Com es fabrica la fibra de vidre?

La fibra de vidre fa referència a un grup de productes fets de fibres de vidre individuals combinades en una varietat de formes. Les fibres de vidre es poden dividir en dos grups principals segons la seva geometria: les fibres contínues utilitzades en fils i tèxtils, i les fibres discontínues (curtes) utilitzades com a mantes, mantes o taulers per a l'aïllament i la filtració. La fibra de vidre es pot formar en fil de manera molt semblant a la llana o el cotó, i teixir en teixit que de vegades s'utilitza per a cortines. Els tèxtils de fibra de vidre s'utilitzen habitualment com a material de reforç per a plàstics modelats i laminats. La llana de fibra de vidre, un material gruixut i esponjós fet de fibres discontínues, s'utilitza per a l'aïllament tèrmic i l'absorció acústica. Es troba habitualment en mampares i cascos de vaixells i submarins; compartiments de motors d'automòbils i revestiments de panells de carrosseria; en forns i unitats d'aire condicionat; panells acústics de paret i sostre; i envans arquitectònics. La fibra de vidre es pot adaptar per a aplicacions específiques com ara el tipus E (elèctric), utilitzat com a cinta aïllant elèctrica, tèxtils i reforç; el tipus C (químic), que té una resistència superior a l'àcid, i el tipus T, per a l'aïllament tèrmic.

Tot i que l'ús comercial de la fibra de vidre és relativament recent, els artesans van crear fils de vidre per decorar copes i gerros durant el Renaixement. Un físic francès, René-Antoine Ferchault de Réaumur, va produir tèxtils decorats amb fins fils de vidre el 1713, i els inventors britànics van duplicar la gesta el 1822. Un teixidor de seda britànic va fer un teixit de vidre el 1842, i un altre inventor, Edward Libbey, va exposar un vestit teixit de vidre a l'Exposició Colombina de 1893 a Chicago.

La llana de vidre, una massa esponjosa de fibra discontínua en longituds aleatòries, es va produir per primera vegada a Europa a principis de segle, utilitzant un procés que implicava estirar fibres de barres horitzontalment a un tambor giratori. Diverses dècades més tard, es va desenvolupar i patentar un procés de filatura. El material aïllant de fibra de vidre es va fabricar a Alemanya durant la Primera Guerra Mundial. La recerca i el desenvolupament destinats a la producció industrial de fibres de vidre van progressar als Estats Units a la dècada de 1930, sota la direcció de dues grans empreses, Owens-Illinois Glass Company i Corning Glass Works. Aquestes empreses van desenvolupar una fibra de vidre fina, flexible i de baix cost estirant vidre fos a través d'orificis molt fins. El 1938, aquestes dues empreses es van fusionar per formar Owens-Corning Fiberglas Corp. Ara coneguda simplement com a Owens-Corning, s'ha convertit en una empresa de 3.000 milions de dòlars anuals i és líder en el mercat de la fibra de vidre.

Matèries primeres

Les matèries primeres bàsiques per als productes de fibra de vidre són una varietat de minerals naturals i productes químics manufacturats. Els ingredients principals són sorra de sílice, pedra calcària i carbonat de sodi. Altres ingredients poden incloure alúmina calcinada, bòrax, feldespat, sienita nefelínica, magnesita i argila de caolí, entre d'altres. La sorra de sílice s'utilitza com a formador de vidre, i el carbonat de sodi i la pedra calcària ajuden principalment a baixar la temperatura de fusió. Altres ingredients s'utilitzen per millorar certes propietats, com el bòrax per a la resistència química. El vidre residual, també anomenat cullet, també s'utilitza com a matèria primera. Les matèries primeres s'han de pesar acuradament en quantitats exactes i barrejar-les completament (anomenat processament per lots) abans de fondre's en vidre.

La fabricació
Procés

Fusió

Un cop preparat el lot, s'introdueix a un forn per a la seva fusió. El forn es pot escalfar amb electricitat, combustible fòssil o una combinació dels dos. La temperatura s'ha de controlar amb precisió per mantenir un flux suau i constant de vidre. El vidre fos s'ha de mantenir a una temperatura més alta (uns 1371 °C) que altres tipus de vidre per tal de convertir-lo en fibra. Un cop el vidre es fon, es transfereix a l'equip de conformació a través d'un canal (avantforn) situat al final del forn.

