Jak powstaje włókno szklane?

Włókno szklane odnosi się do grupy produktów wykonanych z pojedynczych włókien szklanych łączonych w różne formy. Włókna szklane można podzielić na dwie główne grupy w zależności od ich geometrii: włókna ciągłe stosowane w przędzach i tekstyliach oraz włókna nieciągłe (krótkie) stosowane jako maty, koce lub płyty do izolacji i filtracji. Włókno szklane można formować w przędzę podobną do wełny lub bawełny i wplatać w tkaninę, która jest czasami używana na draperie. Tekstylia z włókna szklanego są powszechnie stosowane jako materiał wzmacniający formowane i laminowane tworzywa sztuczne. Wełna z włókna szklanego, gruby, puszysty materiał wykonany z nieciągłych włókien, służy do izolacji termicznej i pochłaniania dźwięku. Występuje powszechnie w grodziach i kadłubach statków i łodzi podwodnych; przedziały silników samochodowych i wykładziny paneli nadwozia; w piecach i urządzeniach klimatyzacyjnych; akustyczne panele ścienne i sufitowe; i przegród architektonicznych. Włókno szklane można dostosować do konkretnych zastosowań, takich jak typ E (elektryczny), stosowane jako taśma izolacyjna, tekstylia i zbrojenie; Typ C (chemiczny), który ma doskonałą odporność na kwasy, i typ T, do izolacji termicznej.

Chociaż komercyjne zastosowanie włókna szklanego jest stosunkowo nowe, w okresie renesansu rzemieślnicy stworzyli pasma szklane do ozdabiania kielichów i wazonów. Francuski fizyk Rene-Antoine Ferchault de Reaumur wyprodukował tekstylia zdobione drobnymi szklanymi pasmami w 1713 r., a brytyjscy wynalazcy powtórzyli ten wyczyn w 1822 r. Brytyjski tkacz jedwabiu wyprodukował tkaninę szklaną w 1842 r., a inny wynalazca, Edward Libbey, wystawił sukienka utkana ze szkła na Wystawie Kolumbijskiej w Chicago w 1893 roku.

Wełna szklana, puszysta masa nieciągłych włókien o przypadkowych długościach, została po raz pierwszy wyprodukowana w Europie na przełomie wieków w procesie polegającym na ciągnięciu włókien z poziomych prętów do obrotowego bębna. Kilkadziesiąt lat później opracowano i opatentowano proces przędzenia. Materiał izolacyjny z włókna szklanego został wyprodukowany w Niemczech podczas I wojny światowej. Badania i rozwój mające na celu przemysłową produkcję włókien szklanych postępowały w Stanach Zjednoczonych w latach trzydziestych XX wieku pod kierownictwem dwóch dużych firm, Owens-Illinois Glass Company i Corning Glass Fabryka. Firmy te opracowały cienkie, giętkie i niedrogie włókno szklane poprzez przeciąganie stopionego szkła przez bardzo drobne otwory. W 1938 roku te dwie firmy połączyły się, tworząc Owens-Corning Fiberglas Corp. Obecnie znana po prostu jako Owens-Corning, stała się firmą wartą 3 miliardy dolarów rocznie i jest liderem na rynku włókna szklanego.

Surowce

Podstawowymi surowcami do wyrobów z włókna szklanego są różnorodne naturalne minerały i produkowane chemikalia. Głównymi składnikami są piasek krzemionkowy, wapień i soda kalcynowana. Inne składniki mogą obejmować między innymi kalcynowany tlenek glinu, boraks, skaleń, sjenit nefelinowy, magnezyt i glinkę kaolinową. Jako substancję tworzącą szkło stosuje się piasek krzemionkowy, a soda kalcynowana i wapień pomagają przede wszystkim obniżyć temperaturę topnienia. Aby poprawić pewne właściwości, stosuje się inne składniki, takie jak boraks zapewniający odporność chemiczną. Jako surowiec wykorzystuje się również odpady szklane, zwane także stłuczką szklaną. Surowce należy dokładnie odważyć w dokładnych ilościach i dokładnie wymieszać (tzw. dozowanie), zanim zostaną stopione w szkło.

Produkcja
Proces

Topienie

Po przygotowaniu wsad jest wprowadzany do pieca w celu stopienia. Piec może być ogrzewany energią elektryczną, paliwem kopalnym lub kombinacją obu. Temperatura musi być precyzyjnie kontrolowana, aby utrzymać płynny i równomierny przepływ szkła. Aby stopione szkło mogło zostać uformowane we włókno, musi być utrzymywane w wyższej temperaturze (około 1371°C) niż inne rodzaje szkła. Gdy szkło zostanie stopione, jest ono przekazywane do urządzeń formujących poprzez kanał (czopę czołową) znajdujący się na końcu pieca.

