Kā tiek izgatavota stikla šķiedra?

Stikla šķiedra attiecas uz izstrādājumu grupu, kas izgatavota no atsevišķām stikla šķiedrām, kas apvienotas dažādās formās. Stikla šķiedras var iedalīt divās lielās grupās pēc to ģeometrijas: nepārtrauktās šķiedras, ko izmanto dzijās un tekstilizstrādājumos, un pārtrauktās (īsās) šķiedras, ko izmanto kā siksniņas, segas vai plāksnes izolācijai un filtrēšanai. Stikla šķiedru var veidot dzijā, līdzīgi kā vilnu vai kokvilnu, un ieaust audumā, ko dažreiz izmanto drapērijām. Stikla šķiedras tekstilizstrādājumus parasti izmanto kā stiegrojuma materiālu formētām un laminētām plastmasām. Stikla šķiedras vate, biezs, pūkains materiāls, kas izgatavots no pārtrauktām šķiedrām, tiek izmantota siltumizolācijai un skaņas absorbcijai. To parasti var atrast kuģu un zemūdeņu starpsienās un korpusos; Automobiļu dzinēju nodalījumi un virsbūves paneļu uzlikas; krāsnīs un gaisa kondicionēšanas iekārtās; akustiskie sienu un griestu paneļi; un arhitektūras starpsienas. Stikla šķiedru var pielāgot īpašiem lietojumiem, piemēram, E tipam (elektriskam), ko izmanto kā elektriskās izolācijas lenti, tekstilizstrādājumus un stiegrojumu; C tips (ķīmisks), kam ir izcila skābes izturība, un T tips siltumizolācijai.

Lai gan stikla šķiedras komerciāla izmantošana ir salīdzinoši nesena, renesanses laikā amatnieki radīja stikla pavedienus kausu un vāžu dekorēšanai. Franču fiziķis Renē Antuāns Feršaults de Reumūrs 1713. gadā izgatavoja tekstilizstrādājumus, kas dekorēti ar smalkām stikla šķipsnām, un britu izgudrotāji šo varoņdarbu atkārtoja 1822. gadā. Britu zīda audēja 1842. gadā izgatavoja stikla audumu, bet cits izgudrotājs Edvards Libijs izstādīja no stikla austa kleita 1893. gada Kolumbijas izstādē Čikāgā.

Stikla vate, pūkaina nejauša garuma pārtrauktu šķiedru masa, pirmo reizi tika ražota Eiropā gadsimtu mijā, izmantojot procesu, kas ietvēra šķiedru vilkšanu no stieņiem horizontāli uz rotējošu cilindru. Vairākas desmitgades vēlāk tika izstrādāts un patentēts vērpšanas process. Stikla šķiedras izolācijas materiāls tika ražots Vācijā Pirmā pasaules kara laikā. Pētījumi un izstrāde, kas vērsti uz stikla šķiedru rūpniecisko ražošanu, Amerikas Savienotajās Valstīs norisinājās 20. gadsimta 30. gados divu lielāko uzņēmumu – Owens-Illinois Glass Company un Corning Glass – vadībā. Darbojas. Šie uzņēmumi izstrādāja smalku, elastīgu, zemu izmaksu stikla šķiedru, izvelkot izkausētu stiklu caur ļoti smalkām atverēm. 1938. gadā šie divi uzņēmumi apvienojās, izveidojot Owens-Corning Fiberglas Corp. Tagad vienkārši pazīstams kā Owens-Corning, tas ir kļuvis par uzņēmumu, kas maksā 3 miljardus ASV dolāru gadā, un ir stikla šķiedras tirgus līderis.

