Как изготавливается стекловолокно?

Стекловолокно — это группа изделий, изготовленных из отдельных стекловолокон, соединенных в различные формы. Стекловолокна можно разделить на две основные группы в зависимости от их геометрии: непрерывные волокна, используемые в пряже и текстиле, и прерывистые (короткие) волокна, используемые в качестве матов, одеял или плит для изоляции и фильтрации. Стекловолокно можно формовать в пряжу, подобно шерсти или хлопку, и ткать в ткань, которая иногда используется для штор. Текстиль из стекловолокна обычно используется в качестве армирующего материала для формованных и ламинированных пластмасс. Стекловолоконная шерсть, толстый, пушистый материал, изготовленный из прерывистых волокон, используется для теплоизоляции и звукопоглощения. Она часто встречается в переборках и корпусах кораблей и подводных лодок; моторных отсеках автомобилей и облицовке кузовных панелей; в печах и кондиционерах; акустических стеновых и потолочных панелях; и архитектурных перегородках. Стекловолокно может быть адаптировано для конкретных применений, например, тип E (электрический), используемый в качестве электроизоляционной ленты, текстиля и армирующего материала; Тип C (химический), обладающий превосходной кислотостойкостью, и тип T, предназначенный для теплоизоляции.

Хотя коммерческое использование стекловолокна относительно недавнее явление, мастера создавали стеклянные нити для украшения бокалов и ваз еще в эпоху Возрождения. Французский физик Рене-Антуан Фершо де Реомюр в 1713 году создал текстиль, украшенный тонкими стеклянными нитями, а британские изобретатели повторили этот успех в 1822 году. Британский шелкоткач изготовил ткань из стекла в 1842 году, а другой изобретатель, Эдвард Либби, представил платье, сотканное из стекла, на Всемирной выставке 1893 года в Чикаго.

Стекловата, пушистая масса из прерывистых волокон произвольной длины, впервые была произведена в Европе на рубеже веков с использованием процесса, включавшего вытягивание волокон из стержней горизонтально к вращающемуся барабану. Несколько десятилетий спустя был разработан и запатентован процесс прядения. Стекловолоконный изоляционный материал производился в Германии во время Первой мировой войны. Исследования и разработки, направленные на промышленное производство стекловолокна, продвигались в Соединенных Штатах в 1930-х годах под руководством двух крупных компаний: Owens-Illinois Glass Company и Corning Glass Works. Эти компании разработали тонкое, гибкое и недорогое стекловолокно путем вытягивания расплавленного стекла через очень тонкие отверстия. В 1938 году эти две компании объединились, образовав Owens-Corning Fiberglas Corp. Сейчас известная просто как Owens-Corning, она стала компанией с годовым оборотом в 3 миллиарда долларов и является лидером на рынке стекловолокна.

Сырье

Основными сырьевыми материалами для изделий из стекловолокна являются различные природные минералы и химические вещества, полученные промышленным способом. К основным ингредиентам относятся кварцевый песок, известняк и кальцинированная сода. В качестве других ингредиентов могут использоваться прокаленный оксид алюминия, бура, полевой шпат, нефелиновый сиенит, магнезит и каолиновая глина, и другие. Кварцевый песок используется в качестве стеклообразующего компонента, а кальцинированная сода и известняк помогают в основном снизить температуру плавления. Другие ингредиенты используются для улучшения определенных свойств, например, бура для химической стойкости. Отходы стекла, также называемые стеклобоем, также используются в качестве сырья. Сырье необходимо тщательно взвешивать в точных количествах и тщательно перемешивать (это называется дозированием) перед расплавлением в стекло.

Производство
Процесс

Плавление

После подготовки партии стекла ее подают в печь для плавки. Печь может нагреваться электричеством, ископаемым топливом или их комбинацией. Температуру необходимо точно контролировать для обеспечения плавного и равномерного потока стекла. Расплавленное стекло должно поддерживаться при более высокой температуре (около 2500 °F [1371 °C]), чем другие виды стекла, чтобы его можно было формовать в волокно. После расплавления стекло подается в формовочное оборудование через канал (передний очаг), расположенный в конце печи.

