ไฟเบอร์กลาสผลิตได้อย่างไร?

ไฟเบอร์กลาสหมายถึงกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ทำจากเส้นใยแก้วแต่ละเส้นรวมกันเป็นรูปทรงต่างๆ เส้นใยแก้วสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลักตามรูปทรงเรขาคณิต ได้แก่ เส้นใยต่อเนื่องที่ใช้ในเส้นด้ายและสิ่งทอ และเส้นใยไม่ต่อเนื่อง (สั้น) ที่ใช้เป็นแผ่น ผ้าห่ม หรือแผ่นสำหรับฉนวนและการกรอง ไฟเบอร์กลาสสามารถขึ้นรูปเป็นเส้นด้ายได้เช่นเดียวกับขนสัตว์หรือฝ้าย และทอเป็นผ้าซึ่งบางครั้งใช้สำหรับผ้าม่าน สิ่งทอไฟเบอร์กลาสมักใช้เป็นวัสดุเสริมแรงสำหรับพลาสติกขึ้นรูปและเคลือบ ไฟเบอร์กลาสแบบขนปุย ซึ่งเป็นวัสดุหนาและฟูที่ทำจากเส้นใยไม่ต่อเนื่อง ใช้สำหรับฉนวนกันความร้อนและการดูดซับเสียง พบได้ทั่วไปในผนังกั้นและตัวเรือของเรือและเรือดำน้ำ ช่องเครื่องยนต์และแผ่นบุตัวถังรถยนต์ ในเตาเผาและเครื่องปรับอากาศ แผ่นผนังและฝ้าเพดานกันเสียง และฉากกั้นทางสถาปัตยกรรม ไฟเบอร์กลาสสามารถปรับแต่งให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะ เช่น ประเภท E (ไฟฟ้า) ใช้เป็นเทปฉนวนไฟฟ้า สิ่งทอ และวัสดุเสริมแรง ประเภท C (เคมี) ซึ่งมีความทนทานต่อกรดสูง และประเภท T สำหรับฉนวนกันความร้อน

แม้ว่าการใช้เส้นใยแก้วในเชิงพาณิชย์จะค่อนข้างใหม่ แต่ช่างฝีมือได้สร้างเส้นใยแก้วเพื่อตกแต่งถ้วยและแจกันในช่วงยุคเรเนสซองส์ นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เรเน-อองตวน เฟอร์โชต์ เดอ เรอเมอร์ ได้ผลิตสิ่งทอที่ตกแต่งด้วยเส้นใยแก้วละเอียดในปี 1713 และนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษก็ทำซ้ำความสำเร็จนี้ได้ในปี 1822 ช่างทอผ้าไหมชาวอังกฤษคนหนึ่งได้ทำผ้าแก้วในปี 1842 และนักประดิษฐ์อีกคนหนึ่ง เอ็ดเวิร์ด ลิบบีย์ ได้จัดแสดงชุดที่ทอจากแก้วในงานนิทรรศการโคลัมเบียนปี 1893 ที่ชิคาโก

ใยแก้ว ซึ่งเป็นมวลเส้นใยที่ไม่ต่อเนื่องและมีความยาวไม่สม่ำเสมอ ถูกผลิตขึ้นครั้งแรกในยุโรปในช่วงต้นศตวรรษที่ผ่านมา โดยใช้กระบวนการดึงเส้นใยจากแท่งในแนวนอนไปยังดรัมหมุน หลายทศวรรษต่อมา กระบวนการปั่นเส้นใยได้รับการพัฒนาและจดสิทธิบัตร วัสดุฉนวนใยแก้วถูกผลิตขึ้นในเยอรมนีในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 การวิจัยและพัฒนาเพื่อการผลิตใยแก้วในระดับอุตสาหกรรมมีความก้าวหน้าในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษที่ 1930 ภายใต้การกำกับดูแลของสองบริษัทใหญ่ ได้แก่ บริษัท Owens-Illinois Glass Company และ Corning Glass Works บริษัทเหล่านี้ได้พัฒนาใยแก้วคุณภาพดี ยืดหยุ่น และราคาถูก โดยการดึงแก้วหลอมเหลวผ่านรูเล็กๆ จำนวนมาก ในปี 1938 บริษัททั้งสองได้รวมกันเพื่อก่อตั้ง Owens-Corning Fiberglas Corp. ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ Owens-Corning บริษัทนี้มีรายได้ 3 พันล้านดอลลาร์ต่อปี และเป็นผู้นำในตลาดใยแก้ว

