فایبرگلاس چگونه ساخته می شود؟

فایبرگلاس به گروهی از محصولات ساخته شده از الیاف شیشه ای انفرادی گفته می شود که به اشکال مختلف ترکیب شده اند. الیاف شیشه را می توان با توجه به هندسه خود به دو گروه عمده تقسیم کرد: الیاف پیوسته مورد استفاده در نخ و منسوجات و الیاف ناپیوسته (کوتاه) که به عنوان چوب، پتو یا تخته برای عایق کاری و فیلتراسیون استفاده می شود. فایبر گلاس را می توان مانند پشم یا پنبه به نخ تبدیل کرد و به صورت پارچه ای بافته شد که گاهی برای پارچه فروشی استفاده می شود. منسوجات فایبرگلاس معمولاً به عنوان یک ماده تقویت کننده برای پلاستیک های قالب گیری و چند لایه استفاده می شود. پشم فایبرگلاس، یک ماده ضخیم و کرکی ساخته شده از الیاف ناپیوسته، برای عایق حرارتی و جذب صدا استفاده می شود. معمولاً در دیواره ها و بدنه کشتی ها و زیردریایی ها یافت می شود. محفظه موتور خودرو و آسترهای پانل بدنه؛ در کوره ها و واحدهای تهویه مطبوع؛ پانل های آکوستیک دیوار و سقف؛ و پارتیشن های معماری فایبرگلاس را می توان برای کاربردهای خاص مانند نوع E (الکتریکی)، که به عنوان نوار عایق الکتریکی، منسوجات و تقویت کننده استفاده می شود، طراحی کرد. نوع C (شیمیایی) که دارای مقاومت اسیدی برتر است و نوع T برای عایق حرارتی.

اگرچه استفاده تجاری از الیاف شیشه نسبتاً جدید است، صنعتگران رشته های شیشه ای را برای تزئین جام ها و گلدان ها در دوران رنسانس ایجاد کردند. یک فیزیکدان فرانسوی به نام رنه آنتوان فرشو دو رومور در سال 1713 منسوجات تزئین شده با رشته های شیشه ای ظریف تولید کرد و مخترعان انگلیسی این شاهکار را در سال 1822 تکرار کردند. یک ابریشم باف انگلیسی در سال 1842 پارچه شیشه ای ساخت و مخترع دیگری به نام ادوارد لیبی یک پارچه شیشه ای را به نمایش گذاشت. لباس شیشه ای بافته شده در نمایشگاه کلمبیا 1893 در شیکاگو.

پشم شیشه، توده‌ای کرکی از الیاف ناپیوسته در طول‌های تصادفی، برای اولین بار در اروپا در اواخر قرن حاضر با استفاده از فرآیندی که شامل کشیدن الیاف از میله‌ها به صورت افقی به یک درام گردان بود، تولید شد. چندین دهه بعد، یک فرآیند ریسندگی توسعه یافت و به ثبت رسید. مواد عایق الیاف شیشه در طول جنگ جهانی اول در آلمان ساخته شد. تحقیق و توسعه با هدف تولید صنعتی الیاف شیشه در دهه 1930 در ایالات متحده و تحت هدایت دو شرکت بزرگ، شرکت شیشه ای اوونز-ایلینویز و شیشه کورنینگ پیشرفت کرد. کار می کند. این شرکت‌ها با کشیدن شیشه مذاب از سوراخ‌های بسیار ظریف، فیبر شیشه‌ای ظریف، انعطاف‌پذیر و کم‌هزینه تولید کردند. در سال 1938، این دو شرکت با هم ادغام شدند و Owens-Corning Fiberglas Corp را تشکیل دادند. اکنون به سادگی با نام Owens-Corning شناخته می شود، به یک شرکت 3 میلیارد دلاری در سال تبدیل شده است و در بازار فایبرگلاس پیشرو است.

