ไฟเบอร์กลาสทำอย่างไร?

ไฟเบอร์กลาสหมายถึงกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ทำจากใยแก้วแต่ละชนิดรวมกันเป็นหลายรูปแบบ ใยแก้วสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลักตามรูปทรงเรขาคณิต ได้แก่ เส้นใยต่อเนื่องที่ใช้ในเส้นด้ายและสิ่งทอ และเส้นใยไม่ต่อเนื่อง (สั้น) ที่ใช้เป็นแป้ง ผ้าห่ม หรือแผ่นกระดานสำหรับเป็นฉนวนและการกรอง ไฟเบอร์กลาสสามารถนำมาขึ้นรูปเป็นเส้นด้ายได้เหมือนกับขนสัตว์หรือผ้าฝ้าย และนำมาทอเป็นผ้าซึ่งบางครั้งก็ใช้สำหรับผ้าม่าน สิ่งทอไฟเบอร์กลาสมักใช้เป็นวัสดุเสริมแรงสำหรับพลาสติกขึ้นรูปและพลาสติกลามิเนต ขนสัตว์ไฟเบอร์กลาสเป็นวัสดุหนานุ่มที่ทำจากเส้นใยไม่ต่อเนื่อง ใช้สำหรับเป็นฉนวนความร้อนและการดูดซับเสียง พบได้ทั่วไปในผนังกั้นและตัวเรือของเรือและใต้น้ำ ห้องเครื่องยนต์และแผ่นบุแผงตัวถังรถยนต์ ในเตาเผาและเครื่องปรับอากาศ ผนังและฝ้าเพดานกันเสียง และฉากกั้นทางสถาปัตยกรรม ไฟเบอร์กลาสสามารถปรับแต่งให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะ เช่น ประเภท E (ไฟฟ้า) ใช้เป็นเทปฉนวนไฟฟ้า สิ่งทอ และการเสริมแรง Type C (สารเคมี) ซึ่งมีความทนทานต่อกรดเหนือกว่า และ Type T สำหรับฉนวนกันความร้อน

แม้ว่าการใช้ใยแก้วในเชิงพาณิชย์จะเกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว แต่ช่างฝีมือก็สร้างเส้นแก้วสำหรับตกแต่งแก้วน้ำและแจกันในสมัยเรอเนซองส์ นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Rene-Antoine Ferchault de Reaumur ผลิตสิ่งทอที่ตกแต่งด้วยเส้นแก้วชั้นดีในปี 1713 และนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษก็เลียนแบบความสำเร็จนี้ในปี 1822 ช่างทอผ้าไหมชาวอังกฤษทำผ้าแก้วในปี 1842 และนักประดิษฐ์อีกคน Edward Libbey จัดแสดง ชุดทอจากแก้วที่งาน Columbian Exposition ในชิคาโกเมื่อปี พ.ศ. 2436

ใยแก้วเป็นเส้นใยที่มีมวลนุ่มไม่ต่อเนื่องและมีความยาวแบบสุ่ม ผลิตครั้งแรกในยุโรปในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ โดยใช้กระบวนการดึงเส้นใยจากแท่งในแนวนอนไปยังถังหมุน หลายทศวรรษต่อมา กระบวนการปั่นด้ายได้รับการพัฒนาและจดสิทธิบัตร วัสดุฉนวนใยแก้วผลิตขึ้นในประเทศเยอรมนีในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 การวิจัยและพัฒนาที่มุ่งเป้าไปที่การผลิตทางอุตสาหกรรมของใยแก้วมีความก้าวหน้าในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษปี 1930 ภายใต้การดูแลของบริษัทใหญ่สองแห่ง ได้แก่ Owens-Illinois Glass Company และ Corning Glass ได้ผล บริษัทเหล่านี้พัฒนาใยแก้วที่มีความละเอียด ยืดหยุ่นได้ และมีต้นทุนต่ำโดยการดึงแก้วหลอมเหลวผ่านรูที่ละเอียดมาก ในปี 1938 ทั้งสองบริษัทได้รวมกิจการกันเป็น Owens-Corning Fiberglas Corp. ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ Owens-Corning และกลายเป็นบริษัทที่มีมูลค่า 3 พันล้านดอลลาร์ต่อปี และเป็นผู้นำในตลาดไฟเบอร์กลาส

