Як виготовляється скловолокно?

Скловолокно відноситься до групи виробів, виготовлених з окремих скляних волокон, поєднаних у різні форми. Скловолокна можна розділити на дві великі групи відповідно до їхньої геометрії: безперервні волокна, що використовуються в пряжі та текстилі, і розривні (короткі) волокна, які використовуються як вати, ковдри або дошки для ізоляції та фільтрації. Зі скловолокна можна формувати пряжу, подібну до вовни чи бавовни, і вплітати її в тканину, яку іноді використовують для драпірувань. Текстиль зі скловолокна зазвичай використовується як армуючий матеріал для формованих і ламінованих пластмас. Для теплоізоляції та звукопоглинання використовується скловата — товстий, пухнастий матеріал, виготовлений із розривних волокон. Він зазвичай зустрічається в перегородках і корпусах кораблів і підводних човнів; автомобільні моторні відсіки та вкладиші панелей кузова; в печах і установках кондиціонування повітря; акустичні стінові та стельові панелі; та архітектурні перегородки. Скловолокно можна пристосувати для спеціальних застосувань, таких як тип E (електрика), використовувати як електричну ізоляційну стрічку, текстиль та армування; Тип С (хімічний), який має підвищену кислотостійкість, і тип Т, для теплоізоляції.

Хоча комерційне використання скловолокна відносно недавно, ремісники створили скляні нитки для прикраси келихів і ваз в епоху Відродження. Французький фізик Рене-Антуан Фершо де Реомюр у 1713 році виготовив тканини, прикрашені тонкими скляними нитками, а британські винахідники повторили цей подвиг у 1822 році. Британський ткач із шовку виготовив скляну тканину у 1842 році, а інший винахідник, Едвард Ліббі, показав на виставці сукня зі скла на Колумбійській виставці 1893 року в Чикаго.

Скловата, пухнаста маса безперервних волокон довільної довжини, вперше була виготовлена ​​в Європі на рубежі століть за допомогою процесу, який передбачав витягування волокон із прутів горизонтально до обертового барабана. Через кілька десятиліть був розроблений і запатентований процес прядіння. Ізоляційний матеріал зі скловолокна вироблявся в Німеччині під час Першої світової війни. Дослідження та розробки, спрямовані на промислове виробництво скловолокна, прогресували в Сполучених Штатах у 1930-х роках під керівництвом двох великих компаній, Owens-Illinois Glass Company та Corning Glass. працює. Ці компанії розробили тонке, гнучке, недороге скловолокно шляхом протягування розплавленого скла через дуже тонкі отвори. У 1938 році ці дві компанії об’єдналися, щоб утворити Owens-Corning Fiberglas Corp. Зараз відома просто як Owens-Corning, вона стала компанією з прибутком 3 мільярди доларів на рік і є лідером на ринку скловолокна.

Сировина

Основною сировиною для виробів зі скловолокна є різноманітні природні мінерали та промислові хімікати. Основними інгредієнтами є силікатний пісок, вапняк і кальцинована сода. Інші інгредієнти можуть включати кальцинований глинозем, буру, польовий шпат, нефеліновий сієніт, магнезит і каолінову глину. Як склоутворювач використовується кремнеземний пісок, а кальцинована сода і вапняк допомагають насамперед знизити температуру плавлення. Інші інгредієнти використовуються для покращення певних властивостей, наприклад бура для хімічної стійкості. В якості сировини також використовується склобій, який також називають склобоєм. Сировина повинна бути ретельно зважена в точних кількостях і ретельно перемішана разом (так званий дозування) перед розплавленням у скло.

Виробництво
процес

плавлення

Після приготування шихти її подають у піч для плавлення. Піч може нагріватися електрикою, викопним паливом або їх комбінацією. Необхідно точно контролювати температуру, щоб підтримувати рівномірний потік скла. Розплавлене скло має зберігатися при вищій температурі (приблизно 2500°F [1371°C]), ніж інші типи скла, щоб отримати волокно. Коли скло стає розплавленим, воно передається до формувального обладнання через канал (форум), розташований у кінці печі.

