Скловолокно – це група виробів, виготовлених з окремих скляних волокон, об'єднаних у різноманітні форми. Скловолокно можна розділити на дві основні групи за їх геометрією: безперервні волокна, що використовуються в пряжі та текстилі, та переривчасті (короткі) волокна, що використовуються як вати, ковдри або плити для ізоляції та фільтрації. Скловолокно можна формувати в пряжу, подібно до вовни чи бавовни, та вплітати в тканину, яку іноді використовують для драпіровок. Текстиль зі скловолокна зазвичай використовується як армуючий матеріал для литих та ламінованих пластмас. Скловата, товстий, пухнастий матеріал, виготовлений з переривчастих волокон, використовується для теплоізоляції та звукопоглинання. Вона зазвичай зустрічається в перегородках та корпусах кораблів та підводних човнів; моторних відсіках автомобілів та обшивці панелей кузова; у печах та кондиціонерах; акустичних стінових та стельових панелях; та архітектурних перегородках. Скловолокно можна адаптувати для конкретних застосувань, таких як тип E (електричне), що використовується як електроізоляційна стрічка, текстиль та арматура; тип C (хімічне), що має чудову кислотостійкість, та тип T для теплоізоляції.
Хоча комерційне використання скловолокна є відносно новим, ремісники створювали скляні нитки для декорування келихів та ваз ще в епоху Відродження. Французький фізик Рене-Антуан Фершо де Реомюр створив текстиль, декорований тонкими скляними нитками, у 1713 році, а британські винахідники повторили цей подвиг у 1822 році. Британський ткач шовку виготовив скляну тканину у 1842 році, а інший винахідник, Едвард Ліббі, представив сукню, виткану зі скла, на Колумбійській виставці 1893 року в Чикаго.
Скловата, пухнаста маса переривчастих волокон випадкової довжини, була вперше вироблена в Європі на рубежі століть за допомогою процесу, який передбачав горизонтальне витягування волокон зі стрижнів на обертовий барабан. Кілька десятиліть потому був розроблений і запатентований процес прядіння. Ізоляційний матеріал зі скловолокна вироблявся в Німеччині під час Першої світової війни. Дослідження та розробки, спрямовані на промислове виробництво скловолокна, просунулися в Сполучених Штатах у 1930-х роках під керівництвом двох великих компаній: Owens-Illinois Glass Company та Corning Glass Works. Ці компанії розробили тонке, гнучке та недороге скловолокно шляхом витягування розплавленого скла через дуже тонкі отвори. У 1938 році ці дві компанії об'єдналися, щоб утворити Owens-Corning Fiberglas Corp. Тепер відома просто як Owens-Corning, вона стала компанією з річним оборотом 3 мільярди доларів і є лідером на ринку скловолокна.
Сировина
Основною сировиною для скловолокна є різноманітні природні мінерали та промислові хімічні речовини. Основними інгредієнтами є кварцовий пісок, вапняк та кальцинована сода. Інші інгредієнти можуть включати, серед іншого, кальцинований глинозем, буру, польовий шпат, нефеліновий сієніт, магнезит та каолінову глину. Кварцовий пісок використовується як склоутворювач, а кальцинована сода та вапняк допомагають в першу чергу знизити температуру плавлення. Інші інгредієнти використовуються для покращення певних властивостей, такі як бура для хімічної стійкості. Відходи скла, також відомі як склобій, також використовуються як сировина. Сировину необхідно ретельно зважувати в точних кількостях та ретельно змішувати (так званий дозування) перед тим, як розплавити скло.
Виробництво
Процес
Плавлення
Після приготування шихти її подають у піч для плавлення. Піч може нагріватися електроенергією, викопним паливом або їх комбінацією. Температура повинна точно контролюватися для підтримки плавного, стабільного потоку скла. Розплавлене скло повинно підтримуватися при вищій температурі (близько 1371°C), ніж інші види скла, щоб сформувати його у волокно. Після того, як скло розплавиться, його передають до формувального обладнання через канал (передню горну), розташований у кінці печі.