วัตถุดิบ

วัตถุดิบพื้นฐานสำหรับผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาส ได้แก่ แร่ธาตุธรรมชาติและสารเคมีที่ผลิตขึ้นหลากหลายชนิด ส่วนผสมหลัก ได้แก่ ทรายซิลิกา หินปูน และโซดาแอช ส่วนผสมอื่นๆ อาจรวมถึงอลูมินาเผา บอแรกซ์ เฟลด์สปาร์ เนฟีลีนไซอีไนต์ แมกนีไซต์ และดินขาวดินขาว และอื่นๆ อีกมากมาย ทรายซิลิกาถูกใช้เป็นตัวก่อแก้ว ส่วนโซดาแอชและหินปูนช่วยลดอุณหภูมิหลอมละลายเป็นหลัก มีการใช้ส่วนผสมอื่นๆ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติบางอย่าง เช่น บอแรกซ์ในการต้านทานสารเคมี เศษแก้วหรือที่เรียกว่าเศษแก้วก็ใช้เป็นวัตถุดิบเช่นกัน วัตถุดิบจะต้องได้รับการชั่งน้ำหนักอย่างระมัดระวังในปริมาณที่แน่นอน และผสมให้เข้ากัน (เรียกว่าการแบทช์) ก่อนที่จะละลายลงในแก้ว

การผลิต
กระบวนการ

ละลาย

เมื่อเตรียมแบทช์แล้ว ก็จะถูกป้อนเข้าเตาหลอมเพื่อละลาย เตาอาจได้รับความร้อนด้วยไฟฟ้า เชื้อเพลิงฟอสซิล หรือทั้งสองอย่างรวมกัน ต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำเพื่อรักษาการไหลของกระจกที่ราบรื่นและสม่ำเสมอ แก้วหลอมเหลวจะต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิสูงกว่า (ประมาณ 1,371°C) (ประมาณ 1,371°C) กว่าแก้วประเภทอื่นเพื่อที่จะขึ้นรูปเป็นเส้นใย เมื่อแก้วหลอมเหลว กระจกจะถูกถ่ายโอนไปยังอุปกรณ์ขึ้นรูปผ่านช่องทาง (เตาหน้าเตา) ที่อยู่ปลายเตาหลอม

ก่อตัวเป็นเส้นใย

มีการใช้กระบวนการที่แตกต่างกันหลายอย่างเพื่อสร้างเส้นใย ขึ้นอยู่กับประเภทของเส้นใย เส้นใยสิ่งทออาจเกิดขึ้นจากแก้วหลอมเหลวโดยตรงจากเตาหลอม หรือแก้วหลอมละลายอาจถูกป้อนเข้าเครื่องก่อนซึ่งขึ้นรูปลูกหินแก้วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.62 นิ้ว (1.6 ซม.) หินอ่อนเหล่านี้ช่วยให้แก้วได้รับการตรวจสอบด้วยสายตาเพื่อหาสิ่งเจือปน ในกระบวนการหลอมโดยตรงและการหลอมหินอ่อน แก้วหรือหินอ่อนแก้วจะถูกป้อนผ่านบุชชิ่งที่ให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า (หรือที่เรียกว่าสปินเนอร์) บุชชิ่งทำจากแพลตตินัมหรือโลหะผสม โดยมีรูที่ละเอียดมากตั้งแต่ 200 ถึง 3,000 ช่อง แก้วหลอมเหลวไหลผ่านรูและออกมาเป็นเส้นใยละเอียด

