Jak powstaje włókno szklane?

Włókno szklane odnosi się do grupy produktów wykonanych z pojedynczych włókien szklanych połączonych w różnorodne formy. Włókna szklane można podzielić na dwie główne grupy ze względu na ich geometrię: włókna ciągłe stosowane w przędzach i tekstyliach oraz włókna nieciągłe (krótkie) stosowane jako maty, koce lub płyty do izolacji i filtracji. Włókno szklane można formować w przędzę, podobnie jak wełnę lub bawełnę, a następnie wplatać w tkaninę, która jest czasami wykorzystywana do zasłon. Tekstylia z włókna szklanego są powszechnie stosowane jako materiał wzmacniający do formowanych i laminowanych tworzyw sztucznych. Wełna szklana, gruby, puszysty materiał wykonany z włókien nieciągłych, jest stosowana do izolacji termicznej i pochłaniania dźwięku. Jest powszechnie stosowana w grodziach i kadłubach statków i okrętów podwodnych; komorach silników samochodowych i okładzinach paneli nadwozia; w piecach i klimatyzatorach; akustycznych panelach ściennych i sufitowych; oraz przegrodach architektonicznych. Włókno szklane może być dostosowane do specyficznych zastosowań, takich jak typ E (elektryczny), stosowany jako taśma izolacyjna, tekstylia i wzmocnienie; Typ C (chemiczny) – charakteryzujący się lepszą odpornością na kwasy oraz typ T – zapewniający izolację termiczną.

Chociaż komercyjne wykorzystanie włókna szklanego jest stosunkowo niedawne, rzemieślnicy stworzyli szklane nici do ozdabiania kielichów i wazonów w okresie renesansu. Francuski fizyk, Rene-Antoine Ferchault de Réaumur, stworzył tkaniny zdobione cienkimi szklanymi nićmi w 1713 roku, a brytyjscy wynalazcy powtórzyli ten wyczyn w 1822 roku. Brytyjski tkacz jedwabiu stworzył tkaninę szklaną w 1842 roku, a inny wynalazca, Edward Libbey, wystawił suknię utkaną ze szkła na Wystawie Kolumbijskiej w Chicago w 1893 roku.

Wełna szklana, puszysta masa nieciągłych włókien o losowych długościach, została po raz pierwszy wyprodukowana w Europie na przełomie wieków, w procesie polegającym na ciągnięciu włókien z prętów poziomo do obracającego się bębna. Kilka dekad później opracowano i opatentowano proces przędzenia. Materiał izolacyjny z włókna szklanego był produkowany w Niemczech podczas I wojny światowej. Badania i rozwój ukierunkowane na przemysłową produkcję włókien szklanych poczyniły postępy w Stanach Zjednoczonych w latach 30. XX wieku, pod kierownictwem dwóch dużych firm, Owens-Illinois Glass Company i Corning Glass Works. Firmy te opracowały cienkie, giętkie, tanie włókno szklane poprzez ciągnienie stopionego szkła przez bardzo małe otwory. W 1938 roku te dwie firmy połączyły się, tworząc Owens-Corning Fiberglas Corp. Obecnie znana po prostu jako Owens-Corning, stała się firmą o rocznych obrotach 3 miliardów dolarów i jest liderem na rynku włókna szklanego.

Surowce

Podstawowymi surowcami do produkcji wyrobów z włókna szklanego są różnorodne minerały naturalne oraz chemikalia syntetyczne. Głównymi składnikami są piasek kwarcowy, wapień i soda kalcynowana. Inne składniki mogą obejmować między innymi kalcynowany tlenek glinu, boraks, skaleń, sjenit nefelinowy, magnezyt i glinkę kaolinową. Piasek kwarcowy jest stosowany jako materiał szklisty, a soda kalcynowana i wapień pomagają przede wszystkim obniżyć temperaturę topnienia. Inne składniki służą do poprawy niektórych właściwości, na przykład boraks zwiększa odporność chemiczną. Jako surowiec wykorzystuje się również szkło odpadowe, zwane również stłuczką szklaną. Surowce muszą być starannie odważone w dokładnych ilościach i dokładnie wymieszane (tzw. dozowanie) przed przetopieniem na szkło.

Produkcja
Proces

Topienie

Po przygotowaniu wsadu jest on wprowadzany do pieca w celu stopienia. Piec może być ogrzewany elektrycznie, paliwem kopalnym lub mieszanką obu tych źródeł. Temperatura musi być precyzyjnie kontrolowana, aby zapewnić płynny i stały przepływ szkła. Stopione szkło musi być utrzymywane w wyższej temperaturze (około 1371°C [2500°F]) niż inne rodzaje szkła, aby mogło zostać uformowane we włókno. Po stopieniu szkło jest transportowane do urządzeń formujących kanałem (zasilaczem) znajdującym się na końcu pieca.

