فایبرگلاس چگونه ساخته می‌شود؟

فایبرگلاس به گروهی از محصولات گفته می‌شود که از الیاف شیشه منفرد ساخته می‌شوند و در اشکال مختلفی با هم ترکیب شده‌اند. الیاف شیشه را می‌توان بر اساس هندسه آنها به دو گروه اصلی تقسیم کرد: الیاف پیوسته که در نخ و پارچه استفاده می‌شوند و الیاف ناپیوسته (کوتاه) که به عنوان تکه، پتو یا تخته برای عایق‌بندی و فیلتراسیون استفاده می‌شوند. فایبرگلاس را می‌توان مانند پشم یا پنبه به نخ تبدیل کرد و به صورت پارچه بافته کرد که گاهی اوقات برای پرده استفاده می‌شود. منسوجات فایبرگلاس معمولاً به عنوان ماده تقویت‌کننده برای پلاستیک‌های قالب‌گیری شده و چندلایه استفاده می‌شوند. پشم فایبرگلاس، ماده‌ای ضخیم و پرزدار ساخته شده از الیاف ناپیوسته، برای عایق حرارتی و جذب صدا استفاده می‌شود. این ماده معمولاً در دیواره‌ها و بدنه کشتی‌ها و زیردریایی‌ها؛ محفظه‌های موتور خودرو و آسترهای بدنه؛ در کوره‌ها و واحدهای تهویه مطبوع؛ پنل‌های دیواری و سقفی آکوستیک؛ و پارتیشن‌های معماری یافت می‌شود. فایبرگلاس را می‌توان برای کاربردهای خاص مانند نوع E (الکتریکی)، که به عنوان نوار عایق الکتریکی، پارچه و تقویت‌کننده استفاده می‌شود؛ نوع C (شیمیایی)، که مقاومت اسیدی بالایی دارد و نوع T، برای عایق حرارتی، تنظیم کرد.

اگرچه استفاده تجاری از الیاف شیشه نسبتاً جدید است، اما صنعتگران در دوران رنسانس رشته‌های شیشه‌ای را برای تزئین جام‌ها و گلدان‌ها خلق کردند. یک فیزیکدان فرانسوی، رنه-آنتوان فرشو دو رومور، در سال ۱۷۱۳ پارچه‌هایی را تولید کرد که با رشته‌های شیشه‌ای ظریف تزئین شده بودند و مخترعان بریتانیایی این شاهکار را در سال ۱۸۲۲ تکرار کردند. یک بافنده ابریشم بریتانیایی در سال ۱۸۴۲ پارچه‌ای شیشه‌ای ساخت و مخترع دیگری، ادوارد لیبی، لباسی بافته شده از شیشه را در نمایشگاه کلمبیایی ۱۸۹۳ در شیکاگو به نمایش گذاشت.

پشم شیشه، توده‌ای کرکی از الیاف ناپیوسته در طول‌های تصادفی، برای اولین بار در آغاز قرن بیستم در اروپا با استفاده از فرآیندی که شامل کشیدن الیاف از میله‌ها به صورت افقی به یک درام چرخان بود، تولید شد. چند دهه بعد، یک فرآیند ریسندگی توسعه یافت و ثبت اختراع شد. مواد عایق الیاف شیشه در طول جنگ جهانی اول در آلمان تولید می‌شد. تحقیق و توسعه با هدف تولید صنعتی الیاف شیشه در دهه 1930 در ایالات متحده، تحت هدایت دو شرکت بزرگ، شرکت شیشه اوونز-ایلینوی و کارخانه شیشه کورنینگ، پیشرفت کرد. این شرکت‌ها با کشیدن شیشه مذاب از طریق منافذ بسیار ریز، الیاف شیشه‌ای ظریف، انعطاف‌پذیر و کم‌هزینه تولید کردند. در سال 1938، این دو شرکت با هم ادغام شدند و شرکت فایبرگلاس اوونز-کورنینگ را تشکیل دادند. اکنون به سادگی با نام اوونز-کورنینگ شناخته می‌شود و به یک شرکت 3 میلیارد دلاری در سال تبدیل شده است و در بازار فایبرگلاس پیشرو است.

