Come viene prodotta la fibra di vetro?

La fibra di vetro si riferisce a un gruppo di prodotti realizzati da singole fibre di vetro combinate in una varietà di forme. Le fibre di vetro possono essere suddivise in due gruppi principali in base alla loro geometria: fibre continue utilizzate in filati e tessuti, e fibre discontinue (corte) utilizzate come pannelli isolanti, coperte o pannelli per l'isolamento e la filtrazione. La fibra di vetro può essere trasformata in filati, in modo molto simile alla lana o al cotone, e intrecciata in tessuti, talvolta utilizzati per tendaggi. I tessuti in fibra di vetro sono comunemente utilizzati come materiale di rinforzo per materie plastiche stampate e laminate. La lana di vetro, un materiale spesso e soffice costituito da fibre discontinue, viene utilizzata per l'isolamento termico e l'assorbimento acustico. Si trova comunemente nelle paratie e negli scafi di navi e sottomarini; nei vani motore delle automobili e nei rivestimenti dei pannelli della carrozzeria; nelle caldaie e nelle unità di condizionamento dell'aria; nei pannelli acustici per pareti e soffitti; e nelle partizioni architettoniche. La fibra di vetro può essere personalizzata per applicazioni specifiche, come il Tipo E (elettrico), utilizzato come nastro isolante elettrico, tessuti e rinforzo; il Tipo C (chimico), che ha una resistenza superiore agli acidi, e il Tipo T, per l'isolamento termico.

Sebbene l'uso commerciale della fibra di vetro sia relativamente recente, gli artigiani crearono fili di vetro per decorare calici e vasi durante il Rinascimento. Un fisico francese, René-Antoine Ferchault de Réaumur, produsse tessuti decorati con sottili fili di vetro nel 1713, e degli inventori britannici replicarono l'impresa nel 1822. Un tessitore di seta britannico realizzò un tessuto di vetro nel 1842, e un altro inventore, Edward Libbey, espose un abito intessuto di vetro all'Esposizione Colombiana di Chicago del 1893.

La lana di vetro, una massa soffice di fibre discontinue di lunghezza casuale, fu prodotta per la prima volta in Europa all'inizio del secolo, utilizzando un processo che prevedeva la trafilatura orizzontale delle fibre da barre a un tamburo rotante. Diversi decenni dopo, fu sviluppato e brevettato un processo di filatura. Il materiale isolante in fibra di vetro fu prodotto in Germania durante la Prima Guerra Mondiale. La ricerca e lo sviluppo finalizzati alla produzione industriale di fibre di vetro progredirono negli Stati Uniti negli anni '30, sotto la direzione di due importanti aziende, la Owens-Illinois Glass Company e la Corning Glass Works. Queste aziende svilupparono una fibra di vetro fine, flessibile ed economica, trafilando il vetro fuso attraverso orifizi molto sottili. Nel 1938, queste due aziende si fusero per formare la Owens-Corning Fiberglas Corp. Oggi nota semplicemente come Owens-Corning, è diventata un'azienda da 3 miliardi di dollari all'anno ed è leader nel mercato della fibra di vetro.

Materie prime

Le materie prime di base per i prodotti in fibra di vetro sono una varietà di minerali naturali e prodotti chimici di sintesi. Gli ingredienti principali sono sabbia silicea, calcare e carbonato di sodio. Altri ingredienti possono includere allumina calcinata, borace, feldspato, sienite nefelinica, magnesite e argilla caolino, tra gli altri. La sabbia silicea viene utilizzata come agente formante il vetro, mentre la soda e il calcare contribuiscono principalmente ad abbassare la temperatura di fusione. Altri ingredienti vengono utilizzati per migliorare determinate proprietà, come il borace per la resistenza chimica. Anche il vetro di scarto, chiamato anche rottame di vetro, viene utilizzato come materia prima. Le materie prime devono essere pesate con cura in quantità esatte e accuratamente miscelate (operazione chiamata "dose") prima di essere fuse per ottenere il vetro.

La produzione
Processo

Fusione

Una volta preparato, il lotto viene immesso in un forno per la fusione. Il forno può essere riscaldato elettricamente, tramite combustibili fossili o una combinazione dei due. La temperatura deve essere controllata con precisione per mantenere un flusso di vetro regolare e costante. Il vetro fuso deve essere mantenuto a una temperatura più elevata (circa 1371 °C) rispetto ad altri tipi di vetro per poter essere trasformato in fibra. Una volta fuso, il vetro viene trasferito all'attrezzatura di formatura tramite un canale (avancrogiolo) situato all'estremità del forno.

