כיצד מייצרים פיברגלס?

פיברגלס מתייחס לקבוצת מוצרים העשויים מסיבי זכוכית בודדים המשולבים במגוון צורות. ניתן לחלק את סיבי הזכוכית לשתי קבוצות עיקריות לפי הגיאומטריה שלהם: סיבים רציפים המשמשים בחוטים ובטקסטיל, וסיבים קצרים (לא רציפים) המשמשים כמחבטים, שמיכות או לוחות לבידוד וסינון. ניתן לעצב פיברגלס לחוט בדומה לצמר או כותנה, ולארוג אותו לבד המשמש לעיתים לוילונות. טקסטיל פיברגלס משמש בדרך כלל כחומר חיזוק לפלסטיק יצוק ולמינציה. צמר פיברגלס, חומר עבה ואוורירי העשוי מסיבים לא רציפים, משמש לבידוד תרמי ולספיגת קול. הוא נמצא בדרך כלל במחיצות ובגופי ספינות וצוללות; תאי מנוע של מכוניות וציפויי פאנלים של גוף; בתנורים וביחידות מיזוג אוויר; פאנלים אקוסטיים לקירות ותקרה; ומחיצות אדריכליות. ניתן להתאים פיברגלס ליישומים ספציפיים כגון סוג E (חשמלי), המשמש כסרט בידוד חשמלי, טקסטיל וחיזוק; סוג C (כימי), בעל עמידות מעולה לחומצה, וסוג T, לבידוד תרמי.

למרות שהשימוש המסחרי בסיבי זכוכית הוא יחסית חדש, אומנים יצרו גדילי זכוכית לקישוט גביעים ואגרטלים במהלך הרנסנס. פיזיקאי צרפתי, רנה-אנטואן פרשו דה רומור, ייצר טקסטיל מעוטר בגדילי זכוכית עדינים בשנת 1713, וממציאים בריטים חזרו על ההישג בשנת 1822. אורג משי בריטי ייצר בד זכוכית בשנת 1842, וממציא אחר, אדוארד ליבי, הציג שמלה ארוגה מזכוכית בתערוכה הקולומביאנית של שיקגו בשנת 1893.

צמר זכוכית, מסה רכה של סיבים לא רציפים באורכים אקראיים, יוצר לראשונה באירופה בתחילת המאה, באמצעות תהליך שכלל משיכת סיבים ממוטות אופקית לתוף מסתובב. מספר עשורים לאחר מכן, פותח תהליך טוויה ורשם פטנט. חומר בידוד מסיבי זכוכית יוצר בגרמניה במהלך מלחמת העולם הראשונה. מחקר ופיתוח שמטרתם ייצור תעשייתי של סיבי זכוכית התקדמו בארצות הברית בשנות ה-30, בניהול שתי חברות גדולות, חברת הזכוכית אוונס-אילינוי ועבודות הזכוכית קורנינג. חברות אלו פיתחו סיב זכוכית עדין, גמיש ובעל עלות נמוכה על ידי משיכת זכוכית מותכת דרך פתחים דקים מאוד. בשנת 1938, שתי חברות אלו התמזגו ויצרו את Owens-Corning Fiberglas Corp. כיום, הידועה בפשטות בשם Owens-Corning, היא הפכה לחברה שמגלגלת 3 מיליארד דולר בשנה, והיא מובילה בשוק הפיברגלס.

חומרי גלם

חומרי הגלם הבסיסיים למוצרי פיברגלס הם מגוון מינרלים טבעיים וכימיקלים מיוצרים. המרכיבים העיקריים הם חול סיליקה, אבן גיר ואפר סודה. מרכיבים אחרים עשויים לכלול אלומינה שרופה, בורקס, פלדספר, נפלין סיניט, מגנזיט וחימר קאולין, בין היתר. חול סיליקה משמש כמייצב זכוכית, וסודה ואפר גיר מסייעים בעיקר בהורדת טמפרטורת ההיתוך. מרכיבים אחרים משמשים לשיפור תכונות מסוימות, כגון בורקס לעמידות כימית. פסולת זכוכית, המכונה גם קאלט, משמשת גם כחומר גלם. יש לשקול בקפידה את חומרי הגלם בכמויות מדויקות ולערבב אותם היטב יחד (הנקראת אצווה) לפני ההיתוך לזכוכית.

הייצור
תַהֲלִיך

הַתָכָה

לאחר הכנת האצווה, היא מוזנת לתנור להתכה. ניתן לחמם את התנור באמצעות חשמל, דלק מאובנים או שילוב של השניים. יש לשלוט בטמפרטורה במדויק כדי לשמור על זרימה חלקה ויציבה של זכוכית. יש לשמור על הזכוכית המותכת בטמפרטורה גבוהה יותר (כ-1371 מעלות צלזיוס) מאשר סוגי זכוכית אחרים על מנת שתעוצב לסיב. לאחר שהזכוכית מותכת, היא מועברת לציוד העיצוב דרך תעלה (אש קדמית) הממוקמת בקצה התנור.