مواد اولیه

مواد اولیه اولیه برای محصولات فایبرگلاس انواع مواد معدنی طبیعی و مواد شیمیایی ساخته شده است. مواد اصلی شامل ماسه سیلیس، سنگ آهک و خاکستر سودا است. سایر ترکیبات ممکن است شامل آلومینا کلسینه شده، بوراکس، فلدسپات، نفلین سینیت، منیزیت و خاک رس کائولن و غیره باشد. ماسه سیلیس به عنوان شکل دهنده شیشه استفاده می شود و خاکستر سودا و سنگ آهک در درجه اول به کاهش دمای ذوب کمک می کنند. سایر مواد برای بهبود خواص خاص مانند بوراکس برای مقاومت شیمیایی استفاده می شود. شیشه ضایعاتی که به آن کولت نیز می گویند، به عنوان ماده اولیه نیز استفاده می شود. مواد اولیه باید به دقت در مقادیر دقیق وزن شوند و قبل از ذوب شدن به شیشه کاملاً با هم مخلوط شوند (به نام بچینگ).

تولید
فرآیند

ذوب شدن

هنگامی که دسته آماده شد، برای ذوب شدن به کوره وارد می شود. کوره ممکن است با برق، سوخت فسیلی یا ترکیبی از این دو گرم شود. دما باید دقیقاً کنترل شود تا جریان صاف و ثابت شیشه حفظ شود. شیشه مذاب باید در دمای بالاتر (حدود 2500 درجه فارنهایت [1371 درجه سانتیگراد]) نسبت به سایر انواع شیشه نگهداری شود تا به فیبر تبدیل شود. هنگامی که شیشه مذاب می شود، از طریق یک کانال (پیش قلب) که در انتهای کوره قرار دارد، به تجهیزات شکل دهی منتقل می شود.

تبدیل شدن به الیاف

بسته به نوع الیاف از چندین فرآیند مختلف برای تشکیل الیاف استفاده می شود. الیاف نساجی ممکن است از شیشه مذاب مستقیماً از کوره تشکیل شود، یا شیشه مذاب ممکن است ابتدا به دستگاهی داده شود که تیله های شیشه ای با قطر حدود 0.62 اینچ (1.6 سانتی متر) را تشکیل می دهد. این تیله‌ها اجازه می‌دهند که شیشه از نظر ناخالصی به صورت بصری بررسی شود. در هر دو فرآیند ذوب مستقیم و ذوب سنگ مرمر، تیله های شیشه ای یا شیشه ای از طریق بوش های گرم شده الکتریکی (که اسپینرها نیز نامیده می شوند) تغذیه می شوند. بوش از پلاتین یا آلیاژ فلز ساخته شده است که از 200 تا 3000 روزنه بسیار ظریف دارد. شیشه مذاب از روزنه ها عبور کرده و به صورت رشته های ریز بیرون می آید.

فرآیند پیوسته رشته

یک فیبر طولانی و پیوسته را می توان از طریق فرآیند پیوسته رشته تولید کرد. پس از عبور شیشه از سوراخ‌های بوشینگ، رشته‌های متعددی روی یک بادگیر با سرعت بالا گرفته می‌شوند. بادگیر با سرعت 2 مایل (3 کیلومتر) در دقیقه، بسیار سریعتر از سرعت جریان از بوشینگ ها می چرخد. کشش رشته ها را در حالی که هنوز مذاب هستند بیرون می کشد و رشته هایی به اندازه کسری از قطر دهانه های بوش را تشکیل می دهد. یک چسب شیمیایی اعمال می شود که به جلوگیری از شکستن الیاف در طول پردازش بعدی کمک می کند. سپس رشته بر روی لوله ها پیچیده می شود. اکنون می توان آن را پیچ و تاب کرد و داخل نخ کرد.

فرآیند فیبر منگنه

یک روش جایگزین فرآیند staplefiber است. همانطور که شیشه مذاب از میان بوش ها جریان می یابد، جت های هوا به سرعت رشته ها را خنک می کنند. انفجارهای متلاطم هوا همچنین رشته ها را به طول های 8-15 اینچ (20-38 سانتی متر) می شکند. این رشته ها از طریق اسپری روان کننده روی یک درام گردان می افتند و در آنجا یک شبکه نازک را تشکیل می دهند. تار از درام کشیده می شود و به رشته ای پیوسته از الیافی که به صورت شل مونتاژ شده اند کشیده می شود. این رشته را می توان با همان فرآیندهایی که برای پشم و پنبه استفاده می شود به نخ تبدیل کرد.

