Hvordan lages glassfiber?

Glassfiber refererer til en gruppe produkter laget av individuelle glassfibre kombinert i en rekke former. Glassfibre kan deles inn i to hovedgrupper i henhold til deres geometri: kontinuerlige fibre brukt i garn og tekstiler, og de diskontinuerlige (korte) fibrene brukt som matter, tepper eller plater for isolasjon og filtrering. Glassfiber kan formes til garn omtrent som ull eller bomull, og veves til stoff som noen ganger brukes til gardiner. Glassfibertekstiler brukes ofte som forsterkningsmateriale for støpt og laminert plast. Glassfiberull, et tykt, luftig materiale laget av diskontinuerlige fibre, brukes til termisk isolasjon og lydabsorpsjon. Det finnes ofte i skott og skrog på skip og ubåter; bilmotorrom og karosseripanelforinger; i ovner og klimaanlegg; akustiske vegg- og takpaneler; og arkitektoniske skillevegger. Glassfiber kan skreddersys for spesifikke bruksområder som Type E (elektrisk), brukt som elektrisk isolasjonstape, tekstiler og forsterkning; Type C (kjemisk), som har overlegen syrebestandighet, og Type T, for termisk isolasjon.

Selv om kommersiell bruk av glassfiber er relativt ny, skapte håndverkere glasstråder for å dekorere begre og vaser under renessansen. En fransk fysiker, René-Antoine Ferchault de Reaumur, produserte tekstiler dekorert med fine glasstråder i 1713, og britiske oppfinnere kopierte bragden i 1822. En britisk silkevever laget et glassstoff i 1842, og en annen oppfinner, Edward Libbey, stilte ut en kjole vevd av glass på Columbian Exposition i Chicago i 1893.

Glassull, en luftig masse av diskontinuerlige fibre i tilfeldige lengder, ble først produsert i Europa ved århundreskiftet, ved hjelp av en prosess som involverte å trekke fibre fra stenger horisontalt til en roterende trommel. Flere tiår senere ble en spinneprosess utviklet og patentert. Glassfiberisolasjonsmateriale ble produsert i Tyskland under første verdenskrig. Forskning og utvikling rettet mot industriell produksjon av glassfibre utviklet seg i USA på 1930-tallet, under ledelse av to store selskaper, Owens-Illinois Glass Company og Corning Glass Works. Disse selskapene utviklet en fin, bøyelig og rimelig glassfiber ved å trekke smeltet glass gjennom svært fine åpninger. I 1938 fusjonerte disse to selskapene og danne Owens-Corning Fiberglas Corp. Nå bare kjent som Owens-Corning, har det blitt et selskap med en omsetning på 3 milliarder dollar i året, og er en ledende aktør innen glassfibermarkedet.

Råvarer

De grunnleggende råvarene for glassfiberprodukter er en rekke naturlige mineraler og produserte kjemikalier. Hovedingrediensene er silikasand, kalkstein og soda. Andre ingredienser kan blant annet omfatte kalsinert alumina, boraks, feltspat, nefelinsyenitt, magnesitt og kaolinleire. Silikasand brukes som glassdanner, og soda og kalkstein bidrar først og fremst til å senke smeltetemperaturen. Andre ingredienser brukes til å forbedre visse egenskaper, for eksempel boraks for kjemisk resistens. Avfallsglass, også kalt kullet, brukes også som råmateriale. Råvarene må veies nøye i nøyaktige mengder og blandes grundig sammen (kalt batching) før de smeltes til glass.

Produksjonen
Behandle

Smelting

Når blandingen er klargjort, føres den inn i en ovn for smelting. Ovnen kan varmes opp med elektrisitet, fossilt brensel eller en kombinasjon av de to. Temperaturen må kontrolleres nøyaktig for å opprettholde en jevn og jevn strøm av glass. Det smeltede glasset må holdes ved en høyere temperatur (omtrent 1371 °C) enn andre typer glass for å kunne formes til fiber. Når glasset er smeltet, overføres det til formingsutstyret via en kanal (forherd) som er plassert på enden av ovnen.

