Hur tillverkas glasfiber?

Glasfiber avser en grupp produkter tillverkade av individuella glasfibrer kombinerade i en mängd olika former. Glasfibrer kan delas in i två huvudgrupper beroende på deras geometri: kontinuerliga fibrer som används i garn och textilier, och de diskontinuerliga (korta) fibrerna som används som vadder, filtar eller skivor för isolering och filtrering. Glasfiber kan formas till garn ungefär som ull eller bomull, och vävas till tyg som ibland används för draperier. Glasfibertextilier används ofta som armeringsmaterial för gjuten och laminerad plast. Glasfiberull, ett tjockt, fluffigt material tillverkat av diskontinuerliga fibrer, används för värmeisolering och ljudabsorption. Det finns ofta i skott och skrov på fartyg och ubåtar; bilmotorrum och karosseripaneler; i ugnar och luftkonditioneringsenheter; akustiska vägg- och takpaneler; och arkitektoniska skiljeväggar. Glasfiber kan skräddarsys för specifika tillämpningar såsom typ E (elektrisk), som används som elektrisk isoleringstejp, textilier och armering; typ C (kemisk), som har överlägsen syrabeständighet, och typ T, för värmeisolering.

Även om kommersiell användning av glasfiber är relativt ny, skapade hantverkare glastrådar för att dekorera bägare och vaser under renässansen. En fransk fysiker, René-Antoine Ferchault de Reaumur, producerade textilier dekorerade med fina glastrådar år 1713, och brittiska uppfinnare kopierade bedriften år 1822. En brittisk sidenvävare tillverkade ett glastyg år 1842, och en annan uppfinnare, Edward Libbey, ställde ut en klänning vävd av glas på Columbian Exposition 1893 i Chicago.

Glasull, en fluffig massa av diskontinuerliga fibrer i slumpmässiga längder, tillverkades först i Europa vid sekelskiftet, med hjälp av en process som innebar att fibrer drogs horisontellt från stavar till en roterande trumma. Flera decennier senare utvecklades och patenterades en spinnprocess. Glasfiberisoleringsmaterial tillverkades i Tyskland under första världskriget. Forskning och utveckling inriktad på industriell produktion av glasfibrer utvecklades i USA på 1930-talet, under ledning av två stora företag, Owens-Illinois Glass Company och Corning Glass Works. Dessa företag utvecklade en fin, böjlig och billig glasfiber genom att dra smält glas genom mycket fina öppningar. År 1938 slogs dessa två företag samman och bildade Owens-Corning Fiberglas Corp. Numera känt som Owens-Corning, har det blivit ett företag med en omsättning på 3 miljarder dollar per år och är ledande på glasfibermarknaden.

Råvaror

De grundläggande råvarorna för glasfiberprodukter är en mängd olika naturliga mineraler och tillverkade kemikalier. De viktigaste ingredienserna är kiselsand, kalksten och soda. Andra ingredienser kan bland annat inkludera kalcinerad aluminiumoxid, borax, fältspat, nefelinsyenit, magnesit och kaolinlera. Kiselsand används som glasbildare, och soda och kalksten hjälper främst till att sänka smälttemperaturen. Andra ingredienser används för att förbättra vissa egenskaper, såsom borax för kemisk resistens. Avfallsglas, även kallat glasskår, används också som råmaterial. Råmaterialen måste noggrant vägas i exakta mängder och blandas noggrant (kallas batching) innan de smälts till glas.

Tillverkningen
Behandla

Smältande

När satsen är förberedd matas den in i en ugn för smältning. Ugnen kan värmas upp med elektricitet, fossilt bränsle eller en kombination av de två. Temperaturen måste kontrolleras exakt för att upprätthålla ett jämnt och stabilt flöde av glas. Det smälta glaset måste hållas vid en högre temperatur (cirka 1371 °C) än andra typer av glas för att formas till fiber. När glaset har smält överförs det till formningsutrustningen via en kanal (förhärd) som är placerad i slutet av ugnen.