Формування у волокна
Для формування волокон використовується кілька різних процесів, залежно від типу волокна. Текстильні волокна можуть бути сформовані з розплавленого скла безпосередньо в печі, або розплавлене скло може бути спочатку подано до машини, яка формує скляні кульки діаметром приблизно 1,6 см (0,62 дюйма). Ці кульки дозволяють візуально перевіряти скло на наявність домішок. Як у процесі прямого плавлення, так і в процесі плавлення мармуру, скло або скляні кульки подаються через електрично нагріті втулки (також звані фільєрами). Втулка виготовлена з платини або металевого сплаву, з 200 до 3000 дуже тонких отворів. Розплавлене скло проходить через отвори та виходить у вигляді тонких ниток.
Процес безперервної нитки
Довге безперервне волокно можна виготовити за допомогою процесу безперервного вироблення нитки. Після того, як скло проходить через отвори у втулці, кілька ниток захоплюються високошвидкісним намотувачем. Намотувач обертається зі швидкістю приблизно 3 км на хвилину, що набагато швидше за швидкість потоку з втулок. Натяг витягує нитки, поки вони ще розплавлені, утворюючи нитки, діаметр яких становить лише частину діаметра отворів у втулці. Наноситься хімічний сполучний матеріал, який допомагає запобігти розриву волокна під час подальшої обробки. Потім нитка намотується на трубки. Тепер її можна скручувати та згортати у пряжу.
Процес виробництва штапельного волокна
Альтернативним методом є процес штапельного волокна. Коли розплавлене скло протікає через втулки, струмені повітря швидко охолоджують нитки. Турбулентні пориви повітря також розривають нитки на шматки довжиною 8-15 дюймів (20-38 см). Ці нитки падають через розпилене мастило на обертовий барабан, де вони утворюють тонке полотно. Полотно витягується з барабана та перетворюється на безперервне пасмо з вільно зібраних волокон. Це пасмо можна переробляти на пряжу тими ж процесами, що й для вовни та бавовни.
Подрібнене волокно
Замість того, щоб формувати пряжу, безперервне або довговолокнисте волокно можна нарізати на короткі шматки. Пасмо намотується на набір бобін, що називається шпулярником, і протягується через машину, яка нарізає його на короткі шматки. Подрібнене волокно формується в мати, до яких додається сполучна речовина. Після витримки в печі мат згортається в рулон. Різна вага та товщина дають змогу виготовляти черепицю, покрівельні матеріали або декоративні килимки.
Скловата
Для виготовлення скловати використовується роторний або спіннерний процес. У цьому процесі розплавлене скло з печі надходить у циліндричний контейнер з невеликими отворами. Коли контейнер швидко обертається, з отворів витікають горизонтальні потоки скла. Потоки розплавленого скла перетворюються на волокна за допомогою потоку повітря, гарячого газу або обох напрямків, спрямованих вниз. Волокна падають на конвеєрну стрічку, де вони переплітаються одне з одним у ворсисту масу. Це можна використовувати для ізоляції, або ж вату можна обприскати сполучною речовиною, стиснути до потрібної товщини та затвердіти в печі. Тепло затвердіває сполучна речовина, і отриманий продукт може бути жорсткою або напівжорсткою плитою або гнучкою ватою.
Захисні покриття
Окрім зв'язуючих речовин, для виробів зі скловолокна потрібні інші покриття. Мастила використовуються для зменшення стирання волокон і або безпосередньо розпилюються на волокно, або додаються до сполучного речовини. Антистатичний склад також іноді розпилюється на поверхню скловолоконних ізоляційних матів під час етапу охолодження. Охолоджувальне повітря, що проходить через мат, змушує антистатичний агент проникати у всю товщину мата. Антистатичний агент складається з двох інгредієнтів: матеріалу, який мінімізує утворення статичної електрики, та матеріалу, який служить інгібітором корозії та стабілізатором. Апретування - це будь-яке покриття, що наноситься на текстильні волокна під час операції формування, і може містити один або декілька компонентів (мастила, зв'язуючі речовини або сполучні речовини). Сполучні речовини використовуються на пасмах, які будуть використовуватися для армування пластмас, для посилення з'єднання з армованим матеріалом. Іноді потрібна фінішна операція для видалення цих покриттів або для додавання іншого покриття. Для пластикового армування апретування може бути видалено за допомогою тепла або хімічних речовин, а потім нанесено сполучний агент. Для декоративного застосування тканини необхідно піддати термічній обробці для видалення апретування та закріплення переплетення. Потім наносяться базові барвники перед фарбуванням або друком.