יצירת סיבים

מספר תהליכים שונים משמשים ליצירת סיבים, בהתאם לסוג הסיב. סיבי טקסטיל עשויים להיווצר מזכוכית מותכת ישירות מהתנור, או שהזכוכית המותכת עשויה להיות מוזנת תחילה למכונה היוצרת גולות זכוכית בקוטר של כ-1.6 ס"מ (0.62 אינץ'). גולות אלו מאפשרות בדיקה ויזואלית של הזכוכית לאיתור זיהומים. הן בתהליך ההיתוך הישיר והן בתהליך ההיתוך של שיש, הזכוכית או גולות הזכוכית מוזנות דרך תותבים מחוממים חשמלית (הנקראים גם ספינרים). התותב עשוי פלטינה או סגסוגת מתכת, עם בין 200 ל-3,000 פתחים דקים מאוד. הזכוכית המותכת עוברת דרך הפתחים ויוצאת כסיבים דקים.

תהליך נימה רציפה

ניתן לייצר סיב ארוך ורציף באמצעות תהליך הפילמנט הרציף. לאחר שהזכוכית זורמת דרך החורים בתותב, מספר גדילים נתפסים על גבי מכבש במהירות גבוהה. המכונה מסתובבת במהירות של כ-3 ק"מ בדקה, הרבה יותר מהיר מקצב הזרימה מהתותבים. המתח מושך את הסיבים החוצה בעודם מותכים, ויוצרים גדילים בקוטר קטן יחסית מקוטר הפתחים בתותב. חומר מקשר כימי מוחל, המסייע במניעת קריעת הסיבים במהלך עיבוד מאוחר יותר. לאחר מכן, הסיביים נלפפים על צינורות. כעת ניתן לסובב אותם ולשזור אותם לחוט.

תהליך סיבים סיכות

שיטה חלופית היא תהליך הסיבים הראשוניים. כאשר הזכוכית המותכת זורמת דרך התותבים, סילוני אוויר מקררים במהירות את הסיבים. פרצי האוויר הסוערים גם שוברים את הסיבים לאורכים של 20-38 ס"מ (8-15 אינץ'). הסיבים הללו נופלים דרך התזה של חומר סיכה על תוף מסתובב, שם הם יוצרים רשת דקה. הרשת נמשכת מהתוף ונמשכת לגדיל רציף של סיבים מורכבים באופן רופף. ניתן לעבד גדיל זה לחוט באותם תהליכים המשמשים לצמר ולכותנה.

סיבים קצוצים

במקום ליצור חוט, ניתן לקצוץ את הגדיל הרציף או הארוך-סיכות לאורכים קצרים. הגדיל מורכב על סט של סלילים, הנקראים סליל, ונמשך דרך מכונה הקוצצת אותו לחתיכות קצרות. הסיבים הקצוצים נוצרים למזרנים שאליהם מוסיפים חומר מקשר. לאחר הייבוש בתנור, המזרן מגולגל. משקלים ועוביים שונים נותנים מוצרים לרעפים, גגות בנויים או מזרנים דקורטיביים.

צמר זכוכית

תהליך הסיבוב או תהליך הספינר משמש לייצור צמר זכוכית. בתהליך זה, זכוכית מותכת מהתנור זורמת לתוך מיכל גלילי בעל חורים קטנים. כאשר המיכל מסתובב במהירות, זרמים אופקיים של זכוכית זורמים החוצה מהחורים. זרמי הזכוכית המותכת הופכים לסיבים על ידי משב אוויר, גז חם או שניהם כלפי מטה. הסיבים נופלים על מסוע, שם הם משתלבים זה בזה במסה צמרירית. ניתן להשתמש בזה לבידוד, או שניתן לרסס את הצמר בחומר מקשר, לדחוס אותו לעובי הרצוי וליבש אותו בתנור. החום מקבע את החומר המקשר, והמוצר המתקבל יכול להיות לוח קשיח או חצי קשיח, או בט גמיש.

ציפויי הגנה

בנוסף לחומרי קשירה, נדרשים ציפויים נוספים למוצרי פיברגלס. חומרי סיכה משמשים להפחתת שחיקה של הסיבים והם מרוססים ישירות על הסיבים או מוסיפים לחומר הקשירה. לעיתים מרססים גם חומר אנטי-סטטי על פני השטח של מחצלות בידוד פיברגלס במהלך שלב הקירור. אוויר קירור הנמשך דרך המחצלת גורם לחומר האנטי-סטטי לחדור לכל עובי המחצלת. החומר האנטי-סטטי מורכב משני מרכיבים - חומר הממזער את יצירת החשמל הסטטי, וחומר המשמש כמעכב קורוזיה ומייצב. ציפוי הוא כל ציפוי המוחל על סיבי טקסטיל בפעולת העיצוב, ויכול להכיל רכיב אחד או יותר (חומרי סיכה, חומרי קשירה או חומרי צימוד). חומרי צימוד משמשים על גדילים שישמשו לחיזוק פלסטיק, לחיזוק הקשר לחומר המחוזק. לעיתים נדרשת פעולת גימור כדי להסיר ציפויים אלה, או להוסיף ציפוי נוסף. עבור חיזוקי פלסטיק, ניתן להסיר ציפויים באמצעות חום או כימיקלים וליישם חומר צימוד. עבור יישומים דקורטיביים, יש לטפל בחום בבדים כדי להסיר ציפויים ולקבע את האריגה. לאחר מכן מורחים ציפויי בסיס צבע לפני צביעה או הדפסה.

