Hoe wordt glasvezel gemaakt?

Glasvezel is een verzamelnaam voor een groep producten die gemaakt zijn van individuele glasvezels die in verschillende vormen gecombineerd worden. Glasvezels kunnen op basis van hun geometrie in twee hoofdgroepen worden verdeeld: doorlopende vezels die gebruikt worden in garens en textiel, en de discontinue (korte) vezels die gebruikt worden als isolatiemateriaal, dekens of platen voor isolatie en filtratie. Glasvezel kan, net als wol of katoen, tot garen worden gevormd en tot stof worden geweven, die soms voor gordijnen wordt gebruikt. Textiel van glasvezel wordt vaak gebruikt als versterkingsmateriaal voor gegoten en gelamineerde kunststoffen. Glasvezelwol, een dik, pluizig materiaal gemaakt van discontinue vezels, wordt gebruikt voor thermische isolatie en geluidsabsorptie. Het wordt vaak aangetroffen in schotten en rompen van schepen en onderzeeërs; motorruimtes en carrosseriepanelen van auto's; in ovens en airconditioningunits; akoestische wand- en plafondpanelen; en architectonische scheidingswanden. Glasvezel kan op maat gemaakt worden voor specifieke toepassingen, zoals Type E (elektrisch), gebruikt als elektrische isolatietape, textiel en versterking; Type C (chemisch), met een superieure zuurbestendigheid, en Type T, voor thermische isolatie.

Hoewel het commerciële gebruik van glasvezel relatief recent is, maakten ambachtslieden al tijdens de Renaissance glasdraden om bekers en vazen ​​te versieren. De Franse natuurkundige René-Antoine Ferchault de Réaumur produceerde in 1713 textiel versierd met fijne glasdraden, en Britse uitvinders herhaalden deze prestatie in 1822. Een Britse zijdewever maakte in 1842 een glazen stof, en een andere uitvinder, Edward Libbey, exposeerde een jurk geweven van glas op de Columbian Exposition van 1893 in Chicago.

Glaswol, een pluizige massa van onregelmatige vezels met willekeurige lengtes, werd voor het eerst geproduceerd in Europa rond de eeuwwisseling. Hierbij werden vezels horizontaal van staven naar een roterende trommel getrokken. Enkele decennia later werd een spinproces ontwikkeld en gepatenteerd. Glasvezelisolatiemateriaal werd tijdens de Eerste Wereldoorlog in Duitsland geproduceerd. Onderzoek en ontwikkeling gericht op de industriële productie van glasvezels vorderden in de jaren 30 in de Verenigde Staten, onder leiding van twee grote bedrijven: de Owens-Illinois Glass Company en Corning Glass Works. Deze bedrijven ontwikkelden een fijne, buigzame en goedkope glasvezel door gesmolten glas door zeer fijne openingen te trekken. In 1938 fuseerden deze twee bedrijven tot Owens-Corning Fiberglas Corp. Tegenwoordig bekend als Owens-Corning, is het bedrijf uitgegroeid tot een onderneming met een jaaromzet van 3 miljard dollar en is het marktleider in de glasvezelindustrie.

Grondstoffen

De basisgrondstoffen voor glasvezelproducten zijn diverse natuurlijke mineralen en synthetische chemicaliën. De belangrijkste ingrediënten zijn silicazand, kalksteen en natriumcarbonaat. Andere ingrediënten kunnen onder andere gecalcineerd aluminiumoxide, borax, veldspaat, nefelien-syeniet, magnesiet en kaolienklei zijn. Silicazand wordt gebruikt als glasvormer, terwijl natriumcarbonaat en kalksteen voornamelijk helpen om het smeltpunt te verlagen. Andere ingrediënten worden gebruikt om bepaalde eigenschappen te verbeteren, zoals borax voor chemische bestendigheid. Ook glasafval, ook wel glasscherven genoemd, wordt als grondstof gebruikt. De grondstoffen moeten zorgvuldig in exacte hoeveelheden worden afgewogen en grondig met elkaar worden gemengd (dit proces wordt batching genoemd) voordat ze tot glas worden gesmolten.

De productie
Proces

Smeltend

Zodra de batch klaar is, wordt deze in een oven gebracht om te smelten. De oven kan worden verwarmd door elektriciteit, fossiele brandstoffen of een combinatie van beide. De temperatuur moet nauwkeurig worden geregeld om een ​​gelijkmatige, constante glasstroom te garanderen. Het gesmolten glas moet op een hogere temperatuur worden gehouden (ongeveer 1371 °C) dan andere glassoorten om tot vezels te kunnen worden gevormd. Zodra het glas gesmolten is, wordt het via een kanaal (voorhaard) aan het einde van de oven naar de vormapparatuur getransporteerd.