Формирование в волокна

Для получения волокон используются несколько различных процессов, в зависимости от типа волокна. Текстильные волокна могут быть получены из расплавленного стекла непосредственно в печи, или же расплавленное стекло может сначала подаваться в машину, которая формирует стеклянные шарики диаметром около 0,62 дюйма (1,6 см). Эти шарики позволяют визуально проверять стекло на наличие примесей. Как при прямом расплавлении, так и при расплавлении стеклянных шариков, стекло или стеклянные шарики подаются через электрически нагреваемые втулки (также называемые фильерами). Втулка изготавливается из платины или металлического сплава и имеет от 200 до 3000 очень тонких отверстий. Расплавленное стекло проходит через отверстия и выходит в виде тонких нитей.

Процесс непрерывной подачи нити

Длинное непрерывное волокно можно получить с помощью процесса непрерывного намотки. После того, как стекло проходит через отверстия во втулке, множество нитей захватываются на высокоскоростном намотчике. Намотчик вращается со скоростью около 3 км в минуту, что значительно быстрее скорости потока из втулок. Натяжение вытягивает нити, пока они еще расплавлены, образуя нити диаметром, составляющим долю диаметра отверстий во втулке. Наносится химическое связующее, которое помогает предотвратить обрыв волокна в процессе дальнейшей обработки. Затем нить наматывается на трубки. Теперь ее можно скручивать и скручивать в пряжу.

процесс производства штапельного волокна

Альтернативным методом является процесс производства штапельного волокна. Когда расплавленное стекло проходит через втулки, струи воздуха быстро охлаждают волокна. Турбулентные потоки воздуха также разрывают волокна на отрезки длиной 8-15 дюймов (20-38 см). Эти волокна падают через распыленную смазку на вращающийся барабан, где образуют тонкое полотно. Полотно вытягивается из барабана и превращается в непрерывную нить из рыхло связанных волокон. Эта нить может быть переработана в пряжу теми же процессами, которые используются для шерсти и хлопка.

Измельчённое волокно

Вместо того чтобы формировать из него пряжу, непрерывную или длинноволокнистую нить можно нарезать на короткие отрезки. Нить наматывается на бобины, называемые катушкой, и протягивается через машину, которая измельчает ее на короткие кусочки. Измельченное волокно формуется в маты, к которым добавляется связующее вещество. После сушки в печи мат сворачивается в рулон. Различная плотность и толщина позволяют получать изделия для черепицы, многослойной кровли или декоративных матов.

Стекловата

Для производства стекловаты используется роторный или прядильный процесс. В этом процессе расплавленное стекло из печи поступает в цилиндрический контейнер с небольшими отверстиями. По мере быстрого вращения контейнера из отверстий вытекают горизонтальные потоки стекла. Потоки расплавленного стекла превращаются в волокна под действием направленного вниз потока воздуха, горячего газа или того и другого. Волокна падают на конвейерную ленту, где переплетаются друг с другом, образуя пушистую массу. Это можно использовать для изоляции, или же стекловату можно покрыть связующим веществом, спрессовать до желаемой толщины и отвердить в печи. Нагрев закрепляет связующее вещество, и полученный продукт может представлять собой жесткую или полужесткую плиту, или гибкий мат.

Защитные покрытия

Помимо связующих веществ, для изделий из стекловолокна требуются и другие покрытия. Смазочные материалы используются для уменьшения истирания волокон и либо распыляются непосредственно на волокно, либо добавляются в связующее вещество. Иногда на поверхность стекловолоконных изоляционных матов во время охлаждения также распыляется антистатический состав. Охлаждающий воздух, проходящий через мат, заставляет антистатическое вещество проникать по всей толщине мата. Антистатическое вещество состоит из двух компонентов — материала, который минимизирует образование статического электричества, и материала, который служит ингибитором коррозии и стабилизатором. Пропитка — это любое покрытие, наносимое на текстильные волокна в процессе формования, и может содержать один или несколько компонентов (смазочные материалы, связующие вещества или связующие агенты). Связующие агенты используются на нитях, которые будут использоваться для армирования пластмасс, для усиления связи с армирующим материалом. Иногда требуется финишная обработка для удаления этих покрытий или нанесения другого покрытия. Для пластиковых армирующих материалов пропитку можно удалить с помощью тепла или химических веществ и нанести связующий агент. Для декоративных целей ткани необходимо подвергнуть термической обработке для удаления пропитки и закрепления структуры плетения. Затем перед окрашиванием или печатью наносятся базовые покрытия для красителей.