עיצוב לצורות

מוצרי פיברגלס מגיעים במגוון רחב של צורות, המיוצרים באמצעות מספר תהליכים. לדוגמה, בידוד צינורות פיברגלס מלופף על גבי צורות דמויות מוט הנקראות מנדרים ישירות מיחידות העיצוב, לפני הייבוש. צורות התבנית, באורכים של 91 ס"מ או פחות, עוברות ייבוש לאחר מכן בתנור. לאחר מכן, האורות המיובשים פורקים לאורכם ומנוסרים למידות שצוינו. חיפויים מוחלים במידת הצורך, והמוצר נארז למשלוח.

בקרת איכות

במהלך ייצור בידוד פיברגלס, החומר נדגם במספר מוקדים בתהליך כדי לשמור על האיכות. מיקומים אלה כוללים: האצווה המעורבת המוזנת למותך החשמלי; זכוכית מותכת מהתותב המזין את המייצר; סיבי זכוכית היוצאים ממכונת המייצר; והמוצר הסופי המיושן היוצא מקצה קו הייצור. דגימות הזכוכית והסיבים בתפזורת מנותחות לצורך בדיקת הרכב כימי ונוכחות פגמים באמצעות אנליזטורים כימיים ומיקרוסקופים מתוחכמים. פיזור גודל החלקיקים של חומר האצווה מתקבל על ידי העברת החומר דרך מספר מסננות בגדלים שונים. עובי המוצר הסופי נמדד לאחר האריזה בהתאם למפרטים. שינוי בעובי מעיד על כך שאיכות הזכוכית נמוכה מהתקן.

יצרני בידוד פיברגלס משתמשים גם במגוון הליכי בדיקה סטנדרטיים כדי למדוד, להתאים ולמטב את ההתנגדות האקוסטית, ספיגת הקול וביצועי מחסום הקול של המוצר. ניתן לשלוט בתכונות האקוסטיות על ידי התאמת משתני ייצור כגון קוטר הסיבים, צפיפות הנפח, עובי ותכולת חומר מקשר. גישה דומה משמשת לשליטה בתכונות תרמיות.

העתיד

תעשיית הפיברגלס ניצבת בפני כמה אתגרים משמעותיים בשאר שנות ה-90 ואילך. מספר יצרני בידוד הפיברגלס גדל עקב חברות בנות אמריקאיות של חברות זרות ושיפורים בפריון מצד יצרנים אמריקאים. כתוצאה מכך, נוצר עודף כושר ייצור, שהשוק הנוכחי ואולי גם העתידי אינו יכול להכיל.

בנוסף לעודף כושר ייצור, חומרי בידוד אחרים יתחרו. צמר סלעים הפך לשימוש נרחב עקב שיפורים אחרונים בתהליכים ובמוצרים. בידוד קצף הוא אלטרנטיבה נוספת לפיברגלס בקירות מגורים וגגות מסחריים. חומר מתחרה נוסף הוא תאית, המשמשת בבידוד עליות גג.

בגלל הביקוש הנמוך לבידוד עקב שוק דיור חלש, הצרכנים דורשים מחירים נמוכים יותר. ביקוש זה נובע גם מהמגמה המתמשכת של קונסולידציה של קמעונאים וקבלנים. בתגובה, תעשיית בידוד הפיברגלס תצטרך להמשיך לקצץ בעלויות בשני תחומים עיקריים: אנרגיה וסביבה. יהיה צורך להשתמש בתנורים יעילים יותר שאינם מסתמכים על מקור אנרגיה אחד בלבד.

עם אתרי פסולת שמגיעים לקיבולת מקסימלית, יצרני פיברגלס יצטרכו להשיג כמעט אפס תפוקה של פסולת מוצקה מבלי להגדיל את העלויות. זה ידרוש שיפור בתהליכי הייצור כדי להפחית פסולת (גם עבור פסולת נוזלית וגזית) ושימוש חוזר בפסולת במידת האפשר.

פסולת כזו עשויה לדרוש עיבוד מחדש והתכה מחדש לפני שימוש חוזר כחומר גלם. מספר יצרנים כבר מטפלים בבעיות אלו.