Как се прави фибростъкло?

Фибростъклото се отнася до група продукти, направени от отделни стъклени влакна, комбинирани в различни форми. Стъклените влакна могат да бъдат разделени на две големи групи според тяхната геометрия: непрекъснати влакна, използвани в прежди и текстил, и прекъснати (къси) влакна, използвани като вата, одеяла или дъски за изолация и филтриране. Фибростъклото може да бъде оформено в прежда, подобно на вълна или памук, и изтъкано в тъкан, която понякога се използва за драперии. Текстилът от фибростъкло обикновено се използва като подсилващ материал за формовани и ламинирани пластмаси. Вата от фибростъкло, дебел, пухкав материал, направен от прекъснати влакна, се използва за топлоизолация и звукопоглъщане. Обикновено се среща в преградите и корпусите на кораби и подводници; Автомобилни двигателни отделения и облицовки на панела на каросерията; в пещи и климатични инсталации; Акустични стенни и таванни панели; и архитектурни прегради. Фибростъклото може да бъде пригодено за специфични приложения като тип E (електричество), използвано като електрическа изолационна лента, текстил и армировка; Тип C (химически), който има превъзходна киселинна устойчивост, и тип T, за топлоизолация.

Въпреки че търговската употреба на стъклени влакна е сравнително нова, занаятчиите създават стъклени нишки за декориране на чаши и вази през Ренесанса. Френският физик, Рене-Антоан Фершо дьо Реомюр, произвежда текстил, украсен с фини стъклени нишки през 1713 г., а британски изобретатели дублират постижението през 1822 г. Британски тъкач на коприна прави стъклена тъкан през 1842 г., а друг изобретател, Едуард Либи, излага рокля, изтъкана от стъкло на Колумбийското изложение през 1893 г. в Чикаго.

Стъклената вата, пухкава маса от прекъснати влакна с произволни дължини, е произведена за първи път в Европа в началото на века, като се използва процес, който включва изтегляне на влакна от пръти хоризонтално към въртящ се барабан. Няколко десетилетия по-късно е разработен и патентован процес на предене. Изолационният материал от стъклени влакна е произведен в Германия по време на Първата световна война. Изследванията и разработките, насочени към промишленото производство на стъклени влакна, напредват в Съединените щати през 30-те години на миналия век под ръководството на две големи компании, Owens-Illinois Glass Company и Corning Glass Работи. Тези компании разработиха фино, гъвкаво, евтино стъклено влакно чрез изтегляне на разтопено стъкло през много фини отвори. През 1938 г. тези две компании се сливат, за да образуват Owens-Corning Fiberglas Corp. Сега известна просто като Owens-Corning, тя се превърна в компания с 3 милиарда долара годишно и е лидер на пазара на фибростъкло.

Суровини

Основните суровини за продуктите от фибростъкло са различни естествени минерали и химикали. Основните съставки са силициев пясък, варовик и калцинирана сода. Други съставки могат да включват калциниран двуалуминиев оксид, боракс, фелдшпат, нефелин сиенит, магнезит и каолинова глина, между другото. Силициевият пясък се използва като стъклообразувател, а калцинираната сода и варовикът помагат предимно за понижаване на температурата на топене. Други съставки се използват за подобряване на определени свойства, като боракс за химическа устойчивост. Като суровина се използва и отпадъчното стъкло, наричано още трошено стъкло. Суровините трябва да бъдат внимателно претеглени в точни количества и старателно смесени заедно (наречено дозиране), преди да бъдат разтопени в стъкло.

Производството
Процес

Топене

След като партидата е приготвена, тя се подава в пещ за топене. Пещта може да се нагрява с електричество, изкопаеми горива или комбинация от двете. Температурата трябва да се контролира прецизно, за да се поддържа плавен, постоянен поток от стъкло. Разтопеното стъкло трябва да се държи при по-висока температура (около 2500°F [1371°C]) в сравнение с други видове стъкло, за да се оформи във влакно. След като стъклото се разтопи, то се прехвърля към оборудването за формоване през канал (преден огнище), разположен в края на пещта.