Формування у фігури
Вироби зі скловолокна бувають найрізноманітніших форм, виготовлених за допомогою кількох процесів. Наприклад, ізоляція для труб зі скловолокна намотується на стрижнеподібні форми, які називаються оправками, безпосередньо з формувальних установок, перед затвердінням. Форми, довжиною 3 фути (91 см) або менше, потім затвердівають у печі. Затверділі відрізки потім виймаються з форми вздовж і розпилюються на задані розміри. За потреби накладаються облицювання, і виріб упаковується для відвантаження.
Контроль якості
Під час виробництва скловолоконної ізоляції зразки матеріалу відбираються в кількох місцях для підтримки якості. Ці місця включають: змішану партію, що подається до електричного плавильного апарату; розплавлене скло з втулки, яка живить фіброутворювач; скловолокно, що виходить з фіброутворювача; та кінцевий затверділий продукт, що виходить з кінця виробничої лінії. Зразки скла та волокна аналізуються на хімічний склад та наявність дефектів за допомогою складних хімічних аналізаторів та мікроскопів. Розподіл розмірів частинок партії отримують шляхом пропускання матеріалу через ряд сит різного розміру. Товщина кінцевого продукту вимірюється після упаковки відповідно до специфікацій. Зміна товщини свідчить про те, що якість скла нижча за стандартну.
Виробники скловолокнистої ізоляції також використовують різноманітні стандартизовані процедури випробувань для вимірювання, регулювання та оптимізації акустичного опору, звукопоглинання та характеристик звукоізоляції продукції. Акустичні властивості можна контролювати, регулюючи такі виробничі змінні, як діаметр волокна, об'ємна щільність, товщина та вміст сполучного матеріалу. Подібний підхід використовується для контролю теплових властивостей.
Майбутнє
Протягом решти 1990-х років і пізніше промисловість скловолокна зіткнулася з деякими серйозними викликами. Кількість виробників скловолоконної ізоляції зросла завдяки американським дочірнім компаніям іноземних компаній та підвищенню продуктивності американських виробників. Це призвело до надлишку потужностей, які нинішній і, можливо, майбутній ринок не може задовольнити.
Окрім надмірної ємності, конкуруватимуть інші ізоляційні матеріали. Мінеральна вата отримала широке використання завдяки нещодавнім удосконаленням процесів та продуктів. Пінопластова ізоляція є ще однією альтернативою скловолокну в житлових стінах та комерційних дахах. Ще одним конкуруючим матеріалом є целюлоза, яка використовується для ізоляції горищ.
Через низький попит на ізоляцію, спричинений ринком м’якого житла, споживачі вимагають зниження цін. Цей попит також є результатом триваючої тенденції до консолідації роздрібних торговців та підрядників. У відповідь, галузь скловолоконної ізоляції повинна буде продовжувати скорочувати витрати у двох основних сферах: енергетика та навколишнє середовище. Доведеться використовувати більш ефективні печі, які не залежать лише від одного джерела енергії.
Оскільки потужність звалищ досягає максимальної потужності, виробникам скловолокна доведеться досягти майже нульового обсягу виробництва твердих відходів без збільшення витрат. Це вимагатиме вдосконалення виробничих процесів для зменшення кількості відходів (також для рідких та газоподібних відходів) та повторного використання відходів, де це можливо.
Такі відходи можуть потребувати переробки та переплавлення перед повторним використанням як сировини. Кілька виробників вже вирішують ці проблеми.
Час публікації: 11 червня 2021 р.