Wie wird Fiberglas hergestellt?

Glasfaser bezeichnet eine Produktgruppe, die aus einzelnen Glasfasern in verschiedenen Formen hergestellt wird. Glasfasern lassen sich anhand ihrer Geometrie in zwei Hauptgruppen unterteilen: Endlosfasern für Garne und Textilien sowie Kurzfasern, die als Dämmmatten, -decken oder -platten für Isolierung und Filterung eingesetzt werden. Glasfaser kann ähnlich wie Wolle oder Baumwolle zu Garn verarbeitet und zu Stoffen gewebt werden, die unter anderem für Vorhänge verwendet werden. Glasfasertextilien dienen häufig als Verstärkungsmaterial für Form- und Laminatkunststoffe. Glasfaserwolle, ein dickes, flauschiges Material aus Kurzfasern, wird zur Wärme- und Schalldämmung eingesetzt. Sie findet sich häufig in Schiffs- und U-Boot-Schotten und -Rümpfen, in Motorräumen und Karosserieverkleidungen von Automobilen, in Öfen und Klimaanlagen, in Akustikwand- und -deckenpaneelen sowie in architektonischen Trennwänden. Glasfaser kann für spezifische Anwendungen angepasst werden, z. B. Typ E (elektrisch), der als Isolierband, Textilien und Verstärkungsmaterial verwendet wird; Typ C (chemisch), der eine hervorragende Säurebeständigkeit aufweist; und Typ T für die Wärmedämmung.

Obwohl die kommerzielle Nutzung von Glasfasern relativ jung ist, stellten Kunsthandwerker bereits in der Renaissance Glasfäden zur Verzierung von Kelchen und Vasen her. Der französische Physiker René-Antoine Ferchault de Réaumur fertigte 1713 Textilien an, die mit feinen Glasfäden verziert waren, und britische Erfinder wiederholten dieses Kunststück 1822. Ein britischer Seidenweber stellte 1842 ein Glasgewebe her, und ein weiterer Erfinder, Edward Libbey, präsentierte 1893 auf der Weltausstellung in Chicago ein aus Glas gewebtes Kleid.

Glaswolle, eine flauschige Masse aus unregelmäßigen Fasern unterschiedlicher Länge, wurde um die Jahrhundertwende in Europa erstmals hergestellt. Dabei wurden die Fasern horizontal von Stäben auf eine rotierende Trommel gezogen. Einige Jahrzehnte später wurde ein Spinnverfahren entwickelt und patentiert. Glasfaser-Dämmstoffe wurden während des Ersten Weltkriegs in Deutschland produziert. In den USA wurden in den 1930er-Jahren unter der Leitung zweier großer Unternehmen, der Owens-Illinois Glass Company und Corning Glass Works, Forschung und Entwicklung zur industriellen Produktion von Glasfasern vorangetrieben. Diese Unternehmen entwickelten eine feine, biegsame und kostengünstige Glasfaser, indem sie geschmolzenes Glas durch sehr feine Düsen zogen. 1938 fusionierten die beiden Unternehmen zur Owens-Corning Fiberglas Corp. Das heute nur noch als Owens-Corning bekannte Unternehmen ist zu einem Konzern mit einem Jahresumsatz von 3 Milliarden US-Dollar und Marktführer im Bereich Glasfaser geworden.

Rohstoffe

Die Grundrohstoffe für Glasfaserprodukte sind verschiedene natürliche Mineralien und synthetische Chemikalien. Die Hauptbestandteile sind Quarzsand, Kalkstein und Soda. Weitere Bestandteile können unter anderem gebranntes Aluminiumoxid, Borax, Feldspat, Nephelinsyenit, Magnesit und Kaolin sein. Quarzsand dient als Glasbildner, während Soda und Kalkstein hauptsächlich die Schmelztemperatur senken. Andere Bestandteile, wie beispielsweise Borax zur Verbesserung der chemischen Beständigkeit, werden zur Optimierung bestimmter Eigenschaften eingesetzt. Auch Altglas, auch Scherben genannt, dient als Rohstoff. Die Rohstoffe müssen vor dem Einschmelzen zu Glas genau abgewogen und gründlich vermischt werden (sogenanntes Mischen).

Die Fertigung
Verfahren

Schmelzen

Sobald die Glascharge vorbereitet ist, wird sie zum Schmelzen in einen Ofen gegeben. Der Ofen kann elektrisch, mit fossilen Brennstoffen oder einer Kombination aus beidem beheizt werden. Die Temperatur muss präzise geregelt werden, um einen gleichmäßigen Glasfluss zu gewährleisten. Das geschmolzene Glas muss eine höhere Temperatur (ca. 1371 °C) als andere Glassorten aufweisen, um zu Fasern geformt werden zu können. Sobald das Glas geschmolzen ist, wird es über einen Kanal (Vorherd) am Ende des Ofens zur Formanlage transportiert.

