Cum se fabrică fibra de sticlă?

Fibra de sticlă se referă la un grup de produse fabricate din fibre individuale de sticlă combinate într-o varietate de forme. Fibrele de sticlă pot fi împărțite în două grupe majore în funcție de geometria lor: fibre continue utilizate în fire și textile și fibre discontinue (scurte) utilizate ca vate, pături sau plăci pentru izolație și filtrare. Fibra de sticlă poate fi transformată în fire la fel ca lâna sau bumbacul și țesută în țesătură care este uneori folosită pentru draperii. Textilele din fibră de sticlă sunt utilizate în mod obișnuit ca material de armare pentru materialele plastice turnate și laminate. Lâna de fibră de sticlă, un material gros și pufos fabricat din fibre discontinue, este utilizată pentru izolație termică și absorbție fonică. Se găsește frecvent în pereții etanși și carenele navelor și submarinelor; compartimentele motoarelor de automobile și căptușelile panourilor caroseriei; în cuptoare și unități de aer condiționat; panouri acustice pentru pereți și tavane; și pereți despărțitori arhitecturali. Fibra de sticlă poate fi adaptată pentru aplicații specifice, cum ar fi tipul E (electric), utilizat ca bandă izolatoare electrică, textile și armare; tipul C (chimic), care are o rezistență superioară la acid, și tipul T, pentru izolație termică.

Deși utilizarea comercială a fibrei de sticlă este relativ recentă, artizanii au creat fire de sticlă pentru decorarea pocalelor și a vazelor în timpul Renașterii. Un fizician francez, Rene-Antoine Ferchault de Reaumur, a produs textile decorate cu fire fine de sticlă în 1713, iar inventatorii britanici au replicat isprava în 1822. Un țesător de mătase britanic a realizat o țesătură din sticlă în 1842, iar un alt inventator, Edward Libbey, a expus o rochie țesută din sticlă la Expoziția Columbiană din 1893 de la Chicago.

Vata de sticlă, o masă pufoasă de fibră discontinuă de lungimi aleatorii, a fost produsă pentru prima dată în Europa la începutul secolului, folosind un proces care implica tragerea fibrelor din tije pe orizontală către un tambur rotativ. Câteva decenii mai târziu, a fost dezvoltat și brevetat un proces de filare. Materialul izolator din fibră de sticlă a fost fabricat în Germania în timpul Primului Război Mondial. Cercetarea și dezvoltarea care vizau producția industrială de fibre de sticlă au progresat în Statele Unite în anii 1930, sub conducerea a două companii majore, Owens-Illinois Glass Company și Corning Glass Works. Aceste companii au dezvoltat o fibră de sticlă fină, maleabilă și cu costuri reduse prin tragerea sticlei topite prin orificii foarte fine. În 1938, aceste două companii au fuzionat pentru a forma Owens-Corning Fiberglas Corp. Cunoscută acum pur și simplu sub numele de Owens-Corning, a devenit o companie cu o cifră de afaceri de 3 miliarde de dolari pe an și este lider pe piața fibrei de sticlă.

Materii prime

Materiile prime de bază pentru produsele din fibră de sticlă sunt o varietate de minerale naturale și substanțe chimice fabricate. Ingredientele principale sunt nisipul silicic, calcarul și soda calcinată. Alte ingrediente pot include alumina calcinată, boraxul, feldspatul, sienitul nefelinic, magnezitul și argila caolin, printre altele. Nisipul silicic este utilizat ca agent de formare a sticlei, iar soda calcinată și calcarul ajută în principal la scăderea temperaturii de topire. Alte ingrediente sunt utilizate pentru a îmbunătăți anumite proprietăți, cum ar fi boraxul pentru rezistența chimică. Sticla uzată, numită și cioburi de sticlă, este, de asemenea, utilizată ca materie primă. Materiile prime trebuie cântărite cu atenție în cantități exacte și amestecate complet împreună (numită procesare discontinuă) înainte de a fi topite în sticlă.

Fabricația
Proces

Topire

Odată ce amestecul este preparat, acesta este introdus într-un cuptor pentru topire. Cuptorul poate fi încălzit cu electricitate, combustibili fosili sau o combinație a celor două. Temperatura trebuie controlată cu precizie pentru a menține un flux lin și constant de sticlă. Sticla topită trebuie menținută la o temperatură mai ridicată (aproximativ 1371°C) decât alte tipuri de sticlă pentru a fi transformată în fibră. Odată ce sticla devine topită, aceasta este transferată către echipamentul de formare printr-un canal (avant-focar) situat la capătul cuptorului.

