איך מייצרים פיברגלס?

פיברגלס מתייחס לקבוצת מוצרים העשויים מסיבי זכוכית בודדים המשולבים במגוון צורות. ניתן לחלק את סיבי הזכוכית לשתי קבוצות עיקריות לפי הגיאומטריה שלהם: סיבים רציפים המשמשים בחוטים וטקסטיל, והסיבים הלא רציפים (הקצרים) המשמשים כבטים, שמיכות או לוחות לבידוד וסינון. פיברגלס יכול להיווצר לחוט בדומה לצמר או כותנה, ולארוג לתוך בד המשמש לפעמים לווילונות. טקסטיל פיברגלס משמש בדרך כלל כחומר חיזוק לפלסטיק יצוק ולמינציה. צמר פיברגלס, חומר עבה ונימוח העשוי מסיבים לא רציפים, משמש לבידוד תרמי וספיגת קול. הוא נמצא בדרך כלל במחיצות וספינה של ספינות וצוללות; תאי מנוע לרכב וכיסויי לוח; בתנורים וביחידות מיזוג אוויר; לוחות קיר ותקרה אקוסטיים; ומחיצות אדריכליות. ניתן להתאים פיברגלס ליישומים ספציפיים כגון Type E (חשמלי), המשמש כסרט בידוד חשמלי, טקסטיל וחיזוק; סוג C (כימיקל), בעל עמידות גבוהה לחומצה, וסוג T, לבידוד תרמי.

למרות שהשימוש המסחרי בסיבי זכוכית הוא לאחרונה יחסית, בעלי מלאכה יצרו חוטי זכוכית לקישוט גביעים ואגרטלים בתקופת הרנסנס. פיזיקאי צרפתי, רנה-אנטואן פרשו דה רעומור, ייצר טקסטיל מעוטר בחוטי זכוכית עדינים בשנת 1713, וממציאים בריטים שכפלו את ההישג בשנת 1822. אורג משי בריטי ייצר בד זכוכית בשנת 1842, וממציא אחר, אדוארד ליבי, הציג שמלה ארוגה מזכוכית בתערוכה הקולומביאנית ב-1893 בשיקגו.

צמר זכוכית, מסה רכה של סיבים לא רציפים באורכים אקראיים, הופק לראשונה באירופה בתחילת המאה, תוך שימוש בתהליך שכלל משיכת סיבים ממוטות אופקית לתוף מסתובב. כמה עשורים לאחר מכן, פותח תהליך ספינינג ורשם פטנט. חומר בידוד סיבי זכוכית יוצר בגרמניה במהלך מלחמת העולם הראשונה. מחקר ופיתוח שמטרתם ייצור תעשייתי של סיבי זכוכית התקדם בארצות הברית בשנות ה-30 של המאה ה-20, בניהולן של שתי חברות גדולות, חברת הזכוכית Owens-Ilinois ו-Corning Glass עובד. חברות אלה פיתחו סיבי זכוכית עדינים, גמישים ובעלות נמוכה על ידי משיכה של זכוכית מותכת דרך פתחים עדינים מאוד. בשנת 1938, שתי החברות הללו התמזגו ויצרו את Owens-Corning Fiberglass Corp. כיום ידועה בפשטות בשם Owens-Corning, היא הפכה לחברה של 3 מיליארד דולר בשנה, והיא מובילה בשוק הפיברגלס.

חומרי גלם

חומרי הגלם הבסיסיים למוצרי פיברגלס הם מגוון מינרלים טבעיים וכימיקלים מיוצרים. המרכיבים העיקריים הם חול סיליקה, אבן גיר ואפר סודה. מרכיבים אחרים עשויים לכלול אלומינה מבודדת, בורקס, פלדספר, סיאניט נפלין, מגנזיט וחימר קאולין, בין היתר. חול סיליקה משמש כיוצר הזכוכית, ואפר סודה ואבן גיר עוזרים בעיקר להוריד את טמפרטורת ההיתוך. מרכיבים אחרים משמשים לשיפור תכונות מסוימות, כגון בורקס לעמידות כימית. פסולת זכוכית, הנקראת גם cullet, משמשת גם כחומר גלם. יש לשקול בקפידה את חומרי הגלם בכמויות מדויקות ולערבב היטב יחד (נקרא אצווה) לפני המסה לזכוכית.

הייצור
תַהֲלִיך

הַתָכָה

לאחר הכנת המנה, היא מוזנת לתוך תנור להמסה. התנור עשוי להיות מחומם על ידי חשמל, דלק מאובנים, או שילוב של השניים. יש לשלוט על הטמפרטורה במדויק כדי לשמור על זרימה חלקה ויציבה של זכוכית. הזכוכית המותכת חייבת להישמר בטמפרטורה גבוהה יותר (כ-2500°F [1371°C]) מאשר סוגים אחרים של זכוכית על מנת להיווצר לסיבים. ברגע שהזכוכית הופכת מותכת, היא מועברת לציוד היוצר דרך תעלה (מקדימה) הממוקמת בקצה הכבשן.

