Как се произвежда фибростъкло?

Фибростъклото се отнася до група продукти, изработени от отделни стъклени влакна, комбинирани в различни форми. Стъклените влакна могат да бъдат разделени на две основни групи според тяхната геометрия: непрекъснати влакна, използвани в прежди и текстил, и прекъснати (къси) влакна, използвани като вати, одеяла или плоскости за изолация и филтрация. Фибростъклото може да се оформи в прежда, подобно на вълна или памук, и да се вплете в плат, който понякога се използва за драперии. Текстилът от фибростъкло обикновено се използва като армировъчен материал за формовани и ламинирани пластмаси. Фибростъклената вата, дебел, пухкав материал, изработен от прекъснати влакна, се използва за топлоизолация и звукопоглъщане. Често се среща в прегради и корпуси на кораби и подводници; отделения за двигатели на автомобили и облицовки на каросерии; в пещи и климатични агрегати; акустични стенни и таванни панели; и архитектурни прегради. Фибростъклото може да бъде пригодено за специфични приложения, като например Тип E (електрическо), използвано като електрическа изолационна лента, текстил и армировка; Тип C (химично), което има превъзходна киселинна устойчивост, и Тип T, за топлоизолация.

Въпреки че търговската употреба на стъклени влакна е сравнително скорошна, занаятчиите са създавали стъклени нишки за декориране на чаши и вази по време на Ренесанса. Френският физик Рене-Антоан Фершо дьо Реомюр произвежда текстил, декориран с фини стъклени нишки, през 1713 г., а британски изобретатели дублират това постижение през 1822 г. Британски тъкач на коприна изработва стъклена тъкан през 1842 г., а друг изобретател, Едуард Либи, излага рокля, изтъкана от стъкло, на Колумбийското изложение в Чикаго през 1893 г.

Стъклената вата, пухкава маса от прекъснати влакна с произволни дължини, е произведена за първи път в Европа в началото на века, като се използва процес, който включва хоризонтално изтегляне на влакна от пръчки към въртящ се барабан. Няколко десетилетия по-късно е разработен и патентован процес на предене. Изолационен материал от стъклени влакна е произведен в Германия по време на Първата световна война. Изследванията и разработките, насочени към промишленото производство на стъклени влакна, напредват в Съединените щати през 30-те години на миналия век под ръководството на две големи компании - Owens-Illinois Glass Company и Corning Glass Works. Тези компании разработват фино, гъвкаво и евтино стъклено влакно чрез изтегляне на разтопено стъкло през много фини отвори. През 1938 г. тези две компании се сливат, за да образуват Owens-Corning Fiberglas Corp. Сега известна просто като Owens-Corning, тя се превръща в компания с годишен оборот от 3 милиарда долара и е лидер на пазара на фибростъкло.

Суровини

Основните суровини за продуктите от фибростъкло са различни естествени минерали и произведени химикали. Основните съставки са силициев пясък, варовик и калцинирана сода. Други съставки могат да включват калциниран алуминиев оксид, боракс, фелдшпат, нефелинов сиенит, магнезит и каолинова глина, наред с други. Силициевият пясък се използва като стъклообразуващ агент, а калцинираната сода и варовикът спомагат предимно за понижаване на температурата на топене. Други съставки се използват за подобряване на определени свойства, като например боракс за химическа устойчивост. Отпадъчното стъкло, наричано още трошки, също се използва като суровина. Суровините трябва да бъдат внимателно претеглени в точни количества и добре смесени (наречено дозиране), преди да бъдат разтопени в стъкло.

Производството
Процес

Топене

След като сместа е приготвена, тя се подава в пещ за топене. Пещта може да се нагрява с електричество, изкопаемо гориво или комбинация от двете. Температурата трябва да се контролира прецизно, за да се поддържа плавен и постоянен поток от стъкло. Разтопеното стъкло трябва да се поддържа при по-висока температура (около 1371°C) от другите видове стъкло, за да се оформи във влакна. След като стъклото се разтопи, то се прехвърля към формовъчното оборудване през канал (преднагревател), разположен в края на пещта.

