Wie wird Fiberglas hergestellt?

Unter Fiberglas versteht man eine Gruppe von Produkten, die aus einzelnen Glasfasern bestehen, die in verschiedenen Formen kombiniert werden. Glasfasern können entsprechend ihrer Geometrie in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: Endlosfasern, die in Garnen und Textilien verwendet werden, und diskontinuierliche (kurze) Fasern, die als Vliese, Decken oder Platten zur Isolierung und Filterung verwendet werden. Glasfasern können ähnlich wie Wolle oder Baumwolle zu Garn verarbeitet und zu Stoffen gewebt werden, die manchmal für Vorhänge verwendet werden. Glasfasertextilien werden üblicherweise als Verstärkungsmaterial für geformte und laminierte Kunststoffe verwendet. Zur Wärmedämmung und Schallabsorption wird Glasfaserwolle verwendet, ein dickes, flauschiges Material aus diskontinuierlichen Fasern. Man findet es häufig in Schotten und Rümpfen von Schiffen und U-Booten; Motorräume und Karosserieauskleidungen für Kraftfahrzeuge; in Öfen und Klimaanlagen; Akustische Wand- und Deckenpaneele; und architektonische Trennwände. Glasfasern können für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden, z. B. Typ E (elektrisch), als elektrisches Isolierband, Textilien und Verstärkung; Typ C (chemisch) mit hervorragender Säurebeständigkeit und Typ T für die Wärmedämmung.

Obwohl die kommerzielle Nutzung von Glasfasern relativ neu ist, stellten Kunsthandwerker in der Renaissance Glasstränge zur Dekoration von Kelchen und Vasen her. Ein französischer Physiker, Rene-Antoine Ferchault de Réaumur, stellte 1713 Textilien her, die mit feinen Glassträngen verziert waren, und britische Erfinder wiederholten das Kunststück 1822. Ein britischer Seidenweber stellte 1842 einen Glasstoff her, und ein anderer Erfinder, Edward Libbey, stellte einen aus aus Glas gewebtes Kleid auf der Columbian Exposition 1893 in Chicago.

Glaswolle, eine flauschige Masse aus diskontinuierlichen Fasern in zufälligen Längen, wurde erstmals um die Jahrhundertwende in Europa hergestellt, wobei ein Verfahren zum Einsatz kam, bei dem Fasern horizontal von Stäben zu einer rotierenden Trommel gezogen wurden. Einige Jahrzehnte später wurde ein Spinnverfahren entwickelt und patentiert. Glasfaser-Isoliermaterial wurde während des Ersten Weltkriegs in Deutschland hergestellt. In den 1930er Jahren wurden in den USA unter der Leitung zweier großer Unternehmen, der Owens-Illinois Glass Company und Corning Glass, Fortschritte bei der Forschung und Entwicklung zur industriellen Herstellung von Glasfasern erzielt Funktioniert. Diese Unternehmen entwickelten eine feine, biegsame und kostengünstige Glasfaser, indem sie geschmolzenes Glas durch sehr feine Öffnungen zogen. Im Jahr 1938 fusionierten diese beiden Unternehmen zur Owens-Corning Fiberglas Corp. Das Unternehmen, das heute einfach als Owens-Corning bekannt ist, hat sich zu einem Unternehmen mit einem Jahresumsatz von 3 Milliarden US-Dollar entwickelt und ist führend auf dem Glasfasermarkt.

Rohstoffe

Die Grundrohstoffe für Glasfaserprodukte sind verschiedene natürliche Mineralien und hergestellte Chemikalien. Die Hauptbestandteile sind Quarzsand, Kalkstein und Soda. Weitere Inhaltsstoffe können unter anderem kalziniertes Aluminiumoxid, Borax, Feldspat, Nephelinsyenit, Magnesit und Kaolinton sein. Als Glasbildner wird Quarzsand verwendet, außerdem tragen Soda und Kalkstein vor allem zur Senkung der Schmelztemperatur bei. Andere Inhaltsstoffe werden zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften verwendet, beispielsweise Borax für die chemische Beständigkeit. Als Rohstoff wird auch Altglas, auch Scherben genannt, verwendet. Die Rohstoffe müssen sorgfältig in genauen Mengen abgewogen und gründlich vermischt werden (Batching genannt), bevor sie zu Glas geschmolzen werden.

Die Herstellung
Verfahren

Schmelzen

Sobald die Charge vorbereitet ist, wird sie zum Schmelzen in einen Ofen gegeben. Der Ofen kann mit Strom, fossilen Brennstoffen oder einer Kombination aus beidem beheizt werden. Um einen reibungslosen und gleichmäßigen Glasfluss zu gewährleisten, muss die Temperatur präzise gesteuert werden. Das geschmolzene Glas muss auf einer höheren Temperatur (ca. 2500 °F [1371 °C]) als andere Glasarten gehalten werden, um zu Fasern geformt zu werden. Sobald das Glas geschmolzen ist, wird es über einen Kanal (Vorherd) am Ende des Ofens zur Formungsanlage transportiert.

