Come viene prodotta la fibra di vetro?

La fibra di vetro si riferisce a un gruppo di prodotti realizzati con singole fibre di vetro combinate in diverse 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, coperte o lastre per isolamento e filtrazione. La fibra di vetro può essere trasformata in filato, in modo simile alla lana o al cotone, e tessuta in tessuto, talvolta utilizzato per tende. I tessuti in fibra di vetro sono comunemente usati come materiale di rinforzo per materie plastiche stampate e laminate. La lana di vetro, un materiale spesso e soffice costituito da fibre discontinue, è utilizzata per l'isolamento termico e l'assorbimento acustico. Si trova comunemente nelle paratie e negli scafi di navi e sottomarini; nei vani motore e nei rivestimenti dei pannelli della carrozzeria delle automobili; nelle caldaie e nei condizionatori d'aria; nei pannelli acustici per pareti e soffitti; e nelle pareti divisorie architettoniche. La fibra di vetro può essere adattata ad applicazioni specifiche, come il Tipo E (elettrico), utilizzato come nastro isolante elettrico, tessuti e rinforzi; 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, già durante il Rinascimento gli artigiani creavano fili di vetro per decorare calici e vasi. Il fisico francese René-Antoine Ferchault de Réaumur realizzò tessuti decorati con sottili fili di vetro nel 1713, e inventori britannici replicarono l'impresa nel 1822. Un tessitore di seta britannico creò un tessuto di vetro nel 1842, e un altro inventore, Edward Libbey, espose un abito tessuto 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 l'estrazione delle fibre da aste orizzontalmente verso un tamburo rotante. Alcuni decenni dopo, venne 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 estrudendo vetro fuso attraverso orifizi molto sottili. Nel 1938, le due aziende si fusero per formare la Owens-Corning Fiberglas Corp. Oggi semplicemente nota 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 sostanze chimiche prodotte industrialmente. Gli ingredienti principali sono sabbia silicea, calcare e carbonato di sodio. Altri ingredienti possono includere allumina calcinata, borace, feldspato, sienite nefelinica, magnesite e caolino, tra gli altri. La sabbia silicea viene utilizzata come agente vetrificante, mentre il carbonato di sodio 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, detto anche rottame di vetro, viene utilizzato come materia prima. Le materie prime devono essere pesate con precisione in quantità esatte e mescolate accuratamente (processo chiamato impasto) prima di essere fuse per ottenere il vetro.

La produzione
Processo

Fusione

Una volta preparato il lotto, questo viene introdotto in un forno per la fusione. Il forno può essere riscaldato elettricamente, con combustibili fossili o con una combinazione di entrambi. La temperatura deve essere controllata con precisione per mantenere un flusso di vetro uniforme 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'apparecchiatura di formatura attraverso un canale (focolare anteriore) situato all'estremità del forno.

Formazione in fibre

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

Processo a filamento continuo

Attraverso il processo a filamento continuo è possibile produrre una fibra lunga e continua. Dopo che il vetro fluisce attraverso i fori della boccola, più filamenti vengono avvolti da un avvolgitore ad alta velocità. L'avvolgitore ruota a circa 3 km al minuto, molto più velocemente della velocità di flusso dalle boccole. La tensione estrae i filamenti mentre sono ancora fusi, formando fili di un diametro pari a una frazione di quello delle aperture della boccola. Viene applicato un legante chimico che impedisce alla fibra di rompersi durante le successive fasi di lavorazione. Il filamento viene quindi avvolto su tubi. A questo punto può essere ritorto e ritorto per formare il filato.

Processo a fibra discontinua

Un metodo alternativo è il processo a fibra discontinua. 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 segmenti di 20-38 cm. Questi filamenti cadono attraverso uno spruzzo di lubrificante su un tamburo rotante, dove formano un sottile nastro. Il nastro viene estratto dal tamburo e tirato 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

Anziché essere trasformata in filato, la fibra continua o a fibra lunga può essere tagliata in segmenti più corti. Il segmento viene avvolto su una serie di bobine, chiamate creste, e fatto passare attraverso una macchina che lo taglia in pezzi più piccoli. La fibra tagliata viene poi formata in stuoie a cui viene aggiunto un legante. Dopo la stagionatura in forno, la stuoia viene arrotolata. I vari pesi e spessori consentono di ottenere prodotti adatti per tegole, coperture multistrato o stuoie decorative.