Izejvielas

Stikla šķiedras izstrādājumu pamata izejvielas ir dažādi dabīgie minerāli un ražotās ķīmiskās vielas. Galvenās sastāvdaļas ir silīcija smiltis, kaļķakmens un sodas pelni. Citas sastāvdaļas var būt kalcinēts alumīnija oksīds, boraks, laukšpats, nefelīna sienīts, magnezīts un kaolīna māls. Silīcija smiltis tiek izmantotas kā stikla veidotājs, un sodas pelni un kaļķakmens palīdz galvenokārt pazemināt kušanas temperatūru. Citas sastāvdaļas tiek izmantotas, lai uzlabotu noteiktas īpašības, piemēram, boraks ķīmiskajai izturībai. Stikla atkritumi, saukti arī par skaidām, tiek izmantoti arī kā izejviela. Pirms kausēšanas stiklā izejvielas rūpīgi jānosver precīzos daudzumos un rūpīgi jāsamaisa (to sauc par partiju).

Ražošana
Process

Kušana

Kad partija ir sagatavota, to ievada krāsnī kausēšanai. Krāsni var sildīt ar elektrību, fosilo kurināmo vai abu kombināciju. Temperatūra ir precīzi jākontrolē, lai saglabātu vienmērīgu, vienmērīgu stikla plūsmu. Izkausētais stikls ir jāuztur augstākā temperatūrā (apmēram 2500 °F [1371 °C]) nekā cita veida stikls, lai tas kļūtu par šķiedru. Kad stikls izkusis, tas tiek pārnests uz formēšanas iekārtu caur kanālu (priekšgaldu), kas atrodas krāsns galā.

Veidojas šķiedrās

Šķiedru veidošanai tiek izmantoti vairāki dažādi procesi atkarībā no šķiedras veida. Tekstilšķiedras var veidot no izkausēta stikla tieši no krāsns, vai arī izkausēto stiklu var vispirms padot iekārtai, kas veido stikla bumbiņas aptuveni 0,62 collu (1,6 cm) diametrā. Šīs bumbiņas ļauj vizuāli pārbaudīt, vai stiklā nav piemaisījumu. Gan tiešās kausēšanas, gan marmora kausēšanas procesā stikls vai stikla bumbiņas tiek padotas caur elektriski apsildāmām buksēm (sauktas arī par vērptuvēm). Bukse ir izgatavota no platīna vai metāla sakausējuma ar 200 līdz 3000 ļoti smalkām atverēm. Izkausētais stikls iziet cauri atverēm un izplūst kā smalki pavedieni.

Nepārtraukta kvēldiega process

Ar nepārtrauktu pavedienu procesu var iegūt garu, nepārtrauktu šķiedru. Pēc tam, kad stikls izplūst caur bukses caurumiem, uz ātrgaitas uztīšanas tiek noķertas vairākas dzīslas. Uztīšanas ierīce griežas ar ātrumu aptuveni 2 jūdzes (3 km) minūtē, kas ir daudz ātrāk nekā plūsmas ātrums no buksēm. Spriegojums izvelk pavedienus, kamēr tie joprojām ir izkausēti, veidojot pavedienus, kas ir daļa no bukses atveru diametra. Tiek uzklāta ķīmiskā saistviela, kas palīdz neļaut šķiedrai saplīst vēlākas apstrādes laikā. Pēc tam kvēldiegs tiek uztīts uz caurulēm. Tagad to var savīt un ievilkt dzijā.

Štāpeļšķiedras process

Alternatīva metode ir štāpeļšķiedras process. Izkausētajam stiklam plūstot cauri buksēm, gaisa strūklas ātri atdzesē pavedienus. Nemierīgie gaisa uzplūdi arī sadala pavedienus 8–15 collu (20–38 cm) garumā. Šie pavedieni caur smērvielas izsmidzināšanu nokrīt uz rotējošu cilindru, kur tie veido plānu tīklu. Tīmeklis tiek izvilkts no cilindra un ievilkts nepārtrauktā brīvi saliktu šķiedru pavedienā. Šo pavedienu var pārstrādāt dzijā ar tiem pašiem procesiem, ko izmanto vilnai un kokvilnai.

