Kā tiek izgatavota stiklšķiedra?

Stikla šķiedra ir izstrādājumu grupa, kas izgatavota no atsevišķām stikla šķiedrām, kas apvienotas dažādās formās. Stikla šķiedras var iedalīt divās galvenajās grupās pēc to ģeometrijas: nepārtrauktas šķiedras, ko izmanto dzijās un tekstilizstrādājumos, un pārtrauktas (īsas) šķiedras, ko izmanto kā paklājus, segas vai plāksnes izolācijai un filtrēšanai. Stikla šķiedru var veidot dzijā līdzīgi kā vilnu vai kokvilnu un ieaust audumā, ko dažreiz izmanto drapērijām. Stikla šķiedras tekstilizstrādājumus parasti izmanto kā armatūras materiālu formētām un laminētām plastmasām. Stikla šķiedras vate, biezs, pūkains materiāls, kas izgatavots no pārtrauktām šķiedrām, tiek izmantota siltumizolācijai un skaņas absorbcijai. Tā parasti atrodama kuģu un zemūdeņu starpsienās un korpusos; automašīnu dzinēju nodalījumos un virsbūves paneļu apšuvumā; krāsnīs un gaisa kondicionēšanas iekārtās; akustiskajos sienu un griestu paneļos; un arhitektūras starpsienās. Stikla šķiedru var pielāgot konkrētiem pielietojumiem, piemēram, E tipa (elektriskā) šķiedrai, ko izmanto kā elektriskās izolācijas lenti, tekstilizstrādājumos un armatūrā; C tipa (ķīmiskā) šķiedrai, kam ir augstāka izturība pret skābēm, un T tipa šķiedrai siltumizolācijai.

Lai gan stikla šķiedras komerciāla izmantošana ir samērā nesena, renesanses laikā amatnieki radīja stikla šķiedras kausu un vāžu dekorēšanai. Franču fiziķis Renē Antuāns Feršo de Reomīrs 1713. gadā izgatavoja tekstilizstrādājumus, kas dekorēti ar smalkām stikla šķiedrām, un britu izgudrotāji šo varoņdarbu atkārtoja 1822. gadā. Britu zīda audējs 1842. gadā izgatavoja stikla audumu, un cits izgudrotājs Edvards Libijs 1893. gada Kolumbijas izstādē Čikāgā izstādīja no stikla austu kleitu.

Stikla vate, pūkaina pārtrauktu šķiedru masa nejaušos garumos, pirmo reizi tika ražota Eiropā gadsimtu mijā, izmantojot procesu, kas ietvēra šķiedru horizontālu vilkšanu no stieņiem uz rotējošu cilindru. Pēc vairākām desmitgadēm tika izstrādāts un patentēts vērpšanas process. Stikla šķiedras izolācijas materiāls tika ražots Vācijā Pirmā pasaules kara laikā. Pētniecība un attīstība, kuras mērķis bija stikla šķiedru rūpnieciskā ražošana, Amerikas Savienotajās Valstīs virzījās uz priekšu 20. gs. trīsdesmitajos gados divu lielu uzņēmumu — Owens-Illinois Glass Company un Corning Glass Works — vadībā. Šie uzņēmumi izstrādāja smalku, elastīgu un lētu stikla šķiedru, izvelkot izkausētu stiklu caur ļoti smalkām atverēm. 1938. gadā šie divi uzņēmumi apvienojās, izveidojot Owens-Corning Fiberglas Corp. Tagad pazīstams vienkārši kā Owens-Corning, tas ir kļuvis par 3 miljardu dolāru gadā apgrozāmu uzņēmumu un ir līderis stikla šķiedras tirgū.