กระบวนการเส้นใยต่อเนื่อง

เส้นใยยาวต่อเนื่องสามารถผลิตได้ผ่านกระบวนการเส้นใยต่อเนื่อง หลังจากที่แก้วไหลผ่านรูในบุชชิ่ง จะมีเกลียวหลายเส้นติดอยู่บนเครื่องม้วนความเร็วสูง เครื่องหมุนจะหมุนด้วยความเร็วประมาณ 3 กม. ต่อนาที ซึ่งเร็วกว่าอัตราการไหลของพุ่มไม้มาก แรงดึงจะดึงเส้นใยออกมาในขณะที่ยังคงหลอมเหลว กลายเป็นเกลียวที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงเสี้ยวหนึ่งของช่องเปิดในบุชชิ่ง มีการใช้สารยึดเกาะทางเคมีซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้เส้นใยแตกหักในระหว่างการประมวลผลในภายหลัง จากนั้นจึงพันเส้นใยเข้ากับท่อ ตอนนี้สามารถบิดและพันเป็นเส้นด้ายได้แล้ว

กระบวนการเส้นใยหลัก

อีกวิธีหนึ่งคือกระบวนการเย็บกระดาษ ขณะที่แก้วหลอมละลายไหลผ่านบุชชิ่ง ลมที่พุ่งออกมาจะทำให้เส้นใยเย็นลงอย่างรวดเร็ว การระเบิดของอากาศที่ปั่นป่วนยังทำให้เส้นใยแตกออกเป็นความยาว 8-15 นิ้ว (20-38 ซม.) เส้นใยเหล่านี้จะตกผ่านการสเปรย์สารหล่อลื่นลงบนดรัมหมุน ซึ่งทำให้เกิดเป็นแผ่นใยบางๆ ใยถูกดึงออกจากถังซักและดึงเข้าไปในเส้นใยที่ประกอบกันอย่างหลวมๆ เส้นนี้สามารถแปรรูปเป็นเส้นด้ายได้ด้วยกระบวนการเดียวกับที่ใช้กับขนสัตว์และฝ้าย

ไฟเบอร์สับ

แทนที่จะขึ้นรูปเป็นเส้นด้าย เส้นใยที่ต่อเนื่องหรือเป็นเส้นยาวอาจถูกสับให้สั้นลง เส้นใยถูกติดไว้บนชุดกระสวยที่เรียกว่ากระสวย และดึงผ่านเครื่องจักรซึ่งจะสับให้เป็นชิ้นสั้น เส้นใยที่สับแล้วจะถูกสร้างเป็นเสื่อซึ่งมีการเติมสารยึดเกาะเข้าไป หลังจากบ่มในเตาอบแล้ว เสื่อจะม้วนขึ้น น้ำหนักและความหนาต่างๆ ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์สำหรับงูสวัด หลังคาบิวท์อิน หรือเสื่อตกแต่ง

ใยแก้ว

กระบวนการหมุนหรือสปินเนอร์ใช้ทำใยแก้ว ในขั้นตอนนี้ แก้วหลอมเหลวจากเตาหลอมจะไหลลงสู่ภาชนะทรงกระบอกที่มีรูเล็กๆ ขณะที่ภาชนะหมุนอย่างรวดเร็ว กระแสแก้วในแนวนอนจะไหลออกจากรู กระแสแก้วหลอมเหลวจะถูกแปลงเป็นเส้นใยโดยการระเบิดของอากาศ ก๊าซร้อน หรือทั้งสองอย่าง เส้นใยจะตกลงบนสายพานลำเลียง ซึ่งเส้นใยจะพันกันเป็นก้อนขนสัตว์ สามารถใช้เป็นฉนวนหรือพ่นขนสัตว์ด้วยสารยึดเกาะ บีบอัดให้ได้ความหนาตามที่ต้องการ แล้วบ่มในเตาอบ ความร้อนจะกำหนดสารยึดเกาะ และผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจเป็นกระดานแข็งหรือกึ่งแข็ง หรือแบตแบบยืดหยุ่น

