Com es fa la fibra de vidre?

La fibra de vidre es refereix a un grup de productes fets de fibres de vidre individuals combinades en una varietat de formes. Les fibres de vidre es poden dividir en dos grans grups segons la seva geometria: les fibres contínues utilitzades en fils i tèxtils, i les fibres discontínues (curtes) utilitzades com a batons, mantes o taulers per a l'aïllament i la filtració. La fibra de vidre es pot formar en fil com la llana o el cotó, i teixir en teixit que de vegades s'utilitza per a cortines. Els tèxtils de fibra de vidre s'utilitzen habitualment com a material de reforç per a plàstics modelats i laminats. La llana de fibra de vidre, un material gruixut i esponjós fet de fibres discontínues, s'utilitza per a l'aïllament tèrmic i l'absorció acústica. Es troba habitualment en mampares i cascs de vaixells i submarins; compartiments del motor d'automòbils i revestiments de panells de carrosseria; en forns i unitats d'aire condicionat; panells acústics de paret i sostre; i envans arquitectònics. La fibra de vidre es pot adaptar per a aplicacions específiques com el tipus E (elèctric), utilitzada com a cinta aïllant elèctrica, tèxtils i reforç; Tipus C (químic), que té una resistència a l'àcid superior, i Tipus T, per a l'aïllament tèrmic.

Tot i que l'ús comercial de la fibra de vidre és relativament recent, els artesans van crear fils de vidre per decorar copes i gerros durant el Renaixement. Un físic francès, Rene-Antoine Ferchault de Reaumur, va produir teixits decorats amb fils de vidre fins el 1713, i els inventors britànics van duplicar la gesta el 1822. Un teixidor de seda britànic va fer una tela de vidre el 1842, i un altre inventor, Edward Libbey, va exposar un vestit teixit de vidre a l'Exposició Colombina de 1893 a Chicago.

La llana de vidre, una massa esponjosa de fibra discontínua de longituds aleatòries, es va produir per primera vegada a Europa a principis de segle, mitjançant un procés que implicava extreure les fibres de les varetes horitzontalment a un tambor giratori. Diverses dècades més tard, es va desenvolupar i patentar un procés de filatura. El material aïllant de fibra de vidre es va fabricar a Alemanya durant la Primera Guerra Mundial. La investigació i el desenvolupament orientats a la producció industrial de fibres de vidre van progressar als Estats Units als anys 30, sota la direcció de dues grans empreses, la Owens-Illinois Glass Company i Corning Glass. Obres. Aquestes empreses van desenvolupar una fibra de vidre fina, flexible i de baix cost extregant vidre fos a través d'orificis molt fins. El 1938, aquestes dues empreses es van fusionar per formar Owens-Corning Fiberglas Corp. Ara simplement coneguda com Owens-Corning, s'ha convertit en una empresa de 3.000 milions de dòlars a l'any i és líder en el mercat de la fibra de vidre.

Matèries primeres

Les matèries primeres bàsiques per als productes de fibra de vidre són una varietat de minerals naturals i productes químics manufacturats. Els ingredients principals són la sorra de sílice, la pedra calcària i la sosa. Altres ingredients poden incloure alúmina calcinada, borax, feldspat, nefelina sienita, magnesita i argila caolí, entre d'altres. La sorra de sílice s'utilitza com a formador de vidre, i la sosa i la pedra calcària ajuden principalment a reduir la temperatura de fusió. Altres ingredients s'utilitzen per millorar certes propietats, com el borax per a la resistència química. Els residus de vidre, també anomenats cullet, també s'utilitzen com a matèria primera. Les matèries primeres s'han de pesar acuradament en quantitats exactes i barrejar-les a fons (anomenades lots) abans de fondre-les en vidre.

La Fabricació
Procés

Fons

Un cop preparat el lot, s'introdueix a un forn per fondre. El forn es pot escalfar amb electricitat, combustible fòssil o una combinació dels dos. La temperatura s'ha de controlar amb precisió per mantenir un flux de vidre suau i constant. El vidre fos s'ha de mantenir a una temperatura més alta (uns 2500 °F [1371 °C]) que altres tipus de vidre per tal de convertir-se en fibra. Un cop el vidre es fon, es trasllada a l'equip de conformació a través d'un canal (avantsala) situat a l'extrem del forn.

