Steklena vlakna se nanašajo na skupino izdelkov, izdelanih iz posameznih steklenih vlaken, združenih v različne oblike. Steklena vlakna lahko glede na njihovo geometrijo razdelimo v dve glavni skupini: neprekinjena vlakna, ki se uporabljajo v prejah in tekstilih, ter prekinjena (kratka) vlakna, ki se uporabljajo kot polnila, odeje ali plošče za izolacijo in filtracijo. Steklena vlakna se lahko oblikujejo v prejo, podobno kot volna ali bombaž, in se vtkejo v tkanino, ki se včasih uporablja za draperije. Tekstil iz steklenih vlaken se pogosto uporablja kot ojačitveni material za oblikovane in laminirane plastike. Steklena volna, debel, puhast material iz prekinjenih vlaken, se uporablja za toplotno izolacijo in absorpcijo zvoka. Pogosto jo najdemo v pregradah in trupih ladij in podmornic; v motornih prostorih avtomobilov in oblogah karoserij; v pečeh in klimatskih napravah; v akustičnih stenskih in stropnih ploščah; ter v arhitekturnih predelnih stenah. Steklena vlakna se lahko prilagodijo za posebne aplikacije, kot so tip E (električna), ki se uporablja kot električni izolacijski trak, tekstil in ojačitev; tip C (kemična), ki ima vrhunsko odpornost na kisline, in tip T za toplotno izolacijo.
Čeprav je komercialna uporaba steklenih vlaken relativno nova, so obrtniki v času renesanse ustvarjali steklene niti za okraševanje kelihov in vaz. Francoski fizik Rene-Antoine Ferchault de Reaumur je leta 1713 izdelal tekstil, okrašen s finimi steklenimi niti, britanski izumitelji pa so ta podvig ponovili leta 1822. Britanski tkalec svile je leta 1842 izdelal stekleno tkanino, drug izumitelj, Edward Libbey, pa je na kolumbijski razstavi leta 1893 v Chicagu razstavil obleko, stkano iz stekla.
Steklena volna, puhasta masa diskontinuiranih vlaken naključnih dolžin, je bila v Evropi prvič proizvedena na prelomu stoletja z uporabo postopka, ki je vključeval vlečenje vlaken iz palic vodoravno na vrtljiv boben. Nekaj desetletij pozneje je bil razvit in patentiran postopek predenja. Izolacijski material iz steklenih vlaken so v Nemčiji proizvajali med prvo svetovno vojno. Raziskave in razvoj, namenjeni industrijski proizvodnji steklenih vlaken, so v Združenih državah Amerike napredovali v tridesetih letih prejšnjega stoletja pod vodstvom dveh večjih podjetij, Owens-Illinois Glass Company in Corning Glass Works. Ti podjetji sta razvili fina, upogljiva in poceni steklena vlakna z vlečenjem staljenega stekla skozi zelo fine odprtine. Leta 1938 sta se ti dve podjetji združili v Owens-Corning Fiberglas Corp. Danes znano preprosto kot Owens-Corning, je postalo podjetje s 3 milijarde dolarjev letnega obrata in je vodilno na trgu steklenih vlaken.
Surovine
Osnovne surovine za izdelke iz steklenih vlaken so različni naravni minerali in industrijsko proizvedene kemikalije. Glavne sestavine so kremenčev pesek, apnenec in natrijev karbonat. Druge sestavine lahko vključujejo kalciniran aluminijev oksid, boraks, glinenec, nefelinski sienit, magnezit in kaolinsko glino, med drugim. Kremenčev pesek se uporablja kot steklotvorno sredstvo, natrijev karbonat in apnenec pa pomagata predvsem znižati temperaturo taljenja. Druge sestavine se uporabljajo za izboljšanje določenih lastnosti, na primer boraks za kemično odpornost. Odpadno steklo, imenovano tudi stekleno drobljenje, se uporablja tudi kot surovina. Surovine je treba pred taljenjem v steklo skrbno stehtati v natančnih količinah in jih temeljito zmešati (imenovano mešanje).
Proizvodnja
Postopek
Taljenje
Ko je serija pripravljena, se jo da v talilno peč. Peč se lahko segreva z elektriko, fosilnim gorivom ali kombinacijo obojega. Temperaturo je treba natančno nadzorovati, da se ohrani nemoten in enakomeren pretok stekla. Staljeno steklo je treba vzdrževati pri višji temperaturi (približno 1371 °C) kot druge vrste stekla, da se oblikuje v vlakna. Ko se steklo stopi, se po kanalu (predpečju), ki se nahaja na koncu peči, prenese v oblikovalno opremo.
