Come viene prodotta la fibra di vetro?

La fibra di vetro si riferisce a un gruppo di prodotti realizzati con singole fibre di vetro combinate in una varietà di forme. Le fibre di vetro possono essere suddivise in due gruppi principali in base alla loro geometria: fibre continue utilizzate in filati e tessuti e fibre discontinue (corte) utilizzate come ovatte, coperte o pannelli per l'isolamento e la filtrazione. La fibra di vetro può essere trasformata in filato molto simile alla lana o al cotone e tessuta in un tessuto che a volte viene utilizzato per i tendaggi. I tessuti in fibra di vetro sono comunemente usati come materiale di rinforzo per plastiche stampate e laminate. La lana di vetro, un materiale spesso e soffice costituito da fibre discontinue, viene utilizzata per l'isolamento termico e l'assorbimento acustico. Si trova comunemente nelle paratie e negli scafi delle navi e dei sottomarini; compartimenti di motori di automobili e rivestimenti di pannelli di carrozzerie; nei forni e negli impianti di condizionamento; pannelli acustici per pareti e soffitti; e partizioni architettoniche. La fibra di vetro può essere personalizzata per applicazioni specifiche come il Tipo E (elettrico), utilizzata come nastro isolante elettrico, tessuti e rinforzo; Tipo C (chimico), che ha una resistenza agli acidi superiore, e Tipo T, per l'isolamento termico.

Sebbene l’uso commerciale della fibra di vetro sia relativamente recente, durante il Rinascimento gli artigiani crearono fili di vetro per decorare calici e vasi. Un fisico francese, Rene-Antoine Ferchault de Reaumur, produsse tessuti decorati con sottili fili di vetro nel 1713, e gli inventori britannici replicarono l'impresa nel 1822. Un tessitore di seta britannico realizzò un tessuto di vetro nel 1842, e un altro inventore, Edward Libbey, esibì un vestito tessuto di vetro alla Columbian Exposition del 1893 a Chicago.

La lana di vetro, una massa soffice di fibre discontinue di lunghezze casuali, fu prodotta per la prima volta in Europa all'inizio del secolo, utilizzando un processo che prevedeva il trascinamento delle fibre da aste orizzontalmente a un tamburo rotante. Diversi decenni dopo fu sviluppato e brevettato un processo di filatura. Il materiale isolante in fibra di vetro venne prodotto in Germania durante la Prima Guerra Mondiale. La ricerca e lo sviluppo finalizzati alla produzione industriale di fibre di vetro progredirono negli Stati Uniti negli anni '30, sotto la direzione di due importanti aziende, la Owens-Illinois Glass Company e la Corning Glass Funziona. Queste aziende hanno sviluppato una fibra di vetro fine, flessibile e a basso costo trafilando il vetro fuso attraverso orifizi molto fini. Nel 1938, queste due società si fusero per formare la Owens-Corning Fiberglas Corp. Ora conosciuta semplicemente come Owens-Corning, è diventata un'azienda da 3 miliardi di dollari all'anno ed è leader nel mercato della fibra di vetro.

Materie prime

Le materie prime di base per i prodotti in fibra di vetro sono una varietà di minerali naturali e prodotti chimici fabbricati. Gli ingredienti principali sono sabbia silicea, calcare e carbonato di sodio. Altri ingredienti possono includere allumina calcinata, borace, feldspato, nefelina sienite, magnesite e argilla caolina, tra gli altri. La sabbia silicea viene utilizzata come formatrice del vetro, mentre il carbonato di sodio e il calcare aiutano principalmente ad abbassare la temperatura di fusione. Altri ingredienti vengono utilizzati per migliorare alcune proprietà, come il borace per la resistenza chimica. Come materia prima viene utilizzato anche il vetro di scarto, chiamato anche rottame di vetro. Le materie prime devono essere attentamente pesate in quantità esatte e accuratamente miscelate insieme (chiamate batching) prima di essere fuse nel vetro.

La produzione
Processo

Fusione

Una volta preparato il lotto, viene immesso in un forno per la fusione. Il forno può essere riscaldato mediante elettricità, combustibili fossili o una combinazione dei due. La temperatura deve essere controllata con precisione per mantenere un flusso di vetro regolare e costante. Il vetro fuso deve essere mantenuto a una temperatura più elevata (circa 2500°F [1371°C]) rispetto ad altri tipi di vetro per poter essere trasformato in fibra. Una volta fuso, il vetro viene trasferito all'attrezzatura di formatura attraverso un canale (avancrogiolo) situato all'estremità del forno.