Zu Fasern formen

Je nach Faserart werden zur Faserbildung unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Textilfasern können aus geschmolzenem Glas direkt aus dem Ofen geformt werden, oder das geschmolzene Glas kann zunächst einer Maschine zugeführt werden, die Glasmurmeln mit einem Durchmesser von etwa 0,62 Zoll (1,6 cm) formt. Diese Murmeln ermöglichen eine visuelle Inspektion des Glases auf Verunreinigungen. Sowohl beim Direktschmelzverfahren als auch beim Marmorschmelzverfahren werden die Glas- oder Glasmurmeln durch elektrisch beheizte Düsen (auch Spinndüsen genannt) gefördert. Die Buchse besteht aus Platin oder einer Metalllegierung und verfügt über 200 bis 3.000 sehr feine Öffnungen. Das geschmolzene Glas strömt durch die Öffnungen und tritt in Form feiner Fäden aus.

Endlosfilamentverfahren

Durch das Endlosfilamentverfahren kann eine lange Endlosfaser hergestellt werden. Nachdem das Glas durch die Löcher in der Buchse geflossen ist, werden mehrere Stränge auf einem Hochgeschwindigkeitswickler aufgewickelt. Der Wickler dreht sich mit etwa 2 Meilen (3 km) pro Minute, viel schneller als die Strömungsgeschwindigkeit der Buchsen. Die Spannung zieht die noch geschmolzenen Filamente heraus und bildet Stränge mit einem Bruchteil des Durchmessers der Öffnungen in der Buchse. Es wird ein chemisches Bindemittel aufgetragen, das verhindert, dass die Faser bei der späteren Verarbeitung bricht. Anschließend wird das Filament auf Rohre gewickelt. Es kann nun gedreht und zu Garn gezwirnt werden.

Stapelfaserverfahren

Eine alternative Methode ist das Stapelfaserverfahren. Während das geschmolzene Glas durch die Durchführungen fließt, kühlen Luftstrahlen die Filamente schnell ab. Die turbulenten Luftstöße brechen die Filamente auch in Längen von 20 bis 38 cm. Diese Filamente fallen durch einen Schmiermittelspray auf eine rotierende Trommel, wo sie ein dünnes Netz bilden. Die Bahn wird von der Trommel abgezogen und zu einem kontinuierlichen Strang aus lose zusammengefügten Fasern gezogen. Dieser Strang kann mit den gleichen Verfahren wie Wolle und Baumwolle zu Garn verarbeitet werden.

Gehackte Ballaststoffe

Anstatt zu Garn geformt zu werden, kann der Endlos- oder Langstapelstrang in kurze Längen geschnitten werden. Der Strang wird auf einer Reihe von Spulen, einem sogenannten Gatter, montiert und durch eine Maschine gezogen, die ihn in kurze Stücke schneidet. Die zerkleinerten Fasern werden zu Matten geformt, denen ein Bindemittel zugesetzt wird. Nach dem Aushärten im Ofen wird die Matte aufgerollt. Verschiedene Gewichte und Stärken ergeben Produkte für Schindeln, Aufbaudächer oder Ziermatten.

Glaswolle

Zur Herstellung von Glaswolle kommt das Rotations- oder Schleuderverfahren zum Einsatz. Bei diesem Verfahren fließt geschmolzenes Glas aus dem Ofen in einen zylindrischen Behälter mit kleinen Löchern. Während sich der Behälter schnell dreht, fließen horizontale Glasströme aus den Löchern. Die geschmolzenen Glasströme werden durch einen nach unten gerichteten Luftstoß, Heißgas oder beides in Fasern umgewandelt. Die Fasern fallen auf ein Förderband, wo sie sich zu einer flauschigen Masse verflechten. Dies kann zur Isolierung verwendet werden, oder die Wolle kann mit einem Bindemittel besprüht, auf die gewünschte Dicke komprimiert und im Ofen ausgehärtet werden. Die Hitze fixiert das Bindemittel und das resultierende Produkt kann eine starre oder halbstarre Platte oder eine flexible Matte sein.

Schutzbeschichtungen

Für Glasfaserprodukte sind neben Bindemitteln auch weitere Beschichtungen erforderlich. Zur Reduzierung des Faserabriebs werden Gleitmittel eingesetzt, die entweder direkt auf die Faser gesprüht oder dem Bindemittel zugesetzt werden. Manchmal wird beim Abkühlen auch eine antistatische Zusammensetzung auf die Oberfläche von Glasfaser-Isoliermatten gesprüht. Durch die Matte gesaugte Kühlluft bewirkt, dass das Antistatikmittel die gesamte Dicke der Matte durchdringt. Das Antistatikmittel besteht aus zwei Bestandteilen: einem Material, das die Erzeugung statischer Elektrizität minimiert, und einem Material, das als Korrosionsinhibitor und Stabilisator dient. Schlichte ist jede Beschichtung, die beim Formvorgang auf Textilfasern aufgetragen wird und einen oder enthalten kann weitere Komponenten (Schmierstoffe, Bindemittel oder Haftvermittler). Haftvermittler werden auf Strängen verwendet, die zur Verstärkung von Kunststoffen verwendet werden, um die Bindung zum verstärkten Material zu stärken. Manchmal ist ein Nachbearbeitungsvorgang erforderlich, um diese Beschichtungen zu entfernen oder eine weitere Beschichtung hinzuzufügen. Bei Kunststoffverstärkungen können Schlichten durch Hitze oder Chemikalien entfernt und ein Haftvermittler aufgetragen werden. Für dekorative Anwendungen müssen Stoffe wärmebehandelt werden, um Schlichten zu entfernen und die Bindung zu fixieren. Anschließend werden vor dem Färben oder Drucken Farbstoffgrundbeschichtungen aufgetragen.