Оформяне във влакна

Използват се няколко различни процеса за формиране на влакна, в зависимост от вида на влакното. Текстилните влакна могат да бъдат оформени от разтопено стъкло директно от пещта или разтопеното стъкло може първо да се подаде към машина, която формира стъклени топчета с диаметър около 0,62 инча (1,6 cm). Тези мрамори позволяват стъклото да се проверява визуално за примеси. Както при процеса на директно топене, така и при процеса на топене на мрамор, стъклото или стъклените мрамори се подават през електрически нагрявани втулки (наричани още центрофуги). Втулката е изработена от платина или метална сплав, с някъде от 200 до 3000 много фини отвора. Разтопеното стъкло преминава през отворите и излиза като фини нишки.

Процес с непрекъсната нишка

Дълго, непрекъснато влакно може да бъде произведено чрез процеса на непрекъсната нишка. След като стъклото изтече през дупките във втулката, множество нишки се захващат от високоскоростна машина за навиване. Машината за навиване се върти с около 2 мили (3 км) в минута, много по-бързо от скоростта на потока от втулките. Напрежението издърпва нишките, докато са все още разтопени, образувайки нишки с малка част от диаметъра на отворите във втулката. Прилага се химическо свързващо вещество, което помага да се предпази влакното от счупване по време на последваща обработка. След това нишката се навива върху тръби. Сега може да бъде усукана и наплетена на прежда.

Процес на щапелни влакна

Алтернативен метод е процесът с щапелни влакна. Докато разтопеното стъкло тече през втулките, струи въздух бързо охлаждат нишките. Турбулентните изблици на въздух също разбиват нишките на части с дължина от 8-15 инча (20-38 см). Тези нишки падат през спрей от смазка върху въртящ се барабан, където образуват тънка мрежа. Мрежата се изтегля от барабана и се изтегля в непрекъсната нишка от свободно сглобени влакна. Тази нишка може да се преработи в прежда чрез същите процеси, използвани за вълна и памук.

Нарязани влакна

Вместо да се формира в прежда, непрекъснатата или дълга нишка може да бъде нарязана на къси части. Нишката се монтира върху набор от бобини, наречен creel, и се изтегля през машина, която я нарязва на къси парчета. Нарязаните влакна се оформят в рогозки, към които се добавя свързващо вещество. След втвърдяване в пещ, постелката се навива на руло. Различни тегла и дебелини дават продукти за керемиди, вградени покриви или декоративни рогозки.

Стъклена вата

Процесът на въртене или въртене се използва за производство на стъклена вата. При този процес разтопеното стъкло от пещта се влива в цилиндричен контейнер с малки отвори. Тъй като контейнерът се върти бързо, хоризонтални потоци стъкло изтичат от дупките. Потоците разтопено стъкло се превръщат във влакна чрез насочен надолу въздух, горещ газ или и двете. Влакната попадат върху конвейерна лента, където се преплитат едно с друго във вълнеста маса. Това може да се използва за изолация или вълната може да се напръска със свързващо вещество, да се компресира до желаната дебелина и да се втвърди в пещ. Топлината втвърдява свързващото вещество и полученият продукт може да бъде твърда или полутвърда плоскост или гъвкава вата.

Защитни покрития

В допълнение към свързващите вещества, за продуктите от фибростъкло са необходими и други покрития. Лубрикантите се използват за намаляване на абразията на влакната и се напръскват директно върху влакното или се добавят към свързващото вещество. Антистатичен състав също понякога се напръсква върху повърхността на изолационните рогозки от фибростъкло по време на етапа на охлаждане. Охлаждащият въздух, засмукан през постелката, кара антистатичния агент да проникне в цялата дебелина на постелката. Антистатичният агент се състои от две съставки – материал, който минимизира генерирането на статично електричество, и материал, който служи като инхибитор и стабилизатор на корозията. Оразмеряването е всяко покритие, нанесено върху текстилни влакна при операцията по формоване, и може да съдържа един или повече компоненти (лубриканти, свързващи вещества или свързващи агенти). Свързващи агенти се използват върху нишки, които ще се използват за подсилване на пластмаси, за укрепване на връзката с подсиления материал. Понякога е необходима довършителна операция за отстраняване на тези покрития или за добавяне на друго покритие. За пластмасови армировки, оразмеряването може да се отстрани с топлина или химикали и да се приложи свързващ агент. За декоративни приложения тъканите трябва да бъдат термично обработени, за да се отстранят размерите и да се установи тъканта. След това се нанасят базови покрития преди боядисване или печат.