Formando in fibre

Per formare le fibre vengono utilizzati diversi processi, a seconda del tipo di fibra. Le fibre tessili possono essere formate da vetro fuso direttamente dal forno, oppure il vetro fuso può essere alimentato prima a una macchina che forma biglie di vetro di circa 0,62 pollici (1,6 cm) di diametro. Questi marmi consentono di ispezionare visivamente il vetro per rilevare eventuali impurità. Sia nel processo di fusione diretta che in quello di fusione del marmo, il vetro o le biglie di vetro vengono alimentati attraverso boccole riscaldate elettricamente (chiamate anche filiere). La boccola è realizzata in platino o lega metallica, con da 200 a 3.000 orifizi molto fini. Il vetro fuso passa attraverso gli orifizi ed esce sotto forma di sottili filamenti.

Processo a filamento continuo

Una fibra lunga e continua può essere prodotta attraverso il processo a filamento continuo. Dopo che il vetro scorre attraverso i fori della boccola, più fili vengono catturati da un avvolgitore ad alta velocità. L'avvolgitore ruota a circa 2 miglia (3 km) al minuto, molto più velocemente della velocità del flusso dalle boccole. La tensione tira fuori i filamenti mentre sono ancora fusi, formando fili che hanno una frazione del diametro delle aperture nella boccola. Viene applicato un legante chimico che aiuta a evitare che la fibra si rompa durante la lavorazione successiva. Il filamento viene quindi avvolto sui tubi. Ora può essere attorcigliato e intrecciato in filo.

Processo di fibra in fiocco

Un metodo alternativo è il processo della fibra in fiocco. Mentre il vetro fuso scorre attraverso le boccole, getti d'aria raffreddano rapidamente i filamenti. Le turbolente raffiche d'aria rompono anche i filamenti in lunghezze di 8-15 pollici (20-38 cm). Questi filamenti cadono attraverso uno spruzzo di lubrificante su un tamburo rotante, dove formano una sottile tela. Il nastro viene estratto dal tamburo e tirato in un filo continuo di fibre assemblate in modo lasco. Questo filo può essere trasformato in filato mediante gli stessi processi utilizzati per lana e cotone.

Fibra tritata

Invece di essere formato in filato, il filo continuo o a fiocco lungo può essere tagliato in brevi tratti. Il filo è montato su una serie di bobine, chiamate cantra, e tirato attraverso una macchina che lo taglia in piccoli pezzi. La fibra tagliata viene formata in stuoie a cui viene aggiunto un legante. Dopo la stagionatura in forno, il tappeto viene arrotolato. Vari pesi e spessori forniscono prodotti per tegole, coperture composte o tappetini decorativi.

Lana di vetro

Il processo rotativo o spinner viene utilizzato per produrre lana di vetro. In questo processo, il vetro fuso dalla fornace scorre in un contenitore cilindrico dotato di piccoli fori. Mentre il contenitore gira rapidamente, dai fori fuoriescono flussi orizzontali di vetro. I flussi di vetro fuso vengono convertiti in fibre da un getto d'aria verso il basso, gas caldo o entrambi. Le fibre cadono su un nastro trasportatore, dove si intrecciano tra loro formando una massa soffice. Questo può essere utilizzato per l'isolamento, oppure la lana può essere spruzzata con un legante, compressa nello spessore desiderato e polimerizzata in un forno. Il calore fissa il legante e il prodotto risultante può essere un pannello rigido o semirigido o un'imbottitura flessibile.

Rivestimenti protettivi

Oltre ai leganti, per i prodotti in fibra di vetro sono necessari altri rivestimenti. I lubrificanti vengono utilizzati per ridurre l'abrasione delle fibre e vengono spruzzati direttamente sulla fibra o aggiunti al legante. Talvolta viene anche spruzzata una composizione antistatica sulla superficie dei tappetini isolanti in fibra di vetro durante la fase di raffreddamento. L'aria di raffreddamento aspirata attraverso il tappetino fa sì che l'agente antistatico penetri nell'intero spessore del tappetino. L'agente antistatico è costituito da due ingredienti: un materiale che riduce al minimo la generazione di elettricità statica e un materiale che funge da inibitore e stabilizzatore della corrosione. Il collante è qualsiasi rivestimento applicato alle fibre tessili durante l'operazione di formatura e può contenere uno o più componenti (lubrificanti, leganti o agenti di accoppiamento). Gli agenti di accoppiamento vengono utilizzati sui fili che verranno utilizzati per rinforzare la plastica, per rafforzare il legame con il materiale rinforzato. A volte è necessaria un'operazione di finitura per rimuovere questi rivestimenti o per aggiungere un altro rivestimento. Per i rinforzi in plastica, le collature possono essere rimosse con calore o prodotti chimici e applicato un agente di accoppiamento. Per le applicazioni decorative, i tessuti devono essere trattati termicamente per eliminare le apprettature e fissare la trama. I rivestimenti a base di colorante vengono quindi applicati prima della tintura o della stampa.

