع في عملية الحفاظ على الجودة. وتشمل هذه المواقع: الدفعة المختلطة التي يتم تغذيتها إلى اللطيف الكهربائي ؛ الزجاج المنصهر من الجلبة التي تغذي الألياف. الألياف الزجاجية تخرج من آلة الليبرايزر. والمنتجات النهائية المعالجة الناشئة من نهاية خط الإنتاج. يتم تحليل عينات الزجاج والألياف السائبة للتكوين الكيميائي ووجود العيوب باستخدام تحليلات كيميائية متطورة ومجاهر. يتم الحصول على توزيع حجم الجسيمات للمادة الدُفعات عن طريق تمرير المادة من خلال عدد من المنافع المختلفة. يتم قياس المنتج النهائي للسمك بعد التغليف وفقًا للمواصفات. يشير التغير في السماكة إلى أن جودة الزجاج أقل من المعيار.

يستخدم مصنعو عزل الألياف الزجاجية أيضًا مجموعة متنوعة من إجراءات الاختبار الموحدة 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 الكبيرة والسماكة ومحتوى الموثق. يتم استخدام نهج مماثل للتحكم في الخواص الحرارية.

المستقبل

تواجه صناعة الألياف الزجاجية بعض التحديات الرئيسية على بقية التسعينيات وما وراءها. زاد عدد منتجي عزل الألياف الزجاجية بسبب الشركات التابعة الأمريكية للشركات الأجنبية والتحسينات في الإنتاجية من قبل الشركات المصنعة الأمريكية. وقد أدى ذلك إلى سعة زائدة ، والتي لا يمكن للسوق الحالي وربما المستقبلي استيعابها.

بالإضافة إلى السعة الزائدة ، سوف تتنافس مواد العزل الأخرى. أصبح الصوف الصخري يستخدم على نطاق واسع بسبب العملية الحديثة والتحسينات المنتج. يعد عزل الرغوة بديلًا آخر للألياف الزجاجية في الجدران السكنية والأسطح التجارية. مادة أخرى منافسة هي السليلوز ، والتي تستخدم في عزل العلية.

بسبب انخفاض الطلب على العزل بسبب سوق الإسكان الناعم ، يطالب المستهلكون بالأسعار المنخفضة. هذا الطلب هو أيضا نتيجة لاستمرار الاتجاه في توحيد تجار التجزئة والمقاولين. استجابة لذلك ، سيتعين على صناعة عزل الألياف الزجاجية الاستمرار في خفض التكاليف في مجالين رئيسيين: الطاقة والبيئة. يجب استخدام الأفران الأكثر كفاءة التي لا تعتمد على مصدر واحد فقط للطاقة.

مع وصول مدافن النفايات إلى أقصى قدرة ، سيتعين على مصنعي الألياف الزجاجية تحقيق ما يقرب من صفر الناتج على النفايات الصلبة دون زيادة التكاليف. سيتطلب ذلك تحسين عمليات التصنيع لتقليل النفايات (بالنسبة لنفايات السائل والغاز أيضًا) وإعادة استخدام النفايات كلما أمكن ذلك.

قد تتطلب هذه النفايات إعادة المعالجة والإبادة قبل إعادة الاستخدام كمواد خام. العديد من الشركات المصنعة يعالجون بالفعل هذه القضايا.