Оформяне във форми

Продуктите от фибростъкло се предлагат в голямо разнообразие от форми, направени чрез няколко процеса. Например, изолацията на тръби от фибростъкло се навива върху прътовидни форми, наречени дорници, директно от формоващите модули, преди да се втвърди. Формите на матрицата с дължина от 3 фута (91 см) или по-малко след това се втвърдяват в пещ. След това втвърдените дължини се деформират по дължина и се нарязват на определени размери. При необходимост се поставят облицовки и продуктът се опакова за транспортиране.

Контрол на качеството

По време на производството на изолация от фибростъкло се вземат проби от материала на няколко места в процеса, за да се поддържа качеството. Тези места включват: смесената партида се подава към електрическия топилник; разтопено стъкло от втулката, която захранва фибризера; стъклени влакна, излизащи от машината за влакна; и окончателно втвърден продукт, излизащ от края на производствената линия. Масовите проби от стъкло и влакна се анализират за химичен състав и наличие на дефекти с помощта на сложни химически анализатори и микроскопи. Разпределението на размера на частиците на партидния материал се получава чрез преминаване на материала през редица сита с различни размери. Крайният продукт се измерва за дебелина след опаковане според спецификациите. Промяна в дебелината показва, че качеството на стъклото е под стандарта.

Производителите на изолация от фибростъкло също използват различни стандартизирани тестови процедури за измерване, регулиране и оптимизиране на акустичното съпротивление на продукта, звукопоглъщането и звуковата бариера. Акустичните свойства могат да се контролират чрез регулиране на такива производствени променливи като диаметър на влакното, насипна плътност, дебелина и съдържание на свързващо вещество. Подобен подход се използва за контрол на топлинните свойства.

Бъдещето

Индустрията за фибростъкло е изправена пред някои големи предизвикателства през останалата част от 90-те години и след това. Броят на производителите на изолация от фибростъкло се е увеличил поради американските дъщерни дружества на чуждестранни компании и подобренията в производителността от американските производители. Това доведе до излишък на капацитет, който сегашният и може би бъдещият пазар не може да поеме.

В допълнение към излишния капацитет, други изолационни материали ще се конкурират. Каменната вата стана широко използвана поради последните подобрения на процесите и продуктите. Изолацията от пяна е друга алтернатива на фибростъклото в жилищни стени и търговски покриви. Друг конкурентен материал е целулозата, която се използва за изолация на тавани.

Поради ниското търсене на изолация поради мекия жилищен пазар, потребителите изискват по-ниски цени. Това търсене е резултат и от продължаващата тенденция на консолидация на търговците на дребно и изпълнителите. В отговор индустрията за изолация от фибростъкло ще трябва да продължи да намалява разходите си в две основни области: енергия и околна среда. Ще трябва да се използват по-ефективни пещи, които не разчитат само на един източник на енергия.

С достигането на максимален капацитет на депата за отпадъци, производителите на фибростъкло ще трябва да постигнат почти нулева производителност на твърдите отпадъци, без да увеличават разходите. Това ще изисква подобряване на производствените процеси за намаляване на отпадъците (също за течни и газови отпадъци) и повторно използване на отпадъците, когато е възможно.

Такива отпадъци може да се нуждаят от повторна обработка и претопяване преди повторна употреба като суровина. Няколко производители вече се занимават с тези проблеми.