Formare in forme

I prodotti in fibra di vetro sono disponibili in un'ampia varietà di forme, realizzati utilizzando diversi processi. Ad esempio, l'isolamento dei tubi in fibra di vetro viene avvolto su forme astiformi chiamate mandrini direttamente dalle unità di formatura, prima della polimerizzazione. Le forme dello stampo, della lunghezza di 3 piedi (91 cm) o meno, vengono quindi stagionate in un forno. Le lunghezze stagionate vengono quindi sformate longitudinalmente e segate nelle dimensioni specificate. Se necessario, vengono applicati dei rivestimenti e il prodotto viene imballato per la spedizione.

Controllo di qualità

Durante la produzione dell'isolamento in fibra di vetro, il materiale viene campionato in diversi punti del processo per mantenerne la qualità. Queste posizioni includono: il lotto misto alimentato al fusore elettrico; vetro fuso dalla boccola che alimenta il sfibratore; fibra di vetro in uscita dalla macchina fibrofibratrice; e il prodotto finale stagionato che emerge dalla fine della linea di produzione. I campioni sfusi di fibra e vetro vengono analizzati per la composizione chimica e la presenza di difetti utilizzando sofisticati analizzatori chimici e microscopi. La distribuzione granulometrica del materiale batch viene ottenuta facendo passare il materiale attraverso una serie di setacci di dimensioni diverse. Lo spessore del prodotto finale viene misurato dopo il confezionamento secondo le specifiche. Una variazione di spessore indica che la qualità del vetro è inferiore allo standard.

I produttori di materiali isolanti in fibra di vetro utilizzano inoltre una serie di procedure di test standardizzate per misurare, regolare e ottimizzare la resistenza acustica del prodotto, l'assorbimento acustico e le prestazioni della barriera acustica. Le proprietà acustiche possono essere controllate regolando variabili di produzione come diametro delle fibre, densità apparente, spessore e contenuto di legante. Un approccio simile viene utilizzato per controllare le proprietà termiche.

Il futuro

L’industria della vetroresina si trova ad affrontare alcune sfide importanti nel resto degli anni ’90 e oltre. Il numero dei produttori di isolanti in fibra di vetro è aumentato grazie alle filiali americane di società straniere e al miglioramento della produttività da parte dei produttori statunitensi. Ciò ha comportato un eccesso di capacità, che il mercato attuale e forse futuro non è in grado di accogliere.

Oltre alla capacità in eccesso, entreranno in concorrenza altri materiali isolanti. La lana di roccia è diventata ampiamente utilizzata grazie ai recenti miglioramenti dei processi e dei prodotti. L'isolamento in schiuma è un'altra alternativa alla fibra di vetro nelle pareti residenziali e nei tetti commerciali. Un altro materiale concorrente è la cellulosa, utilizzata nell'isolamento del sottotetto.

A causa della scarsa domanda di materiali isolanti dovuta al mercato immobiliare debole, i consumatori chiedono prezzi più bassi. Questa domanda è anche il risultato della continua tendenza al consolidamento di rivenditori e appaltatori. In risposta, l’industria dell’isolamento in fibra di vetro dovrà continuare a tagliare i costi in due aree principali: energia e ambiente. Dovranno essere utilizzati forni più efficienti che non dipendano da una sola fonte di energia.

Con le discariche che raggiungono la capacità massima, i produttori di fibra di vetro dovranno raggiungere una produzione quasi pari a zero sui rifiuti solidi senza aumentare i costi. Ciò richiederà il miglioramento dei processi di produzione per ridurre i rifiuti (anche per i rifiuti liquidi e gassosi) e il riutilizzo dei rifiuti ove possibile.

Tali rifiuti possono richiedere il ritrattamento e la rifusione prima di essere riutilizzati come materia prima. Diversi produttori stanno già affrontando questi problemi.