مواد اولیه

مواد اولیه اولیه برای محصولات فایبرگلاس، انواع مواد معدنی طبیعی و مواد شیمیایی مصنوعی هستند. مواد اصلی تشکیل دهنده آنها ماسه سیلیس، سنگ آهک و خاکستر سودا هستند. سایر مواد تشکیل دهنده ممکن است شامل آلومینای کلسینه شده، بوراکس، فلدسپار، سینیت نفلین، منیزیت و خاک رس کائولن و موارد دیگر باشد. ماسه سیلیس به عنوان ماده تشکیل دهنده شیشه استفاده می شود و خاکستر سودا و سنگ آهک در درجه اول به کاهش دمای ذوب کمک می کنند. سایر مواد تشکیل دهنده برای بهبود خواص خاص، مانند بوراکس برای مقاومت شیمیایی، استفاده می شوند. ضایعات شیشه که به آن خرده شیشه نیز گفته می شود، نیز به عنوان ماده اولیه استفاده می شود. مواد اولیه باید قبل از ذوب شدن و تبدیل به شیشه، با دقت و در مقادیر دقیق وزن شده و کاملاً با هم مخلوط شوند (به این عمل بچینگ گفته می شود).

تولید
فرآیند

ذوب شدن

پس از آماده شدن، برای ذوب شدن به کوره فرستاده می‌شود. کوره ممکن است با برق، سوخت فسیلی یا ترکیبی از این دو گرم شود. دما باید دقیقاً کنترل شود تا جریان روان و ثابتی از شیشه حفظ شود. شیشه مذاب باید در دمایی بالاتر (حدود 2500 درجه فارنهایت [1371 درجه سانتیگراد]) نسبت به سایر انواع شیشه نگه داشته شود تا به فیبر تبدیل شود. پس از ذوب شدن شیشه، از طریق یک کانال (پیش‌دهنه) که در انتهای کوره قرار دارد، به تجهیزات شکل‌دهی منتقل می‌شود.

تشکیل الیاف

بسته به نوع الیاف، از چندین فرآیند مختلف برای تشکیل الیاف استفاده می‌شود. الیاف نساجی ممکن است مستقیماً از شیشه مذاب از کوره تشکیل شوند، یا شیشه مذاب ممکن است ابتدا به دستگاهی تغذیه شود که تیله‌های شیشه‌ای با قطر حدود 0.62 اینچ (1.6 سانتی‌متر) را تشکیل می‌دهد. این تیله‌ها امکان بررسی بصری ناخالصی‌های شیشه را فراهم می‌کنند. در هر دو فرآیند ذوب مستقیم و ذوب تیله، شیشه یا تیله‌های شیشه‌ای از طریق بوش‌های گرم شده الکتریکی (که به آنها اسپینرت نیز گفته می‌شود) تغذیه می‌شوند. بوش از پلاتین یا آلیاژ فلز ساخته شده است و دارای 200 تا 3000 روزنه بسیار ریز است. شیشه مذاب از طریق روزنه‌ها عبور می‌کند و به صورت رشته‌های ریز بیرون می‌آید.

فرآیند رشته‌سازی پیوسته

یک فیبر بلند و پیوسته می‌تواند از طریق فرآیند رشته پیوسته تولید شود. پس از اینکه شیشه از سوراخ‌های بوش عبور کرد، چندین رشته توسط یک وایندر پرسرعت به هم متصل می‌شوند. وایندر با سرعت حدود ۳ کیلومتر در دقیقه می‌چرخد که بسیار سریع‌تر از سرعت جریان از بوش‌ها است. کشش، فیلامنت‌ها را در حالی که هنوز مذاب هستند، بیرون می‌کشد و رشته‌هایی با قطر کسری از قطر دهانه‌های بوش تشکیل می‌دهد. یک چسب شیمیایی اعمال می‌شود که به جلوگیری از شکستن فیبر در طول پردازش‌های بعدی کمک می‌کند. سپس فیلامنت روی لوله‌ها پیچیده می‌شود. اکنون می‌توان آن را پیچاند و به نخ تبدیل کرد.

فرآیند الیاف منگنه

یک روش جایگزین، فرآیند الیاف منگنه است. همزمان با جریان شیشه مذاب از میان بوش‌ها، جت‌های هوا به سرعت رشته‌ها را خنک می‌کنند. انفجارهای متلاطم هوا نیز رشته‌ها را به طول‌های ۸ تا ۱۵ اینچ (۲۰ تا ۳۸ سانتی‌متر) می‌شکنند. این رشته‌ها از طریق اسپری روان‌کننده روی یک درام چرخان می‌افتند، جایی که یک تار نازک تشکیل می‌دهند. تار از درام کشیده شده و به یک رشته پیوسته از الیاف شل و کنار هم قرار گرفته تبدیل می‌شود. این رشته را می‌توان با همان فرآیندهایی که برای پشم و پنبه استفاده می‌شود، به نخ تبدیل کرد.