Формирование в различные формы

Изделия из стекловолокна выпускаются в самых разнообразных формах и изготавливаются с использованием нескольких технологических процессов. Например, теплоизоляция для труб из стекловолокна наматывается на стержнеобразные формы, называемые оправками, непосредственно из формовочных блоков перед отверждением. Затем формы длиной 3 фута (91 см) или менее подвергаются отверждению в печи. После отверждения заготовки извлекаются из форм вдоль и распиливаются на заготовки заданных размеров. При необходимости наносятся облицовочные материалы, и изделие упаковывается для отправки.

Контроль качества

В процессе производства стекловолоконной изоляции отбор проб материала осуществляется в нескольких точках для обеспечения контроля качества. К таким точкам относятся: смешанная масса, подаваемая в электроплавильную печь; расплавленное стекло из трубки, подающей стекловолокно в фиброгенератор; стекловолокно, выходящее из фиброгенераторной машины; и готовый отвержденный продукт, выходящий из конца производственной линии. Образцы стекла и волокна анализируются на химический состав и наличие дефектов с использованием сложных химических анализаторов и микроскопов. Распределение частиц по размерам в массе материала определяется путем пропускания материала через сита различного размера. Толщина готового продукта измеряется после упаковки в соответствии со спецификациями. Изменение толщины указывает на то, что качество стекла ниже стандарта.

Производители стекловолоконной изоляции также используют различные стандартизированные методы тестирования для измерения, регулировки и оптимизации акустического сопротивления, звукопоглощения и звукоизоляционных свойств продукции. Акустические свойства можно контролировать путем регулирования таких производственных параметров, как диаметр волокон, насыпная плотность, толщина и содержание связующего вещества. Аналогичный подход используется для контроля тепловых свойств.

Будущее

В оставшейся части 1990-х годов и в последующие годы стекловолоконная промышленность столкнется с рядом серьезных проблем. Число производителей стекловолоконной изоляции увеличилось благодаря американским дочерним компаниям иностранных фирм и повышению производительности американских производителей. Это привело к избыточным мощностям, которые нынешний и, возможно, будущий рынок не сможет удовлетворить.

Помимо избыточных мощностей, конкуренцию составят и другие изоляционные материалы. Минеральная вата получила широкое распространение благодаря недавним усовершенствованиям в технологиях и производстве. Пенополиуретановая изоляция — еще одна альтернатива стекловолокну в стенах жилых домов и крышах коммерческих зданий. Еще один конкурирующий материал — целлюлоза, используемая для утепления чердаков.

Из-за низкого спроса на теплоизоляцию, вызванного вялым рынком жилья, потребители требуют снижения цен. Этот спрос также является результатом продолжающейся тенденции к консолидации розничных продавцов и подрядчиков. В ответ на это отрасли производства стекловолоконной теплоизоляции придется продолжать сокращать расходы в двух основных областях: энергосбережение и охрана окружающей среды. Необходимо будет использовать более эффективные печи, которые не зависят только от одного источника энергии.

Поскольку свалки достигли максимальной вместимости, производителям стекловолокна придется добиться практически нулевого объема твердых отходов без увеличения затрат. Это потребует совершенствования производственных процессов для сокращения отходов (в том числе жидких и газообразных) и повторного использования отходов везде, где это возможно.

Подобные отходы могут потребовать переработки и переплавки перед повторным использованием в качестве сырья. Несколько производителей уже решают эти проблемы.