Hvordan fremstilles glasfiber?

Glasfiber refererer til en gruppe produkter fremstillet af individuelle glasfibre kombineret i en række forskellige former. Glasfibre kan opdeles i to hovedgrupper i henhold til deres geometri: kontinuerlige fibre, der anvendes i garn og tekstiler, og de diskontinuerlige (korte) fibre, der anvendes som pladevat, tæpper eller plader til isolering og filtrering. Glasfiber kan formes til garn ligesom uld eller bomuld og væves til stof, der undertiden bruges til gardiner. Glasfibertekstiler bruges almindeligvis som forstærkningsmateriale til støbt og lamineret plast. Glasfiberuld, et tykt, luftigt materiale fremstillet af diskontinuerlige fibre, bruges til varmeisolering og lydabsorption. Det findes almindeligvis i skotter og skrog på skibe og ubåde; bilers motorrum og karosseripaneler; i ovne og klimaanlæg; akustiske væg- og loftspaneler; og arkitektoniske skillevægge. Glasfiber kan skræddersys til specifikke anvendelser såsom Type E (elektrisk), der anvendes som elektrisk isoleringstape, tekstiler og forstærkning; Type C (kemisk), som har overlegen syrebestandighed, og Type T til varmeisolering.

Selvom kommerciel brug af glasfiber er relativt ny, skabte kunsthåndværkere glastråde til at dekorere bægre og vaser under renæssancen. En fransk fysiker, René-Antoine Ferchault de Reaumur, producerede tekstiler dekoreret med fine glastråde i 1713, og britiske opfindere gentog dette i 1822. En britisk silkevæver lavede et glasstof i 1842, og en anden opfinder, Edward Libbey, udstillede en kjole vævet af glas på Columbian Exposition i Chicago i 1893.

Glasuld, en luftig masse af diskontinuerlige fibre i tilfældige længder, blev først produceret i Europa ved århundredeskiftet ved hjælp af en proces, der involverede vandret trækning af fibre fra stænger til en roterende tromle. Flere årtier senere blev en spindeproces udviklet og patenteret. Glasfiberisoleringsmateriale blev fremstillet i Tyskland under Første Verdenskrig. Forskning og udvikling rettet mod industriel produktion af glasfibre udviklede sig i USA i 1930'erne under ledelse af to store virksomheder, Owens-Illinois Glass Company og Corning Glass Works. Disse virksomheder udviklede en fin, bøjelig og billig glasfiber ved at trække smeltet glas gennem meget fine åbninger. I 1938 fusionerede disse to virksomheder og dannede Owens-Corning Fiberglas Corp. Nu blot kendt som Owens-Corning, er det blevet en virksomhed med en omsætning på 3 milliarder dollars om året og er førende på glasfibermarkedet.

Råvarer

De grundlæggende råvarer til glasfiberprodukter er en række naturlige mineraler og fremstillede kemikalier. Hovedingredienserne er kvartssand, kalksten og soda. Andre ingredienser kan blandt andet omfatte kalcineret aluminiumoxid, borax, feldspat, nefelinsyenit, magnesit og kaolinler. Kvartssand bruges som glasdanner, og soda og kalksten hjælper primært med at sænke smeltetemperaturen. Andre ingredienser bruges til at forbedre visse egenskaber, såsom borax til kemisk resistens. Glasaffald, også kaldet glasskår, bruges også som råmateriale. Råmaterialerne skal omhyggeligt vejes i nøjagtige mængder og blandes grundigt sammen (kaldet batching), før de smeltes til glas.

Produktionen
Behandle

Smeltning

Når blandingen er forberedt, føres den ind i en ovn til smeltning. Ovnen kan opvarmes med elektricitet, fossilt brændstof eller en kombination af de to. Temperaturen skal kontrolleres præcist for at opretholde en jævn og stabil strøm af glas. Det smeltede glas skal holdes ved en højere temperatur (ca. 1371 °C) end andre typer glas for at blive formet til fibre. Når glasset er smeltet, overføres det til formningsudstyret via en kanal (forherd) placeret i enden af ​​ovnen.