Sasmalcināta šķiedra

Tā vietā, lai veidotu dziju, vienlaidu vai garo štāpeļšķiedru var sagriezt īsās daļās. Vītne tiek uzmontēta uz spoļu komplekta, ko sauc par spolu, un izvilkta caur mašīnu, kas to sasmalcina īsos gabaliņos. Sasmalcinātā šķiedra tiek veidota paklājiņos, kuriem pievieno saistvielu. Pēc sacietēšanas cepeškrāsnī paklāju sarullē. Dažādi svari un biezumi dod izstrādājumus šindeļiem, iebūvētiem jumta segumiem vai dekoratīviem paklājiņiem.

Stikla vate

Stikla vates izgatavošanai izmanto rotācijas vai vērpšanas procesu. Šajā procesā izkausētais stikls no krāsns ieplūst cilindriskā traukā ar maziem caurumiem. Tvertnei strauji griežoties, no caurumiem izplūst horizontālas stikla strūklas. Izkausētā stikla plūsmas tiek pārvērstas šķiedrās ar lejup vērstu gaisa, karstas gāzes vai abu veidu strūklu. Šķiedras nokrīt uz konveijera lentes, kur tās savijas savā starpā mīkstā masā. To var izmantot siltināšanai, vai arī vilnu var apsmidzināt ar saistvielu, saspiest vēlamajā biezumā un kaltēt cepeškrāsnī. Siltums nostiprina saistvielu, un iegūtais produkts var būt stingrs vai daļēji ciets plāksne vai elastīga siksniņa.

Aizsargpārklājumi

Stikla šķiedras izstrādājumiem papildus saistvielām ir nepieciešami arī citi pārklājumi. Smērvielas tiek izmantotas, lai samazinātu šķiedru noberšanos, un tās tiek tieši izsmidzinātas uz šķiedras vai pievienotas saistvielai. Dažkārt dzesēšanas posmā uz stiklašķiedras izolācijas paklāju virsmas tiek izsmidzināts antistatisks sastāvs. Caur paklāju izvilktais dzesēšanas gaiss liek antistatiskajam līdzeklim iekļūt visā paklāja biezumā. Antistatiskais līdzeklis sastāv no divām sastāvdaļām — materiāla, kas samazina statiskās elektrības veidošanos, un materiāla, kas kalpo kā korozijas inhibitors un stabilizators. Izmēra noteikšana ir jebkurš pārklājums, kas tiek uzklāts uz tekstilšķiedras formēšanas procesā, un tas var saturēt vienu vai vairāk sastāvdaļu (smērvielas, saistvielas vai savienotājvielas). Sajūgvielas tiek izmantotas dzīslām, kuras izmantos plastmasas armēšanai, lai stiprinātu saikni ar armēto materiālu. Dažkārt ir nepieciešama apdares operācija, lai noņemtu šos pārklājumus vai pievienotu citu pārklājumu. Plastmasas stiegrojumiem izmērus var noņemt ar karstumu vai ķimikālijām un uzklāt sakabes līdzekli. Dekoratīviem lietojumiem audumi ir termiski jāapstrādā, lai noņemtu izmērus un nostiprinātu pinumu. Pēc tam pirms krāsošanas vai drukāšanas tiek uzklāti krāsvielu bāzes pārklājumi.

Veidojoties formās

Stikla šķiedras izstrādājumiem ir dažādas formas, kas izgatavoti, izmantojot vairākus procesus. Piemēram, stikla šķiedras cauruļu izolācija pirms sacietēšanas tiek uztīta uz stieņveida formām, ko sauc par serdeņiem tieši no formēšanas vienībām. Pelējuma formas, kuru garums ir 3 pēdas (91 cm) vai mazāks, pēc tam tiek kaltētas krāsnī. Pēc tam nocietinātie garumi tiek izgriezti gareniski un sazāģēti noteiktos izmēros. Ja nepieciešams, tiek uzklāts apšuvums, un produkts tiek iepakots nosūtīšanai.