Формиране във влакна

В зависимост от вида на влакната, за образуване на влакна се използват няколко различни процеса. Текстилните влакна могат да се образуват от разтопено стъкло директно от пещта или разтопеното стъкло може първо да се подаде към машина, която образува стъклени топчета с диаметър около 1,6 см (0,62 инча). Тези топчета позволяват визуална проверка на стъклото за примеси. Както при директното топене, така и при топенето на мрамор, стъклото или стъклените топчета се подават през електрически нагрявани втулки (наричани още дюзи). Втулката е изработена от платина или метална сплав, с от 200 до 3000 много фини отвора. Разтопеното стъкло преминава през отворите и излиза като фини нишки.

Процес с непрекъсната нишка

Чрез процеса на непрекъснато влакно може да се произведе дълго, непрекъснато влакно. След като стъклото премине през отворите в отвора на втулката, множество нишки се улавят от високоскоростна навиваща машина. Навиващата машина се върти с около 3 км в минута, много по-бързо от скоростта на потока от втулките. Напрежението издърпва нишките, докато са още разтопени, образувайки нишки с диаметър, малък от диаметъра на отворите в отвора на втулката. Прилага се химическо свързващо вещество, което помага да се предотврати скъсването на влакното по време на по-късна обработка. След това нишката се навива на тръби. Сега тя може да се усуче и наплита в прежда.

Процес на щапелни влакна

Алтернативен метод е процесът със щапелни влакна. Докато разтопеното стъкло преминава през втулките, струи въздух бързо охлаждат нишките. Турбулентните потоци въздух също така разкъсват нишките на дължини от 8-15 инча (20-38 см). Тези нишки падат през спрей от смазка върху въртящ се барабан, където образуват тънка мрежа. Мрежата се издърпва от барабана и се издърпва в непрекъсната нишка от свободно сглобени влакна. Тази нишка може да се преработи в прежда чрез същите процеси, използвани за вълна и памук.

Нарязани влакна

Вместо да се оформя в прежда, непрекъснатата или дългожилната нишка може да се нарязва на къси парчета. Нишката се монтира на комплект макари, наречени кошница, и се издърпва през машина, която я нарязва на къси парчета. Нарязаните влакна се оформят в подложки, към които се добавя свързващо вещество. След втвърдяване в пещ, подложката се навива на руло. Различните тегла и дебелини дават продукти за керемиди, покривни конструкции или декоративни подложки.

Стъклена вата

Ротационният или спинерният процес се използва за производство на стъклена вата. При този процес разтопеното стъкло от пещта се влива в цилиндричен контейнер с малки отвори. Докато контейнерът се върти бързо, хоризонтални струи стъкло изтичат от отворите. Струите разтопено стъкло се превръщат във влакна чрез насочен надолу поток въздух, горещ газ или и двете. Влакната падат върху конвейерна лента, където се преплитат помежду си в рунеста маса. Това може да се използва за изолация или вълната може да се напръска със свързващо вещество, да се компресира до желаната дебелина и да се втвърди във фурна. Топлината втвърдява свързващото вещество и полученият продукт може да бъде твърда или полутвърда плоскост или гъвкава вата.

Защитни покрития

В допълнение към свързващите вещества, за продуктите от фибростъкло са необходими и други покрития. Смазочните материали се използват за намаляване на износването на влакната и се напръскват директно върху влакното или се добавят към свързващото вещество. Антистатичен състав понякога се напръсква и върху повърхността на изолационните подложки от фибростъкло по време на етапа на охлаждане. Охлаждащият въздух, засмукан през подложката, кара антистатичния агент да проникне в цялата дебелина на подложката. Антистатичният агент се състои от две съставки - материал, който минимизира генерирането на статично електричество, и материал, който служи като инхибитор и стабилизатор на корозията. Апликаторът е всяко покритие, нанесено върху текстилни влакна по време на операцията по формоване, и може да съдържа един или повече компоненти (смазочни вещества, свързващи вещества или свързващи агенти). Свързващите агенти се използват върху нишки, които ще се използват за армиране на пластмаси, за да се укрепи връзката с армирания материал. Понякога е необходима довършителна операция за отстраняване на тези покрития или за добавяне на друго покритие. За пластмасови армировки апликаторите могат да бъдат отстранени с топлина или химикали и да се нанесе свързващ агент. За декоративни приложения тъканите трябва да бъдат термично обработени, за да се отстранят апликаторите и да се фиксира тъканта. След това се нанасят базови покрития за боядисване преди боядисване или печатане.

