Sợi thủy tinh được tạo ra như thế nào?

Sợi thủy tinh dùng để chỉ một nhóm sản phẩm được làm từ các sợi thủy tinh riêng lẻ kết hợp thành nhiều dạng khác nhau. Sợi thủy tinh có thể được chia thành hai nhóm chính theo hình dạng của chúng: sợi liên tục được sử dụng trong sợi và dệt may, và sợi không liên tục (ngắn) được sử dụng làm tấm, chăn hoặc ván để cách nhiệt và lọc. Sợi thủy tinh có thể được tạo thành sợi giống như len hoặc bông và được dệt thành vải đôi khi được sử dụng làm rèm. Vải dệt sợi thủy tinh thường được sử dụng làm vật liệu gia cố cho nhựa đúc và nhiều lớp. Len sợi thủy tinh, một loại vật liệu dày, mịn được làm từ các sợi không liên tục, được sử dụng để cách nhiệt và hấp thụ âm thanh. Nó thường được tìm thấy trong các vách ngăn và thân tàu và tàu ngầm; khoang động cơ ô tô và tấm lót thân xe; trong lò nung và máy điều hòa không khí; tấm tường và trần tiêu âm; và phân vùng kiến ​​trúc. Sợi thủy tinh có thể được thiết kế riêng cho các ứng dụng cụ thể như Loại E (điện), được sử dụng làm băng cách điện, dệt và gia cố; Loại C (hóa học) có khả năng kháng axit vượt trội và Loại T dùng để cách nhiệt.

Mặc dù việc sử dụng sợi thủy tinh cho mục đích thương mại còn khá mới mẻ nhưng các nghệ nhân đã tạo ra những sợi thủy tinh để trang trí cốc và bình hoa trong thời kỳ Phục hưng. Một nhà vật lý người Pháp, Rene-Antoine Ferchault de Reaumur, đã sản xuất hàng dệt được trang trí bằng những sợi thủy tinh mịn vào năm 1713, và các nhà phát minh người Anh đã lập lại thành công này vào năm 1822. Một thợ dệt lụa người Anh đã tạo ra vải thủy tinh vào năm 1842, và một nhà phát minh khác, Edward Libbey, đã trưng bày một chiếc váy dệt bằng thủy tinh tại Triển lãm Columbian năm 1893 ở Chicago.

Bông thủy tinh, một khối sợi bông không liên tục có chiều dài ngẫu nhiên, lần đầu tiên được sản xuất ở châu Âu vào đầu thế kỷ này, sử dụng quy trình kéo sợi từ các thanh theo chiều ngang sang một cái trống quay. Vài thập kỷ sau, quy trình kéo sợi đã được phát triển và được cấp bằng sáng chế. Vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh được sản xuất ở Đức trong Thế chiến thứ nhất. Nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích sản xuất công nghiệp sợi thủy tinh được tiến hành ở Hoa Kỳ vào những năm 1930, dưới sự chỉ đạo của hai công ty lớn là Công ty Thủy tinh Owens-Illinois và Thủy tinh Corning Hoạt động. Các công ty này đã phát triển một loại sợi thủy tinh mịn, dẻo, chi phí thấp bằng cách kéo thủy tinh nóng chảy qua các lỗ rất mịn. Năm 1938, hai công ty này sáp nhập để thành lập Owens-Corning Fiberglas Corp. Hiện được gọi đơn giản là Owens-Corning, công ty này đã trở thành công ty có doanh thu 3 tỷ USD mỗi năm và là công ty dẫn đầu trong thị trường sợi thủy tinh.