Kvalitātes kontrole

Stikla šķiedras izolācijas ražošanas laikā materiāla paraugi tiek ņemti vairākās procesa vietās, lai saglabātu kvalitāti. Šajās vietās ietilpst: jauktā partija tiek padota uz elektrisko kausēšanas iekārtu; izkausēts stikls no bukses, kas baro šķiedru; stikla šķiedra, kas iziet no šķiedras iekārtas; un galīgais konservēts produkts, kas parādās no ražošanas līnijas beigām. Stikla un šķiedras beztaras paraugi tiek analizēti, lai noteiktu ķīmisko sastāvu un defektu klātbūtni, izmantojot sarežģītus ķīmiskos analizatorus un mikroskopus. Partijas materiāla daļiņu izmēru sadalījumu iegūst, izlaižot materiālu caur vairākiem dažāda izmēra sietiem. Galaprodukta biezums tiek mērīts pēc iepakošanas saskaņā ar specifikācijām. Biezuma izmaiņas norāda, ka stikla kvalitāte ir zemāka par standartu.

Stikla šķiedras izolācijas ražotāji izmanto arī dažādas standartizētas pārbaudes procedūras, lai izmērītu, pielāgotu un optimizētu izstrādājuma akustisko pretestību, skaņas absorbciju un skaņas barjeras veiktspēju. Akustiskās īpašības var kontrolēt, pielāgojot tādus ražošanas mainīgos lielumus kā šķiedras diametrs, tilpuma blīvums, biezums un saistvielas saturs. Līdzīga pieeja tiek izmantota termisko īpašību kontrolei.

Nākotne

Stikla šķiedras nozare saskaras ar dažām nopietnām problēmām atlikušajos 90. gados un pēc tam. Stikla šķiedras izolācijas ražotāju skaits ir pieaudzis, pateicoties ārvalstu uzņēmumu meitasuzņēmumiem Amerikā un ASV ražotāju veiktajiem produktivitātes uzlabojumiem. Tas ir radījis jaudas pārpalikumu, ko pašreizējais un, iespējams, nākotnes tirgus nevar uzņemt.

Papildus jaudas pārpalikumam konkurēs arī citi izolācijas materiāli. Akmens vate ir kļuvusi plaši izmantota neseno procesu un produktu uzlabojumu dēļ. Putu izolācija ir vēl viena alternatīva stikla šķiedrai dzīvojamo māju sienās un komerciālos jumtos. Vēl viens konkurējošs materiāls ir celuloze, ko izmanto bēniņu siltināšanā.

Tā kā siltumizolācijas pieprasījums ir mazs mīkstā mājokļu tirgus dēļ, patērētāji pieprasa zemākas cenas. Šis pieprasījums ir arī nepārtrauktās mazumtirgotāju un darbuzņēmēju konsolidācijas tendences rezultāts. Atbildot uz to, stikla šķiedras izolācijas nozarei būs jāturpina samazināt izmaksas divās galvenajās jomās: enerģētikā un vidē. Būs jāizmanto efektīvākas krāsnis, kas nav atkarīgas tikai no viena enerģijas avota.

Poligoniem sasniedzot maksimālo jaudu, stikla šķiedras ražotājiem būs jāsasniedz gandrīz nulle cieto atkritumu izlaide, nepalielinot izmaksas. Tam būs jāuzlabo ražošanas procesi, lai samazinātu atkritumu daudzumu (arī attiecībā uz šķidrajiem un gāzveida atkritumiem), un pēc iespējas atkārtoti jāizmanto atkritumi.

Šādi atkritumi var būt jāpārstrādā un jāpārkausē pirms atkārtotas izmantošanas kā izejmateriāls. Vairāki ražotāji jau risina šīs problēmas.