Formant-se en fibres

S'utilitzen diversos processos diferents per formar fibres, depenent del tipus de fibra. Les fibres tèxtils es poden formar a partir de vidre fos directament del forn, o el vidre fos es pot alimentar primer a una màquina que forma bales de vidre d'uns 1,6 cm de diàmetre. Aquestes bales permeten inspeccionar visualment el vidre per detectar impureses. Tant en el procés de fusió directa com en el de fusió de marbre, el vidre o les bales de vidre s'alimenten a través de casquets escalfats elèctricament (també anomenats fileres). El casquet està fet de platí o un aliatge metàl·lic, amb entre 200 i 3.000 orificis molt fins. El vidre fos passa pels orificis i surt com a filaments fins.

Procés de filament continu

Es pot produir una fibra llarga i contínua mitjançant el procés de filament continu. Després que el vidre flueixi pels forats del casquet, diversos fils queden atrapats en una bobinadora d'alta velocitat. La bobinadora gira a uns 3 km per minut, molt més ràpid que la velocitat de flux dels casquets. La tensió estira els filaments mentre encara estan fosos, formant fils d'una fracció del diàmetre de les obertures del casquet. S'aplica un aglutinant químic, que ajuda a evitar que la fibra es trenqui durant el processament posterior. A continuació, el filament s'enrotlla en tubs. Ara es pot retorçar i convertir en fil.

Procés de fibra discontínua

Un mètode alternatiu és el procés de fibra discontínua. A mesura que el vidre fos flueix a través dels casquets, els dolls d'aire refreden ràpidament els filaments. Les explosions turbulentes d'aire també trenquen els filaments en longituds de 20 a 38 cm. Aquests filaments cauen a través d'un ruixat de lubricant sobre un tambor giratori, on formen una fina tela. La tela s'extreu del tambor i es tira en un fil continu de fibres poc muntades. Aquest fil es pot processar en fil mitjançant els mateixos processos que s'utilitzen per a la llana i el cotó.

fibra picada

En lloc de formar-ne fil, el fil continu o de fibra llarga es pot tallar en trossos curts. El fil es munta en un conjunt de bobines, anomenades cesta, i es passa per una màquina que el talla en trossos curts. La fibra tallada es forma en estores a les quals s'afegeix un aglutinant. Després de curar-se en un forn, l'estora s'enrotlla. Diversos pesos i gruixos donen lloc a productes per a teules, teulades construïdes o estores decoratives.

llana de vidre

El procés rotatori o de centrifugació s'utilitza per fabricar llana de vidre. En aquest procés, el vidre fos del forn flueix cap a un recipient cilíndric amb petits forats. A mesura que el recipient gira ràpidament, surten corrents horitzontals de vidre dels forats. Els corrents de vidre fos es converteixen en fibres mitjançant un ràfega descendent d'aire, gas calent o ambdues coses. Les fibres cauen sobre una cinta transportadora, on s'entrellacen entre si en una massa lanosa. Això es pot utilitzar per a l'aïllament, o la llana es pot ruixar amb un aglutinant, comprimir-la fins al gruix desitjat i curar-la en un forn. La calor fixa l'aglutinant i el producte resultant pot ser un tauler rígid o semirígid, o una làmina flexible.

Recobriments protectors

A més dels aglutinants, es necessiten altres recobriments per als productes de fibra de vidre. Els lubricants s'utilitzen per reduir l'abrasió de la fibra i es ruixen directament sobre la fibra o s'afegeixen a l'aglutinant. De vegades també es ruixa una composició antiestàtica sobre la superfície de les estores aïllants de fibra de vidre durant el pas de refredament. L'aire de refredament que passa a través de l'estora fa que l'agent antiestàtic penetri en tot el gruix de l'estora. L'agent antiestàtic consta de dos ingredients: un material que minimitza la generació d'electricitat estàtica i un material que serveix com a inhibidor i estabilitzador de la corrosió. L'aprest és qualsevol recobriment aplicat a les fibres tèxtils en l'operació de conformació i pot contenir un o més components (lubricants, aglutinants o agents d'acoblament). Els agents d'acoblament s'utilitzen en fils que s'utilitzaran per reforçar plàstics, per enfortir la unió amb el material reforçat. De vegades es requereix una operació d'acabat per eliminar aquests recobriments o per afegir un altre recobriment. Per als reforços de plàstic, els aprests es poden eliminar amb calor o productes químics i aplicar un agent d'acoblament. Per a aplicacions decoratives, els teixits s'han de tractar tèrmicament per eliminar els aprests i fixar el teixit. A continuació, s'apliquen recobriments base de tint abans de tenyir o imprimir.