Formarea în fibre

Mai multe procese diferite sunt utilizate pentru a forma fibrele, în funcție de tipul de fibră. Fibrele textile pot fi formate din sticlă topită direct din cuptor sau sticla topită poate fi alimentată mai întâi într-o mașină care formează bile de sticlă cu un diametru de aproximativ 1,6 cm. Aceste bile permit inspectarea vizuală a sticlei pentru impurități. Atât în ​​procesul de topire directă, cât și în cel de topire a marmurei, sticla sau bilele de sticlă sunt alimentate prin bucșe încălzite electric (numite și filere). Bucșa este fabricată din platină sau aliaj metalic, cu între 200 și 3.000 de orificii foarte fine. Sticla topită trece prin orificii și iese sub formă de filamente fine.

Proces cu filament continuu

O fibră lungă și continuă poate fi produsă prin procesul cu filament continuu. După ce sticla curge prin găurile din bucșă, mai multe fire sunt prinse de un bobinator de mare viteză. Bobinatorul se rotește cu aproximativ 3 km pe minut, mult mai rapid decât viteza de curgere din bucșe. Tensiunea extrage filamentele în timp ce sunt încă topite, formând fire cu diametrul de o fracțiune din deschiderile din bucșă. Se aplică un liant chimic, care ajută la prevenirea ruperii fibrei în timpul prelucrării ulterioare. Filamentul este apoi înfășurat pe tuburi. Acum poate fi răsucit și înfășurat în fir.

Procesul fibrelor discontinue

O metodă alternativă este procedeul cu fibre discontinue. Pe măsură ce sticla topită curge prin bucșe, jeturi de aer răcesc rapid filamentele. Exploziile turbulente de aer rup, de asemenea, filamentele în lungimi de 20-38 cm. Aceste filamente cad printr-un spray de lubrifiant pe un tambur rotativ, unde formează o pânză subțire. Pânza este trasă din tambur și trasă într-un fir continuu de fibre asamblate lejer. Acest fir poate fi prelucrat în fire prin aceleași procese utilizate pentru lână și bumbac.

Fibră tocată

În loc să fie transformat în fir, firul continuu sau lung poate fi tăiat în bucăți scurte. Firul este montat pe un set de bobine, numite mezeluri, și tras printr-o mașină care îl toacă în bucăți scurte. Fibra tăiată este formată în covorașe la care se adaugă un liant. După întărirea într-un cuptor, covorașul este rulat. Diferite greutăți și grosimi dau naștere la produse pentru șindrilă, acoperișuri construite sau covorașe decorative.

Vată de sticlă

Procesul rotativ sau de filare este utilizat pentru a produce vată de sticlă. În acest proces, sticla topită din cuptor curge într-un recipient cilindric cu găuri mici. Pe măsură ce recipientul se rotește rapid, din găuri ies curenți orizontali de sticlă. Curenții de sticlă topită sunt transformați în fibre printr-un jet descendent de aer, gaz fierbinte sau ambele. Fibrele cad pe o bandă transportoare, unde se împletesc într-o masă lânoasă. Aceasta poate fi utilizată pentru izolație, sau vata poate fi pulverizată cu un liant, comprimată la grosimea dorită și întărită într-un cuptor. Căldura fixează liantul, iar produsul rezultat poate fi o placă rigidă sau semirigidă sau o vată flexibilă.

Acoperiri de protecție

Pe lângă lianți, pentru produsele din fibră de sticlă sunt necesare și alte acoperiri. Lubrifianții sunt utilizați pentru a reduce abraziunea fibrelor și sunt fie pulverizați direct pe fibră, fie adăugați în liant. Uneori, o compoziție antistatică este, de asemenea, pulverizată pe suprafața covorașelor izolatoare din fibră de sticlă în timpul etapei de răcire. Aerul de răcire aspirat prin covoraș face ca agentul antistatic să pătrundă pe întreaga grosime a covorașului. Agentul antistatic este format din două ingrediente - un material care minimizează generarea de electricitate statică și un material care servește ca inhibitor de coroziune și stabilizator. Apretarea este orice acoperire aplicată fibrelor textile în operațiunea de formare și poate conține una sau mai multe componente (lubrifianți, lianți sau agenți de cuplare). Agenții de cuplare sunt utilizați pe firele care vor fi utilizate pentru armarea materialelor plastice, pentru a consolida legătura cu materialul armat. Uneori este necesară o operațiune de finisare pentru a îndepărta aceste acoperiri sau pentru a adăuga o altă acoperire. Pentru armăturile din plastic, apreturile pot fi îndepărtate cu căldură sau substanțe chimice și se poate aplica un agent de cuplare. Pentru aplicații decorative, țesăturile trebuie tratate termic pentru a îndepărta apreturile și pentru a fixa țesătura. Apoi, se aplică straturi de bază cu colorant înainte de vopsire sau imprimare.