Formowanie we włókna

Do formowania włókien stosuje się kilka różnych procesów, w zależności od rodzaju włókna. Włókna tekstylne można formować ze stopionego szkła bezpośrednio z pieca lub stopione szkło można najpierw wprowadzić do maszyny, która formuje szklane kulki o średnicy około 0,62 cala (1,6 cm). Te kulki umożliwiają wizualną kontrolę szkła pod kątem zanieczyszczeń. Zarówno w procesie topienia bezpośredniego, jak i topienia marmuru, szkło lub kulki szklane są podawane przez elektrycznie podgrzewane tuleje (zwane również dyszami przędzalniczymi). Tuleja jest wykonana z platyny lub stopu metalu i ma od 200 do 3000 bardzo drobnych otworów. Stopione szkło przechodzi przez otwory i wychodzi w postaci drobnych włókien.

Proces ciągłego włókna

Długie, ciągłe włókno można wytworzyć w procesie ciągłego włókna. Po przepłynięciu szkła przez otwory w tulei wiele pasm jest chwytanych na szybkobieżnej nawijarce. Nawijarka obraca się z prędkością około 2 mil (3 km) na minutę, czyli znacznie szybciej niż prędkość przepływu z tulei. Napięcie wyciąga włókna, gdy są jeszcze stopione, tworząc pasma o ułamku średnicy otworów w tulei. Stosowane jest chemiczne spoiwo, które zapobiega pękaniu włókna podczas późniejszej obróbki. Następnie włókno jest nawijane na tuby. Można go teraz skręcić i wpleść w przędzę.

Proces włókien ciętych

Alternatywną metodą jest proces z użyciem włókien ciętych. Gdy stopione szkło przepływa przez tuleje, strumienie powietrza szybko schładzają włókna. Burzliwe podmuchy powietrza rozbijają również włókna na odcinki o długości 8–15 cali (20–38 cm). Włókna te spadają poprzez strumień smaru na obracający się bęben, gdzie tworzą cienką wstęgę. Wstęga jest wyciągana z bębna i wciągana w ciągłe pasmo luźno połączonych włókien. Pasmo to można przetworzyć na przędzę w taki sam sposób, jak w przypadku wełny i bawełny.

Posiekane włókno

Zamiast formować się w przędzę, ciągłe lub długie pasmo można pociąć na krótkie odcinki. Pasmo osadzone jest na zestawie szpul, zwanych szpulami, i przeciągane przez maszynę, która tnie je na krótkie kawałki. Z posiekanego włókna formuje się maty, do których dodaje się spoiwo. Po utwardzeniu w piekarniku mata jest zwijana. Różne gramatury i grubości dają produkty na gonty, pokrycia dachowe czy maty dekoracyjne.

Wełna szklana

Do produkcji wełny szklanej stosuje się proces obrotowy lub przędzalniczy. W tym procesie roztopione szkło z pieca przepływa do cylindrycznego pojemnika z małymi otworami. Gdy pojemnik szybko się obraca, z otworów wypływają poziome strumienie szkła. Strumienie stopionego szkła przekształcają się we włókna pod wpływem skierowanego w dół podmuchu powietrza, gorącego gazu lub obu. Włókna opadają na przenośnik taśmowy, gdzie przeplatają się ze sobą tworząc puszystą masę. Można go zastosować do izolacji lub wełnę można spryskać spoiwem, sprasować do pożądanej grubości i utwardzić w piecu. Ciepło utwardza ​​spoiwo, a powstałym produktem może być sztywna lub półsztywna płyta lub elastyczna mata.

Powłoki ochronne

Oprócz spoiw w przypadku produktów z włókna szklanego wymagane są inne powłoki. W celu zmniejszenia ścierania włókien stosuje się smary, które są albo bezpośrednio natryskiwane na włókno, albo dodawane do spoiwa. Czasami na etapie chłodzenia powierzchnię mat izolacyjnych z włókna szklanego natryskuje się także kompozycją antystatyczną. Zasysane przez matę powietrze chłodzące powoduje, że środek antystatyczny przenika na całą grubość maty. Środek antystatyczny składa się z dwóch składników — materiału, który minimalizuje wytwarzanie elektryczności statycznej oraz materiału, który służy jako inhibitor korozji i stabilizator. Klejenie to dowolna powłoka nakładana na włókna tekstylne w operacji formowania i może zawierać jeden lub więcej komponentów (smary, spoiwa lub środki sprzęgające). Środki sprzęgające stosuje się do splotów, które będą używane do wzmacniania tworzyw sztucznych, w celu wzmocnienia wiązania ze wzmocnionym materiałem. Czasami wymagana jest operacja wykańczająca w celu usunięcia tych powłok lub dodania kolejnej powłoki. W przypadku wzmocnień z tworzyw sztucznych zaklejanie można usunąć za pomocą ciepła lub środków chemicznych i zastosować środek sprzęgający. W przypadku zastosowań dekoracyjnych tkaniny należy poddać obróbce cieplnej w celu usunięcia klejów i utrwalenia splotu. Następnie przed barwieniem lub drukowaniem nakłada się powłoki bazowe barwników.