Nguyên liệu thô

Nguyên liệu thô cơ bản cho các sản phẩm sợi thủy tinh là nhiều loại khoáng chất tự nhiên và hóa chất được sản xuất. Thành phần chính là cát silic, đá vôi và tro soda. Các thành phần khác có thể bao gồm alumina nung, borax, fenspat, nepheline syenite, magnesit và đất sét cao lanh, cùng nhiều loại khác. Cát silic được sử dụng làm chất tạo thủy tinh, tro soda và đá vôi chủ yếu giúp giảm nhiệt độ nóng chảy. Các thành phần khác được sử dụng để cải thiện một số đặc tính nhất định, chẳng hạn như borax để kháng hóa chất. Thủy tinh phế thải, còn được gọi là thủy tinh vụn, cũng được sử dụng làm nguyên liệu thô. Nguyên liệu thô phải được cân cẩn thận với số lượng chính xác và trộn kỹ với nhau (gọi là mẻ) trước khi nấu chảy thành thủy tinh.

Sản xuất
Quá trình

tan chảy

Sau khi mẻ được chuẩn bị, nó được đưa vào lò nung để nấu chảy. Lò có thể được làm nóng bằng điện, nhiên liệu hóa thạch hoặc kết hợp cả hai. Nhiệt độ phải được kiểm soát chính xác để duy trì dòng thủy tinh trơn tru, ổn định. Thủy tinh nóng chảy phải được giữ ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 2500°F [1371°C]) so với các loại thủy tinh khác để có thể tạo thành sợi. Sau khi thủy tinh nóng chảy, nó sẽ được chuyển đến thiết bị tạo hình thông qua một kênh (đốt lò) nằm ở cuối lò.

Tạo thành sợi

Một số quy trình khác nhau được sử dụng để tạo thành sợi, tùy thuộc vào loại sợi. Sợi dệt có thể được tạo thành từ thủy tinh nóng chảy trực tiếp từ lò nung, hoặc thủy tinh nóng chảy trước tiên có thể được đưa vào máy tạo thành các viên bi thủy tinh có đường kính khoảng 0,62 inch (1,6 cm). Những viên bi này cho phép kính được kiểm tra bằng mắt để tìm tạp chất. Trong cả quá trình nấu chảy trực tiếp và nấu chảy đá cẩm thạch, các viên bi thủy tinh hoặc thủy tinh được cấp liệu thông qua các ống lót được làm nóng bằng điện (còn gọi là máy trộn). Ống lót được làm bằng bạch kim hoặc hợp kim kim loại, có từ 200 đến 3.000 lỗ rất mịn. Thủy tinh nóng chảy đi qua các lỗ và thoát ra dưới dạng những sợi nhỏ.

Quá trình dây tóc liên tục

Một sợi dài, liên tục có thể được tạo ra thông qua quy trình sợi liên tục. Sau khi thủy tinh chảy qua các lỗ trên ống lót, nhiều sợi sẽ được cuốn vào máy cuốn tốc độ cao. Cuộn dây quay với tốc độ khoảng 2 dặm (3 km) một phút, nhanh hơn nhiều so với tốc độ dòng chảy từ ống lót. Lực căng kéo các sợi ra ngoài khi vẫn còn nóng chảy, tạo thành các sợi có đường kính bằng một phần đường kính của các lỗ trên ống lót. Một chất kết dính hóa học được sử dụng để giúp sợi không bị đứt trong quá trình xử lý sau này. Dây tóc sau đó được quấn vào ống. Bây giờ nó có thể được xoắn và kết thành sợi.

Quy trình sợi xơ

Một phương pháp thay thế là quy trình dập ghim. Khi thủy tinh nóng chảy chảy qua ống lót, các luồng không khí sẽ làm nguội nhanh chóng các sợi tóc. Những luồng không khí hỗn loạn cũng làm đứt các sợi thành các đoạn dài 8-15 inch (20-38 cm). Những sợi này rơi qua một chất bôi trơn phun lên một trống quay, nơi chúng tạo thành một mạng lưới mỏng. Mạng được kéo ra từ trống và kéo thành một chuỗi liên tục gồm các sợi được lắp ráp lỏng lẻo. Sợi này có thể được xử lý thành sợi bằng các quy trình tương tự được sử dụng cho len và bông.