Dannes til fibre

Der anvendes adskillige forskellige processer til at danne fibre, afhængigt af fibertypen. Tekstilfibre kan dannes af smeltet glas direkte fra ovnen, eller det smeltede glas kan først føres til en maskine, der danner glaskugler med en diameter på ca. 1,6 cm. Disse kugler gør det muligt at inspicere glasset visuelt for urenheder. I både direkte smeltning og marmorsmeltningsprocessen føres glasset eller glaskuglerne gennem elektrisk opvarmede bøsninger (også kaldet spindedyser). Bøsningen er lavet af platin eller metallegering med alt fra 200 til 3.000 meget fine åbninger. Det smeltede glas passerer gennem åbningerne og kommer ud som fine filamenter.

Kontinuerlig filamentproces

En lang, kontinuerlig fiber kan produceres gennem den kontinuerlige filamentproces. Efter glasset er strømmet gennem hullerne i bøsningen, fanges flere tråde op på en højhastighedsvikler. Vikleren roterer med en hastighed på omkring 3 km i minuttet, hvilket er meget hurtigere end strømningshastigheden fra bøsningerne. Spændingen trækker filamenterne ud, mens de stadig er smeltede, og danner tråde, der kun har en diameter på en brøkdel af åbningerne i bøsningen. Der påføres et kemisk bindemiddel, som hjælper med at forhindre fiberen i at knække under senere bearbejdning. Filamentet vikles derefter på rør. Det kan nu snos og snos til garn.

Stapelfiberproces

En alternativ metode er stapelfiberprocessen. Når det smeltede glas strømmer gennem bøsningerne, afkøles filamenterne hurtigt af luftstråler. De turbulente luftstød brækker også filamenterne i længder på 20-38 cm. Disse filamenter falder gennem en spray af smøremiddel ned på en roterende tromle, hvor de danner et tyndt net. Nettet trækkes ud af tromlen og trækkes til en kontinuerlig streng af løst samlede fibre. Denne streng kan forarbejdes til garn ved hjælp af de samme processer, der anvendes til uld og bomuld.

Hakket fiber

I stedet for at blive formet til garn, kan den kontinuerlige eller lange streng hakkes i korte stykker. Strengen monteres på et sæt spoler, kaldet en spiral, og trækkes gennem en maskine, der hakker den i korte stykker. Den hakkede fiber formes til måtter, hvortil der tilsættes et bindemiddel. Efter hærdning i en ovn rulles måtten op. Forskellige vægte og tykkelser giver produkter til helvedesild, opbyggede tagdækninger eller dekorative måtter.

Glasuld

Rotations- eller spinnerprocessen bruges til at fremstille glasuld. I denne proces strømmer smeltet glas fra ovnen ind i en cylindrisk beholder med små huller. Når beholderen roterer hurtigt, strømmer vandrette glasstrømme ud af hullerne. De smeltede glasstrømme omdannes til fibre ved en nedadgående luftstrøm, varm gas eller begge dele. Fibrene falder ned på et transportbånd, hvor de flettes sammen i en blød masse. Dette kan bruges til isolering, eller ulden kan sprøjtes med et bindemiddel, komprimeres til den ønskede tykkelse og hærdes i en ovn. Varmen hærder bindemidlet, og det resulterende produkt kan være en stiv eller halvstiv plade eller en fleksibel plade.

Beskyttende belægninger

Ud over bindemidler kræves der andre belægninger til glasfiberprodukter. Smøremidler bruges til at reducere fiberslid og sprøjtes enten direkte på fiberen eller tilsættes bindemidlet. En antistatisk sammensætning sprøjtes også nogle gange på overfladen af ​​glasfiberisoleringsmåtter under køletrinnet. Køleluft, der trækkes gennem måtten, får det antistatiske middel til at trænge ind i hele måttens tykkelse. Det antistatiske middel består af to ingredienser - et materiale, der minimerer genereringen af ​​statisk elektricitet, og et materiale, der fungerer som korrosionsinhibitor og stabilisator. Limning er enhver belægning, der påføres tekstilfibre i formningsoperationen, og kan indeholde en eller flere komponenter (smøremidler, bindemidler eller koblingsmidler). Koblingsmidler bruges på tråde, der skal bruges til at forstærke plast, for at styrke bindingen til det forstærkede materiale. Nogle gange kræves en efterbehandling for at fjerne disse belægninger eller for at tilføje en anden belægning. Til plastforstærkninger kan limninger fjernes med varme eller kemikalier, og et koblingsmiddel påføres. Til dekorative anvendelser skal stoffer varmebehandles for at fjerne limninger og for at fiksere vævningen. Farvebaserede belægninger påføres derefter inden farvning eller trykning.

