Как производится стекловолокно?

Стекловолокно — это группа изделий, изготовленных из отдельных стеклянных волокон, объединенных в различные формы. Стеклянные волокна можно разделить на две основные группы в зависимости от их геометрии: непрерывные волокна, используемые в пряже и текстиле, и прерывистые (короткие) волокна, используемые в качестве войлока, одеял или плит для изоляции и фильтрации. Из стекловолокна можно формовать пряжу, похожую на шерсть или хлопок, и вплетать его в ткань, которую иногда используют для драпировок. Текстиль из стекловолокна обычно используется в качестве армирующего материала для формованных и ламинированных пластмасс. Стекловата – толстый, пушистый материал из прерывистых волокон, используется для теплоизоляции и звукопоглощения. Его обычно можно найти в переборках и корпусах кораблей и подводных лодок; автомобильные моторные отсеки и обшивки кузовных панелей; в печах и кондиционерах; акустические стеновые и потолочные панели; и архитектурные перегородки. Стекловолокно может быть адаптировано для конкретных применений, например, стекловолокно типа E (электрическое), используемое в качестве электроизоляционной ленты, текстиля и армирования; Тип C (химический), обладающий превосходной кислотостойкостью, и тип T для теплоизоляции.

Хотя коммерческое использование стекловолокна началось относительно недавно, в эпоху Возрождения ремесленники создавали стеклянные нити для украшения кубков и ваз. Французский физик Рене-Антуан Фершо де Реомюр в 1713 году изготовил ткани, украшенные тонкими стеклянными нитями, а британские изобретатели повторили этот подвиг в 1822 году. Британский ткач по шелку изготовил стеклоткань в 1842 году, а другой изобретатель, Эдвард Либби, продемонстрировал платье, сотканное из стекла, на Колумбийской выставке 1893 года в Чикаго.

Стекловата, рыхлая масса прерывистых волокон произвольной длины, была впервые произведена в Европе на рубеже веков с использованием процесса, который включал вытягивание волокон из стержней горизонтально во вращающийся барабан. Несколько десятилетий спустя процесс прядения был разработан и запатентован. Изоляционный материал из стекловолокна производился в Германии во время Первой мировой войны. Исследования и разработки, направленные на промышленное производство стекловолокна, проводились в Соединенных Штатах в 1930-х годах под руководством двух крупных компаний: Owens-Illinois Glass Company и Corning Glass. Работает. Эти компании разработали тонкое, гибкое и недорогое стекловолокно, протягивая расплавленное стекло через очень тонкие отверстия. В 1938 году эти две компании объединились и образовали Owens-Corning Fiberglas Corp. Теперь известную просто как Owens-Corning, она превратилась в компанию с оборотом в 3 миллиарда долларов в год и является лидером на рынке стекловолокна.

Сырье

Основным сырьем для изделий из стекловолокна являются разнообразные природные минералы и промышленные химикаты. Основными ингредиентами являются кварцевый песок, известняк и кальцинированная сода. Другие ингредиенты могут включать, среди прочего, прокаленный глинозем, буру, полевой шпат, нефелиновый сиенит, магнезит и каолиновую глину. В качестве стеклообразователя используется кварцевый песок, а кальцинированная сода и известняк помогают в первую очередь снизить температуру плавления. Другие ингредиенты используются для улучшения определенных свойств, например бура для химической стойкости. В качестве сырья также используют отходы стекла, называемые также стеклобоем. Сырье необходимо тщательно взвесить в точных количествах и тщательно перемешать (так называемое дозирование) перед расплавлением стекла.

Производство
Процесс

плавление

После того как шихта подготовлена, ее подают в печь для плавки. Печь может нагреваться электричеством, ископаемым топливом или их комбинацией. Необходимо точно контролировать температуру, чтобы поддерживать плавный и устойчивый поток стекла. Расплавленное стекло необходимо хранить при более высокой температуре (около 2500°F [1371°C]), чем другие типы стекла, чтобы из него можно было сформировать волокно. Как только стекло расплавится, оно передается в формовочное оборудование через канал (подин), расположенный в конце печи.