Formning till fibrer

Flera olika processer används för att forma fibrer, beroende på fibertyp. Textilfibrer kan formas av smält glas direkt från ugnen, eller så kan det smälta glaset först matas till en maskin som formar glaskulor med en diameter på cirka 1,6 cm. Dessa kulor gör det möjligt att inspektera glaset visuellt för föroreningar. I både direktsmältning och marmorsmältningsprocessen matas glaset eller glaskulorna genom elektriskt uppvärmda bussningar (även kallade spinndysor). Bussningen är tillverkad av platina eller metalllegering, med allt från 200 till 3 000 mycket fina öppningar. Det smälta glaset passerar genom öppningarna och kommer ut som fina filament.

Kontinuerlig filamentprocess

En lång, kontinuerlig fiber kan produceras genom kontinuerlig filamentprocess. Efter att glaset har flytt genom hålen i bussningen fångas flera trådar upp på en höghastighetslindningsmaskin. Lindningsmaskinen roterar med cirka 3 km i minuten, mycket snabbare än flödeshastigheten från bussningarna. Spänningen drar ut trådarna medan de fortfarande är smälta, vilket bildar trådar som bara är lika stora som diametern på öppningarna i bussningen. Ett kemiskt bindemedel appliceras, vilket hjälper till att förhindra att fibern går sönder under senare bearbetning. Tråden lindas sedan på rör. Den kan nu tvinnas och tvinnas till garn.

Stapelfiberprocessen

En alternativ metod är stapelfiberprocessen. När det smälta glaset strömmar genom bussningarna kyler luftstrålar snabbt filamenten. De turbulenta luftstötarna bryter också sönder filamenten i längder på 20–38 cm. Dessa filament faller genom en spray av smörjmedel ner på en roterande trumma, där de bildar en tunn väv. Nätet dras från trumman och dras till en kontinuerlig tråd av löst sammansatta fibrer. Denna tråd kan bearbetas till garn med samma processer som används för ull och bomull.

Hackad fiber

Istället för att formas till garn kan den kontinuerliga eller långa stapeltråden hackas i korta längder. Tråden monteras på en uppsättning spolar, kallad en spole, och dras genom en maskin som hackar den i korta bitar. Den hackade fibern formas till mattor till vilka ett bindemedel tillsätts. Efter härdning i en ugn rullas mattan ihop. Olika vikter och tjocklekar ger produkter för bältros, uppbyggda tak eller dekorativa mattor.

Glasull

Rotations- eller spinnprocessen används för att tillverka glasull. I denna process strömmar smält glas från ugnen in i en cylindrisk behållare med små hål. När behållaren roterar snabbt strömmar horisontella glasströmmar ut ur hålen. De smälta glasströmmarna omvandlas till fibrer genom en nedåtriktad luftström, het gas eller båda. Fibrerna faller ner på ett transportband där de sammanflätas i en ullig massa. Detta kan användas för isolering, eller så kan ullen sprayas med ett bindemedel, komprimeras till önskad tjocklek och härdas i en ugn. Värmen härdar bindemedlet, och den resulterande produkten kan vara en styv eller halvstyv skiva, eller en flexibel vadd.

Skyddande beläggningar

Förutom bindemedel krävs andra beläggningar för glasfiberprodukter. Smörjmedel används för att minska fibernötning och sprayas antingen direkt på fibern eller tillsätts i bindemedlet. En antistatisk komposition sprayas ibland också på ytan av glasfiberisoleringsmattor under kylningssteget. Kylluft som dras genom mattan gör att det antistatiska medlet penetrerar hela mattans tjocklek. Det antistatiska medlet består av två ingredienser - ett material som minimerar genereringen av statisk elektricitet och ett material som fungerar som korrosionsinhibitor och stabilisator. Limning är vilken beläggning som helst som appliceras på textilfibrer under formningsoperationen och kan innehålla en eller flera komponenter (smörjmedel, bindemedel eller kopplingsmedel). Kopplingsmedel används på trådar som ska användas för att förstärka plast, för att stärka bindningen till det förstärkta materialet. Ibland krävs en efterbehandling för att ta bort dessa beläggningar eller för att lägga till ytterligare en beläggning. För plastförstärkningar kan limningar tas bort med värme eller kemikalier och ett kopplingsmedel appliceras. För dekorativa tillämpningar måste tyger värmebehandlas för att ta bort limningar och för att fixera väven. Färgbasbeläggningar appliceras sedan före färgning eller tryckning.

