グラスファイバーとは、個々のガラス繊維を組み合わせてさまざまな形状にした製品群を指します。ガラス繊維は、その形状によって大きく 2 つのグループに分けられます。糸や織物に使用される連続繊維と、断熱材やろ過材として使用されるバット、ブランケット、またはボードに使用される不連続 (短) 繊維です。グラスファイバーは、羊毛や綿のように糸状に成形でき、カーテンなどに使用される布地に織り上げることができます。グラスファイバー織物は、成形プラスチックや積層プラスチックの補強材としてよく使用されます。グラスファイバーウールは、不連続繊維から作られた厚くてふわふわした素材で、断熱材や吸音材として使用されます。船舶や潜水艦の隔壁や船体、自動車のエンジンルームやボディパネルライナー、炉や空調ユニット、音響壁や天井パネル、建築用間仕切りなどによく見られます。グラスファイバーは、電気絶縁テープ、織物、補強材として使用されるタイプ E (電気) など、特定の用途に合わせて調整できます。タイプC（化学薬品用）は優れた耐酸性を持ち、タイプTは断熱用です。
ガラス繊維の商業利用は比較的新しいものの、ルネサンス期には職人たちがゴブレットや花瓶の装飾にガラス糸を用いていた。フランスの物理学者ルネ＝アントワーヌ・フェルショー・ド・レオミュールは1713年に細いガラス糸で装飾した織物を製作し、イギリスの発明家たちは1822年に同様の偉業を成し遂げた。イギリスの絹織物職人は1842年にガラス織物を作り、別の発明家エドワード・リビーは1893年のシカゴ万国博覧会でガラスで織られたドレスを展示した。
グラスウールは、長さが不規則な不連続な繊維のふわふわした塊で、19世紀末にヨーロッパで初めて製造されました。製造工程では、棒から回転ドラムに水平に繊維を引き出す方法が用いられました。数十年後、紡糸法が開発され、特許が取得されました。第一次世界大戦中、ドイツではガラス繊維断熱材が製造されました。1930年代、米国では、オーウェンス・イリノイ・グラス社とコーニング・グラス・ワークス社の2つの大手企業の主導で、ガラス繊維の工業生産を目指した研究開発が進みました。これらの企業は、溶融ガラスを非常に細い穴に通すことで、細く、柔軟で、低コストのガラス繊維を開発しました。1938年、この2社が合併し、オーウェンス・コーニング・ファイバーグラス社が設立されました。現在ではオーウェンス・コーニングとして知られ、年間売上高30億ドルの企業となり、グラスファイバー市場のリーダーとなっています。
原材料
グラスファイバー製品の基本原料は、様々な天然鉱物と人工化学物質です。主な原料は、珪砂、石灰石、炭酸ナトリウムです。その他の原料には、焼成アルミナ、ホウ砂、長石、ネフェリン閃長岩、マグネサイト、カオリン粘土などが含まれます。珪砂はガラス形成剤として使用され、炭酸ナトリウムと石灰石は主に融点を下げるのに役立ちます。その他の原料は、耐薬品性を高めるためのホウ砂など、特定の特性を向上させるために使用されます。廃ガラス（カレットとも呼ばれる）も原料として使用されます。原料は、ガラスに溶融する前に、正確な量を慎重に計量し、十分に混合する必要があります（これをバッチングと呼びます）。
製造業
プロセス
溶融
原料が準備されると、溶融炉に投入されます。炉の加熱には、電気、化石燃料、またはその両方の組み合わせが用いられます。ガラスの流れをスムーズかつ安定させるためには、温度を精密に制御する必要があります。溶融ガラスは、繊維状に成形するために、他の種類のガラスよりも高い温度（約1371℃）に保つ必要があります。ガラスが溶融すると、炉の端にある通路（フォアハース）を通って成形装置に移送されます。
繊維状に形成される
繊維の種類に応じて、繊維を形成するためにいくつかの異なるプロセスが使用されます。繊維は、溶融ガラスを炉から直接形成することも、溶融ガラスをまず直径約0.62インチ（1.6cm）のガラス玉を形成する機械に供給することもできます。これらのガラス玉によって、ガラスの不純物を目視で検査することができます。直接溶融法とガラス玉溶融法のどちらのプロセスでも、ガラスまたはガラス玉は、電気加熱されたブッシング（紡糸口金とも呼ばれる）を通して供給されます。ブッシングはプラチナまたは金属合金でできており、200個から3,000個の非常に細かいオリフィスがあります。溶融ガラスはオリフィスを通過し、細いフィラメントとして出てきます。
連続フィラメントプロセス
連続フィラメント製法では、長くて連続した繊維を製造できます。ガラスがブッシングの穴を通って流れ出た後、複数のストランドが高速ワインダーに巻き取られます。ワインダーは毎分約3キロメートル（2マイル）の速度で回転し、ブッシングからのガラスの流れ速度よりもはるかに速いです。張力によって溶融状態のフィラメントが引き出され、ブッシングの開口部の直径の数分の1の太さのストランドが形成されます。化学結合剤が塗布され、後の加工中に繊維が切れるのを防ぎます。フィラメントはチューブに巻き取られ、その後、撚り合わせて糸にすることができます。
短繊維加工
別の方法として、短繊維法があります。溶融ガラスがブッシングを通過する際、空気の噴射によってフィラメントが急速に冷却されます。この激しい空気の噴射によって、フィラメントは20～38cmの長さに切断されます。これらのフィラメントは潤滑剤の噴霧を通過して回転ドラム上に落下し、そこで薄いウェブ状になります。このウェブはドラムから引き出され、ゆるやかに束ねられた繊維の連続した糸に引き伸ばされます。この糸は、羊毛や綿と同じ工程で糸に加工することができます。