Vorming tot vezels

Afhankelijk van het type vezel worden verschillende processen gebruikt om vezels te vormen. Textielvezels kunnen rechtstreeks uit de oven gesmolten glas worden gevormd, of het gesmolten glas kan eerst in een machine worden gevoerd die glazen bolletjes vormt met een diameter van ongeveer 1,6 cm. Deze bolletjes maken het mogelijk om het glas visueel te inspecteren op onzuiverheden. Zowel bij het direct smelten als bij het smelten met bolletjes worden het glas of de glazen bolletjes door elektrisch verwarmde bussen (ook wel spinmondstukken genoemd) gevoerd. De bus is gemaakt van platina of een metaallegering en heeft 200 tot 3000 zeer fijne openingen. Het gesmolten glas stroomt door de openingen en komt eruit als fijne filamenten.

Continu-filamentproces

Via het continue-filamentproces kan een lange, ononderbroken vezel worden geproduceerd. Nadat het glas door de gaten in de bus is gestroomd, worden meerdere strengen op een hogesnelheidswikkelmachine gewikkeld. De wikkelmachine draait met een snelheid van ongeveer 3 kilometer per minuut, veel sneller dan de stroomsnelheid uit de bussen. De spanning trekt de filamenten eruit terwijl ze nog gesmolten zijn, waardoor strengen ontstaan ​​met een diameter die een fractie is van de diameter van de openingen in de bus. Er wordt een chemisch bindmiddel aangebracht, dat voorkomt dat de vezel breekt tijdens de verdere verwerking. Het filament wordt vervolgens op buizen gewikkeld. Het kan nu worden getwijnd en tot garen worden gesponnen.

Stapelvezelproces

Een alternatieve methode is het stapelvezelproces. Terwijl het gesmolten glas door de bussen stroomt, koelen luchtstromen de vezels snel af. De turbulente luchtstoten breken de vezels ook in stukken van 20-38 cm. Deze vezels vallen door een nevel van smeermiddel op een draaiende trommel, waar ze een dun web vormen. Het web wordt van de trommel getrokken en tot een doorlopende streng van losjes samengevoegde vezels getrokken. Deze streng kan tot garen worden verwerkt met dezelfde processen als voor wol en katoen.

Gehakte vezels

In plaats van tot garen te worden gevormd, kan de lange vezel in korte stukjes worden gehakt. De vezel wordt op een set spoelen, een zogenaamde creel, gewikkeld en door een machine getrokken die hem in korte stukjes hakt. De gehakte vezels worden tot matten gevormd waaraan een bindmiddel wordt toegevoegd. Na uitharding in een oven wordt de mat opgerold. Verschillende gewichten en diktes leveren producten op voor dakpannen, meerlaagse dakbedekking of decoratieve matten.

Glaswol

Het roterende of spinproces wordt gebruikt om glaswol te maken. Bij dit proces stroomt gesmolten glas uit de oven in een cilindrische container met kleine gaatjes. Terwijl de container snel ronddraait, stromen horizontale glasstromen uit de gaatjes. De gesmolten glasstromen worden door een neerwaartse luchtstroom, hete gasstroom of beide omgezet in vezels. De vezels vallen op een transportband, waar ze zich met elkaar verstrengelen tot een pluizige massa. Deze massa kan worden gebruikt voor isolatie, of de wol kan worden bespoten met een bindmiddel, tot de gewenste dikte worden geperst en in een oven worden uitgehard. De hitte fixeert het bindmiddel en het resulterende product kan een stijve of halfstijve plaat zijn, of een flexibele deken.

Beschermende coatings

Naast bindmiddelen zijn er ook andere coatings nodig voor glasvezelproducten. Smeermiddelen worden gebruikt om slijtage van de vezels te verminderen en worden ofwel rechtstreeks op de vezels gespoten of aan het bindmiddel toegevoegd. Soms wordt er tijdens het koelproces ook een antistatische samenstelling op het oppervlak van glasvezelisolatiematten gespoten. Koellucht die door de mat wordt gezogen, zorgt ervoor dat het antistatische middel de gehele dikte van de mat doordringt. Het antistatische middel bestaat uit twee bestanddelen: een materiaal dat de opwekking van statische elektriciteit minimaliseert en een materiaal dat dient als corrosieremmer en stabilisator. Een appreteermiddel is elke coating die tijdens het vormingsproces op textielvezels wordt aangebracht en kan een of meer componenten bevatten (smeermiddelen, bindmiddelen of koppelingsmiddelen). Koppelmiddelen worden gebruikt op vezels die worden gebruikt voor het versterken van kunststoffen, om de hechting met het versterkingsmateriaal te versterken. Soms is een nabewerking nodig om deze coatings te verwijderen of een andere coating aan te brengen. Bij kunststofversterkingen kunnen appreteermiddelen met warmte of chemicaliën worden verwijderd en kan een koppelingsmiddel worden aangebracht. Voor decoratieve toepassingen moeten stoffen hittebehandeld worden om appreteermiddelen te verwijderen en de weefstructuur te fixeren. Vervolgens worden basislagen voor de verf aangebracht voordat de stof geverfd of bedrukt wordt.