Formning til former

Glasfiberprodukter findes i en bred vifte af former og fremstilles ved hjælp af adskillige processer. For eksempel vikles isolering af glasfiberrør på stanglignende former kaldet dorne direkte fra formningsenhederne før hærdning. Formene, i længder på 91 cm eller mindre, hærdes derefter i en ovn. De hærdede længder udformes derefter på langs og saves til i specificerede dimensioner. Beklædninger påføres om nødvendigt, og produktet pakkes til forsendelse.

Kvalitetskontrol

Under produktionen af ​​glasfiberisolering udtages materialeprøver på en række steder i processen for at opretholde kvaliteten. Disse steder omfatter: den blandede batch, der føres til den elektriske smelter; smeltet glas fra bøsningen, der føder fiberiseringsmaskinen; glasfiber, der kommer ud af fiberiseringsmaskinen; og det færdighærdede produkt, der kommer ud fra enden af ​​produktionslinjen. Glas- og fiberprøverne analyseres for kemisk sammensætning og tilstedeværelsen af ​​fejl ved hjælp af sofistikerede kemiske analysatorer og mikroskoper. Partikelstørrelsesfordelingen af ​​batchmaterialet opnås ved at føre materialet gennem en række sigter i forskellige størrelser. Det endelige produkts tykkelse måles efter emballering i henhold til specifikationerne. En ændring i tykkelse indikerer, at glaskvaliteten er under standarden.

Producenter af glasfiberisolering bruger også en række standardiserede testprocedurer til at måle, justere og optimere produkters akustiske modstand, lydabsorption og lydbarrierers ydeevne. De akustiske egenskaber kan styres ved at justere produktionsvariabler som fiberdiameter, bulkdensitet, tykkelse og bindemiddelindhold. En lignende tilgang bruges til at kontrollere termiske egenskaber.

Fremtiden

Glasfiberindustrien står over for nogle store udfordringer i resten af ​​1990'erne og fremefter. Antallet af producenter af glasfiberisolering er steget på grund af amerikanske datterselskaber af udenlandske virksomheder og forbedringer i produktiviteten hos amerikanske producenter. Dette har resulteret i overkapacitet, som det nuværende og måske fremtidige marked ikke kan imødekomme.

Ud over overkapacitet vil andre isoleringsmaterialer konkurrere. Stenuld er blevet meget udbredt på grund af nylige proces- og produktforbedringer. Skumisolering er et andet alternativ til glasfiber i boligvægge og erhvervstage. Et andet konkurrerende materiale er cellulose, som bruges i loftsisolering.

På grund af den lave efterspørgsel efter isolering på grund af et svagt boligmarked kræver forbrugerne lavere priser. Denne efterspørgsel er også et resultat af den fortsatte tendens til konsolidering af detailhandlere og entreprenører. Som reaktion herpå bliver glasfiberisoleringsindustrien nødt til at fortsætte med at reducere omkostningerne på to hovedområder: energi og miljø. Der skal anvendes mere effektive ovne, der ikke kun er afhængige af én energikilde.

Efterhånden som lossepladserne når deres maksimale kapacitet, bliver glasfiberproducenter nødt til at opnå næsten nul produktion af fast affald uden at øge omkostningerne. Dette vil kræve forbedring af fremstillingsprocesser for at reducere affald (også for flydende og gasformigt affald) og genbrug af affald, hvor det er muligt.

Sådant affald kan kræve oparbejdning og omsmeltning, før det genbruges som råmateriale. Flere producenter er allerede i gang med at håndtere disse problemer.