فیبر خرد شده

به جای اینکه به نخ تبدیل شود، رشته پیوسته یا بلند را می توان به طول های کوتاه خرد کرد. این رشته بر روی مجموعه ای از بوبین ها به نام کریل نصب می شود و از طریق دستگاهی کشیده می شود که آن را به قطعات کوتاه خرد می کند. فیبر خرد شده به تشک هایی تبدیل می شود که به آن یک چسب اضافه می شود. پس از پخت در اجاق، حصیر رول می شود. وزن ها و ضخامت های مختلف محصولاتی را برای زونا، سقف های ساخته شده یا تشک های تزئینی ارائه می دهد.

پشم شیشه

فرآیند چرخشی یا اسپینر برای تولید پشم شیشه استفاده می شود. در این فرآیند، شیشه مذاب از کوره به یک ظرف استوانه‌ای با سوراخ‌های کوچک جریان می‌یابد. همانطور که ظرف به سرعت می چرخد، جریان های افقی شیشه از سوراخ ها خارج می شوند. جریان های شیشه مذاب توسط یک انفجار هوا، گاز داغ یا هر دو به الیاف تبدیل می شوند. الیاف روی یک تسمه نقاله می‌افتند، جایی که به صورت توده‌ای پرزدار با یکدیگر درهم می‌آیند. این را می توان برای عایق بندی استفاده کرد، یا می توان پشم را با چسب اسپری کرد، به ضخامت مورد نظر فشرده کرد و در کوره پخت. گرما بایندر را تنظیم می کند و محصول حاصل ممکن است یک تخته سفت یا نیمه سفت و یا یک چوب انعطاف پذیر باشد.

پوشش های محافظ

علاوه بر کلاسورها، پوشش های دیگری نیز برای محصولات فایبرگلاس مورد نیاز است. روان کننده ها برای کاهش ساییدگی الیاف استفاده می شوند و یا مستقیماً روی الیاف اسپری می شوند یا به بایندر اضافه می شوند. همچنین گاهی اوقات یک ترکیب ضد الکتریسیته ساکن بر روی سطح تشک های عایق فایبرگلاس در مرحله خنک سازی اسپری می شود. هوای خنک کننده ای که از داخل تشک کشیده می شود باعث می شود که عامل ضد الکتریسیته ساکن در کل ضخامت تشک نفوذ کند. عامل ضد الکتریسیته ساکن از دو ماده تشکیل شده است - ماده ای که تولید الکتریسیته ساکن را به حداقل می رساند و ماده ای که به عنوان بازدارنده خوردگی و تثبیت کننده عمل می کند. اندازه هر پوششی است که در عملیات شکل دهی روی الیاف نساجی اعمال می شود و ممکن است حاوی یک یا اجزای بیشتر (روان کننده ها، بایندرها یا عوامل جفت کننده). عوامل جفت کننده روی رشته هایی استفاده می شود که برای تقویت پلاستیک ها، برای تقویت پیوند به مواد تقویت شده استفاده می شود. گاهی اوقات برای برداشتن این پوشش ها یا افزودن پوشش دیگری نیاز به عملیات تکمیلی است. برای تقویت‌کننده‌های پلاستیکی، سایزبندی‌ها ممکن است با حرارت یا مواد شیمیایی حذف شوند و از یک عامل جفت‌کننده استفاده شود. برای کاربردهای تزئینی، پارچه‌ها باید تحت عملیات حرارتی قرار گیرند تا اندازه‌ها حذف شوند و بافت آن ثابت شود. سپس پوشش های پایه رنگ قبل از رنگرزی یا چاپ اعمال می شوند.