เคลือบป้องกัน

นอกจากสารยึดเกาะแล้ว ยังจำเป็นต้องมีการเคลือบอื่นๆ สำหรับผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาสอีกด้วย น้ำมันหล่อลื่นถูกใช้เพื่อลดการเสียดสีของเส้นใย และจะฉีดพ่นลงบนเส้นใยโดยตรงหรือเติมลงในสารยึดเกาะ บางครั้งองค์ประกอบป้องกันไฟฟ้าสถิตยังถูกพ่นลงบนพื้นผิวของแผ่นฉนวนไฟเบอร์กลาสในระหว่างขั้นตอนการทำความเย็น อากาศเย็นที่ดึงผ่านแผ่นรองทำให้สารป้องกันไฟฟ้าสถิตสามารถทะลุความหนาทั้งหมดของแผ่นรองได้ สารป้องกันไฟฟ้าสถิตประกอบด้วยส่วนผสมสองอย่าง ได้แก่ วัสดุที่ช่วยลดการเกิดไฟฟ้าสถิต และวัสดุที่ทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งการกัดกร่อนและความคงตัว การกำหนดขนาดคือการเคลือบใดๆ ที่ใช้กับเส้นใยสิ่งทอในการขึ้นรูป และอาจมีหนึ่งหรือ ส่วนประกอบเพิ่มเติม (สารหล่อลื่น สารยึดเกาะ หรือสารเชื่อมต่อ) สารเชื่อมต่อถูกนำมาใช้กับเกลียวที่จะใช้ในการเสริมแรงพลาสติก เพื่อเพิ่มการยึดเกาะกับวัสดุเสริมแรง บางครั้งจำเป็นต้องดำเนินการตกแต่งขั้นสุดท้ายเพื่อเอาสารเคลือบเหล่านี้ออก หรือเพื่อเพิ่มสารเคลือบอื่น สำหรับการเสริมแรงด้วยพลาสติก อาจถอดขนาดออกด้วยความร้อนหรือสารเคมี และใช้สารเชื่อมต่อ สำหรับการใช้งานเพื่อการตกแต่ง ผ้าจะต้องได้รับการบำบัดความร้อนเพื่อขจัดขนาดและเพื่อเซ็ตตัวลายทอ จากนั้นจึงเคลือบสีรองพื้นก่อนย้อมหรือพิมพ์

ขึ้นรูปเป็นรูปเป็นร่าง

ผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาสมีหลากหลายรูปทรง ผลิตด้วยกระบวนการหลายขั้นตอน ตัวอย่างเช่น ฉนวนท่อไฟเบอร์กลาสจะถูกพันบนรูปแบบคล้ายแท่งที่เรียกว่าแมนเดรลโดยตรงจากหน่วยการขึ้นรูป ก่อนที่จะบ่ม แม่พิมพ์ที่มีความยาวไม่เกิน 3 ฟุต (91 ซม.) จะถูกนำไปบ่มในเตาอบ ความยาวที่บ่มแล้วจะถูกนำออกจากแม่พิมพ์ตามยาว และเลื่อยเป็นขนาดที่กำหนด มีการใช้การหันหน้าเข้าหากันหากจำเป็น และผลิตภัณฑ์ได้รับการบรรจุเพื่อจัดส่ง

การควบคุมคุณภาพ

ในระหว่างการผลิตฉนวนไฟเบอร์กลาส วัสดุจะถูกสุ่มตัวอย่าง ณ ตำแหน่งต่างๆ ในกระบวนการเพื่อรักษาคุณภาพ สถานที่เหล่านี้ได้แก่: แบทช์ผสมที่ถูกป้อนเข้าเครื่องหลอมไฟฟ้า; แก้วหลอมเหลวจากบุชชิ่งที่ป้อนไฟเบอร์ไลเซอร์ ใยแก้วที่ออกมาจากเครื่องไฟเบอร์ไลเซอร์ และผลิตภัณฑ์บ่มขั้นสุดท้ายที่โผล่ออกมาจากส่วนท้ายของสายการผลิต ตัวอย่างแก้วและเส้นใยจำนวนมากได้รับการวิเคราะห์เพื่อหาองค์ประกอบทางเคมีและการมีอยู่ของข้อบกพร่องโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ทางเคมีและกล้องจุลทรรศน์ที่ซับซ้อน การกระจายขนาดอนุภาคของวัสดุแบทช์ทำได้โดยการผ่านวัสดุผ่านตะแกรงขนาดต่างๆ จำนวนมาก ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะวัดความหนาหลังบรรจุภัณฑ์ตามข้อกำหนด การเปลี่ยนแปลงความหนาบ่งชี้ว่าคุณภาพกระจกต่ำกว่ามาตรฐาน