Формування у волокна

Залежно від типу волокна для формування волокон використовуються кілька різних процесів. Текстильні волокна можуть бути сформовані з розплавленого скла безпосередньо з печі, або розплавлене скло може бути подано спочатку в машину, яка формує скляні кульки діаметром приблизно 0,62 дюйма (1,6 см). Ці мармури дозволяють візуально перевірити скло на наявність домішок. І в процесі прямого плавлення, і в процесі плавлення мармуру скло або скляні кульки подаються через втулки з електричним нагріванням (також звані фільярами). Втулка виготовлена ​​з платини або металевого сплаву, має від 200 до 3000 дуже тонких отворів. Розплавлене скло проходить через отвори і виходить у вигляді тонких ниток.

Безперервно-нитяний процес

Довге безперервне волокно можна виготовити за допомогою безперервного філаментного процесу. Після того, як скло протікає через отвори у втулці, кілька ниток захоплюються високошвидкісним намотувачем. Машина обертається зі швидкістю приблизно 2 милі (3 км) за хвилину, що набагато швидше, ніж швидкість потоку з втулок. Натяг висмикує нитки, поки вони ще розплавлені, утворюючи нитки діаметром у частку від отворів у втулці. Застосовується хімічна сполучна речовина, яка допомагає зберегти волокно від розриву під час подальшої обробки. Потім нитка намотується на трубки. Тепер його можна скрутити і сплести в пряжу.

Штапельно-волокнистий процес

Альтернативним методом є штапельний процес. Коли розплавлене скло протікає через втулки, струмені повітря швидко охолоджують нитки. Турбулентні вибухи повітря також розривають нитки на відрізки 8-15 дюймів (20-38 см). Ці нитки падають крізь бризки мастила на обертовий барабан, де утворюють тонку павутину. Полотно витягується з барабана і витягується в безперервну нитку нещільно зібраних волокон. Це пасмо можна переробити в пряжу за допомогою тих самих процесів, які використовуються для вовни та бавовни.

Подрібнене волокно

Замість того, щоб формувати пряжу, безперервне або довговолокнисте пасмо можна нарізати на короткі відрізки. Пасмо встановлюється на набір бобін, які називають шпуляром, і протягується через машину, яка рубає її на короткі частини. Подрібнене волокно формують у мати, до яких додають сполучну речовину. Після висихання в печі мат згортають. Різна вага і товщина дають вироби для черепиці, вбудованої покрівлі або декоративних матів.

Скловата

Для виготовлення скловати використовується ротаційний або прядильний процес. У цьому процесі розплавлене скло з печі стікає в циліндричний контейнер з невеликими отворами. Коли ємність швидко обертається, з отворів витікають горизонтальні потоки скла. Потоки розплавленого скла перетворюються на волокна під дією низхідного потоку повітря, гарячого газу або обох. Волокна потрапляють на конвеєрну стрічку, де переплітаються одне з одним у ворсисту масу. Це можна використовувати для ізоляції, або шерсть можна розпорошити сполучною речовиною, стиснути до потрібної товщини та затвердіти в печі. Нагрівання схоплює сполучний, і отриманий продукт може бути жорсткою або напівжорсткою плитою або гнучкою ватою.

Захисні покриття

Для виробів зі скловолокна, крім сполучних, потрібні й інші покриття. Змащувальні матеріали використовуються для зменшення стирання волокон і або безпосередньо розпилюються на волокна, або додаються до сполучного. Антистатичний склад також іноді розпилюють на поверхню ізоляційних матів зі скловолокна під час етапу охолодження. Охолоджувальне повітря, що проходить через килимок, змушує антистатичний засіб проникати на всю товщину килимка. Антистатичний засіб складається з двох інгредієнтів: матеріалу, який мінімізує утворення статичної електрики, і матеріалу, який служить інгібітором корозії та стабілізатором. Проклейка – це будь-яке покриття, нанесене на текстильні волокна під час операції формування, і може містити один або інші компоненти (мастильні матеріали, зв’язувальні або сполучні речовини). З’єднувальні агенти використовуються на нитках, які будуть використовуватися для армування пластику, для зміцнення зв’язку з армованим матеріалом. Іноді потрібна фінішна операція, щоб видалити ці покриття або додати інше покриття. Для пластикової арматури проклейки можна видалити за допомогою тепла або хімікатів і застосувати сполучний агент. Для декоративного застосування тканини повинні бути термічно оброблені, щоб видалити проклейку та закріпити переплетення. Потім перед фарбуванням або друком наносять базові покриття.