Formando fibre

Per formare le fibre vengono utilizzati diversi processi, a seconda del tipo di fibra. Le fibre tessili possono essere formate dal vetro fuso direttamente dal forno, oppure il vetro fuso può essere prima alimentato a una macchina che forma biglie di vetro di circa 1,6 cm di diametro. Queste biglie consentono di ispezionare visivamente il vetro per individuare eventuali impurità. Sia nel processo di fusione diretta che in quello di fusione a biglie, il vetro o le biglie di vetro vengono alimentati attraverso boccole riscaldate elettricamente (chiamate anche filiere). La boccola è realizzata in platino o lega metallica, con da 200 a 3.000 fori molto sottili. Il vetro fuso passa attraverso gli orifizi e fuoriesce sotto forma di filamenti sottili.

Processo a filamento continuo

Una fibra lunga e continua può essere prodotta attraverso il processo a filamento continuo. Dopo che il vetro scorre attraverso i fori della boccola, più fili vengono raccolti in un avvolgitore ad alta velocità. L'avvolgitore ruota a circa 3 km al minuto, molto più velocemente della velocità di flusso delle boccole. La tensione estrae i filamenti mentre sono ancora fusi, formando fili con un diametro pari a una frazione del diametro delle aperture nella boccola. Viene applicato un legante chimico, che aiuta a impedire la rottura della fibra durante la successiva lavorazione. Il filamento viene quindi avvolto su tubi. Ora può essere ritorto e trasformato in filato.

Processo di fibra in fiocco

Un metodo alternativo è il processo staplefiber. Mentre il vetro fuso scorre attraverso le boccole, getti d'aria raffreddano rapidamente i filamenti. Le turbolente raffiche d'aria spezzano anche i filamenti in lunghezze di 20-38 cm. Questi filamenti cadono attraverso uno spruzzo di lubrificante su un tamburo rotante, dove formano una sottile rete. La rete viene estratta dal tamburo e tirata in un filo continuo di fibre assemblate in modo lasco. Questo filo può essere trasformato in filato con gli stessi processi utilizzati per la lana e il cotone.

Fibra tritata

Invece di essere trasformato in filato, il filo continuo o a fibra lunga può essere tagliato in pezzi più corti. Il filo viene montato su una serie di rocchetti, chiamati cantra, e tirato attraverso una macchina che lo taglia in pezzi più corti. La fibra tagliata viene formata in stuoie a cui viene aggiunto un legante. Dopo la polimerizzazione in forno, la stuoia viene arrotolata. Vari pesi e spessori consentono di ottenere prodotti per tegole, coperture edili o stuoie decorative.

Lana di vetro

Il processo rotativo o filatore viene utilizzato per produrre lana di vetro. In questo processo, il vetro fuso proveniente dal forno scorre in un contenitore cilindrico con piccoli fori. Mentre il contenitore ruota rapidamente, dai fori fuoriescono flussi orizzontali di vetro. I flussi di vetro fuso vengono convertiti in fibre da un getto d'aria, gas caldo o entrambi. Le fibre cadono su un nastro trasportatore, dove si intrecciano tra loro formando una massa soffice. Questa può essere utilizzata per l'isolamento, oppure la lana può essere spruzzata con un legante, compressa fino allo spessore desiderato e polimerizzata in un forno. Il calore fissa il legante e il prodotto risultante può essere un pannello rigido o semirigido, oppure un pannello flessibile.

Rivestimenti protettivi

Oltre ai leganti, per i prodotti in fibra di vetro sono necessari altri rivestimenti. I lubrificanti vengono utilizzati per ridurre l'abrasione delle fibre e vengono spruzzati direttamente sulla fibra o aggiunti al legante. Talvolta, una composizione antistatica viene spruzzata anche sulla superficie dei materassini isolanti in fibra di vetro durante la fase di raffreddamento. L'aria di raffreddamento aspirata attraverso il materassino fa sì che l'agente antistatico penetri in tutto lo spessore del materassino. L'agente antistatico è composto da due ingredienti: un materiale che riduce al minimo la generazione di elettricità statica e un materiale che funge da inibitore e stabilizzatore della corrosione. L'appretto è qualsiasi rivestimento applicato alle fibre tessili durante l'operazione di formatura e può contenere uno o più componenti (lubrificanti, leganti o agenti accoppianti). Gli agenti accoppianti vengono utilizzati sui fili che verranno utilizzati per rinforzare i materiali plastici, per rafforzare l'adesione al materiale rinforzato. Talvolta è necessaria un'operazione di finitura per rimuovere questi rivestimenti o per aggiungerne un altro. Per i rinforzi in plastica, l'appretto può essere rimosso con calore o sostanze chimiche e applicato un agente accoppiante. Per applicazioni decorative, i tessuti devono essere trattati termicamente per rimuovere le impiombature e fissare la trama. Prima della tintura o della stampa vengono quindi applicati rivestimenti di base coloranti.