Formowanie włókien

W zależności od rodzaju włókna, do jego formowania stosuje się kilka różnych procesów. Włókna tekstylne mogą być formowane ze stopionego szkła bezpośrednio z pieca lub też stopione szkło może być najpierw podawane do maszyny, która formuje szklane kulki o średnicy około 1,6 cm (0,62 cala). Takie kulki pozwalają na wizualną kontrolę szkła pod kątem zanieczyszczeń. Zarówno w procesie bezpośredniego topienia, jak i topienia, szkło lub szklane kulki są podawane przez elektrycznie podgrzewane tuleje przędzalnicze (zwane również dyszami przędzalniczymi). Tuleja jest wykonana z platyny lub stopu metalu i ma od 200 do 3000 bardzo drobnych otworów. Stopione szkło przechodzi przez te otwory i wydostaje się w postaci cienkich włókien.

Proces ciągłego włókna

Długie, ciągłe włókno można wyprodukować w procesie ciągłego włókna. Po przepłynięciu szkła przez otwory w tulei, wiele pasm jest nawijanych na szybkobieżną nawijarkę. Nawijarka obraca się z prędkością około 3 km na minutę, znacznie szybciej niż przepływ z tulei. Naprężenie wyciąga włókna, gdy są jeszcze stopione, tworząc pasma o średnicy stanowiącej ułamek średnicy otworów w tulei. Stosowane jest spoiwo chemiczne, które zapobiega pękaniu włókna podczas późniejszej obróbki. Włókno jest następnie nawijane na rurki. Można je teraz skręcić i skręcić w przędzę.

Proces włókien ciętych

Alternatywną metodą jest proces włókien ciętych. Gdy stopione szkło przepływa przez tuleje, strumienie powietrza szybko schładzają włókna. Turbulentne podmuchy powietrza rozrywają włókna na odcinki o długości 20-38 cm (8-15 cali). Włókna te, po natrysku środka smarującego, opadają na obracający się bęben, gdzie tworzą cienką wstęgę. Wstęga jest wyciągana z bębna i rozciągana w ciągłe pasmo luźno ułożonych włókien. Pasmo to można przetworzyć na przędzę, stosując te same metody, co w przypadku wełny i bawełny.

Włókno cięte

Zamiast formowania przędzy, ciągłe lub długowłókniste pasmo może być cięte na krótkie odcinki. Pasmo jest nawijane na zestaw szpul, zwanych ramą natykową, i przeciągane przez maszynę, która tnie je na krótkie kawałki. Pocięte włókna są formowane w maty, do których dodaje się spoiwo. Po utwardzeniu w piecu mata jest zwijana. Różne gramatury i grubości pozwalają na produkcję gontów bitumicznych, pokryć dachowych lub mat dekoracyjnych.

Wełna szklana

Proces obrotowy lub przędzenia jest stosowany do produkcji wełny szklanej. W tym procesie stopione szkło z pieca przepływa do cylindrycznego pojemnika z małymi otworami. Gdy pojemnik obraca się z dużą prędkością, z otworów wypływają poziome strumienie szkła. Strumienie stopionego szkła są przekształcane we włókna za pomocą skierowanego w dół strumienia powietrza, gorącego gazu lub obu tych czynników. Włókna opadają na taśmę przenośnika, gdzie splatają się ze sobą, tworząc wełnianą masę. Wełnę można wykorzystać do izolacji lub natryskiwać spoiwo, prasować do pożądanej grubości i utwardzać w piecu. Pod wpływem ciepła spoiwo ulega utrwaleniu, a powstały produkt może być sztywną lub półsztywną płytą, bądź elastycznym materiałem.

Powłoki ochronne

Oprócz lepiszczy, produkty z włókna szklanego wymagają innych powłok. Środki smarne służą do zmniejszenia ścierania włókien i są albo bezpośrednio natryskiwane na włókna, albo dodawane do lepiszcza. Podczas chłodzenia na powierzchnię mat izolacyjnych z włókna szklanego natryskuje się również kompozycję antystatyczną. Chłodzące powietrze zasysane przez matę powoduje, że środek antystatyczny przenika przez całą jej grubość. Środek antystatyczny składa się z dwóch składników – materiału minimalizującego generowanie elektryczności statycznej oraz materiału pełniącego funkcję inhibitora korozji i stabilizatora. Klejenie to dowolna powłoka nakładana na włókna tekstylne w procesie formowania, która może zawierać jeden lub więcej składników (środki smarne, lepiszcza lub środki sprzęgające). Środki sprzęgające są stosowane na pasmach, które będą używane do wzmacniania tworzyw sztucznych, w celu wzmocnienia połączenia ze wzmacnianym materiałem. Czasami wymagana jest obróbka wykończeniowa w celu usunięcia tych powłok lub nałożenia kolejnej powłoki. W przypadku wzmocnień z tworzyw sztucznych klejonki można usunąć za pomocą ciepła lub środków chemicznych, a następnie nałożyć środek sprzęgający. W zastosowaniach dekoracyjnych tkaniny muszą zostać poddane obróbce cieplnej w celu usunięcia klejonki i utrwalenia splotu. Następnie, przed farbowaniem lub drukowaniem, nakładane są powłoki bazowe.