Формування у фігури

Вироби зі скловолокна бувають різноманітних форм і виготовляються різними процесами. Наприклад, ізоляція труб зі скловолокна намотується на стрижневі форми, які називаються оправками, безпосередньо з формуючих блоків перед затвердінням. Форми плісняви ​​довжиною 3 фути (91 см) або менше потім висушуються в печі. Потім затверділі відрізки поздовжньо виймають з форми та розпилюють на задані розміри. При необхідності накладаються облицювання, і виріб упаковується для відправлення.

Контроль якості

Під час виробництва ізоляції зі скловолокна матеріал відбирається в кількох місцях для підтримки якості. Ці місця включають: змішану партію, що подається до електроплавильника; розплавлене скло з втулки, яка живить волокнистий пристрій; скловолокно, що виходить із волокнистої машини; і кінцевий висушений продукт, що виходить з кінця виробничої лінії. Масові зразки скла та волокна аналізуються на хімічний склад і наявність дефектів за допомогою складних хімічних аналізаторів і мікроскопів. Розподіл частинок матеріалу партії за розміром отримують шляхом пропускання матеріалу через декілька сит різного розміру. Товщина кінцевого продукту вимірюється після пакування відповідно до специфікацій. Зміна товщини свідчить про те, що якість скла нижче стандарту.

Виробники скловолоконної ізоляції також використовують різноманітні стандартизовані процедури випробувань для вимірювання, регулювання та оптимізації акустичного опору продукції, звукопоглинання та звукового бар’єру. Акустичними властивостями можна керувати, регулюючи такі виробничі змінні, як діаметр волокна, насипну щільність, товщину та вміст сполучного. Подібний підхід використовується для контролю теплових властивостей.

Майбутнє

Скловолоконна промисловість стикається з деякими серйозними проблемами протягом решти 1990-х років і далі. Кількість виробників склопластикових утеплювачів зросла за рахунок американських дочірніх компаній іноземних компаній і підвищення продуктивності американських виробників. Це призвело до надлишкових потужностей, які нинішній і, можливо, майбутній ринок не можуть прийняти.

Крім надлишкової потужності конкуренцію складуть інші утеплювачі. Кам'яна вата набула широкого застосування завдяки нещодавнім удосконаленням процесу та продуктів. Піноізоляція є ще однією альтернативою скловолокну в житлових стінах і комерційних дахах. Іншим конкуруючим матеріалом є целюлоза, яка використовується для утеплення горищ.

Через низький попит на теплоізоляцію через слабкий ринок житла споживачі вимагають нижчих цін. Цей попит також є результатом триваючої тенденції консолідації роздрібних торговців і підрядників. У відповідь промисловість ізоляції зі скловолокна повинна буде продовжувати скорочувати витрати у двох основних сферах: енергетика та навколишнє середовище. Доведеться використовувати більш ефективні печі, які не покладаються лише на одне джерело енергії.

Коли сміттєзвалища досягнуть максимальної потужності, виробникам скловолокна доведеться досягти майже нульового виробництва твердих відходів без збільшення витрат. Це вимагатиме вдосконалення виробничих процесів для зменшення відходів (також для рідких і газових відходів) і повторного використання відходів, де це можливо.

Такі відходи можуть потребувати повторної обробки та переплавлення перед повторним використанням як сировини. Деякі виробники вже вирішують ці проблеми.