Izejvielas

Stikla šķiedras izstrādājumu pamatizejvielas ir dažādi dabiskie minerāli un rūpnieciski ražotas ķīmiskas vielas. Galvenās sastāvdaļas ir silīcija smiltis, kaļķakmens un soda. Citas sastāvdaļas var būt kalcinēts alumīnija oksīds, boraks, laukšpats, nefelīna sienīts, magnezīts un kaolīna māls, kā arī citas. Silīcija smiltis tiek izmantotas kā stikla veidotājs, un soda un kaļķakmens galvenokārt palīdz pazemināt kušanas temperatūru. Citas sastāvdaļas tiek izmantotas, lai uzlabotu noteiktas īpašības, piemēram, boraks ķīmiskajai izturībai. Kā izejviela tiek izmantots arī stikla atkritumi, ko sauc arī par stikla lauskām. Izejvielas ir rūpīgi jānosver precīzos daudzumos un rūpīgi jāsajauc kopā (to sauc par partiju veidošanu), pirms tās tiek kausētas stiklā.

Ražošana
Process

Kušana

Kad masa ir sagatavota, to padod krāsnī kausēšanai. Krāsni var sildīt ar elektrību, fosilo kurināmo vai abu veidu kombināciju. Temperatūra ir precīzi jākontrolē, lai uzturētu vienmērīgu un stabilu stikla plūsmu. Lai izkausētais stikls veidotos šķiedrā, tas jāuztur augstākā temperatūrā (aptuveni 1371 °C) nekā citi stikla veidi. Kad stikls ir izkusis, tas tiek pārvietots uz formēšanas iekārtu pa kanālu (priekšējo kamīnu), kas atrodas krāsns galā.

Veidošanās šķiedrās

Šķiedru veidošanai tiek izmantoti vairāki dažādi procesi atkarībā no šķiedras veida. Tekstilšķiedras var veidot no izkausēta stikla tieši no krāsns, vai arī izkausēto stiklu vispirms var padot mašīnai, kas veido stikla bumbiņas ar diametru aptuveni 0,62 collas (1,6 cm). Šīs bumbiņas ļauj vizuāli pārbaudīt stiklu, vai tajā nav piemaisījumu. Gan tiešās kausēšanas, gan marmora kausēšanas procesā stikls vai stikla bumbiņas tiek padotas caur elektriski apsildāmām buksēm (sauktām arī par spinneretēm). Bukse ir izgatavota no platīna vai metāla sakausējuma, ar 200 līdz 3000 ļoti smalkām atverēm. Izkausētais stikls iziet cauri atverēm un iznāk kā smalkas šķiedras.

Nepārtrauktas šķiedras process

Garu, nepārtrauktu šķiedru var iegūt, izmantojot nepārtrauktas kvēldiega procesu. Pēc tam, kad stikls ir izplūdis cauri caurumiem buksē, vairākas šķiedras tiek uztvertas ātrgaitas uztinējā. Uztinējs griežas ar ātrumu aptuveni 3 km minūtē, kas ir daudz ātrāk nekā plūsmas ātrums no buksēm. Spriegojums izvelk kvēldiegus, kamēr tie vēl ir izkusuši, veidojot šķiedras, kuru diametrs ir daļa no bukses atveru diametra. Tiek uzklāta ķīmiska saistviela, kas palīdz novērst šķiedras plīšanu vēlākas apstrādes laikā. Pēc tam kvēldiegu uztina uz caurulītēm. Tagad to var savīt un satīt dzijā.

Štāpeļšķiedru process

Alternatīva metode ir štāpeļšķiedru process. Kad izkausētais stikls plūst caur buksēm, gaisa strūklas ātri atdzesē pavedienus. Turbulentās gaisa plūsmas arī salauž pavedienus 8–15 collu (20–38 cm) garumā. Šie pavedieni krīt caur smērvielas aerosolu uz rotējoša cilindra, kur tie veido plānu tīklu. Tīkls tiek izvilkts no cilindra un savilkts nepārtrauktā, vaļīgi saliktu šķiedru pavedienā. Šo pavedienu var pārstrādāt dzijā, izmantojot tos pašus procesus, ko izmanto vilnas un kokvilnas pārstrādei.