Formowanie kształtów

Produkty z włókna szklanego występują w szerokiej gamie kształtów i są wytwarzane w różnych procesach. Na przykład, izolacja rur z włókna szklanego jest nawijana na prętopodobne formy zwane trzpieniami bezpośrednio z jednostek formujących, przed utwardzeniem. Formy o długości 91 cm (3 stopy) lub mniejszej są następnie utwardzane w piecu. Utwardzone elementy są następnie wyjmowane z formy wzdłuż i cięte na określone wymiary. W razie potrzeby nakładane są okładziny, a produkt jest pakowany do wysyłki.

Kontrola jakości

Podczas produkcji izolacji z włókna szklanego, w celu utrzymania jakości, próbki materiału pobiera się w kilku miejscach procesu. Należą do nich: wsad mieszany podawany do pieca elektrycznego; stopione szkło z tulei zasilającej rozwłókniacz; włókno szklane wychodzące z rozwłókniacza; oraz gotowy, utwardzony produkt wychodzący z linii produkcyjnej. Masowe próbki szkła i włókien są analizowane pod kątem składu chemicznego i obecności wad za pomocą zaawansowanych analizatorów chemicznych i mikroskopów. Rozkład wielkości cząstek materiału wsadowego uzyskuje się poprzez przepuszczenie go przez szereg sit o różnych średnicach. Grubość gotowego produktu jest mierzona po zapakowaniu zgodnie ze specyfikacją. Zmiana grubości oznacza, że ​​jakość szkła jest poniżej standardu.

Producenci izolacji z włókna szklanego stosują również szereg standardowych procedur testowych do pomiaru, regulacji i optymalizacji oporności akustycznej produktu, pochłaniania dźwięku i skuteczności bariery akustycznej. Właściwości akustyczne można kontrolować, dostosowując takie parametry produkcyjne, jak średnica włókien, gęstość nasypowa, grubość i zawartość lepiszcza. Podobne podejście stosuje się do kontroli właściwości termicznych.

Przyszłość

Branża włókna szklanego stoi w obliczu poważnych wyzwań, które dotknęły resztę lat 90. XX wieku i kolejne lata. Liczba producentów izolacji z włókna szklanego wzrosła dzięki amerykańskim filiom firm zagranicznych i wzrostowi wydajności amerykańskich producentów. Doprowadziło to do nadwyżki mocy produkcyjnych, której obecny i być może przyszły rynek nie jest w stanie obsłużyć.

Oprócz nadmiaru mocy produkcyjnych, konkurować będą również inne materiały izolacyjne. Wełna mineralna zyskała na popularności dzięki niedawnym udoskonaleniom procesów i produktów. Izolacja piankowa stanowi alternatywę dla włókna szklanego w ścianach budynków mieszkalnych i dachach obiektów komercyjnych. Kolejnym konkurencyjnym materiałem jest celuloza, stosowana do izolacji poddaszy.

Ze względu na niski popyt na izolacje, wynikający ze słabego rynku nieruchomości, konsumenci domagają się niższych cen. Popyt ten jest również wynikiem utrzymującej się konsolidacji sprzedawców detalicznych i wykonawców. W związku z tym branża izolacji z włókna szklanego będzie musiała nadal ciąć koszty w dwóch głównych obszarach: energii i środowiska. Konieczne będzie zastosowanie bardziej wydajnych pieców, które nie będą zasilane tylko jednym źródłem energii.

Wraz z osiągnięciem maksymalnej pojemności składowisk, producenci włókna szklanego będą musieli osiągnąć niemal zerową produkcję odpadów stałych bez wzrostu kosztów. Będzie to wymagało usprawnienia procesów produkcyjnych w celu zmniejszenia ilości odpadów (również w przypadku odpadów płynnych i gazowych) oraz ponownego wykorzystywania odpadów, gdziekolwiek to możliwe.

Takie odpady mogą wymagać ponownego przetworzenia i przetopienia przed ponownym wykorzystaniem jako surowiec. Wielu producentów już zajmuje się tym problemem.