Dare forma alle forme

I prodotti in fibra di vetro sono disponibili in un'ampia varietà di forme, realizzate utilizzando diversi processi. Ad esempio, l'isolamento dei tubi in fibra di vetro viene avvolto su forme a forma di barra, chiamate mandrini, direttamente dalle unità di formatura, prima della polimerizzazione. Gli stampi, di lunghezza pari o inferiore a 91 cm, vengono quindi polimerizzati in forno. I pezzi polimerizzati vengono quindi sformati longitudinalmente e segati nelle dimensioni specificate. Se necessario, vengono applicati i rivestimenti e il prodotto viene imballato per la spedizione.

Controllo di qualità

Durante la produzione di isolanti in fibra di vetro, il materiale viene campionato in diversi punti del processo per garantirne la qualità. Questi punti includono: il lotto misto alimentato al forno elettrico; il vetro fuso proveniente dalla boccola che alimenta il fibratore; la fibra di vetro in uscita dal fibratore; e il prodotto finale polimerizzato che fuoriesce dalla fine della linea di produzione. I campioni di vetro e fibra sfusi vengono analizzati per verificarne la composizione chimica e la presenza di difetti utilizzando sofisticati analizzatori chimici e microscopi. La distribuzione granulometrica del materiale in lotti viene ottenuta facendo passare il materiale attraverso setacci di diverse dimensioni. Dopo il confezionamento, il prodotto finale viene misurato per spessore secondo le specifiche. Una variazione di spessore indica che la qualità del vetro è inferiore allo standard.

I produttori di isolanti in fibra di vetro utilizzano anche una varietà di procedure di prova standardizzate per misurare, regolare e ottimizzare la resistenza acustica, l'assorbimento acustico e le prestazioni di barriera acustica del prodotto. Le proprietà acustiche possono essere controllate regolando variabili di produzione come il diametro della fibra, la densità apparente, lo spessore e il contenuto di legante. Un approccio simile viene utilizzato per controllare le proprietà termiche.

Il futuro

L'industria della fibra di vetro ha dovuto affrontare sfide importanti per il resto degli anni '90 e oltre. Il numero di produttori di isolanti in fibra di vetro è aumentato grazie alle filiali americane di aziende straniere e ai miglioramenti della produttività da parte dei produttori statunitensi. Ciò ha portato a un eccesso di capacità produttiva, che il mercato attuale e forse futuro non è in grado di gestire.

Oltre alla capacità in eccesso, altri materiali isolanti saranno in competizione. La lana di roccia è diventata ampiamente utilizzata grazie ai recenti miglioramenti di processo e prodotto. L'isolamento in schiuma è un'altra alternativa alla fibra di vetro nelle pareti residenziali e nei tetti commerciali. Un altro materiale concorrente è la cellulosa, utilizzata per l'isolamento dei sottotetti.

A causa della bassa domanda di isolamento dovuta a un mercato immobiliare debole, i consumatori chiedono prezzi più bassi. Questa domanda è anche il risultato della continua tendenza al consolidamento di rivenditori e appaltatori. In risposta, l'industria dell'isolamento in fibra di vetro dovrà continuare a ridurre i costi in due aree principali: energia e ambiente. Sarà necessario utilizzare caldaie più efficienti che non facciano affidamento su un'unica fonte di energia.

Con le discariche che raggiungono la massima capacità, i produttori di fibra di vetro dovranno raggiungere una produzione di rifiuti solidi pressoché nulla senza aumentare i costi. Ciò richiederà il miglioramento dei processi produttivi per ridurre gli sprechi (anche liquidi e gassosi) e riutilizzarli ove possibile.

Tali rifiuti potrebbero richiedere un nuovo trattamento e una nuova fusione prima di essere riutilizzati come materia prima. Diversi produttori stanno già affrontando queste problematiche.