Formant formes

Els productes de fibra de vidre tenen una àmplia varietat de formes i es fabriquen mitjançant diversos processos. Per exemple, l'aïllament de canonades de fibra de vidre s'enrotlla en formes semblants a varetes anomenades mandrils directament des de les unitats de conformació, abans del curat. Les formes del motlle, en longituds de 91 cm o menys, es curen en un forn. Les longituds curades es desemmotllen longitudinalment i es serren en dimensions especificades. S'apliquen revestiments si cal i el producte s'empaqueta per al seu enviament.

Control de qualitat

Durant la producció d'aïllament de fibra de vidre, es prenen mostres del material en diversos punts del procés per mantenir la qualitat. Aquests punts inclouen: el lot barrejat que s'alimenta al fusible elèctric; el vidre fos del casquet que alimenta el fibrador; la fibra de vidre que surt de la màquina fibradora; i el producte curat final que surt del final de la línia de producció. Les mostres de vidre i fibra a granel s'analitzen per determinar la seva composició química i la presència de defectes mitjançant analitzadors químics i microscopis sofisticats. La distribució de la mida de les partícules del material del lot s'obté passant el material a través de diversos tamisos de diferents mides. El gruix del producte final es mesura després de l'envasament segons les especificacions. Un canvi de gruix indica que la qualitat del vidre està per sota de l'estàndard.

Els fabricants d'aïllament de fibra de vidre també utilitzen diversos procediments de prova estandarditzats per mesurar, ajustar i optimitzar la resistència acústica del producte, l'absorció del so i el rendiment de la barrera acústica. Les propietats acústiques es poden controlar ajustant variables de producció com el diàmetre de la fibra, la densitat aparent, el gruix i el contingut d'aglutinant. Un enfocament similar s'utilitza per controlar les propietats tèrmiques.

El futur

La indústria de la fibra de vidre s'enfronta a alguns reptes importants durant la resta de la dècada del 1990 i més enllà. El nombre de productors d'aïllament de fibra de vidre ha augmentat a causa de les filials americanes d'empreses estrangeres i les millores en la productivitat dels fabricants nord-americans. Això ha provocat un excés de capacitat, que el mercat actual i potser futur no pot acollir.

A més de l'excés de capacitat, altres materials d'aïllament competiran. La llana de roca s'ha utilitzat àmpliament a causa de les millores recents en els processos i productes. L'aïllament d'escuma és una altra alternativa a la fibra de vidre en parets residencials i teulades comercials. Un altre material competidor és la cel·lulosa, que s'utilitza en l'aïllament de les golfes.

A causa de la baixa demanda d'aïllament a causa d'un mercat immobiliari fluix, els consumidors exigeixen preus més baixos. Aquesta demanda també és el resultat de la tendència contínua a la consolidació de minoristes i contractistes. En resposta, la indústria de l'aïllament de fibra de vidre haurà de continuar reduint costos en dues àrees principals: energia i medi ambient. S'hauran d'utilitzar forns més eficients que no depenguin d'una sola font d'energia.

Amb els abocadors arribant a la seva capacitat màxima, els fabricants de fibra de vidre hauran d'aconseguir una producció gairebé nul·la de residus sòlids sense augmentar els costos. Això requerirà millorar els processos de fabricació per reduir els residus (també per a residus líquids i gasosos) i reutilitzar els residus sempre que sigui possible.

Aquests residus poden requerir un reprocessament i una refusió abans de reutilitzar-los com a matèria primera. Diversos fabricants ja estan abordant aquests problemes.