Hur tillverkas glasfiber?

Glasfiber hänvisar till en grupp produkter gjorda av individuella glasfibrer kombinerade i en mängd olika former. Glasfibrer kan delas in i två huvudgrupper enligt deras geometri: kontinuerliga fibrer som används i garn och textilier, och de diskontinuerliga (korta) fibrerna som används som vadder, filtar eller brädor för isolering och filtrering. Glasfiber kan formas till garn ungefär som ull eller bomull och vävs till tyg som ibland används för draperier. Glasfibertextilier används vanligtvis som förstärkningsmaterial för gjuten och laminerad plast. Glasfiberull, ett tjockt, fluffigt material tillverkat av diskontinuerliga fibrer, används för värmeisolering och ljudabsorption. Det finns vanligen i fartygs- och ubåtsskott och skrov; bilmotorutrymmen och karosspaneler; i ugnar och luftkonditioneringsenheter; akustiska vägg- och takpaneler; och arkitektoniska skiljeväggar. Glasfiber kan skräddarsys för specifika applikationer som typ E (elektrisk), som används som elektrisk isoleringstejp, textilier och armering; Typ C (kemisk), som har överlägsen syrabeständighet, och Type T, för värmeisolering.

Även om kommersiell användning av glasfiber är relativt ny, skapade hantverkare glassträngar för att dekorera bägare och vaser under renässansen. En fransk fysiker, Rene-Antoine Ferchault de Reaumur, tillverkade textilier dekorerade med fina glassträngar 1713, och brittiska uppfinnare duplicerade bedriften 1822. En brittisk sidenvävare gjorde ett glastyg 1842, och en annan uppfinnare, Edward Libbey, visade en klänning vävd av glas vid 1893 Columbian Exposition i Chicago.

Glasull, en fluffig massa av diskontinuerliga fibrer i slumpmässiga längder, tillverkades först i Europa vid sekelskiftet, med en process som involverade att dra fibrer från stavar horisontellt till en roterande trumma. Flera decennier senare utvecklades och patenterades en spinnprocess. Glasfiberisoleringsmaterial tillverkades i Tyskland under första världskriget. Forskning och utveckling inriktad på industriell produktion av glasfibrer utvecklades i USA på 1930-talet, under ledning av två stora företag, Owens-Illinois Glass Company och Corning Glass Fabrik. Dessa företag utvecklade en fin, smidig, billig glasfiber genom att dra smält glas genom mycket fina öppningar. 1938 slogs dessa två företag samman för att bilda Owens-Corning Fiberglas Corp. Nu helt enkelt känt som Owens-Corning, har det blivit ett företag på 3 miljarder dollar per år och är ledande på glasfibermarknaden.

Råvaror

De grundläggande råvarorna för glasfiberprodukter är en mängd naturliga mineraler och tillverkade kemikalier. De viktigaste ingredienserna är kiseldioxidsand, kalksten och soda. Andra ingredienser kan innefatta bränd aluminiumoxid, borax, fältspat, nefelinsyenit, magnesit och kaolinlera, bland andra. Kiselsand används som glasbildare och soda och kalksten bidrar främst till att sänka smälttemperaturen. Andra ingredienser används för att förbättra vissa egenskaper, såsom borax för kemisk resistens. Avfallsglas, även kallat cullet, används också som råvara. Råvarorna ska vägas noggrant i exakta mängder och blandas ordentligt (så kallad batching) innan de smälts till glas.

Tillverkningen
Behandla

Smältande

När satsen är förberedd matas den in i en ugn för smältning. Ugnen kan värmas upp med el, fossilt bränsle eller en kombination av de två. Temperaturen måste kontrolleras exakt för att upprätthålla ett jämnt, jämnt flöde av glas. Det smälta glaset måste förvaras vid en högre temperatur (cirka 2500°F [1371°C]) än andra typer av glas för att kunna formas till fiber. När glaset väl har smält överförs det till formningsutrustningen via en kanal (förhärd) placerad vid ugnens ände.