วัตถุดิบ

วัตถุดิบพื้นฐานสำหรับผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาสประกอบด้วยแร่ธาตุธรรมชาติและสารเคมีสังเคราะห์หลากหลายชนิด ส่วนประกอบหลักคือทรายซิลิกา หินปูน และโซดาแอช ส่วนประกอบอื่นๆ อาจรวมถึงอะลูมินาเผา บอแรกซ์ เฟลด์สปาร์ เนเฟลีนไซยาไนต์ แมกนีไซต์ และดินขาวเคโอไลน์ เป็นต้น ทรายซิลิกาใช้เป็นตัวขึ้นรูปแก้ว ส่วนโซดาแอชและหินปูนช่วยลดอุณหภูมิการหลอมเป็นหลัก ส่วนประกอบอื่นๆ ใช้เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติบางอย่าง เช่น บอแรกซ์เพื่อความทนทานต่อสารเคมี เศษแก้วหรือที่เรียกว่าคัลเล็ตก็ใช้เป็นวัตถุดิบเช่นกัน วัตถุดิบต้องชั่งน้ำหนักอย่างระมัดระวังในปริมาณที่แน่นอนและผสมให้เข้ากันอย่างทั่วถึง (เรียกว่าการผสม) ก่อนนำไปหลอมเป็นแก้ว

การผลิต
กระบวนการ

การหลอมละลาย

เมื่อเตรียมวัตถุดิบเสร็จแล้ว จะนำไปใส่ในเตาหลอม เตาหลอมอาจใช้ไฟฟ้า เชื้อเพลิงฟอสซิล หรือทั้งสองอย่างร่วมกันในการให้ความร้อน อุณหภูมิจะต้องถูกควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อให้ได้การไหลของแก้วที่ราบรื่นและคงที่ แก้วหลอมเหลวจะต้องมีอุณหภูมิสูงกว่าแก้วชนิดอื่น (ประมาณ 2500°F [1371°C]) เพื่อให้สามารถขึ้นรูปเป็นเส้นใยได้ เมื่อแก้วหลอมเหลวแล้ว จะถูกส่งไปยังอุปกรณ์ขึ้นรูปผ่านทางช่อง (forehearth) ที่อยู่ปลายเตาหลอม

ก่อตัวเป็นเส้นใย

มีกระบวนการที่แตกต่างกันหลายวิธีที่ใช้ในการผลิตเส้นใย ขึ้นอยู่กับชนิดของเส้นใย เส้นใยสิ่งทออาจผลิตจากแก้วหลอมเหลวโดยตรงจากเตาหลอม หรืออาจป้อนแก้วหลอมเหลวไปยังเครื่องจักรที่ขึ้นรูปเป็นลูกแก้วขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.62 นิ้ว (1.6 ซม.) ก่อน ลูกแก้วเหล่านี้ช่วยให้สามารถตรวจสอบสิ่งเจือปนในแก้วได้ด้วยสายตา ในทั้งกระบวนการหลอมโดยตรงและกระบวนการหลอมลูกแก้ว แก้วหรือลูกแก้วจะถูกป้อนผ่านหัวฉีดที่ให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า (เรียกอีกอย่างว่าสปินเนอเรต) หัวฉีดทำจากแพลทินัมหรือโลหะผสม โดยมีรูขนาดเล็กมากตั้งแต่ 200 ถึง 3,000 รู แก้วหลอมเหลวจะไหลผ่านรูเหล่านี้และออกมาเป็นเส้นใยละเอียด