شکل دادن به اشکال

محصولات فایبرگلاس در اشکال متنوعی هستند که با استفاده از چندین فرآیند ساخته می شوند. به عنوان مثال، عایق لوله فایبرگلاس قبل از عمل آوری، مستقیماً از واحدهای شکل دهی بر روی اشکال میله مانند به نام سنبه پیچ می شود. فرم های قالب به طول 3 فوت (91 سانتی متر) یا کمتر، سپس در فر پخته می شوند. سپس طول های پخت شده به صورت طولی قالب گیری می شوند و به ابعاد مشخص اره می شوند. در صورت نیاز روکش ها اعمال می شود و محصول برای حمل بسته بندی می شود.

کنترل کیفیت

در طول تولید عایق فایبرگلاس، از مواد در تعدادی از مکان‌های فرآیند نمونه برداری می‌شود تا کیفیت حفظ شود. این مکان ها عبارتند از: دسته مخلوطی که به ذوب برقی تغذیه می شود. شیشه مذاب از بوش که فیبرساز را تغذیه می کند. فیبر شیشه ای که از دستگاه فیبرساز خارج می شود. و محصول نهایی پخته شده از انتهای خط تولید خارج می شود. نمونه های انبوه شیشه و الیاف از نظر ترکیب شیمیایی و وجود نقص با استفاده از آنالایزرهای شیمیایی پیچیده و میکروسکوپ تجزیه و تحلیل می شوند. توزیع اندازه ذرات مواد دسته ای با عبور مواد از تعدادی الک با اندازه های مختلف به دست می آید. ضخامت محصول نهایی پس از بسته بندی طبق مشخصات اندازه گیری می شود. تغییر ضخامت نشان می دهد که کیفیت شیشه پایین تر از استاندارد است.

تولید کنندگان عایق فایبرگلاس همچنین از انواع روش های تست استاندارد برای اندازه گیری، تنظیم و بهینه سازی مقاومت صوتی محصول، جذب صدا و عملکرد مانع صوتی استفاده می کنند. خواص صوتی را می توان با تنظیم متغیرهای تولید مانند قطر فیبر، چگالی ظاهری، ضخامت و محتوای چسب کنترل کرد. یک رویکرد مشابه برای کنترل خواص حرارتی استفاده می شود.

آینده

صنعت فایبرگلاس در بقیه دهه 1990 و پس از آن با چالش های عمده ای مواجه است. تعداد تولید کنندگان عایق فایبرگلاس به دلیل شرکت های تابعه آمریکایی شرکت های خارجی و بهبود بهره وری توسط تولید کنندگان آمریکایی افزایش یافته است. این منجر به ظرفیت مازاد شده است که بازار فعلی و شاید آینده قادر به پذیرش آن نیست.

علاوه بر ظرفیت مازاد، سایر مواد عایق نیز رقابت خواهند کرد. پشم سنگ به دلیل بهبود فرآیندها و محصولات اخیر به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. عایق فوم جایگزین دیگری برای فایبرگلاس در دیوارهای مسکونی و سقف های تجاری است. یکی دیگر از مواد رقیب سلولز است که در عایق زیر شیروانی استفاده می شود.

به دلیل تقاضای کم برای عایق به دلیل بازار مسکن نرم، مصرف کنندگان خواستار قیمت های پایین تر هستند. این تقاضا همچنین نتیجه ادامه روند ادغام خرده فروشان و پیمانکاران است. در پاسخ، صنعت عایق فایبرگلاس باید به کاهش هزینه ها در دو حوزه اصلی ادامه دهد: انرژی و محیط زیست. باید از کوره های کارآمدتر استفاده کرد که تنها به یک منبع انرژی متکی نیستند.

با رسیدن محل های دفن زباله به حداکثر ظرفیت، تولیدکنندگان فایبرگلاس باید بدون افزایش هزینه ها، خروجی زباله جامد را تقریباً به صفر برسانند. این امر مستلزم بهبود فرآیندهای تولیدی برای کاهش ضایعات (همچنین برای زباله های مایع و گاز) و استفاده مجدد از ضایعات در هر زمان ممکن است.

چنین زباله هایی ممکن است نیاز به پردازش مجدد و ذوب مجدد قبل از استفاده مجدد به عنوان ماده خام داشته باشند. چندین تولید کننده در حال حاضر به این مشکلات رسیدگی می کنند.