Formowanie w kształty

Produkty z włókna szklanego są dostępne w szerokiej gamie kształtów i są wytwarzane przy użyciu kilku procesów. Na przykład izolację rur z włókna szklanego nawija się na pręty zwane trzpieniami bezpośrednio z jednostek formujących przed utwardzeniem. Formy o długości 3 stóp (91 cm) lub mniejszej są następnie utwardzane w piecu. Utwardzone odcinki są następnie rozformowywane wzdłużnie i cięte na określone wymiary. W razie potrzeby nakładane są okładziny, a produkt jest pakowany do wysyłki.

Kontrola jakości

Podczas produkcji izolacji z włókna szklanego pobiera się próbki materiału w wielu miejscach procesu, aby zachować jakość. Te lokalizacje obejmują: zmieszaną partię podawaną do topielnika elektrycznego; stopione szkło z przepustu zasilającego rozwłókniacz; włókno szklane wychodzące z maszyny rozwłókniającej; i końcowy produkt peklowany wychodzący z końca linii produkcyjnej. Masowe próbki szkła i włókien są analizowane pod kątem składu chemicznego i obecności wad przy użyciu zaawansowanych analizatorów chemicznych i mikroskopów. Rozkład wielkości cząstek materiału wsadowego uzyskuje się poprzez przepuszczenie materiału przez szereg sit o różnej wielkości. Grubość produktu końcowego jest mierzona po zapakowaniu zgodnie ze specyfikacjami. Zmiana grubości wskazuje, że jakość szkła jest poniżej normy.

Producenci izolacji z włókna szklanego stosują również różnorodne znormalizowane procedury testowe w celu pomiaru, dostosowania i optymalizacji odporności akustycznej produktu, pochłaniania dźwięku i wydajności bariery dźwiękowej. Właściwości akustyczne można kontrolować, dostosowując takie zmienne produkcyjne, jak średnica włókna, gęstość nasypowa, grubość i zawartość spoiwa. Podobne podejście stosuje się do kontrolowania właściwości termicznych.

Przyszłość

Przez resztę lat 90. i później przemysł włókien szklanych stoi przed poważnymi wyzwaniami. Liczba producentów izolacji z włókna szklanego wzrosła dzięki amerykańskim oddziałom zagranicznych firm i poprawie produktywności producentów amerykańskich. Doprowadziło to do nadwyżki mocy produkcyjnych, której obecny i być może przyszły rynek nie jest w stanie pomieścić.

Oprócz nadmiaru pojemności konkurować będą inne materiały izolacyjne. Wełna mineralna stała się szeroko stosowana ze względu na niedawne ulepszenia procesów i produktów. Izolacja piankowa to kolejna alternatywa dla włókna szklanego w ścianach budynków mieszkalnych i dachach obiektów komercyjnych. Kolejnym konkurencyjnym materiałem jest celuloza, która wykorzystywana jest do izolacji poddaszy.

Ze względu na niski popyt na izolację wynikający z miękkiego rynku mieszkaniowego, konsumenci domagają się niższych cen. Popyt ten jest także efektem utrzymującego się trendu konsolidacji sprzedawców detalicznych i wykonawców. W odpowiedzi branża izolacji z włókna szklanego będzie musiała w dalszym ciągu obniżać koszty w dwóch głównych obszarach: energii i środowiska. Konieczne będzie zastosowanie bardziej wydajnych pieców, które nie opierają się tylko na jednym źródle energii.

Gdy składowiska osiągną maksymalną pojemność, producenci włókna szklanego będą musieli osiągnąć niemal zerową produkcję odpadów stałych bez zwiększania kosztów. Będzie to wymagało usprawnienia procesów produkcyjnych w celu ograniczenia ilości odpadów (również odpadów płynnych i gazowych) oraz ponownego wykorzystania odpadów, tam gdzie to możliwe.

Odpady takie mogą wymagać ponownego przetworzenia i przetopienia przed ponownym wykorzystaniem jako surowiec. Kilku producentów już zajmuje się tymi problemami.