יצירת סיבים

מספר תהליכים שונים משמשים ליצירת סיבים, בהתאם לסוג הסיבים. סיבי טקסטיל עשויים להיווצר מזכוכית מותכת ישירות מהכבשן, או שניתן להזין תחילה את הזכוכית המותכת למכונה שיוצרת גולות זכוכית בקוטר של כ-0.62 אינץ' (1.6 ס"מ). גולות אלו מאפשרות בדיקה ויזואלית של הזכוכית לאיתור זיהומים. הן בתהליך ההיתוך הישיר והן בתהליך התכת השיש, גולות הזכוכית או הזכוכית מוזנות דרך תותבים מחוממים חשמלית (הנקראים גם ספינרים). התותב עשוי פלטינה או מסגסוגת מתכת, עם 200 עד 3,000 פתחים עדינים מאוד. הזכוכית המותכת עוברת דרך הפתחים ויוצאת כמו חוטים עדינים.

תהליך נימה מתמשך

ניתן לייצר סיב ארוך ורציף באמצעות תהליך נימה מתמשכת. לאחר שהזכוכית זורמת דרך החורים בתותב, גדילים מרובים נתפסים במתפתל במהירות גבוהה. המתפתל מסתובב במהירות של כ-2 מיילים (3 ק"מ) לדקה, הרבה יותר מהר מקצב הזרימה מהתותבים. המתח שולף את החוטים כשהם עדיין מותכים, ויוצרים גדילים שבריר מקוטר הפתחים בתותב. מורחים חומר מקשר כימי, שעוזר למנוע מהסיבים להישבר במהלך עיבוד מאוחר יותר. לאחר מכן מלפפים את החוט על גבי צינורות. כעת ניתן לסובב אותו ולשכב אותו לתוך חוט.

תהליך סיב סיכות

שיטה חלופית היא תהליך הסיבים העיקריים. כאשר הזכוכית המותכת זורמת דרך התותבים, סילוני אוויר מקררים במהירות את החוטים. פרצי האוויר הסוערים גם שוברים את החוטים לאורכים של 8-15 אינץ' (20-38 ס"מ). חוטים אלה נופלים דרך תרסיס של חומר סיכה על תוף מסתובב, שם הם יוצרים רשת דקה. הרשת נמשכת מהתוף ונמשכת לתוך גדיל רציף של סיבים מורכבים באופן רופף. ניתן לעבד גדיל זה לחוט באותם תהליכים המשמשים לצמר ולכותנה.

סיבים קצוצים

במקום להיווצר לחוט, ניתן לקצוץ את הגדיל הרציף או הארוך לאורך קצר. הגדיל מותקן על סט של סליל, הנקרא סליל, ונמשך דרך מכונה שחותכת אותו לחתיכות קצרות. מהסיב הקצוץ נוצר מחצלות שאליהם מוסיפים חומר מקשר. לאחר ריפוי בתנור, המחצלת מגולגלת. משקלים ועוביים שונים נותנים מוצרים לרעפים, קירוי בנוי או מחצלות דקורטיביות.

צמר זכוכית

תהליך הסיבוב או הספינר משמש לייצור צמר זכוכית. בתהליך זה, זכוכית מותכת מהכבשן זורמת לתוך מיכל גלילי בעל חורים קטנים. כשהמיכל מסתובב במהירות, זרמים אופקיים של זכוכית זורמים החוצה מהחורים. זרמי הזכוכית המותכת מומרים לסיבים על ידי פיצוץ של אוויר כלפי מטה, גז חם או שניהם. הסיבים נופלים על מסוע, שם הם משתלבים זה בזה בגוש צמרירי. זה יכול לשמש לבידוד, או שאפשר לרסס את הצמר עם קלסר, לדחוס לעובי הרצוי ולרפא בתנור. החום קובע את הקלסר, והמוצר המתקבל עשוי להיות לוח קשיח או קשיח למחצה, או חבטה גמישה.