Oblikovanje v vlakna
Za oblikovanje vlaken se uporablja več različnih postopkov, odvisno od vrste vlaken. Tekstilna vlakna se lahko oblikujejo iz staljenega stekla neposredno iz peči ali pa se staljeno steklo najprej dovaja v stroj, ki oblikuje steklene frnikole s premerom približno 1,6 cm. Te frnikole omogočajo vizualni pregled stekla glede nečistoč. Tako pri neposrednem taljenju kot pri taljenju marmorja se steklo ali steklene frnikole dovajajo skozi električno ogrevane puše (imenovane tudi predilne šobe). Puša je izdelana iz platine ali kovinske zlitine in ima od 200 do 3000 zelo finih odprtin. Staljeno steklo prehaja skozi odprtine in izstopa kot fine niti.
Postopek z neprekinjenim filamentom
Dolgo, neprekinjeno vlakno je mogoče izdelati s postopkom neprekinjenega filamenta. Ko steklo steče skozi luknje v puši, se več pramenov ujame na visokohitrostni navijalec. Navijalec se vrti s hitrostjo približno 3 km na minuto, kar je veliko hitreje od hitrosti pretoka iz puš. Napetost izvleče nitke, ko so še staljene, in tvori niti, ki imajo le delček premera odprtin v puši. Nanese se kemično vezivo, ki preprečuje, da bi se vlakna med kasnejšo obdelavo pretrgala. Nitka se nato navije na cevke. Zdaj se lahko zvije in splete v prejo.
Postopek iz rezanih vlaken
Alternativna metoda je postopek s rezanimi vlakni. Ko staljeno steklo teče skozi puše, curki zraka hitro ohladijo filamente. Turbulentni sunki zraka tudi raztrgajo filamente na dolžine 20–38 cm. Ti filamenti padejo skozi pršenje maziva na vrteči se boben, kjer tvorijo tanko mrežo. Mreža se izvleče iz bobna in se potegne v neprekinjeno nit ohlapno sestavljenih vlaken. Ta nit se lahko predela v prejo z istimi postopki, kot se uporabljajo za volno in bombaž.
Sesekljana vlakna
Namesto oblikovanja v prejo se lahko neprekinjena ali dolgovlakna nit nareže na kratke dolžine. Nit se namesti na niz vretenc, imenovanih košara, in potegne skozi stroj, ki jo nareže na kratke kose. Narezana vlakna se oblikujejo v podloge, ki jim je dodano vezivo. Po utrjevanju v pečici se podloga zvije. Različne teže in debeline dajejo izdelke za skodle, strešne kritine ali dekorativne podloge.
Steklena volna
Za izdelavo steklene volne se uporablja rotacijski ali centrifugalni postopek. Pri tem postopku staljeno steklo iz peči teče v valjasto posodo z majhnimi luknjicami. Ko se posoda hitro vrti, iz luknjic tečejo vodoravni curki stekla. Curki staljenega stekla se s sunkom zraka, vročega plina ali obojega, ki se spušča navzdol, pretvorijo v vlakna. Vlakna padejo na tekoči trak, kjer se prepletajo v volnasto maso. To se lahko uporabi za izolacijo ali pa se volna poprši z vezivom, stisne na želeno debelino in utrdi v pečici. Toplota strdi vezivo, nastali izdelek pa je lahko toga ali poltoga plošča ali prožna plošča.
Zaščitni premazi
Poleg veziv so za izdelke iz steklenih vlaken potrebni tudi drugi premazi. Maziva se uporabljajo za zmanjšanje odrgnine vlaken in se bodisi neposredno popršijo na vlakna bodisi se dodajo vezivu. Med hlajenjem se včasih na površino izolacijskih preprog iz steklenih vlaken poprši tudi antistatična sestava. Hladilni zrak, ki se vsesava skozi preprogo, povzroči, da antistatično sredstvo prodre v celotno debelino preproge. Antistatično sredstvo je sestavljeno iz dveh sestavin – materiala, ki zmanjšuje nastajanje statične elektrike, in materiala, ki služi kot zaviralec korozije in stabilizator. Prevleka je vsaka prevleka, ki se nanese na tekstilna vlakna med oblikovanjem in lahko vsebuje eno ali več komponent (maziva, veziva ali vezna sredstva). Vezna sredstva se uporabljajo na pramenih, ki se bodo uporabljali za ojačitev plastike, za okrepitev vezi z ojačanim materialom. Včasih je potrebna zaključna obdelava za odstranitev teh premazov ali za dodajanje drugega premaza. Pri plastičnih ojačitvah se lahko prevleke odstranijo s toploto ali kemikalijami in nanese se vezno sredstvo. Za dekorativne aplikacije je treba tkanine toplotno obdelati, da se odstranijo prevleke in utrdi tkanje. Pred barvanjem ali tiskanjem se nato nanesejo osnovni premazi za barvanje.