กระบวนการผลิตเส้นใยต่อเนื่อง

เส้นใยยาวต่อเนื่องสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการผลิตเส้นใยต่อเนื่อง หลังจากที่แก้วไหลผ่านรูในท่อป้อนแก้วแล้ว เส้นใยหลายเส้นจะถูกดึงขึ้นมาด้วยเครื่องม้วนความเร็วสูง เครื่องม้วนหมุนด้วยความเร็วประมาณ 2 ไมล์ (3 กิโลเมตร) ต่อนาที ซึ่งเร็วกว่าอัตราการไหลจากท่อป้อนแก้วมาก แรงดึงจะดึงเส้นใยออกมาในขณะที่ยังหลอมเหลวอยู่ ทำให้เกิดเส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงเศษเสี้ยวของเส้นผ่านศูนย์กลางของรูในท่อป้อนแก้ว มีการใช้สารยึดเกาะทางเคมีเพื่อช่วยป้องกันไม่ให้เส้นใยแตกหักระหว่างกระบวนการแปรรูปในภายหลัง จากนั้นเส้นใยจะถูกม้วนลงบนท่อ และสามารถนำมาบิดและตีเกลียวเป็นเส้นด้ายได้

กระบวนการผลิตเส้นใยหลัก

อีกวิธีหนึ่งคือกระบวนการผลิตเส้นใยสั้น (staplefiber process) ขณะที่แก้วหลอมเหลวไหลผ่านท่อขนาดเล็ก กระแสลมจะทำให้เส้นใยเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว กระแสลมที่ปั่นป่วนยังทำให้เส้นใยแตกออกเป็นชิ้นยาวประมาณ 8-15 นิ้ว (20-38 เซนติเมตร) เส้นใยเหล่านี้จะตกลงมาผ่านสารหล่อลื่นที่ฉีดพ่นลงบนดรัมหมุน ซึ่งจะก่อตัวเป็นแผ่นใยบางๆ จากนั้นจึงดึงแผ่นใยนี้ออกจากดรัมและดึงให้เป็นเส้นใยต่อเนื่องที่ประกอบด้วยเส้นใยหลวมๆ เส้นใยนี้สามารถนำไปแปรรูปเป็นเส้นด้ายได้โดยใช้กระบวนการเดียวกับที่ใช้ในการผลิตขนสัตว์และฝ้าย

เส้นใยสับ

แทนที่จะนำมาปั่นเป็นเส้นด้าย เส้นใยยาวต่อเนื่องอาจถูกตัดเป็นชิ้นสั้นๆ เส้นใยจะถูกใส่ไว้ในชุดแกนม้วนที่เรียกว่าครีล แล้วดึงผ่านเครื่องจักรที่ตัดเส้นใยเป็นชิ้นสั้นๆ เส้นใยที่ถูกตัดแล้วจะถูกนำมาขึ้นรูปเป็นแผ่น แล้วเติมสารยึดเกาะลงไป หลังจากอบในเตาอบแล้ว แผ่นนั้นจะถูกม้วนขึ้น น้ำหนักและความหนาที่แตกต่างกันทำให้ได้ผลิตภัณฑ์สำหรับมุงหลังคา หลังคาแบบหลายชั้น หรือแผ่นตกแต่ง

ใยแก้ว

กระบวนการหมุนหรือปั่นใช้ในการผลิตใยแก้ว ในกระบวนการนี้ แก้วหลอมเหลวจากเตาหลอมจะไหลเข้าไปในภาชนะทรงกระบอกที่มีรูเล็กๆ เมื่อภาชนะหมุนอย่างรวดเร็ว กระแสแก้วหลอมเหลวจะไหลออกมาจากรูในแนวนอน กระแสแก้วหลอมเหลวจะถูกเปลี่ยนเป็นเส้นใยโดยการเป่าลมร้อน ก๊าซร้อน หรือทั้งสองอย่างลงมา เส้นใยจะตกลงบนสายพานลำเลียง ซึ่งจะสานกันเป็นมวลคล้ายขนแกะ สามารถนำไปใช้เป็นฉนวน หรืออาจฉีดพ่นด้วยสารยึดเกาะ อัดให้ได้ความหนาที่ต้องการ และอบในเตาอบ ความร้อนจะทำให้สารยึดเกาะแข็งตัว และผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจเป็นแผ่นแข็งหรือกึ่งแข็ง หรือแผ่นยืดหยุ่นได้