Xắt sợi

Thay vì được tạo thành sợi, sợi kim bấm liên tục hoặc dài có thể được cắt thành các đoạn ngắn. Sợi dây được gắn trên một bộ suốt chỉ, được gọi là cuộn dây, và được kéo qua một chiếc máy để cắt nó thành những đoạn ngắn. Sợi đã cắt nhỏ được tạo thành các tấm thảm có thêm chất kết dính. Sau khi sấy khô trong lò, tấm chiếu được cuộn lại. Các trọng lượng và độ dày khác nhau tạo ra các sản phẩm dành cho ván lợp, tấm lợp xây sẵn hoặc thảm trang trí.

Bông thủy tinh

Quá trình quay hoặc quay được sử dụng để làm bông thủy tinh. Trong quá trình này, thủy tinh nóng chảy từ lò chảy vào một thùng hình trụ có lỗ nhỏ. Khi vật chứa quay nhanh, những dòng thủy tinh nằm ngang chảy ra khỏi các lỗ. Các dòng thủy tinh nóng chảy được chuyển thành sợi bằng luồng không khí, khí nóng hoặc cả hai. Các sợi rơi vào băng tải, nơi chúng đan xen với nhau thành một khối xốp. Chất này có thể được sử dụng để cách nhiệt, hoặc len có thể được phun chất kết dính, nén đến độ dày mong muốn và xử lý trong lò. Nhiệt tạo ra chất kết dính và sản phẩm tạo ra có thể là một tấm ván cứng hoặc bán cứng hoặc một tấm ván dẻo.

Lớp phủ bảo vệ

Ngoài chất kết dính, các chất phủ khác cũng cần thiết cho sản phẩm sợi thủy tinh. Chất bôi trơn được sử dụng để giảm mài mòn sợi và được phun trực tiếp lên sợi hoặc thêm vào chất kết dính. Một chế phẩm chống tĩnh điện đôi khi cũng được phun lên bề mặt thảm cách nhiệt bằng sợi thủy tinh trong bước làm mát. Không khí làm mát được hút qua thảm khiến chất chống tĩnh điện thấm vào toàn bộ độ dày của thảm. Chất chống tĩnh điện bao gồm hai thành phần—một vật liệu giúp giảm thiểu việc tạo ra tĩnh điện và một vật liệu đóng vai trò là chất ức chế ăn mòn và chất ổn định. Kích thước là bất kỳ lớp phủ nào được áp dụng cho sợi dệt trong hoạt động tạo hình và có thể chứa một hoặc nhiều thành phần hơn (chất bôi trơn, chất kết dính hoặc chất liên kết). Các chất kết nối được sử dụng trên các sợi sẽ được sử dụng để gia cố nhựa, để tăng cường liên kết với vật liệu được gia cố. Đôi khi, cần phải thực hiện thao tác hoàn thiện để loại bỏ các lớp phủ này hoặc thêm lớp phủ khác. Đối với cốt thép bằng nhựa, các kích cỡ có thể được loại bỏ bằng nhiệt hoặc hóa chất và sử dụng chất liên kết. Đối với các ứng dụng trang trí, vải phải được xử lý nhiệt để loại bỏ kích thước và tạo kiểu dệt. Sau đó, lớp phủ nền bằng thuốc nhuộm sẽ được áp dụng trước khi nhuộm hoặc in.

Tạo hình thành các hình

Các sản phẩm sợi thủy tinh có nhiều hình dạng khác nhau, được chế tạo bằng nhiều quy trình. Ví dụ, vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh được quấn vào các dạng giống như thanh gọi là trục gá trực tiếp từ bộ tạo hình trước khi đóng rắn. Các khuôn có chiều dài từ 3 feet (91 cm) trở xuống, sau đó được xử lý trong lò. Các chiều dài đã được xử lý sau đó được tháo khuôn theo chiều dọc và xẻ thành các kích thước xác định. Các mặt được áp dụng nếu được yêu cầu và sản phẩm được đóng gói để vận chuyển.