Oblikovanje v oblike
Izdelki iz steklenih vlaken so na voljo v najrazličnejših oblikah, izdelanih z uporabo več postopkov. Na primer, izolacija za cevi iz steklenih vlaken se pred strjevanjem navije na paličaste kalupe, imenovane trni, neposredno iz oblikovalnih enot. Kalupi, dolgi največ 91 cm, se nato strdijo v pečici. Strjeni kosi se nato po dolžini razrežejo iz kalupa in razžagajo na določene dimenzije. Po potrebi se namestijo obloge, izdelek pa se zapakira za odpremo.
Nadzor kakovosti
Med proizvodnjo izolacije iz steklenih vlaken se material vzorči na več mestih v procesu, da se ohrani kakovost. Ta mesta vključujejo: mešano serijo, ki se dovaja v električno talilno peč; staljeno steklo iz puš, ki napaja vlaknilnik; steklena vlakna, ki prihajajo iz stroja za vlaknilnik; in končni utrjen izdelek, ki prihaja na koncu proizvodne linije. Vzorci stekla in vlaken v razsutem stanju se analizirajo glede kemične sestave in prisotnosti napak z uporabo sofisticiranih kemičnih analizatorjev in mikroskopov. Porazdelitev velikosti delcev v seriji se dobi s prepuščanjem materiala skozi več sit različnih velikosti. Debelina končnega izdelka se po pakiranju v skladu s specifikacijami izmeri. Sprememba debeline kaže, da je kakovost stekla pod standardom.
Proizvajalci izolacije iz steklenih vlaken uporabljajo tudi različne standardizirane preskusne postopke za merjenje, prilagajanje in optimizacijo akustične upornosti, absorpcije zvoka in delovanja zvočne bariere izdelka. Akustične lastnosti je mogoče nadzorovati s prilagajanjem proizvodnih spremenljivk, kot so premer vlaken, gostota v razsutem stanju, debelina in vsebnost veziva. Podoben pristop se uporablja za nadzor toplotnih lastnosti.
Prihodnost
Industrija steklenih vlaken se je v preostalem delu devetdesetih let prejšnjega stoletja in pozneje soočila z nekaterimi velikimi izzivi. Število proizvajalcev izolacije iz steklenih vlaken se je povečalo zaradi ameriških podružnic tujih podjetij in izboljšav produktivnosti ameriških proizvajalcev. To je povzročilo presežne zmogljivosti, ki jih sedanji in morda tudi prihodnji trg ne moreta zadovoljiti.
Poleg presežne zmogljivosti bodo konkurirali tudi drugi izolacijski materiali. Kamena volna se je zaradi nedavnih izboljšav postopkov in izdelkov pogosto uporabljala. Penasta izolacija je še ena alternativa steklenim vlaknom v stanovanjskih stenah in poslovnih strehah. Drug konkurenčen material je celuloza, ki se uporablja za izolacijo podstrešij.
Zaradi nizkega povpraševanja po izolaciji na trgu mehkih stanovanj potrošniki zahtevajo nižje cene. To povpraševanje je tudi posledica nadaljnjega trenda združevanja trgovcev na drobno in izvajalcev. Zato bo morala industrija izolacije iz steklenih vlaken še naprej zmanjševati stroške na dveh glavnih področjih: energiji in okolju. Uporabiti bo treba učinkovitejše peči, ki niso odvisne le od enega vira energije.
Ker bodo odlagališča dosegla največjo zmogljivost, bodo morali proizvajalci steklenih vlaken doseči skoraj ničelno proizvodnjo trdnih odpadkov, ne da bi pri tem povečali stroške. To bo zahtevalo izboljšanje proizvodnih procesov za zmanjšanje količine odpadkov (tudi za tekoče in plinske odpadke) in ponovno uporabo odpadkov, kjer koli je to mogoče.
Takšne odpadke je morda treba pred ponovno uporabo kot surovino ponovno predelati in pretaliti. Več proizvajalcev se s temi vprašanji že ukvarja.
Čas objave: 11. junij 2021