ציפוי מגן

בנוסף לקלסרים, נדרשים ציפויים אחרים למוצרי פיברגלס. חומרי סיכה משמשים להפחתת שחיקת הסיבים והם מרוססים ישירות על הסיבים או מתווספים לתוך הקלסר. גם קומפוזיציה אנטי סטטית מרוססת לפעמים על פני השטח של מחצלות בידוד פיברגלס במהלך שלב הקירור. אוויר קירור הנמשך דרך המחצלת גורם לחומר האנטי סטטי לחדור לכל עובי המחצלת. הסוכן האנטי-סטטי מורכב משני מרכיבים - חומר הממזער את יצירת החשמל הסטטי, וחומר המשמש כמעכב קורוזיה ומייצב. גודל גודל הוא כל ציפוי המוחל על סיבי טקסטיל בפעולת העיצוב, ועשוי להכיל אחד או רכיבים נוספים (חומרי סיכה, קלסרים או חומרי צימוד). חומרי צימוד משמשים על חוטים שישמשו לחיזוק פלסטיק, לחיזוק הקשר לחומר המחוזק.לעיתים נדרשת פעולת גימור להסרת ציפויים אלו, או להוספת ציפוי נוסף. עבור חיזוקי פלסטיק, ניתן להסיר את המידות בעזרת חום או כימיקלים ולהחיל חומר צימוד. עבור יישומים דקורטיביים, בדים חייבים לעבור טיפול בחום כדי להסיר מידות וכדי לקבוע את האריגה. לאחר מכן מורחים ציפוי בסיס צבע לפני הצביעה או ההדפסה.

יצירת צורות

מוצרי פיברגלס מגיעים במגוון רחב של צורות, המיוצרים בכמה תהליכים. לדוגמה, בידוד צינורות פיברגלס מלופף על גבי צורות דמויות מוטות הנקראות מדרלים ישירות מהיחידות היוצרות, לפני הריפוי. צורות התבנית, באורך של 3 רגל (91 ס"מ) או פחות, נרפאות לאחר מכן בתנור. לאחר מכן מפרקים את התבנית לאורכם ומנוסרים למידות מוגדרות. ציפויים מיושמים במידת הצורך, והמוצר ארוז למשלוח.

בקרת איכות

במהלך ייצור בידוד פיברגלס, נדגמים חומר במספר מקומות בתהליך לשמירה על איכות. מיקומים אלה כוללים: האצווה המעורבת המוזנת למסך החשמלי; זכוכית מותכת מהתותב שמזין את הסיב; סיבי זכוכית היוצאים ממכונת הסיבים; ומוצר מרפא סופי שיוצא מקצה קו הייצור. דגימות הזכוכית והסיבים בתפזורת מנותחות עבור הרכב כימי ונוכחות של פגמים באמצעות מנתחים ומיקרוסקופים כימיים מתוחכמים. חלוקת גודל החלקיקים של חומר האצווה מתקבלת על ידי העברת החומר דרך מספר מסננות בגדלים שונים. המוצר הסופי נמדד בעובי לאחר האריזה לפי מפרט. שינוי בעובי מצביע על כך שאיכות הזכוכית נמוכה מהסטנדרט.

יצרני בידוד פיברגלס משתמשים גם במגוון נהלי בדיקה סטנדרטיים למדידה, התאמה ואופטימיזציה של התנגדות אקוסטית של המוצר, בליעת קול וביצועי מחסום קול. ניתן לשלוט במאפיינים האקוסטיים על ידי התאמת משתני ייצור כגון קוטר סיבים, צפיפות בתפזורת, עובי ותכולת קלסר. גישה דומה משמשת לשליטה בתכונות תרמיות.

העתיד

תעשיית הפיברגלס מתמודדת עם כמה אתגרים גדולים במהלך שאר שנות ה-90 ואילך. מספר היצרנים של בידוד פיברגלס גדל עקב חברות בנות אמריקאיות של חברות זרות ושיפורים בפריון של יצרנים אמריקאים. זה הביא לעודף קיבולת, שהשוק הנוכחי ואולי העתידי אינו יכול להכיל.

בנוסף לקיבולת העודפת, יתחרו חומרי בידוד אחרים. צמר סלעים הפך בשימוש נרחב בגלל שיפורים אחרונים בתהליך ובמוצר. בידוד קצף הוא חלופה נוספת לפיברגלס בקירות מגורים וגגות מסחריים. חומר מתחרה נוסף הוא תאית, המשמשת בבידוד עליית הגג.

בגלל הביקוש הנמוך לבידוד עקב שוק דיור רך, הצרכנים דורשים הורדת מחירים. דרישה זו היא גם תוצאה של המשך המגמה באיחוד קמעונאים וקבלנים. בתגובה, תעשיית בידוד הפיברגלס תצטרך להמשיך ולצמצם עלויות בשני תחומים עיקריים: אנרגיה וסביבה. יהיה צורך להשתמש בתנורים יעילים יותר שאינם מסתמכים על מקור אנרגיה אחד בלבד.

עם מזבלות המגיעות לקיבולת מקסימלית, יצרני פיברגלס יצטרכו להשיג כמעט אפס תפוקה על פסולת מוצקה מבלי להגדיל את העלויות. הדבר ידרוש שיפור תהליכי ייצור להפחתת הפסולת (גם לפסולת נוזלים וגז) ושימוש חוזר בפסולת בכל מקום אפשרי.

פסולת כזו עשויה לדרוש עיבוד מחדש והמסה מחדש לפני שימוש חוזר כחומר גלם. מספר יצרנים כבר מטפלים בבעיות אלו.