ผู้ผลิตฉนวนไฟเบอร์กลาสยังใช้ขั้นตอนการทดสอบมาตรฐานที่หลากหลายในการวัด ปรับแต่ง และเพิ่มประสิทธิภาพความต้านทานเสียงของผลิตภัณฑ์ การดูดซับเสียง และประสิทธิภาพของกั้นเสียง คุณสมบัติทางเสียงสามารถควบคุมได้โดยการปรับตัวแปรการผลิต เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใย ความหนาแน่นรวม ความหนา และปริมาณสารยึดเกาะ วิธีการที่คล้ายกันนี้ใช้ในการควบคุมคุณสมบัติทางความร้อน

อนาคต

อุตสาหกรรมไฟเบอร์กลาสเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญบางประการในช่วงที่เหลือของทศวรรษ 1990 และต่อจากนี้ จำนวนผู้ผลิตฉนวนไฟเบอร์กลาสเพิ่มขึ้นเนื่องจากบริษัทในเครือในอเมริกาของบริษัทต่างประเทศและการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตโดยผู้ผลิตในสหรัฐฯ สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดกำลังการผลิตส่วนเกินซึ่งตลาดในปัจจุบันและในอนาคตไม่สามารถรองรับได้

นอกจากความจุส่วนเกินแล้ว วัสดุฉนวนอื่นๆ ก็จะแข่งขันกันด้วย ขนหินถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีการปรับปรุงกระบวนการและผลิตภัณฑ์ล่าสุด ฉนวนโฟมเป็นอีกทางเลือกหนึ่งแทนไฟเบอร์กลาสในผนังที่อยู่อาศัยและหลังคาเชิงพาณิชย์ วัสดุที่แข่งขันกันอีกอย่างหนึ่งคือเซลลูโลสซึ่งใช้ในฉนวนห้องใต้หลังคา

เนื่องจากความต้องการฉนวนต่ำเนื่องจากตลาดที่อยู่อาศัยไม่เอื้ออำนวย ผู้บริโภคจึงต้องการราคาที่ต่ำกว่า ความต้องการนี้ยังเป็นผลมาจากแนวโน้มการรวมตัวของผู้ค้าปลีกและผู้รับเหมาอย่างต่อเนื่อง เพื่อเป็นการตอบสนอง อุตสาหกรรมฉนวนไฟเบอร์กลาสจะต้องลดต้นทุนในสองด้านหลักต่อไป ได้แก่ พลังงานและสิ่งแวดล้อม จะต้องใช้เตาเผาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งไม่ต้องพึ่งพาแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียว

เมื่อพื้นที่ฝังกลบมีกำลังการผลิตสูงสุด ผู้ผลิตไฟเบอร์กลาสจะต้องได้รับผลผลิตจากขยะมูลฝอยเกือบเป็นศูนย์โดยไม่ต้องเพิ่มต้นทุน สิ่งนี้จะต้องมีการปรับปรุงกระบวนการผลิตเพื่อลดของเสีย (สำหรับของเสียที่เป็นของเหลวและก๊าซด้วย) และนำของเสียกลับมาใช้ใหม่ทุกครั้งที่เป็นไปได้

ของเสียดังกล่าวอาจต้องมีการแปรรูปและการหลอมใหม่ก่อนที่จะนำกลับมาใช้ใหม่เป็นวัตถุดิบ ผู้ผลิตหลายรายกำลังแก้ไขปัญหาเหล่านี้อยู่แล้ว