สารเคลือบป้องกัน

นอกจากสารยึดเกาะแล้ว ผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาสยังต้องการสารเคลือบอื่นๆ อีกด้วย สารหล่อลื่นใช้เพื่อลดการเสียดสีของเส้นใย โดยอาจฉีดพ่นลงบนเส้นใยโดยตรงหรือผสมลงในสารยึดเกาะ บางครั้งอาจมีการฉีดพ่นสารป้องกันไฟฟ้าสถิตลงบนพื้นผิวของแผ่นฉนวนไฟเบอร์กลาสในระหว่างขั้นตอนการทำให้เย็นลง อากาศเย็นที่ไหลผ่านแผ่นฉนวนจะทำให้สารป้องกันไฟฟ้าสถิตแทรกซึมเข้าไปในความหนาของแผ่นฉนวนทั้งหมด สารป้องกันไฟฟ้าสถิตประกอบด้วยส่วนประกอบสองอย่าง คือ วัสดุที่ช่วยลดการเกิดไฟฟ้าสถิต และวัสดุที่ทำหน้าที่เป็นสารยับยั้งการกัดกร่อนและสารทำให้คงตัว สารเคลือบผิว (Sizing) คือสารเคลือบใดๆ ที่ใช้กับเส้นใยสิ่งทอในขั้นตอนการขึ้นรูป และอาจประกอบด้วยส่วนประกอบอย่างน้อยหนึ่งอย่าง (สารหล่อลื่น สารยึดเกาะ หรือสารเชื่อมประสาน) สารเชื่อมประสานใช้กับเส้นใยที่จะใช้เสริมแรงพลาสติก เพื่อเสริมความแข็งแรงของการยึดเกาะกับวัสดุเสริมแรง บางครั้งอาจจำเป็นต้องมีขั้นตอนการตกแต่งเพื่อกำจัดสารเคลือบเหล่านี้ หรือเพื่อเพิ่มสารเคลือบอื่น สำหรับการเสริมแรงพลาสติก สารเคลือบผิวอาจถูกกำจัดออกด้วยความร้อนหรือสารเคมี และใช้สารเชื่อมประสานแทน สำหรับงานตกแต่ง ผ้าจะต้องผ่านกระบวนการให้ความร้อนเพื่อกำจัดสารเคลือบผิวและจัดทรงเส้นใย จากนั้นจึงเคลือบด้วยสีรองพื้นก่อนทำการย้อมหรือพิมพ์

การขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ

ผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาสมีรูปทรงหลากหลาย ผลิตโดยใช้กระบวนการหลายอย่าง ตัวอย่างเช่น ฉนวนท่อไฟเบอร์กลาสจะถูกม้วนลงบนแท่งขึ้นรูปที่เรียกว่าแมนเดรลโดยตรงจากหน่วยขึ้นรูป ก่อนที่จะทำการอบให้แข็งตัว แท่งขึ้นรูปที่มีความยาว 3 ฟุต (91 ซม.) หรือน้อยกว่านั้น จะถูกนำไปอบให้แข็งตัวในเตาอบ จากนั้นจึงนำแท่งที่แข็งตัวแล้วมาตัดตามแนวยาวและเลื่อยให้ได้ขนาดตามที่กำหนด หากจำเป็นก็จะมีการติดวัสดุปิดผิว และบรรจุผลิตภัณฑ์เพื่อจัดส่ง

การควบคุมคุณภาพ

ในกระบวนการผลิตฉนวนใยแก้ว จะมีการสุ่มตัวอย่างวัสดุในหลายจุดเพื่อรักษาคุณภาพ จุดเหล่านี้ได้แก่: ส่วนผสมที่ป้อนเข้าเตาหลอมไฟฟ้า; แก้วหลอมเหลวจากท่อป้อนเส้นใย; เส้นใยแก้วที่ออกมาจากเครื่องแยกเส้นใย; และผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการอบแห้งขั้นสุดท้ายที่ออกมาจากปลายสายการผลิต ตัวอย่างแก้วและเส้นใยจำนวนมากจะถูกวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีและตรวจสอบหาข้อบกพร่องโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ทางเคมีและกล้องจุลทรรศน์ที่ทันสมัย ​​การกระจายขนาดอนุภาคของวัสดุจะหาได้จากการร่อนวัสดุผ่านตะแกรงขนาดต่างๆ ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะถูกวัดความหนาหลังจากบรรจุภัณฑ์ตามข้อกำหนด การเปลี่ยนแปลงความหนาแสดงว่าคุณภาพของแก้วต่ำกว่ามาตรฐาน