Bildung von Fasern

Je nach Fasertyp werden verschiedene Verfahren zur Faserherstellung eingesetzt. Textilfasern können direkt aus geschmolzenem Glas aus dem Ofen geformt werden. Alternativ wird das geschmolzene Glas zunächst einer Maschine zugeführt, die Glaskugeln mit einem Durchmesser von etwa 1,6 cm (0,62 Zoll) formt. Anhand dieser Kugeln lässt sich das Glas visuell auf Verunreinigungen prüfen. Sowohl beim direkten Schmelzen als auch beim Kugelschmelzen wird das Glas bzw. die Glaskugeln durch elektrisch beheizte Düsen (auch Spinndüsen genannt) geleitet. Diese Düsen bestehen aus Platin oder einer Metalllegierung und verfügen über 200 bis 3.000 sehr feine Öffnungen. Das geschmolzene Glas durchströmt die Öffnungen und tritt als feine Fasern aus.

Kontinuierliches Filamentverfahren

Eine lange, durchgehende Faser lässt sich im Endlosfaserverfahren herstellen. Nachdem das Glas durch die Öffnungen in der Düse geflossen ist, werden mehrere Stränge auf einer Hochgeschwindigkeitswickelmaschine aufgefangen. Die Wickelmaschine dreht sich mit etwa 3 km/min, deutlich schneller als die Durchflussrate aus den Düsen. Die Spannung zieht die Filamente im noch flüssigen Zustand heraus und formt Stränge, deren Durchmesser nur einen Bruchteil des Düsendurchmessers beträgt. Ein chemisches Bindemittel wird aufgetragen, um ein Brechen der Faser bei der weiteren Verarbeitung zu verhindern. Das Filament wird dann auf Schläuche gewickelt und kann anschließend verdrillt und zu Garn verzwirnt werden.

Stapelfaserverfahren

Ein alternatives Verfahren ist das Stapelfaserverfahren. Während das geschmolzene Glas durch die Düsen fließt, kühlen Luftstrahlen die Fasern rasch ab. Die turbulenten Luftstöße brechen die Fasern zudem in 20–38 cm lange Stücke. Diese Fasern fallen durch ein Schmiermittel auf eine rotierende Trommel, wo sie ein dünnes Vlies bilden. Das Vlies wird von der Trommel abgezogen und zu einem durchgehenden Strang aus locker angeordneten Fasern gezogen. Dieser Strang kann mit den gleichen Verfahren wie Wolle und Baumwolle zu Garn verarbeitet werden.

Gehackte Fasern

Anstatt zu Garn verarbeitet zu werden, kann der Endlos- oder Langstapelfaserstrang in kurze Stücke geschnitten werden. Der Faserstrang wird auf Spulen, sogenannte Garnrollen, aufgespannt und durch eine Maschine gezogen, die ihn in kurze Stücke zerkleinert. Die geschnittenen Fasern werden zu Matten geformt, denen ein Bindemittel beigemischt wird. Nach dem Aushärten im Ofen wird die Matte aufgerollt. Verschiedene Gewichte und Stärken ergeben Produkte für Dachschindeln, Bitumen-Dachbahnen oder dekorative Matten.

Glaswolle

Das Rotations- oder Spinnverfahren dient zur Herstellung von Glaswolle. Dabei fließt geschmolzenes Glas aus dem Ofen in einen zylindrischen Behälter mit kleinen Löchern. Durch die schnelle Rotation des Behälters treten horizontale Glasströme aus den Löchern aus. Diese Ströme werden durch einen Luft- oder Heißgasstrahl oder beides zu Fasern umgewandelt. Die Fasern fallen auf ein Förderband, wo sie sich zu einer flauschigen Masse verflechten. Diese kann als Dämmstoff verwendet werden. Alternativ kann die Wolle mit einem Bindemittel besprüht, auf die gewünschte Dicke gepresst und im Ofen ausgehärtet werden. Die Hitze fixiert das Bindemittel, und das Endprodukt kann eine starre oder halbstarre Platte oder eine flexible Matte sein.

Schutzbeschichtungen

Neben Bindemitteln sind für Glasfaserprodukte weitere Beschichtungen erforderlich. Schmiermittel reduzieren den Faserabrieb und werden entweder direkt auf die Fasern gesprüht oder dem Bindemittel beigemischt. Während des Abkühlprozesses wird mitunter auch eine antistatische Substanz auf die Oberfläche von Glasfaser-Dämmmatten aufgesprüht. Die durch die Matte strömende Kühlluft bewirkt, dass das Antistatikmittel die gesamte Dicke der Matte durchdringt. Das Antistatikmittel besteht aus zwei Komponenten: einem Stoff, der die Entstehung statischer Elektrizität minimiert, und einem Stoff, der als Korrosionsinhibitor und Stabilisator dient. Schlichte bezeichnet jede Beschichtung, die während des Formgebungsprozesses auf Textilfasern aufgebracht wird und eine oder mehrere Komponenten (Schmiermittel, Bindemittel oder Haftvermittler) enthalten kann. Haftvermittler werden auf Fasern verwendet, die zur Verstärkung von Kunststoffen dienen, um die Haftung am Verstärkungsmaterial zu verbessern. Manchmal ist ein Nachbearbeitungsschritt erforderlich, um diese Beschichtungen zu entfernen oder eine weitere Beschichtung aufzutragen. Bei Kunststoffverstärkungen kann die Schlichte durch Hitze oder Chemikalien entfernt und ein Haftvermittler aufgetragen werden. Für dekorative Anwendungen müssen Stoffe wärmebehandelt werden, um Appreturen zu entfernen und die Webstruktur zu fixieren. Anschließend werden Farbgrundierungen aufgetragen, bevor die Stoffe gefärbt oder bedruckt werden.