Formarea în forme

Produsele din fibră de sticlă sunt disponibile într-o mare varietate de forme, realizate prin mai multe procese. De exemplu, izolația țevilor din fibră de sticlă este înfășurată pe forme asemănătoare tijelor numite dornuri direct din unitățile de formare, înainte de întărire. Formele matriței, cu lungimi de 91 cm sau mai puțin, sunt apoi întărite într-un cuptor. Lungimile întărite sunt apoi demulate pe lungime și tăiate la dimensiunile specificate. Dacă este necesar, se aplică plăcuțe de protecție, iar produsul este ambalat pentru expediere.

Controlul calității

În timpul producției de izolație din fibră de sticlă, materialul este prelevat în mai multe locuri din proces pentru a menține calitatea. Aceste locuri includ: amestecul care este alimentat topitoria electrică; sticla topită din bucșa care alimentează fiberizatorul; fibra de sticlă care iese din mașina de fiberizator; și produsul final întărit care iese de la capătul liniei de producție. Probele de sticlă și fibră în vrac sunt analizate pentru compoziția chimică și prezența defectelor folosind analizoare chimice sofisticate și microscoape. Distribuția dimensiunii particulelor materialului din lot se obține prin trecerea materialului printr-o serie de site de diferite dimensiuni. Grosimea produsului final este măsurată după ambalare, conform specificațiilor. O modificare a grosimii indică faptul că sticla este sub standard.

Producătorii de izolație din fibră de sticlă utilizează, de asemenea, o varietate de proceduri de testare standardizate pentru a măsura, ajusta și optimiza rezistența acustică a produsului, absorbția sunetului și performanța barierei fonice. Proprietățile acustice pot fi controlate prin ajustarea unor variabile de producție precum diametrul fibrei, densitatea volumetrică, grosimea și conținutul de liant. O abordare similară este utilizată pentru controlul proprietăților termice.

Viitorul

Industria fibrei de sticlă se confruntă cu provocări majore în restul anilor 1990 și ulterior. Numărul producătorilor de izolație din fibră de sticlă a crescut datorită filialelor americane ale companiilor străine și îmbunătățirii productivității producătorilor americani. Acest lucru a dus la un exces de capacitate, pe care piața actuală și, probabil, viitoare nu o poate acomoda.

Pe lângă capacitatea excesivă, alte materiale de izolație vor concura. Vata minerală a devenit utilizată pe scară largă datorită îmbunătățirilor recente ale proceselor și produselor. Izolația din spumă este o altă alternativă la fibra de sticlă în pereții rezidențiali și acoperișurile comerciale. Un alt material concurent este celuloza, care este utilizată în izolația mansardelor.

Din cauza cererii scăzute de izolații, generată de o piață imobiliară slabă, consumatorii solicită prețuri mai mici. Această cerere este, de asemenea, un rezultat al tendinței continue de consolidare a comercianților cu amănuntul și a contractorilor. Ca răspuns, industria izolațiilor din fibră de sticlă va trebui să continue să reducă costurile în două domenii majore: energie și mediu. Va trebui să se utilizeze cuptoare mai eficiente, care să nu se bazeze pe o singură sursă de energie.

Odată cu atingerea capacității maxime a depozitelor de deșeuri, producătorii de fibră de sticlă vor trebui să obțină o producție aproape zero de deșeuri solide fără a crește costurile. Acest lucru va necesita îmbunătățirea proceselor de fabricație pentru a reduce deșeurile (și pentru deșeurile lichide și gazoase) și reutilizarea deșeurilor ori de câte ori este posibil.

Astfel de deșeuri pot necesita reprocesare și retopire înainte de reutilizare ca materie primă. Mai mulți producători abordează deja aceste probleme.