Формирование в волокна

Для формирования волокон используются несколько различных процессов, в зависимости от типа волокна. Текстильные волокна можно формовать из расплавленного стекла непосредственно из печи или расплавленное стекло можно сначала подать в машину, которая формирует стеклянные шарики диаметром около 0,62 дюйма (1,6 см). Эти шарики позволяют визуально проверять стекло на наличие загрязнений. Как в процессе прямой плавки, так и в процессе плавления мрамора стекло или стеклянные шарики подаются через электронагреваемые втулки (также называемые фильерами). Втулка изготовлена ​​из платины или металлического сплава и имеет от 200 до 3000 очень тонких отверстий. Расплавленное стекло проходит через отверстия и выходит в виде тонких нитей.

Процесс непрерывной нити

Длинное непрерывное волокно можно получить с помощью процесса непрерывной нити. После того как стекло проходит через отверстия во втулке, несколько прядей захватываются высокоскоростным намоточным устройством. Намотчик вращается со скоростью около 2 миль (3 км) в минуту, что намного быстрее, чем скорость потока из втулок. Натяжение вытягивает нити, пока они еще расплавлены, образуя пряди, составляющие долю диаметра отверстий во втулке. Применяется химическое связующее, которое помогает сохранить волокно от разрыва во время последующей обработки. Затем нить наматывается на трубки. Теперь его можно скрутить и сплести в пряжу.

Процесс штапельного волокна

Альтернативным методом является процесс штапельного волокна. Когда расплавленное стекло протекает через втулки, струи воздуха быстро охлаждают нити. Турбулентные потоки воздуха также разрывают нити на длины 8–15 дюймов (20–38 см). Эти нити падают через распыленную смазку на вращающийся барабан, где образуют тонкую паутину. Полотно вытягивается из барабана и вытягивается в непрерывную прядь из свободно собранных волокон. Эту прядь можно переработать в пряжу теми же процессами, которые используются для шерсти и хлопка.

Рубленое волокно

Вместо формирования пряжи непрерывную или длинноволокнистую прядь можно разрезать на короткие отрезки. Прядь крепится на набор бобин, называемых шпулярником, и протягивается через машину, которая разрезает ее на короткие куски. Из рубленого волокна формируют маты, к которым добавляют связующее. После отверждения в духовке коврик сворачивают. Изделия разного веса и толщины подходят для черепицы, навесной кровли или декоративных матов.

Стекловата

Для производства стекловаты используется ротационный или прядильный процесс. В этом процессе расплавленное стекло из печи перетекает в цилиндрический контейнер с небольшими отверстиями. Поскольку контейнер быстро вращается, из отверстий вытекают горизонтальные потоки стекла. Потоки расплавленного стекла преобразуются в волокна путем нисходящей струи воздуха, горячего газа или того и другого. Волокна попадают на конвейерную ленту, где переплетаются друг с другом в ворсистую массу. Ее можно использовать для изоляции, а можно опрыскать шерсть связующим, сжать до желаемой толщины и высушить в духовке. Под воздействием тепла связующее схватывается, и в результате получается жесткая или полужесткая плита или гибкий войлок.