فیبر خرد شده

به جای تبدیل شدن به نخ، رشته‌های پیوسته یا بلند می‌توانند به قطعات کوتاه خرد شوند. این رشته‌ها روی مجموعه‌ای از ماسوره‌ها به نام قرقره نصب می‌شوند و از طریق دستگاهی که آن را به قطعات کوتاه خرد می‌کند، کشیده می‌شوند. الیاف خرد شده به صورت حصیرها در می‌آیند که به آنها یک چسب اضافه می‌شود. پس از پخت در فر، حصیر لوله می‌شود. وزن‌ها و ضخامت‌های مختلف، محصولاتی را برای شینگل، سقف‌های ساخته شده یا حصیرهای تزئینی تولید می‌کنند.

پشم شیشه

فرآیند چرخشی یا ریسندگی برای ساخت پشم شیشه استفاده می‌شود. در این فرآیند، شیشه مذاب از کوره به داخل یک ظرف استوانه‌ای شکل با سوراخ‌های کوچک جریان می‌یابد. با چرخش سریع ظرف، جریان‌های افقی شیشه از سوراخ‌ها خارج می‌شوند. جریان‌های شیشه مذاب توسط دمش رو به پایین هوا، گاز داغ یا هر دو به الیاف تبدیل می‌شوند. الیاف روی یک تسمه نقاله می‌افتند، جایی که در یک توده پرزدار با یکدیگر در هم می‌آمیزند. این توده را می‌توان برای عایق‌بندی استفاده کرد، یا پشم را می‌توان با یک چسب اسپری کرد، به ضخامت دلخواه فشرده کرد و در فر پخت. گرما چسب را سفت می‌کند و محصول حاصل ممکن است یک تخته سفت یا نیمه سفت یا یک تخته انعطاف‌پذیر باشد.

پوشش‌های محافظ

علاوه بر چسب‌ها، پوشش‌های دیگری نیز برای محصولات فایبرگلاس مورد نیاز است. روان‌کننده‌ها برای کاهش سایش الیاف استفاده می‌شوند و یا مستقیماً روی الیاف اسپری می‌شوند یا به چسب اضافه می‌شوند. گاهی اوقات یک ترکیب ضد الکتریسیته ساکن نیز در مرحله خنک‌سازی روی سطح تشک‌های عایق فایبرگلاس اسپری می‌شود. هوای خنک‌کننده که از طریق تشک کشیده می‌شود باعث می‌شود که عامل ضد الکتریسیته ساکن به کل ضخامت تشک نفوذ کند. عامل ضد الکتریسیته ساکن از دو ماده تشکیل شده است - ماده‌ای که تولید الکتریسیته ساکن را به حداقل می‌رساند و ماده‌ای که به عنوان مهارکننده و تثبیت‌کننده خوردگی عمل می‌کند. آهارزنی هر پوششی است که در عملیات شکل‌دهی روی الیاف نساجی اعمال می‌شود و ممکن است حاوی یک یا چند جزء (روان‌کننده‌ها، چسب‌ها یا عوامل اتصال) باشد. عوامل اتصال‌دهنده روی رشته‌هایی که برای تقویت پلاستیک‌ها استفاده می‌شوند، برای تقویت پیوند با ماده تقویت‌شده استفاده می‌شوند. گاهی اوقات برای حذف این پوشش‌ها یا اضافه کردن پوشش دیگری، یک عملیات تکمیلی لازم است. برای تقویت‌کننده‌های پلاستیکی، آهارها ممکن است با گرما یا مواد شیمیایی برداشته شوند و یک عامل اتصال‌دهنده اعمال شود. برای کاربردهای تزئینی، پارچه‌ها باید تحت عملیات حرارتی قرار گیرند تا آهارها از بین بروند و بافت آنها تنظیم شود. سپس پوشش‌های پایه رنگ قبل از رنگرزی یا چاپ اعمال می‌شوند.