Forming til fibre

Flere forskjellige prosesser brukes til å danne fibre, avhengig av fibertypen. Tekstilfibre kan formes av smeltet glass direkte fra ovnen, eller det smeltede glasset kan først mates til en maskin som danner glasskuler med en diameter på omtrent 1,6 cm. Disse kulene gjør det mulig å inspisere glasset visuelt for urenheter. I både direktesmelte- og marmorsmelteprosessen mates glasset eller glasskulene gjennom elektrisk oppvarmede foringer (også kalt spinndyser). Foringen er laget av platina eller metalllegering, med alt fra 200 til 3000 svært fine åpninger. Det smeltede glasset passerer gjennom åpningene og kommer ut som fine filamenter.

Kontinuerlig filamentprosess

En lang, kontinuerlig fiber kan produseres gjennom den kontinuerlige filamentprosessen. Etter at glasset har strømmet gjennom hullene i foringen, fanges flere tråder opp på en høyhastighetsvikler. Vikleren roterer med omtrent 3 km i minuttet, mye raskere enn strømningshastigheten fra foringene. Spenningen trekker ut filamentene mens de fortsatt er smeltet, og danner tråder som er en brøkdel av diameteren til åpningene i foringen. Et kjemisk bindemiddel påføres, som bidrar til å forhindre at fiberen brekker under senere bearbeiding. Filamentet vikles deretter på rør. Det kan nå tvinnes og tvinnes til garn.

Stapelfiberprosess

En alternativ metode er stapelfiberprosessen. Når det smeltede glasset strømmer gjennom foringene, kjøler luftstråler raskt ned filamentene. De turbulente luftutbruddene bryter også filamentene i lengder på 20–38 cm. Disse filamentene faller gjennom en spray med smøremiddel ned på en roterende trommel, hvor de danner et tynt nett. Nettet trekkes fra trommelen og til en kontinuerlig streng av løst sammensatte fibre. Denne strengen kan bearbeides til garn med de samme prosessene som brukes for ull og bomull.

Hakket fiber

I stedet for å bli formet til garn, kan den kontinuerlige eller lange stifttråden kuttes i korte lengder. Tråden monteres på et sett med spoler, kalt en spole, og trekkes gjennom en maskin som kutter den i korte biter. Den kuttede fiberen formes til matter som det tilsettes et bindemiddel til. Etter herding i en ovn rulles matten opp. Ulike vekter og tykkelser gir produkter for helvetesild, oppbygde taktekkinger eller dekorative matter.

Glassull

Rotasjons- eller spinnerprosessen brukes til å lage glassull. I denne prosessen strømmer smeltet glass fra ovnen inn i en sylindrisk beholder med små hull. Når beholderen roterer raskt, strømmer horisontale glassstrømmer ut av hullene. De smeltede glassstrømmene omdannes til fibre av en nedadgående strøm av luft, varm gass eller begge deler. Fibrene faller ned på et transportbånd, hvor de flettes sammen i en ullaktig masse. Dette kan brukes til isolasjon, eller ullen kan sprayes med et bindemiddel, komprimeres til ønsket tykkelse og herdes i en ovn. Varmen herder bindemidlet, og det resulterende produktet kan være en stiv eller halvstiv plate, eller en fleksibel vatt.

Beskyttende belegg

I tillegg til bindemidler kreves det andre belegg for glassfiberprodukter. Smøremidler brukes for å redusere fiberslitasje og sprayes enten direkte på fiberen eller tilsettes bindemidlet. En antistatisk blanding sprayes også noen ganger på overflaten av glassfiberisolasjonsmatter under kjøletrinnet. Kjøleluft som trekkes gjennom matten får det antistatiske midlet til å trenge gjennom hele tykkelsen på matten. Det antistatiske midlet består av to ingredienser – et materiale som minimerer generering av statisk elektrisitet, og et materiale som fungerer som en korrosjonshemmer og stabilisator. Liming er ethvert belegg som påføres tekstilfibre i formingsoperasjonen, og kan inneholde en eller flere komponenter (smøremidler, bindemidler eller koblingsmidler). Koblingsmidler brukes på tråder som skal brukes til å forsterke plast, for å styrke bindingen til det forsterkede materialet. Noen ganger er en etterbehandlingsoperasjon nødvendig for å fjerne disse beleggene, eller for å legge til et annet belegg. For plastforsterkninger kan liming fjernes med varme eller kjemikalier og et koblingsmiddel påføres. For dekorative anvendelser må tekstiler varmebehandles for å fjerne liming og for å fikse vevingen. Fargestoffbasebelegg påføres deretter før farging eller trykking.