Защитные покрытия

Помимо связующих для изделий из стеклопластика требуются и другие покрытия. Смазочные материалы используются для уменьшения истирания волокна и либо распыляются непосредственно на волокно, либо добавляются в связующее. Антистатический состав также иногда распыляется на поверхность изоляционных матов из стекловолокна на этапе охлаждения. Охлаждающий воздух, проходящий через мат, заставляет антистатический агент проникать по всей толщине мата. Антистатический агент состоит из двух ингредиентов — материала, который сводит к минимуму образование статического электричества, и материала, который служит ингибитором коррозии и стабилизатором. Проклеивание — это любое покрытие, наносимое на текстильные волокна в процессе формования, которое может содержать одно или несколько больше компонентов (смазочные материалы, связующие или связующие вещества). Связующие вещества используются на прядях, которые будут использоваться для армирования пластмасс, для усиления связи с армированным материалом. Иногда требуется операция отделки, чтобы удалить эти покрытия или добавить другое покрытие. В случае пластиковой арматуры размеры можно удалить с помощью нагревания или химикатов и нанести связующий агент. Для декоративного применения ткани необходимо подвергнуть термической обработке для удаления проклейки и закрепления переплетения. Затем перед окраской или печатью наносятся базовые покрытия на основе красителя.

Формируем формы

Изделия из стекловолокна бывают самых разных форм и изготавливаются с использованием нескольких процессов. Например, изоляцию для труб из стекловолокна наматывают на стержнеобразные формы, называемые оправками, непосредственно из формовочных агрегатов перед отверждением. Формы длиной 3 фута (91 см) или меньше затем отверждаются в духовке. Отвержденные куски затем распиливают по длине и распиливают до заданных размеров. При необходимости наносится облицовка и изделие упаковывается для отправки.

Контроль качества

Во время производства изоляции из стекловолокна пробы материала отбираются на нескольких участках для поддержания качества. Эти места включают в себя: подачу смешанной партии в электроплавильную печь; расплавленное стекло из втулки, питающей волокнообразователь; стекловолокно, выходящее из машины для волокнообразования; и конечный отвержденный продукт, выходящий из конца производственной линии. Объемные образцы стекла и волокна анализируются на химический состав и наличие дефектов с помощью сложных химических анализаторов и микроскопов. Распределение частиц шихты по размерам получают путем пропускания материала через ряд сит разного размера. Толщина конечного продукта после упаковки измеряется в соответствии со спецификациями. Изменение толщины говорит о том, что качество стекла ниже стандарта.

Производители изоляции из стекловолокна также используют различные стандартизированные процедуры испытаний для измерения, регулировки и оптимизации акустического сопротивления продукции, звукопоглощения и характеристик звукового барьера. Акустические свойства можно контролировать, регулируя такие производственные параметры, как диаметр волокна, объемная плотность, толщина и содержание связующего. Аналогичный подход используется для управления тепловыми свойствами.

Будущее

В оставшуюся часть 1990-х годов и в последующий период отрасль стекловолокна столкнется с некоторыми серьезными проблемами. Число производителей стекловолоконной изоляции увеличилось благодаря американским дочерним предприятиям иностранных компаний и повышению производительности труда американских производителей. Это привело к появлению избыточных мощностей, которые нынешний и, возможно, будущий рынок не смогут удовлетворить.

Помимо избыточной мощности, конкурировать будут и другие изоляционные материалы. Минеральная вата стала широко использоваться благодаря недавним усовершенствованиям процессов и продуктов. Изоляция из пенопласта — еще одна альтернатива стекловолокну для стен жилых домов и крыш коммерческих помещений. Еще одним конкурирующим материалом является целлюлоза, которая используется при утеплении чердаков.

Из-за низкого спроса на изоляцию из-за слабого рынка жилья потребители требуют более низких цен. Этот спрос также является результатом продолжающейся тенденции к консолидации розничных продавцов и подрядчиков. В ответ индустрия изоляции из стекловолокна будет вынуждена продолжать сокращать расходы в двух основных областях: энергетика и окружающая среда. Необходимо будет использовать более эффективные печи, которые не будут полагаться только на один источник энергии.

Когда свалки достигнут максимальной мощности, производителям стекловолокна придется добиться практически нулевого объема переработки твердых отходов без увеличения затрат. Это потребует совершенствования производственных процессов для сокращения отходов (в том числе жидких и газовых отходов) и повторного использования отходов там, где это возможно.

Такие отходы могут потребовать переработки и переплавки перед повторным использованием в качестве сырья. Некоторые производители уже решают эти проблемы.