Sasmalcināta šķiedra

Tā vietā, lai veidotu dziju, nepārtraukto vai garo šķiedru pavedienu var sagriezt īsos gabaliņos. Pavedienu uzstiprina uz spolēm, ko sauc par grozu, un izvelk caur mašīnu, kas to sagriež īsos gabaliņos. No sagrieztās šķiedras veido paklājus, kuriem pievieno saistvielu. Pēc sacietēšanas krāsnī paklājs tiek sarullēts. Dažāds svars un biezums nodrošina produktus šindeļiem, jumta segumiem vai dekoratīviem paklājiņiem.

Stikla vate

Stikla vates ražošanai izmanto rotācijas jeb vērpšanas procesu. Šajā procesā izkausēts stikls no krāsns ieplūst cilindriskā traukā ar maziem caurumiem. Tvertnei strauji griežoties, no caurumiem izplūst horizontālas stikla strūklas. Izkausētā stikla strūklas ar lejupvērstu gaisa, karstas gāzes vai abu spēku pārvērš šķiedrās. Šķiedras krīt uz konveijera lentes, kur tās savijas viena ar otru pūkainā masā. To var izmantot izolācijai, vai arī vati var apsmidzināt ar saistvielu, saspiest vēlamajā biezumā un sacietēt cepeškrāsnī. Karstuma ietekmē saistviela sacietē, un iegūtais produkts var būt stingra vai daļēji stingra plāksne vai elastīga vate.

Aizsargpārklājumi

Papildus saistvielām stikla šķiedras izstrādājumiem ir nepieciešami arī citi pārklājumi. Lai samazinātu šķiedru nodilumu, tiek izmantotas smērvielas, kuras vai nu izsmidzina tieši uz šķiedras, vai pievieno saistvielai. Dzesēšanas posmā uz stikla šķiedras izolācijas paklāju virsmas dažreiz izsmidzina arī antistatisku sastāvu. Caur paklāju iesūktais dzesēšanas gaiss liek antistatiskajam līdzeklim iekļūt visā paklāja biezumā. Antistatiskais līdzeklis sastāv no divām sastāvdaļām — materiāla, kas samazina statiskās elektrības veidošanos, un materiāla, kas kalpo kā korozijas inhibitors un stabilizators. Apdruka ir jebkurš pārklājums, kas tiek uzklāts uz tekstilšķiedrām formēšanas procesā, un tas var saturēt vienu vai vairākas sastāvdaļas (smērvielas, saistvielas vai savienojošās vielas). Saistošās vielas tiek izmantotas uz šķiedrām, kuras tiks izmantotas plastmasas stiegrošanai, lai stiprinātu saiti ar stiegroto materiālu. Dažreiz ir nepieciešama apdares operācija, lai noņemtu šos pārklājumus vai pievienotu citu pārklājumu. Plastmasas stiegrojumam apdruku var noņemt ar karstumu vai ķīmiskām vielām un uzklāt savienojošo vielu. Dekoratīviem pielietojumiem audumi ir termiski jāapstrādā, lai noņemtu apdruku un nostiprinātu pinumu. Pēc tam pirms krāsošanas vai apdrukas tiek uzklāti krāsvielu bāzes pārklājumi.

Veidošana formās

Stikla šķiedras izstrādājumi ir pieejami ļoti dažādās formās, un to izgatavošanai tiek izmantoti vairāki procesi. Piemēram, stikla šķiedras cauruļu izolācija pirms sacietēšanas tiek uztīta uz stieņiem līdzīgām formām, ko sauc par stieņiem, tieši no formēšanas iekārtām. Veidnes, kuru garums ir 3 pēdas (91 cm) vai mazāk, pēc tam tiek sacietētas krāsnī. Sacietējušie garumi pēc tam tiek gareniski izgriezti no formas un sazāģēti noteiktajos izmēros. Ja nepieciešams, tiek uzklātas apdares, un produkts tiek iepakots nosūtīšanai.