ผู้ผลิตฉนวนใยแก้วยังใช้ขั้นตอนการทดสอบมาตรฐานที่หลากหลายเพื่อวัด ปรับ และเพิ่มประสิทธิภาพความต้านทานเสียง การดูดซับเสียง และประสิทธิภาพการกั้นเสียงของผลิตภัณฑ์ คุณสมบัติทางเสียงสามารถควบคุมได้โดยการปรับตัวแปรการผลิต เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใย ความหนาแน่น ความหนา และปริมาณสารยึดเกาะ วิธีการที่คล้ายกันนี้ใช้ในการควบคุมคุณสมบัติทางความร้อนด้วย

อนาคต

อุตสาหกรรมใยแก้วกำลังเผชิญกับความท้าทายครั้งใหญ่ในช่วงที่เหลือของทศวรรษ 1990 และหลังจากนั้น จำนวนผู้ผลิตฉนวนใยแก้วเพิ่มขึ้นเนื่องจากบริษัทสาขาในอเมริกาของบริษัทต่างชาติและการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของผู้ผลิตในสหรัฐฯ ส่งผลให้มีกำลังการผลิตส่วนเกิน ซึ่งตลาดในปัจจุบันและอาจรวมถึงตลาดในอนาคตไม่สามารถรองรับได้

นอกจากกำลังการผลิตส่วนเกินแล้ว วัสดุฉนวนอื่นๆ ก็จะเข้ามาแข่งขันด้วยเช่นกัน ใยหินได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายเนื่องจากกระบวนการและผลิตภัณฑ์ได้รับการปรับปรุงเมื่อเร็วๆ นี้ ฉนวนโฟมเป็นอีกทางเลือกหนึ่งแทนใยแก้วสำหรับผนังบ้านและหลังคาอาคารพาณิชย์ วัสดุที่เข้ามาแข่งขันอีกชนิดหนึ่งคือเซลลูโลส ซึ่งใช้ในฉนวนกันความร้อนในห้องใต้หลังคา

เนื่องจากความต้องการฉนวนกันความร้อนลดลงอันเนื่องมาจากตลาดที่อยู่อาศัยที่ซบเซา ผู้บริโภคจึงเรียกร้องราคาที่ต่ำลง ความต้องการนี้ยังเป็นผลมาจากแนวโน้มการควบรวมกิจการของผู้ค้าปลีกและผู้รับเหมาที่ยังคงดำเนินต่อไป ดังนั้น อุตสาหกรรมฉนวนใยแก้วจึงต้องลดต้นทุนอย่างต่อเนื่องในสองด้านหลัก ได้แก่ พลังงานและสิ่งแวดล้อม จะต้องใช้เตาเผาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งไม่พึ่งพาแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียว

เนื่องจากพื้นที่ฝังกลบขยะใกล้เต็มความจุแล้ว ผู้ผลิตใยแก้วจะต้องลดปริมาณของเสียที่เป็นของแข็งให้เหลือน้อยที่สุดโดยไม่เพิ่มต้นทุน ซึ่งจะต้องปรับปรุงกระบวนการผลิตเพื่อลดของเสีย (รวมถึงของเสียที่เป็นของเหลวและก๊าซด้วย) และนำของเสียกลับมาใช้ใหม่ทุกครั้งที่ทำได้

ของเสียดังกล่าวอาจต้องผ่านกระบวนการแปรรูปและหลอมใหม่ก่อนนำกลับมาใช้เป็นวัตถุดิบอีกครั้ง ผู้ผลิตหลายรายกำลังดำเนินการแก้ไขปัญหาเหล่านี้อยู่แล้ว