細かく刻んだ繊維
連続した長繊維は、糸状に加工される代わりに、短い長さに切断される。繊維はクリールと呼ばれるボビンに巻き取られ、機械に通されて短い断片に切断される。切断された繊維はマット状に成形され、そこにバインダーが加えられる。オーブンで乾燥させた後、マットは巻き上げられる。様々な重量と厚さの製品が作られ、屋根材、複合屋根材、装飾マットなどに利用される。
グラスウール
回転式またはスピナー式製法は、グラスウールの製造に用いられます。この製法では、溶融ガラスが炉から小さな穴の開いた円筒形の容器に流れ込みます。容器が高速回転すると、穴から水平方向にガラスの流れが流れ出します。溶融ガラスの流れは、下向きに吹き付ける空気、高温ガス、またはその両方によって繊維に加工されます。繊維はコンベアベルト上に落下し、そこで互いに絡み合って綿毛状の塊になります。この塊は断熱材として使用できるほか、結合剤をスプレーし、所望の厚さに圧縮した後、オーブンで硬化させることもできます。熱によって結合剤が固まり、結果として得られる製品は、硬質または半硬質の板状、あるいは柔軟なバット状になります。
保護コーティング
ファイバーグラス製品には、バインダーに加えて他のコーティングも必要です。潤滑剤は繊維の摩耗を軽減するために使用され、繊維に直接スプレーするか、バインダーに添加されます。冷却工程中に、帯電防止組成物がファイバーグラス断熱マットの表面にスプレーされることもあります。マットを通して吸い込まれる冷却空気によって、帯電防止剤がマットの厚み全体に浸透します。帯電防止剤は、静電気の発生を最小限に抑える材料と、腐食抑制剤および安定剤として機能する材料の2つの成分から構成されています。サイジングとは、成形工程で繊維に塗布されるコーティングのことで、1つ以上の成分（潤滑剤、バインダー、またはカップリング剤）を含む場合があります。カップリング剤は、プラスチックの強化に使用されるストランドに使用され、強化材料との結合を強化します。これらのコーティングを除去したり、別のコーティングを追加したりするために、仕上げ工程が必要になる場合があります。プラスチック強化材の場合、サイジングは熱または化学薬品で除去され、カップリング剤が塗布されます。装飾用途の場合、生地は糊剤を除去し、織り目を固定するために熱処理する必要があります。その後、染色またはプリントの前に染料下地を塗布します。
形を整える
グラスファイバー製品は、さまざまな形状があり、複数の製造工程を経て作られています。例えば、グラスファイバー製のパイプ断熱材は、硬化前に成形ユニットから直接、マンドレルと呼ばれる棒状の型に巻き付けられます。長さ91cm以下の型は、オーブンで硬化されます。硬化した製品は、長手方向に型から取り出され、指定された寸法に切断されます。必要に応じて表面材が取り付けられ、製品は出荷用に梱包されます。
品質管理
グラスファイバー断熱材の製造工程では、品質維持のため、複数の箇所で材料のサンプリングが行われます。サンプリング箇所は、電気溶融炉に供給される混合バッチ、ファイバー化装置に供給されるブッシングからの溶融ガラス、ファイバー化装置から排出されるガラス繊維、そして製造ラインの終端から出てくる最終硬化製品です。バルクガラスと繊維のサンプルは、高度な化学分析装置と顕微鏡を用いて、化学組成と欠陥の有無について分析されます。バッチ材料の粒度分布は、材料を様々なサイズのふるいに通すことで得られます。最終製品は、仕様に従って包装された後、厚さが測定されます。厚さの変化は、ガラスの品質が基準を下回っていることを示します。
グラスファイバー断熱材メーカーは、製品の吸音性、遮音性能を測定、調整、最適化するために、さまざまな標準化された試験手順を採用しています。吸音特性は、繊維径、嵩密度、厚さ、バインダー含有量などの製造変数を調整することで制御できます。同様の手法は、断熱性能の制御にも用いられます。
未来
グラスファイバー業界は、1990年代後半以降、いくつかの大きな課題に直面するだろう。外国企業の米国子会社の増加や米国メーカーの生産性向上により、グラスファイバー断熱材の生産者数は増加した。その結果、過剰生産能力が生じ、現在の市場、そしておそらく将来の市場も、この過剰生産能力を吸収しきれない状況となっている。
余剰生産能力に加え、他の断熱材も競合相手となるだろう。ロックウールは、近年の製造工程と製品の改良により広く普及している。発泡断熱材は、住宅の壁や商業施設の屋根において、グラスファイバーの代替となるもう一つの選択肢である。また、屋根裏の断熱材として使用されるセルロースも競合材料の一つだ。
住宅市場の低迷による断熱材需要の減少を受け、消費者はより低価格の断熱材を求めている。この需要は、小売業者や請負業者の統合が進んでいることも一因となっている。これに対応するため、グラスファイバー断熱材業界は、エネルギーと環境という2つの主要分野でコスト削減を継続する必要がある。単一のエネルギー源に依存しない、より効率的な暖房機器の使用が求められるだろう。
埋立地の容量が限界に近づくにつれ、グラスファイバーメーカーはコストを増やすことなく、固形廃棄物の排出量をほぼゼロに抑える必要に迫られるだろう。そのためには、製造工程を改善して廃棄物（液体や気体の廃棄物も含む）を削減し、可能な限り廃棄物を再利用することが不可欠となる。
こうした廃棄物は、原材料として再利用する前に、再処理や再溶解が必要となる場合がある。すでにいくつかのメーカーがこれらの問題に取り組んでいる。
投稿日時：2021年6月11日