In Formen formen

Glasfaserprodukte gibt es in einer Vielzahl von Formen, die nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise wird die Isolierung von Glasfaserrohren vor dem Aushärten direkt aus den Formeinheiten auf stabförmige Formen, sogenannte Dorne, gewickelt. Die Formen mit einer Länge von 3 Fuß (91 cm) oder weniger werden dann in einem Ofen ausgehärtet. Anschließend werden die ausgehärteten Bahnen der Länge nach entformt und in vorgegebene Maße gesägt. Bei Bedarf werden Verkleidungen angebracht und das Produkt für den Versand verpackt.

Qualitätskontrolle

Bei der Herstellung von Glasfaserisolierungen werden an mehreren Stellen Materialproben entnommen, um die Qualität aufrechtzuerhalten. Zu diesen Standorten gehören: die Zuführung der gemischten Charge zum elektrischen Schmelzofen; geschmolzenes Glas aus der Düse, die den Fasererzeuger speist; Glasfaser, die aus der Zerfaserungsmaschine kommt; und das ausgehärtete Endprodukt, das am Ende der Produktionslinie austritt. Die großen Glas- und Faserproben werden mit hochentwickelten chemischen Analysegeräten und Mikroskopen auf ihre chemische Zusammensetzung und das Vorhandensein von Fehlern analysiert. Die Partikelgrößenverteilung des Chargenmaterials wird erreicht, indem das Material durch eine Reihe unterschiedlich großer Siebe geleitet wird. Die Dicke des Endprodukts wird nach dem Verpacken gemäß den Spezifikationen gemessen. Eine Änderung der Dicke weist darauf hin, dass die Glasqualität unter dem Standard liegt.

Hersteller von Glasfaserisolierungen verwenden außerdem eine Vielzahl standardisierter Testverfahren, um den akustischen Widerstand, die Schallabsorption und die Schallschutzleistung von Produkten zu messen, anzupassen und zu optimieren. Die akustischen Eigenschaften können durch Anpassung von Produktionsvariablen wie Faserdurchmesser, Schüttdichte, Dicke und Bindemittelgehalt gesteuert werden. Ein ähnlicher Ansatz wird zur Steuerung thermischer Eigenschaften verwendet.

Die Zukunft

Die Glasfaserindustrie steht im weiteren Verlauf der 1990er Jahre und darüber hinaus vor großen Herausforderungen. Die Zahl der Hersteller von Glasfaserisolierungen ist aufgrund amerikanischer Tochtergesellschaften ausländischer Unternehmen und Produktivitätssteigerungen bei US-Herstellern gestiegen. Dies hat zu Überkapazitäten geführt, die der aktuelle und möglicherweise zukünftige Markt nicht aufnehmen kann.

Neben Überkapazitäten werden auch andere Dämmstoffe konkurrieren. Steinwolle hat aufgrund jüngster Prozess- und Produktverbesserungen eine weit verbreitete Verwendung gefunden. Schaumisolierung ist eine weitere Alternative zu Glasfaser in Wohnwänden und Gewerbedächern. Ein weiteres Konkurrenzmaterial ist Zellulose, die zur Dachbodendämmung verwendet wird.

Aufgrund der geringen Nachfrage nach Dämmstoffen aufgrund eines schwachen Wohnungsmarktes fordern Verbraucher niedrigere Preise. Diese Nachfrage ist auch auf den anhaltenden Trend zur Konsolidierung von Einzelhändlern und Auftragnehmern zurückzuführen. Als Reaktion darauf muss die Glasfaserisolierungsindustrie ihre Kosten in zwei wichtigen Bereichen weiter senken: Energie und Umwelt. Es müssen effizientere Öfen eingesetzt werden, die nicht nur auf eine Energiequelle angewiesen sind.

Da die Mülldeponien ihre maximale Kapazität erreichen, müssen die Glasfaserhersteller bei festem Abfall nahezu Null ausstoßen, ohne dass die Kosten steigen. Dies erfordert eine Verbesserung der Herstellungsprozesse zur Abfallreduzierung (auch bei flüssigen und gasförmigen Abfällen) und die Wiederverwendung von Abfällen, wo immer dies möglich ist.

Solche Abfälle müssen möglicherweise erneut verarbeitet und eingeschmolzen werden, bevor sie als Rohstoff wiederverwendet werden können. Mehrere Hersteller beschäftigen sich bereits mit diesen Problemen.