Kiểm soát chất lượng

Trong quá trình sản xuất vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh, vật liệu được lấy mẫu tại một số vị trí trong quy trình để duy trì chất lượng. Các địa điểm này bao gồm: mẻ trộn được đưa vào máy nấu chảy điện; thủy tinh nóng chảy từ ống lót cung cấp chất xơ; sợi thủy tinh ra khỏi máy tạo sợi; và sản phẩm được xử lý cuối cùng xuất hiện ở cuối dây chuyền sản xuất. Các mẫu sợi và thủy tinh số lượng lớn được phân tích về thành phần hóa học và sự hiện diện của các sai sót bằng cách sử dụng máy phân tích hóa học và kính hiển vi phức tạp. Sự phân bố kích thước hạt của vật liệu mẻ thu được bằng cách cho vật liệu đi qua một số sàng có kích thước khác nhau. Sản phẩm cuối cùng được đo độ dày sau khi đóng gói theo quy cách. Sự thay đổi về độ dày cho thấy chất lượng kính dưới mức tiêu chuẩn.

Các nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh cũng sử dụng nhiều quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn hóa khác nhau để đo lường, điều chỉnh và tối ưu hóa khả năng chống âm, hấp thụ âm thanh và hiệu suất rào cản âm thanh của sản phẩm. Các đặc tính âm thanh có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các biến số sản xuất như đường kính sợi, mật độ khối, độ dày và hàm lượng chất kết dính. Một cách tiếp cận tương tự được sử dụng để kiểm soát các đặc tính nhiệt.

tương lai

Ngành công nghiệp sợi thủy tinh phải đối mặt với một số thách thức lớn trong những năm còn lại của thập niên 1990 và hơn thế nữa. Số lượng các nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh đã tăng lên nhờ các công ty con ở Mỹ của các công ty nước ngoài và sự cải thiện năng suất của các nhà sản xuất Mỹ. Điều này dẫn đến tình trạng dư thừa công suất mà thị trường hiện tại và có lẽ trong tương lai không thể đáp ứng được.

Ngoài công suất dư thừa, các vật liệu cách nhiệt khác sẽ cạnh tranh. Len đá đã được sử dụng rộng rãi do những cải tiến về quy trình và sản phẩm gần đây. Bọt cách nhiệt là một giải pháp thay thế khác cho sợi thủy tinh trong tường nhà ở và mái nhà thương mại. Một vật liệu cạnh tranh khác là cellulose, được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt trên gác mái.

Do nhu cầu cách nhiệt thấp do thị trường nhà ở mềm nên người tiêu dùng đòi hỏi mức giá thấp hơn. Nhu cầu này cũng là kết quả của xu hướng hợp nhất liên tục của các nhà bán lẻ và nhà thầu. Để đáp lại, ngành cách nhiệt bằng sợi thủy tinh sẽ phải tiếp tục cắt giảm chi phí ở hai lĩnh vực chính: năng lượng và môi trường. Sẽ phải sử dụng những lò nung hiệu quả hơn mà không chỉ dựa vào một nguồn năng lượng.

Với các bãi chôn lấp đạt công suất tối đa, các nhà sản xuất sợi thủy tinh sẽ phải đạt được sản lượng chất thải rắn gần như bằng 0 mà không tăng chi phí. Điều này sẽ đòi hỏi phải cải tiến quy trình sản xuất để giảm chất thải (đối với chất thải lỏng và khí) và tái sử dụng chất thải bất cứ khi nào có thể.

Chất thải như vậy có thể yêu cầu tái xử lý và nấu chảy lại trước khi tái sử dụng làm nguyên liệu thô. Một số nhà sản xuất đã giải quyết những vấn đề này.