Formen annehmen

Glasfaserprodukte gibt es in vielen verschiedenen Formen und sie werden mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt. So wird beispielsweise Glasfaserrohrisolierung direkt von den Formanlagen auf stabförmige Formen, sogenannte Dorne, gewickelt, bevor sie aushärtet. Die Formteile, die maximal 91 cm lang sind, werden anschließend im Ofen ausgehärtet. Danach werden die ausgehärteten Stücke längs entformt und auf die gewünschten Abmessungen zugeschnitten. Falls erforderlich, werden Deckschichten aufgebracht und das Produkt für den Versand verpackt.

Qualitätskontrolle

Bei der Herstellung von Glasfaserisolierung werden an verschiedenen Stellen im Prozess Materialproben entnommen, um die Qualität zu sichern. Diese Probenentnahmestellen umfassen: die dem Elektroschmelzofen zugeführte Materialmischung; das geschmolzene Glas aus der Zuführung zum Faserisierer; die aus dem Faserisierer austretenden Glasfasern; und das fertige, ausgehärtete Produkt am Ende der Produktionslinie. Die Proben des Rohglases und der Fasern werden mithilfe moderner chemischer Analysegeräte und Mikroskope auf ihre chemische Zusammensetzung und das Vorhandensein von Fehlern untersucht. Die Partikelgrößenverteilung des Rohmaterials wird durch Sieben mit verschiedenen Maschenweiten ermittelt. Das Endprodukt wird nach der Verpackung gemäß den Spezifikationen auf seine Dicke geprüft. Eine Abweichung von der Dicke deutet darauf hin, dass die Glasqualität nicht den Standards entspricht.

Hersteller von Glasfaser-Dämmstoffen nutzen zudem eine Vielzahl standardisierter Prüfverfahren, um die Schalldämmung, Schallabsorption und Schallschutzleistung ihrer Produkte zu messen, anzupassen und zu optimieren. Die akustischen Eigenschaften lassen sich durch die Anpassung von Produktionsvariablen wie Faserdurchmesser, Schüttdichte, Dicke und Bindemittelgehalt steuern. Ein ähnliches Verfahren wird zur Steuerung der Wärmedämmeigenschaften verwendet.

Die Zukunft

Die Glasfaserindustrie steht in den restlichen 1990er Jahren und darüber hinaus vor großen Herausforderungen. Die Zahl der Hersteller von Glasfaserdämmstoffen hat aufgrund amerikanischer Tochtergesellschaften ausländischer Unternehmen und Produktivitätssteigerungen bei US-Herstellern zugenommen. Dies hat zu Überkapazitäten geführt, die der aktuelle und möglicherweise auch zukünftige Markt nicht bewältigen kann.

Neben Überkapazitäten konkurrieren auch andere Dämmstoffe. Steinwolle hat sich aufgrund jüngster Prozess- und Produktverbesserungen weit verbreitet. Schaumstoffdämmung ist eine weitere Alternative zu Glasfaser in Wohnhäusern und Gewerbegebäuden. Ein weiterer konkurrierender Werkstoff ist Zellulose, die zur Dachbodendämmung eingesetzt wird.

Aufgrund der geringen Nachfrage nach Dämmstoffen infolge des schwachen Wohnungsmarktes fordern Verbraucher niedrigere Preise. Diese Nachfrage ist auch eine Folge der anhaltenden Konsolidierung von Einzelhändlern und Handwerksbetrieben. Die Glasfaserdämmstoffindustrie muss daher weiterhin Kosten in zwei wichtigen Bereichen senken: Energie und Umwelt. Effizientere Heizkessel, die nicht auf nur eine Energiequelle angewiesen sind, müssen zum Einsatz kommen.

Da die Deponien ihre Kapazitätsgrenzen erreichen, müssen Glasfaserhersteller ihre Abfallproduktion nahezu auf Null reduzieren, ohne die Kosten zu erhöhen. Dies erfordert die Verbesserung der Produktionsprozesse zur Abfallreduzierung (auch flüssiger und gasförmiger Abfälle) und die Wiederverwendung von Abfällen, wo immer möglich.

Solche Abfälle müssen unter Umständen aufbereitet und eingeschmolzen werden, bevor sie als Rohstoff wiederverwendet werden können. Mehrere Hersteller befassen sich bereits mit diesen Problemen.