Vormen aannemen

Glasvezelproducten zijn verkrijgbaar in een grote verscheidenheid aan vormen en worden vervaardigd met behulp van verschillende processen. Zo wordt glasvezelisolatie voor buizen direct vanuit de vormmachines op staafvormige mallen, zogenaamde doornen, gewikkeld voordat het materiaal uithardt. De mallen, met een lengte van maximaal 91 cm, worden vervolgens in een oven uitgehard. De uitgeharde stukken worden vervolgens in de lengte ontmald en op de gewenste afmetingen gezaagd. Indien nodig worden er afwerkingen aangebracht en wordt het product verpakt voor verzending.

Kwaliteitscontrole

Tijdens de productie van glasvezelisolatie wordt op verschillende punten in het proces materiaal bemonsterd om de kwaliteit te waarborgen. Deze bemonstering vindt plaats op de volgende punten: de gemengde batch die aan de elektrische smeltoven wordt toegevoerd; het gesmolten glas uit de bus die de vezelmachine voedt; de glasvezel die uit de vezelmachine komt; en het uiteindelijke uitgeharde product dat aan het einde van de productielijn verschijnt. De bulkglas- en vezelmonsters worden geanalyseerd op chemische samenstelling en de aanwezigheid van defecten met behulp van geavanceerde chemische analysatoren en microscopen. De deeltjesgrootteverdeling van het batchmateriaal wordt bepaald door het materiaal door verschillende zeven met verschillende maaswijdtes te zeven. De dikte van het eindproduct wordt na verpakking volgens specificaties gemeten. Een verandering in dikte duidt erop dat de glaskwaliteit onder de norm ligt.

Fabrikanten van glasvezelisolatie gebruiken ook diverse gestandaardiseerde testprocedures om de akoestische weerstand, geluidsabsorptie en geluidsbarrièreprestaties van hun producten te meten, aan te passen en te optimaliseren. De akoestische eigenschappen kunnen worden geregeld door productievariabelen zoals vezeldiameter, bulkdichtheid, dikte en bindmiddelgehalte aan te passen. Een vergelijkbare aanpak wordt gebruikt om de thermische eigenschappen te beheersen.

De toekomst

De glasvezelindustrie staat de rest van de jaren negentig en daarna voor een aantal grote uitdagingen. Het aantal producenten van glasvezelisolatie is toegenomen als gevolg van Amerikaanse dochterondernemingen van buitenlandse bedrijven en productiviteitsverbeteringen bij Amerikaanse fabrikanten. Dit heeft geleid tot overcapaciteit, die de huidige en wellicht ook de toekomstige markt niet kan opvangen.

Naast de overcapaciteit zullen ook andere isolatiematerialen concurreren. Steenwol wordt veel gebruikt vanwege recente proces- en productverbeteringen. Schuimisolatie is een ander alternatief voor glasvezelisolatie in woonhuismuren en commerciële daken. Een ander concurrerend materiaal is cellulose, dat wordt gebruikt voor zolderisolatie.

Door de lage vraag naar isolatie als gevolg van een zwakke huizenmarkt, eisen consumenten lagere prijzen. Deze vraag is ook een gevolg van de aanhoudende trend van consolidatie in de detailhandel en de bouwsector. Als reactie hierop zal de glasvezelisolatie-industrie de kosten op twee belangrijke gebieden moeten blijven verlagen: energie en milieu. Er zullen efficiëntere verwarmingssystemen moeten worden gebruikt die niet afhankelijk zijn van slechts één energiebron.

Nu stortplaatsen hun maximale capaciteit bereiken, zullen glasvezelproducenten hun productie vrijwel tot nul moeten reduceren wat betreft vast afval, zonder de kosten te verhogen. Dit vereist verbeteringen in de productieprocessen om afval te verminderen (ook voor vloeibaar en gasvormig afval) en afval zoveel mogelijk te hergebruiken.

Dergelijk afval moet mogelijk worden herverwerkt en omgesmolten voordat het opnieuw als grondstof kan worden gebruikt. Verschillende fabrikanten pakken deze problemen al aan.