Kvalitātes kontrole

Stikla šķiedras izolācijas ražošanas laikā materiāla paraugi tiek ņemti vairākās procesa vietās, lai uzturētu kvalitāti. Šīs vietas ietver: jaukto partiju, kas tiek padota elektriskajai kausēšanas iekārtai; izkausēto stiklu no bukses, kas piegādā šķiedru pārveidotāju; stikla šķiedru, kas iziet no šķiedru pārveidotāja iekārtas; un galīgo sacietējušo produktu, kas iziet no ražošanas līnijas gala. Stikla un šķiedras paraugu ķīmiskais sastāvs un defektu klātbūtne tiek analizēta, izmantojot sarežģītus ķīmiskos analizatorus un mikroskopus. Parauga daļiņu izmēra sadalījums tiek iegūts, izlaižot materiālu caur vairākiem dažāda izmēra sietiem. Galaprodukta biezums tiek mērīts pēc iepakošanas saskaņā ar specifikācijām. Biezuma izmaiņas norāda, ka stikla kvalitāte ir zemāka par standartu.

Stikla šķiedras izolācijas ražotāji izmanto arī dažādas standartizētas testēšanas procedūras, lai mērītu, pielāgotu un optimizētu produkta akustisko pretestību, skaņas absorbciju un skaņas barjeras veiktspēju. Akustiskās īpašības var kontrolēt, pielāgojot tādus ražošanas mainīgos kā šķiedras diametrs, tilpuma blīvums, biezums un saistvielas saturs. Līdzīga pieeja tiek izmantota arī termisko īpašību kontrolei.

Nākotne

Stikla šķiedras rūpniecība 20. gs. deviņdesmito gadu atlikušajā daļā un turpmāk saskaras ar dažiem nopietniem izaicinājumiem. Stikla šķiedras izolācijas ražotāju skaits ir pieaudzis, pateicoties ārvalstu uzņēmumu meitasuzņēmumiem Amerikā un ASV ražotāju produktivitātes uzlabojumiem. Tas ir radījis jaudas pārpalikumu, ko pašreizējais un, iespējams, arī nākotnes tirgus nevar uzņemt.

Papildus jaudas pārpalikumam konkurēs arī citi izolācijas materiāli. Akmens vate ir kļuvusi plaši izmantota, pateicoties nesenajiem procesu un produktu uzlabojumiem. Putu izolācija ir vēl viena alternatīva stikla šķiedrai dzīvojamo ēku sienās un komerciālo ēku jumtos. Vēl viens konkurējošs materiāls ir celuloze, ko izmanto bēniņu izolācijā.

Tā kā mājokļu tirgus ir vājš, pieprasījums pēc izolācijas materiāliem ir zems, tāpēc patērētāji pieprasa zemākas cenas. Šis pieprasījums ir arī mazumtirgotāju un darbuzņēmēju konsolidācijas tendences rezultāts. Reaģējot uz to, stikla šķiedras izolācijas nozarei būs jāturpina samazināt izmaksas divās galvenajās jomās: enerģētikā un vidē. Būs jāizmanto efektīvākas krāsnis, kas nav atkarīgas tikai no viena enerģijas avota.

Tā kā poligoni sasniegs maksimālo ietilpību, stikla šķiedras ražotājiem būs jāpanāk gandrīz nulles cieto atkritumu ražošana, nepalielinot izmaksas. Tas prasīs uzlabot ražošanas procesus, lai samazinātu atkritumus (arī šķidros un gāzveida atkritumus), un atkārtoti izmantot atkritumus, kur vien iespējams.

Šādi atkritumi pirms atkārtotas izmantošanas kā izejviela var būt jāpārstrādā un jāpārkausē. Vairāki ražotāji jau risina šos jautājumus.