Formas till fibrer

Flera olika processer används för att bilda fibrer, beroende på fibertyp. Textilfibrer kan formas av smält glas direkt från ugnen, eller så kan det smälta glaset matas först till en maskin som bildar glaskulor med en diameter på cirka 0,62 tum (1,6 cm). Dessa kulor gör att glaset kan inspekteras visuellt för föroreningar. I både direktsmältnings- och marmorsmältprocessen matas glas- eller glaskulorna genom elektriskt uppvärmda bussningar (även kallade spinndysor). Bussningen är gjord av platina eller metallegering, med allt från 200 till 3 000 mycket fina öppningar. Det smälta glaset passerar genom öppningarna och kommer ut som fina filament.

Kontinuerlig filamentprocess

En lång, kontinuerlig fiber kan framställas genom den kontinuerliga filamentprocessen. Efter att glaset rinner genom hålen i bussningen, fångas flera trådar upp på en höghastighetslindare. Upprullaren roterar med cirka 3 km per minut, mycket snabbare än flödet från bussningarna. Spänningen drar ut filamenten medan de fortfarande är smälta och bildar strängar som är en bråkdel av diametern på öppningarna i bussningen. Ett kemiskt bindemedel appliceras, vilket hjälper till att förhindra att fibern går sönder under senare bearbetning. Filamentet lindas sedan på rör. Den kan nu tvinnas och tvinnas till garn.

Stapelfiberprocess

En alternativ metod är stapelfiberprocessen. När det smälta glaset strömmar genom bussningarna kyler luftstrålar snabbt filamenten. De turbulenta luftskurarna bryter också filamenten i längder på 8-15 tum (20-38 cm). Dessa filament faller genom en spray av smörjmedel på en roterande trumma, där de bildar en tunn bana. Banan dras från trumman och dras in i en kontinuerlig sträng av löst sammansatta fibrer. Denna tråd kan bearbetas till garn med samma processer som används för ull och bomull.

Hackad fiber

Istället för att formas till garn kan den kontinuerliga eller långhäftade tråden kapas i korta längder. Strängen är monterad på en uppsättning bobiner, kallad spol, och dras genom en maskin som skär den i korta bitar. Den hackade fibern formas till mattor till vilka ett bindemedel tillsätts. Efter härdning i ugn rullas mattan ihop. Olika vikter och tjocklekar ger produkter för bältros, byggda tak eller dekorativa mattor.

Glasull

Den roterande eller spinnerprocessen används för att göra glasull. I denna process flyter smält glas från ugnen in i en cylindrisk behållare med små hål. När behållaren snurrar snabbt flyter horisontella glasströmmar ut ur hålen. De smälta glasströmmarna omvandlas till fibrer genom en nedåtgående blåsning av luft, het gas eller bådadera. Fibrerna faller på ett transportband, där de sammanflätas med varandra i en fleecy massa. Detta kan användas för isolering, eller så kan ullen sprayas med ett bindemedel, pressas ihop till önskad tjocklek och härdas i ugn. Värmen härdar bindemedlet, och den resulterande produkten kan vara en styv eller halvstyv skiva eller en flexibel vadd.

Skyddande beläggningar

Förutom bindemedel krävs andra beläggningar för glasfiberprodukter. Smörjmedel används för att minska fibernötning och sprutas antingen direkt på fibern eller tillsätts i bindemedlet. En antistatisk komposition sprayas också ibland på ytan av isoleringsmattor av glasfiber under kylningssteget. Kylluft som dras genom mattan gör att det antistatiska medlet penetrerar hela mattans tjocklek. Det antistatiska medlet består av två ingredienser – ett material som minimerar genereringen av statisk elektricitet och ett material som fungerar som korrosionsinhibitor och stabilisator. Limning är vilken beläggning som helst som appliceras på textilfibrer i formningsoperationen och kan innehålla en eller fler komponenter (smörjmedel, bindemedel eller kopplingsmedel). Kopplingsmedel används på strängar som ska användas för att förstärka plaster, för att stärka bindningen till det förstärkta materialet. Ibland krävs en efterbehandling för att ta bort dessa beläggningar eller för att lägga till en annan beläggning. För plastförstärkningar kan limningar tas bort med värme eller kemikalier och ett kopplingsmedel appliceras. För dekorativa applikationer måste tyger värmebehandlas för att ta bort lim och för att sätta väven. Färgbasbeläggningar appliceras sedan innan färgning eller tryckning.