lana di vetro

Il processo rotativo o a filatura viene utilizzato per produrre lana di vetro. In questo processo, il vetro fuso proveniente dal forno fluisce in un contenitore cilindrico dotato di piccoli fori. Mentre il contenitore ruota rapidamente, flussi orizzontali di vetro fuoriescono dai fori. I flussi di vetro fuso vengono trasformati in fibre mediante un getto d'aria, gas caldo o entrambi, diretti verso il basso. Le fibre cadono su un nastro trasportatore, dove si intrecciano tra loro formando una massa lanuginosa. Questa può essere utilizzata come isolante, oppure la lana può essere spruzzata con un legante, compressa 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 feltro 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 sulle fibre o aggiunti al legante. Talvolta, durante la fase di raffreddamento, viene spruzzata anche una composizione antistatica sulla superficie dei tappeti isolanti in fibra di vetro. L'aria di raffreddamento aspirata attraverso il tappeto fa sì che l'agente antistatico penetri in tutto il suo spessore. L'agente antistatico è costituito da due ingredienti: un materiale che minimizza la generazione di elettricità statica e un materiale che funge da inibitore di corrosione e stabilizzante. 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 saranno impiegati per rinforzare le materie plastiche, per rafforzare il legame con il materiale di rinforzo. Talvolta è necessaria un'operazione di finitura per rimuovere questi rivestimenti o per applicarne un altro. Per i rinforzi in plastica, gli appretti possono essere rimossi con il calore o con sostanze chimiche e può essere applicato un agente accoppiante. Per le applicazioni decorative, i tessuti devono essere trattati termicamente per rimuovere gli appretti e fissare la trama. Successivamente, prima della tintura o della stampa, vengono applicati i rivestimenti di base per la tintura.

Formare forme

I prodotti in fibra di vetro sono disponibili in un'ampia varietà di forme e vengono realizzati utilizzando diversi processi. Ad esempio, l'isolamento per tubi in fibra di vetro viene avvolto su forme a forma di asta chiamate mandrini direttamente dalle unità di formatura, prima della polimerizzazione. Le forme, in lunghezze di 91 cm (3 piedi) o inferiori, vengono quindi polimerizzate in un forno. I pezzi polimerizzati vengono poi sformati longitudinalmente e tagliati nelle dimensioni specificate. Se necessario, vengono applicati i rivestimenti e il prodotto viene imballato per la spedizione.

Controllo 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: la miscela di fibre prima dell'alimentazione al forno elettrico; il vetro fuso proveniente dalla boccola che alimenta il fibrorinforzatore; la fibra di vetro in uscita dal fibrorinforzatore; e il prodotto finale polimerizzato in uscita dalla linea di produzione. I campioni di vetro e fibra vengono analizzati per la composizione chimica e la presenza di difetti utilizzando sofisticati analizzatori chimici e microscopi. La distribuzione granulometrica del materiale viene ottenuta facendo passare il materiale attraverso setacci di diverse dimensioni. Lo spessore del prodotto finale, dopo l'imballaggio, viene misurato secondo le specifiche. Una variazione di spessore indica che la qualità del vetro è inferiore agli 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 si trova ad affrontare importanti sfide per il resto degli anni '90 e oltre. Il numero di produttori di isolanti in fibra di vetro è aumentato a causa delle filiali americane di aziende straniere e dei miglioramenti della produttività da parte dei produttori statunitensi. Ciò ha comportato un eccesso di capacità produttiva, che il mercato attuale e forse anche quello futuro non saranno in grado di assorbire.

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

A causa della bassa domanda di isolanti dovuta a un mercato immobiliare in difficoltà, i consumatori chiedono prezzi più bassi. Questa domanda è anche il risultato della continua tendenza al consolidamento tra rivenditori e installatori. Di conseguenza, l'industria degli isolanti 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 dipendano da un'unica fonte di energia.

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

Tali rifiuti potrebbero richiedere processi di rilavorazione e rifusione prima di poter essere riutilizzati come materia prima. Diversi produttori si stanno già occupando di queste problematiche.