Formant-se en fibres

S'utilitzen diversos processos diferents per formar fibres, depenent del tipus de fibra. Les fibres tèxtils es poden formar a partir de vidre fos directament des del forn, o el vidre fos es pot alimentar primer a una màquina que forma marbres de vidre d'aproximadament 0,62 polzades (1,6 cm) de diàmetre. Aquests marbres permeten inspeccionar visualment el vidre per detectar impureses. Tant en el procés de fusió directa com en el procés de fusió del marbre, el vidre o els marbres de vidre s'alimenten a través de coixins escalfats elèctricament (també anomenats filets). El casquet està fet de platí o aliatge metàl·lic, amb entre 200 i 3.000 orificis molt fins. El vidre fos travessa els orificis i surt com a filaments fins.

Procés de filament continu

Es pot produir una fibra llarga i contínua mitjançant el procés de filament continu. Després que el vidre flueixi pels forats del casquet, diversos fils queden atrapats en una bobinadora d'alta velocitat. L'enrotllador gira a unes 2 milles (3 km) per minut, molt més ràpid que la velocitat de flux dels buixos. La tensió treu els filaments mentre encara estan fosos, formant fils una fracció del diàmetre de les obertures de la boquilla. S'aplica un aglutinant químic, que ajuda a evitar que la fibra es trenqui durant el processament posterior. A continuació, el filament s'enrotlla als tubs. Ara es pot retorçar i plegar en fil.

Procés de fibra discontinua

Un mètode alternatiu és el procés de fibra discontinua. A mesura que el vidre fos flueix a través dels casquilles, els raigs d'aire refreden ràpidament els filaments. Els turbulents esclats d'aire també trenquen els filaments en longituds de 8-15 polzades (20-38 cm). Aquests filaments cauen a través d'un ruixat de lubricant sobre un tambor giratori, on formen una fina xarxa. La xarxa s'extreu del tambor i s'estira en un fil continu de fibres sense muntar. Aquest fil es pot transformar en fil pels mateixos processos que s'utilitzen per a la llana i el cotó.

Fibra picada

En lloc de formar fil, el fil continu o de grapa llarga es pot tallar en trossos curts. El fil es munta sobre un conjunt de bobines, anomenat creel, i es treu a través d'una màquina que el talla en trossos curts. La fibra picada es forma en estores a les quals s'afegeix un aglutinant. Després de curar al forn, la catifa s'enrotlla. Diversos pesos i gruixos donen productes per a teules, cobertes construïdes o catifes decoratives.

Llana de vidre

El procés rotatiu o spinner s'utilitza per fer llana de vidre. En aquest procés, el vidre fos del forn flueix a un recipient cilíndric amb petits forats. A mesura que el recipient gira ràpidament, els corrents horitzontals de vidre surten dels forats. Els corrents de vidre fos es converteixen en fibres mitjançant una explosió d'aire, gas calent o ambdós. Les fibres cauen sobre una cinta transportadora, on s'entrellacen entre si en una massa llana. Això es pot utilitzar com a aïllament, o la llana es pot ruixar amb un aglutinant, comprimir-la fins al gruix desitjat i curar-la al forn. La calor fixa l'aglutinant i el producte resultant pot ser un tauler rígid o semirígid, o un batut flexible.

Recobriments protectors

A més dels aglutinants, es requereixen altres recobriments per als productes de fibra de vidre. Els lubricants s'utilitzen per reduir l'abrasió de la fibra i s'espercen directament sobre la fibra o s'afegeixen a l'aglutinant. Una composició antiestàtica també es ruixa de vegades a la superfície de les estores d'aïllament de fibra de vidre durant l'etapa de refredament. L'aire de refrigeració que passa a través de la catifa fa que l'agent antiestàtic penetri tot el gruix de la catifa. L'agent antiestàtic consta de dos ingredients: un material que minimitza la generació d'electricitat estàtica i un material que serveix com a inhibidor de la corrosió i estabilitzador. El dimensionament és qualsevol recobriment aplicat a les fibres tèxtils en l'operació de conformació, i pot contenir un o més components (lubricants, aglutinants o agents d'acoblament). Els agents d'acoblament s'utilitzen en fils que s'utilitzaran per reforçar els plàstics, per reforçar la unió amb el material reforçat. De vegades cal una operació d'acabat per eliminar aquests recobriments, o per afegir un altre recobriment. Per als reforços de plàstic, els encolats es poden eliminar amb calor o productes químics i aplicar un agent d'acoblament. Per a aplicacions decoratives, els teixits s'han de tractar tèrmicament per eliminar les mesures i fixar el teixit. A continuació, s'apliquen recobriments de base de colorant abans de morir o imprimir.