Оформяне във форми

Продуктите от фибростъкло се предлагат в голямо разнообразие от форми, изработени чрез няколко процеса. Например, изолацията от фибростъкло за тръби се навива върху пръчковидни форми, наречени дорници, директно от формовъчните агрегати, преди втвърдяване. Формите, с дължини от 91 см или по-малко, след това се втвърдяват във фурна. Втвърдените парчета след това се изваждат от формата по дължина и се нарязват на определени размери. При необходимост се поставят облицовки и продуктът се опакова за доставка.

Контрол на качеството

По време на производството на изолация от фибростъкло, материалът се пробира на редица места в процеса, за да се поддържа качеството. Тези места включват: смесената партида, подавана към електрическата топилна пещ; разтопено стъкло от втулката, която захранва фиброизводителя; стъклени влакна, излизащи от машината за фиброизводство; и крайния втвърден продукт, излизащ от края на производствената линия. Пробите от стъкло и влакна се анализират за химичен състав и наличие на дефекти с помощта на сложни химични анализатори и микроскопи. Разпределението на размера на частиците на материала от партидата се получава чрез преминаване на материала през редица сита с различни размери. Дебелината на крайния продукт се измерва след опаковане съгласно спецификациите. Промяна в дебелината показва, че качеството на стъклото е под стандартното.

Производителите на изолация от фибростъкло също използват различни стандартизирани процедури за изпитване, за да измерват, регулират и оптимизират акустичната устойчивост, звукопоглъщането и характеристиките на звукоизолацията на продукта. Акустичните свойства могат да се контролират чрез регулиране на производствени променливи като диаметър на влакната, обемна плътност, дебелина и съдържание на свързващо вещество. Подобен подход се използва и за контрол на термичните свойства.

Бъдещето

През останалата част от 90-те години на миналия век и след това, индустрията за производство на фибростъкло е изправена пред някои сериозни предизвикателства. Броят на производителите на изолация от фибростъкло се е увеличил благодарение на американските дъщерни дружества на чуждестранни компании и подобренията в производителността на американските производители. Това е довело до свръхкапацитет, който настоящият, а вероятно и бъдещият пазар, не може да поеме.

В допълнение към излишния капацитет, други изолационни материали ще се конкурират. Каменната вата стана широко използвана поради последните подобрения в процесите и продуктите. Пяната изолация е друга алтернатива на фибростъклото в жилищните стени и търговските покриви. Друг конкурентен материал е целулозата, която се използва за изолация на тавани.

Поради ниското търсене на изолация, дължащо се на пазара на меки жилища, потребителите изискват по-ниски цени. Това търсене е резултат и от продължаващата тенденция за консолидация на търговци на дребно и изпълнители. В отговор индустрията за изолация от фибростъкло ще трябва да продължи да намалява разходите в две основни области: енергия и околна среда. Ще трябва да се използват по-ефективни пещи, които не разчитат само на един източник на енергия.

С достигането на максимален капацитет на депата за отпадъци, производителите на фибростъкло ще трябва да постигнат почти нулево производство на твърди отпадъци, без да увеличават разходите. Това ще изисква подобряване на производствените процеси за намаляване на отпадъците (както за течни, така и за газови отпадъци) и повторно използване на отпадъците, където е възможно.

Такива отпадъци може да изискват преработка и претопяване преди повторна употреба като суровина. Няколко производители вече се занимават с тези проблеми.