شکل دادن به اشکال

محصولات فایبرگلاس در اشکال بسیار متنوعی وجود دارند که با استفاده از چندین فرآیند ساخته می‌شوند. به عنوان مثال، عایق لوله فایبرگلاس قبل از پخت، مستقیماً از واحدهای قالب‌گیری، روی قالب‌های میله‌ای شکل به نام مندرل پیچیده می‌شود. سپس قالب‌های قالب، به طول ۹۱ سانتی‌متر یا کمتر، در فر پخت می‌شوند. سپس طول‌های پخت شده از قالب جدا شده و به ابعاد مشخص اره می‌شوند. در صورت نیاز، روکش‌ها اعمال می‌شوند و محصول برای حمل و نقل بسته‌بندی می‌شود.

کنترل کیفیت

در طول تولید عایق فایبرگلاس، برای حفظ کیفیت، از مواد در چندین نقطه از فرآیند نمونه‌برداری می‌شود. این نقاط عبارتند از: مخلوطی که به دستگاه ذوب الکتریکی تغذیه می‌شود؛ شیشه مذاب از بوشینگ که به دستگاه فیبرساز تغذیه می‌شود؛ الیاف شیشه‌ای که از دستگاه فیبرساز خارج می‌شود؛ و محصول نهایی پخت شده که از انتهای خط تولید خارج می‌شود. نمونه‌های فله‌ای شیشه و الیاف با استفاده از آنالیزورهای شیمیایی پیشرفته و میکروسکوپ‌ها از نظر ترکیب شیمیایی و وجود نقص تجزیه و تحلیل می‌شوند. توزیع اندازه ذرات مواد اولیه با عبور دادن مواد از تعدادی الک با اندازه‌های مختلف به دست می‌آید. ضخامت محصول نهایی پس از بسته‌بندی طبق مشخصات اندازه‌گیری می‌شود. تغییر در ضخامت نشان می‌دهد که کیفیت شیشه پایین‌تر از حد استاندارد است.

تولیدکنندگان عایق فایبرگلاس همچنین از انواع روش‌های استاندارد آزمایش برای اندازه‌گیری، تنظیم و بهینه‌سازی مقاومت صوتی محصول، جذب صدا و عملکرد عایق صوتی استفاده می‌کنند. خواص صوتی را می‌توان با تنظیم متغیرهای تولید مانند قطر الیاف، چگالی حجمی، ضخامت و محتوای چسب کنترل کرد. از رویکرد مشابهی برای کنترل خواص حرارتی استفاده می‌شود.

آینده

صنعت فایبرگلاس در ادامه دهه 1990 و پس از آن با چالش‌های بزرگی روبرو است. تعداد تولیدکنندگان عایق فایبرگلاس به دلیل شرکت‌های تابعه آمریکایی شرکت‌های خارجی و بهبود بهره‌وری توسط تولیدکنندگان آمریکایی افزایش یافته است. این امر منجر به ظرفیت اضافی شده است که بازار فعلی و شاید آینده قادر به پذیرش آن نباشد.

علاوه بر ظرفیت مازاد، سایر مواد عایق نیز با این بازار رقابت خواهند کرد. پشم سنگ به دلیل پیشرفت‌های اخیر در فرآیندها و محصولات، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. عایق فومی جایگزین دیگری برای فایبرگلاس در دیوارهای مسکونی و سقف‌های تجاری است. یکی دیگر از مواد رقیب، سلولز است که در عایق‌بندی اتاق زیر شیروانی استفاده می‌شود.

به دلیل تقاضای کم برای عایق به دلیل بازار مسکن راکد، مصرف‌کنندگان خواستار قیمت‌های پایین‌تر هستند. این تقاضا همچنین نتیجه روند مداوم ادغام خرده‌فروشان و پیمانکاران است. در پاسخ، صنعت عایق فایبرگلاس باید به کاهش هزینه‌ها در دو حوزه اصلی ادامه دهد: انرژی و محیط زیست. باید از کوره‌های کارآمدتری استفاده شود که تنها به یک منبع انرژی متکی نباشند.

با رسیدن محل‌های دفن زباله به حداکثر ظرفیت، تولیدکنندگان فایبرگلاس باید بدون افزایش هزینه‌ها، به تولید تقریباً صفر زباله جامد دست یابند. این امر مستلزم بهبود فرآیندهای تولید برای کاهش ضایعات (همچنین برای ضایعات مایع و گاز) و استفاده مجدد از ضایعات در هر کجا که ممکن باشد، خواهد بود.

چنین ضایعاتی ممکن است قبل از استفاده مجدد به عنوان ماده اولیه، نیاز به پردازش و ذوب مجدد داشته باشند. چندین تولیدکننده در حال حاضر به این مسائل رسیدگی می‌کنند.