Formant-se en formes

Els productes de fibra de vidre tenen una gran varietat de formes, fets mitjançant diversos processos. Per exemple, l'aïllament de la canonada de fibra de vidre s'enrotlla sobre formes semblants a varetes anomenades mandrils directament des de les unitats de conformació, abans del curat. Les formes de motlle, de longituds de 3 peus (91 cm) o menys, es curen a continuació en un forn. A continuació, les longituds curades es desmolden longitudinalment i es serran a les dimensions especificades. S'apliquen revestiments si és necessari i el producte s'empaqueta per a l'enviament.

Control de qualitat

Durant la producció d'aïllament de fibra de vidre, el material es mostra en diversos llocs del procés per mantenir la qualitat. Aquestes ubicacions inclouen: el lot mixt que s'alimenta al fusor elèctric; vidre fos del casquet que alimenta el fibrador; fibra de vidre que surt de la màquina de fibra; i producte final curat que sorgeix del final de la línia de producció. Les mostres de vidre i fibra a granel s'analitzen per a la composició química i la presència de defectes mitjançant analitzadors químics i microscopis sofisticats. La distribució de la mida de les partícules del material del lot s'obté passant el material a través d'una sèrie de tamisos de diferents mides. El gruix del producte final es mesura després de l'envasat segons les especificacions. Un canvi de gruix indica que la qualitat del vidre està per sota de l'estàndard.

Els fabricants d'aïllament de fibra de vidre també utilitzen una varietat de procediments de prova estandarditzats per mesurar, ajustar i optimitzar la resistència acústica del producte, l'absorció acústica i el rendiment de la barrera acústica. Les propietats acústiques es poden controlar ajustant variables de producció com el diàmetre de la fibra, la densitat aparent, el gruix i el contingut d'aglutinant. S'utilitza un enfocament similar per controlar les propietats tèrmiques.

El futur

La indústria de la fibra de vidre s'enfronta a alguns reptes importants durant la resta de la dècada de 1990 i més enllà. El nombre de productors d'aïllament de fibra de vidre ha augmentat a causa de les filials nord-americanes d'empreses estrangeres i les millores en la productivitat dels fabricants nord-americans. Això ha donat lloc a un excés de capacitat, que el mercat actual i potser futur no pot acollir.

A més de l'excés de capacitat, competiran altres materials d'aïllament. La llana de roca s'ha utilitzat àmpliament a causa de les recents millores de processos i productes. L'aïllament d'escuma és una altra alternativa a la fibra de vidre en parets residencials i cobertes comercials. Un altre material competidor és la cel·lulosa, que s'utilitza en l'aïllament de les golfes.

A causa de la baixa demanda d'aïllament a causa d'un mercat de l'habitatge suau, els consumidors demanen preus més baixos. Aquesta demanda també és el resultat de la tendència continuada de consolidació de comerciants i contractistes. En resposta, la indústria de l'aïllament de fibra de vidre haurà de continuar reduint costos en dues grans àrees: l'energia i el medi ambient. S'hauran d'utilitzar forns més eficients que no depenguin només d'una font d'energia.

Amb els abocadors aconseguint la màxima capacitat, els fabricants de fibra de vidre hauran d'aconseguir una producció gairebé nula de residus sòlids sense augmentar els costos. Això requerirà millorar els processos de fabricació per reduir els residus (també per als residus líquids i gasosos) i reutilitzar els residus sempre que sigui possible.

Aquests residus poden requerir un reprocessament i una refusió abans de reutilitzar-los com a matèria primera. Diversos fabricants ja estan abordant aquests problemes.