Forming til former

Glassfiberprodukter finnes i en rekke former, laget ved hjelp av flere prosesser. For eksempel vikles glassfiberrørisolasjon på stavlignende former kalt dorner direkte fra formingsenhetene, før herding. Formene, i lengder på 91 cm eller mindre, herdes deretter i en ovn. De herdede lengdene tas deretter ut av støpeformen på langs og sages til spesifiserte dimensjoner. Fasader påføres om nødvendig, og produktet pakkes for forsendelse.

Kvalitetskontroll

Under produksjonen av glassfiberisolasjon tas det prøver av materiale på en rekke steder i prosessen for å opprettholde kvaliteten. Disse stedene inkluderer: den blandede batchen som mates til den elektriske smelteovnen; smeltet glass fra foringen som mater fiberiseringsmaskinen; glassfiber som kommer ut av fiberiseringsmaskinen; og det endelige herdede produktet som kommer ut fra enden av produksjonslinjen. Glass- og fiberprøvene i bulk analyseres for kjemisk sammensetning og tilstedeværelse av feil ved hjelp av sofistikerte kjemiske analysatorer og mikroskoper. Partikkelstørrelsesfordelingen til batchmaterialet oppnås ved å føre materialet gjennom en rekke sikter i forskjellige størrelser. Sluttproduktets tykkelse måles etter emballering i henhold til spesifikasjoner. En endring i tykkelse indikerer at glasskvaliteten er under standarden.

Produsenter av glassfiberisolasjon bruker også en rekke standardiserte testprosedyrer for å måle, justere og optimalisere produktets akustiske motstand, lydabsorpsjon og lydbarrierytelse. De akustiske egenskapene kan kontrolleres ved å justere produksjonsvariabler som fiberdiameter, bulktetthet, tykkelse og bindemiddelinnhold. En lignende tilnærming brukes til å kontrollere termiske egenskaper.

Fremtiden

Glassfiberindustrien står overfor noen store utfordringer i resten av 1990-tallet og utover. Antallet produsenter av glassfiberisolasjon har økt på grunn av amerikanske datterselskaper av utenlandske selskaper og forbedringer i produktiviteten fra amerikanske produsenter. Dette har resultert i overkapasitet, som det nåværende og kanskje fremtidige markedet ikke kan håndtere.

I tillegg til overkapasitet vil andre isolasjonsmaterialer konkurrere. Steinull har blitt mye brukt på grunn av nylige prosess- og produktforbedringer. Skumisolasjon er et annet alternativ til glassfiber i boligvegger og næringstak. Et annet konkurrerende materiale er cellulose, som brukes i loftsisolasjon.

På grunn av den lave etterspørselen etter isolasjon på grunn av et svakt boligmarked, krever forbrukerne lavere priser. Denne etterspørselen er også et resultat av den fortsatte trenden med konsolidering av detaljister og entreprenører. Som svar må glassfiberisolasjonsindustrien fortsette å kutte kostnader på to hovedområder: energi og miljø. Mer effektive ovner må brukes som ikke bare er avhengige av én energikilde.

Når deponier når maksimal kapasitet, må glassfiberprodusenter oppnå nesten null produksjon av fast avfall uten å øke kostnadene. Dette vil kreve forbedring av produksjonsprosesser for å redusere avfall (også for flytende og gassbasert avfall) og gjenbruk av avfall der det er mulig.

Slikt avfall kan kreve opparbeiding og omsmelting før det kan brukes på nytt som råmateriale. Flere produsenter tar allerede tak i disse problemstillingene.