Forma till former

Glasfiberprodukter finns i en mängd olika former, tillverkade med flera processer. Till exempel lindas isolering av glasfiberrör på stavliknande former som kallas dorn direkt från formningsenheterna, före härdning. Formen, i längder på 91 cm eller mindre, härdas sedan i en ugn. De härdade längderna avformas sedan på längden och sågas till specificerade dimensioner. Beklädnader appliceras vid behov och produkten paketeras för leverans.

Kvalitetskontroll

Under tillverkningen av glasfiberisolering provtas material på ett antal platser i processen för att bibehålla kvaliteten. Dessa platser inkluderar: den blandade satsen som matas till den elektriska smältaren; smält glas från bussningen som matar fibertillföraren; glasfiber som kommer ut ur fibermaskinen; och slutlig härdad produkt som kommer från slutet av produktionslinjen. Bulkproverna av glas och fiber analyseras med avseende på kemisk sammansättning och förekomst av brister med hjälp av sofistikerade kemiska analysatorer och mikroskop. Partikelstorleksfördelning av satsmaterialet erhålls genom att materialet passerar genom ett antal siktar av olika storlek. Slutprodukten mäts för tjocklek efter förpackning enligt specifikationer. En förändring i tjocklek indikerar att glaskvaliteten är under standarden.

Tillverkare av glasfiberisolering använder också en mängd standardiserade testprocedurer för att mäta, justera och optimera produktens akustiska motstånd, ljudabsorption och ljudbarriärprestanda. De akustiska egenskaperna kan styras genom att justera sådana produktionsvariabler som fiberdiameter, skrymdensitet, tjocklek och bindemedelsinnehåll. Ett liknande tillvägagångssätt används för att kontrollera termiska egenskaper.

Framtiden

Glasfiberindustrin står inför några stora utmaningar under resten av 1990-talet och framåt. Antalet tillverkare av glasfiberisolering har ökat på grund av amerikanska dotterbolag till utländska företag och förbättringar av produktiviteten från amerikanska tillverkare. Detta har resulterat i överkapacitet, vilket den nuvarande och kanske framtida marknaden inte kan ta emot.

Förutom överkapacitet kommer andra isoleringsmaterial att konkurrera. Stenull har blivit allmänt använt på grund av senaste process- och produktförbättringar. Skumisolering är ett annat alternativ till glasfiber i bostadsväggar och kommersiella tak. Ett annat konkurrerande material är cellulosa, som används vid vindsisolering.

På grund av den låga efterfrågan på isolering på grund av en mjuk bostadsmarknad kräver konsumenterna lägre priser. Denna efterfrågan är också ett resultat av den fortsatta trenden i konsolidering av återförsäljare och entreprenörer. Som svar kommer glasfiberisoleringsindustrin att behöva fortsätta att sänka kostnaderna inom två stora områden: energi och miljö. Effektivare ugnar kommer att behöva användas som inte är beroende av bara en energikälla.

Med deponier som når maximal kapacitet kommer glasfibertillverkare att behöva uppnå nästan noll produktion på fast avfall utan att öka kostnaderna. Detta kommer att kräva förbättrade tillverkningsprocesser för att minska avfallet (även för flytande och gasavfall) och återanvändning av avfall där det är möjligt.

Sådant avfall kan kräva upparbetning och omsmältning innan det återanvänds som råmaterial. Flera tillverkare tar redan tag i dessa problem.