Formning till former

Glasfiberprodukter finns i en mängd olika former och tillverkas med hjälp av flera processer. Till exempel lindas isolering av glasfiberrör på stavliknande former som kallas dorn direkt från formningsenheterna, innan härdning. Formarna, i längder på 91 cm eller mindre, härdas sedan i en ugn. De härdade längderna urformas sedan på längden och sågas till specificerade dimensioner. Ytbeklädnader appliceras vid behov och produkten förpackas för transport.

Kvalitetskontroll

Under produktionen av glasfiberisolering tas materialprover på ett antal platser i processen för att bibehålla kvaliteten. Dessa platser inkluderar: den blandade satsen som matas till den elektriska smältaren; smält glas från bussningen som matar fiberiseringsmaskinen; glasfiber som kommer ut ur fiberiseringsmaskinen; och den slutliga härdade produkten som kommer ut från slutet av produktionslinjen. Glas- och fiberproverna analyseras med avseende på kemisk sammansättning och förekomst av defekter med hjälp av sofistikerade kemiska analysatorer och mikroskop. Partikelstorleksfördelningen för satsmaterialet erhålls genom att materialet passerar genom ett antal siktar av olika storlekar. Slutproduktens tjocklek mäts efter förpackning enligt specifikationerna. En förändring i tjocklek indikerar att glaskvaliteten är under standarden.

Tillverkare av glasfiberisolering använder också en mängd olika standardiserade testprocedurer för att mäta, justera och optimera produkters akustiska motstånd, ljudabsorption och ljudbarriärprestanda. De akustiska egenskaperna kan kontrolleras genom att justera produktionsvariabler som fiberdiameter, skrymdensitet, tjocklek och bindemedelsinnehåll. En liknande metod används för att kontrollera termiska egenskaper.

Framtiden

Glasfiberindustrin står inför några stora utmaningar under resten av 1990-talet och framåt. Antalet producenter av glasfiberisolering har ökat på grund av amerikanska dotterbolag till utländska företag och produktivitetsförbättringar hos amerikanska tillverkare. Detta har resulterat i en överkapacitet, vilket den nuvarande och kanske framtida marknaden inte kan hantera.

Förutom överkapacitet kommer andra isoleringsmaterial att konkurrera. Stenull har blivit allmänt använt på grund av de senaste process- och produktförbättringarna. Skumisolering är ett annat alternativ till glasfiber i bostadsväggar och kommersiella tak. Ett annat konkurrerande material är cellulosa, som används i vindsisolering.

På grund av den låga efterfrågan på isolering på grund av en svag bostadsmarknad kräver konsumenterna lägre priser. Denna efterfrågan är också ett resultat av den fortsatta trenden med konsolidering av återförsäljare och entreprenörer. Som svar på detta måste glasfiberisoleringsindustrin fortsätta att sänka kostnaderna inom två huvudområden: energi och miljö. Effektivare ugnar som inte bara är beroende av en energikälla måste användas.

När deponier når sin maximala kapacitet måste glasfibertillverkare uppnå nästan noll produktion av fast avfall utan att öka kostnaderna. Detta kommer att kräva förbättrade tillverkningsprocesser för att minska avfallet (även för flytande och gasformigt avfall) och återanvändning av avfall där det är möjligt.

Sådant avfall kan kräva upparbetning och omsmältning innan det återanvänds som råmaterial. Flera tillverkare tar redan itu med dessa problem.