Sợi thủy tinh được sản xuất như thế nào?

Sợi thủy tinh là tên gọi chung cho một nhóm sản phẩm được làm từ các sợi thủy tinh riêng lẻ kết hợp với nhau thành nhiều hình dạng khác nhau. Sợi thủy tinh có thể được chia thành hai nhóm chính dựa trên hình dạng hình học của chúng: sợi liên tục được sử dụng trong sợi dệt và hàng dệt may, và sợi không liên tục (ngắn) được sử dụng làm tấm, chăn hoặc ván để cách nhiệt và lọc. Sợi thủy tinh có thể được tạo thành sợi tương tự như len hoặc bông, và được dệt thành vải, đôi khi được sử dụng cho rèm cửa. Vải sợi thủy tinh thường được sử dụng làm vật liệu gia cường cho nhựa đúc và nhựa nhiều lớp. Len sợi thủy tinh, một vật liệu dày, mềm xốp được làm từ các sợi không liên tục, được sử dụng để cách nhiệt và hấp thụ âm thanh. Nó thường được tìm thấy trong vách ngăn và thân tàu thủy và tàu ngầm; khoang động cơ ô tô và lớp lót bảng điều khiển thân xe; trong lò nung và thiết bị điều hòa không khí; tấm tường và trần cách âm; và vách ngăn kiến ​​trúc. Sợi thủy tinh có thể được tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể như Loại E (điện), được sử dụng làm băng cách điện, vải dệt và vật liệu gia cường; Loại C (hóa chất), có khả năng chống axit vượt trội, và Loại T, để cách nhiệt.

Mặc dù việc sử dụng sợi thủy tinh trong thương mại tương đối mới, nhưng các nghệ nhân đã tạo ra những sợi thủy tinh để trang trí cốc và bình hoa từ thời Phục Hưng. Một nhà vật lý người Pháp, Rene-Antoine Ferchault de Reaumur, đã sản xuất các loại vải được trang trí bằng những sợi thủy tinh mịn vào năm 1713, và các nhà phát minh người Anh đã làm được điều tương tự vào năm 1822. Một thợ dệt lụa người Anh đã tạo ra một loại vải thủy tinh vào năm 1842, và một nhà phát minh khác, Edward Libbey, đã trưng bày một chiếc váy dệt bằng thủy tinh tại Triển lãm Columbian năm 1893 ở Chicago.

Bông thủy tinh, một khối sợi rời rạc, xốp với chiều dài ngẫu nhiên, lần đầu tiên được sản xuất ở châu Âu vào đầu thế kỷ 20, bằng một quy trình kéo sợi từ các thanh nằm ngang vào một trống quay. Vài thập kỷ sau, một quy trình kéo sợi đã được phát triển và cấp bằng sáng chế. Vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh được sản xuất tại Đức trong Thế chiến I. Nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích sản xuất công nghiệp sợi thủy tinh đã tiến triển ở Hoa Kỳ vào những năm 1930, dưới sự chỉ đạo của hai công ty lớn, Công ty Thủy tinh Owens-Illinois và Nhà máy Thủy tinh Corning. Các công ty này đã phát triển một loại sợi thủy tinh mịn, dẻo, giá thành thấp bằng cách kéo thủy tinh nóng chảy qua các lỗ rất nhỏ. Năm 1938, hai công ty này sáp nhập để thành lập Tập đoàn Sợi thủy tinh Owens-Corning. Hiện nay được biết đến đơn giản là Owens-Corning, công ty này đã trở thành một doanh nghiệp trị giá 3 tỷ đô la mỗi năm và là công ty dẫn đầu thị trường sợi thủy tinh.

Nguyên liệu thô

Nguyên liệu thô cơ bản để sản xuất các sản phẩm sợi thủy tinh là nhiều loại khoáng chất tự nhiên và hóa chất nhân tạo. Các thành phần chính là cát silica, đá vôi và tro soda. Các thành phần khác có thể bao gồm alumina nung, borax, fenspat, nephelin syenit, magnesit và đất sét cao lanh, cùng nhiều loại khác. Cát silica được sử dụng làm chất tạo thủy tinh, còn tro soda và đá vôi chủ yếu giúp hạ thấp nhiệt độ nóng chảy. Các thành phần khác được sử dụng để cải thiện một số đặc tính nhất định, chẳng hạn như borax để tăng khả năng kháng hóa chất. Thủy tinh phế thải, còn được gọi là thủy tinh vụn, cũng được sử dụng làm nguyên liệu thô. Các nguyên liệu thô phải được cân đo cẩn thận với số lượng chính xác và trộn kỹ với nhau (gọi là phối trộn) trước khi được nấu chảy thành thủy tinh.

Sản xuất
Quá trình

Tan chảy

Sau khi chuẩn bị xong mẻ nguyên liệu, nó được đưa vào lò nung để nấu chảy. Lò nung có thể được đốt nóng bằng điện, nhiên liệu hóa thạch hoặc kết hợp cả hai. Nhiệt độ phải được kiểm soát chính xác để duy trì dòng chảy thủy tinh trơn tru và ổn định. Thủy tinh nóng chảy phải được giữ ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 2500°F [1371°C]) so với các loại thủy tinh khác để có thể tạo thành sợi. Khi thủy tinh tan chảy, nó được chuyển đến thiết bị tạo hình thông qua một kênh (lò nung sơ bộ) nằm ở cuối lò.

Tạo thành sợi

Tùy thuộc vào loại sợi, có nhiều quy trình khác nhau được sử dụng để tạo ra sợi. Sợi dệt có thể được tạo ra từ thủy tinh nóng chảy trực tiếp từ lò nung, hoặc thủy tinh nóng chảy có thể được đưa vào máy tạo thành các viên bi thủy tinh có đường kính khoảng 1,6 cm (0,62 inch). Những viên bi này cho phép kiểm tra thủy tinh bằng mắt thường để phát hiện tạp chất. Trong cả hai quy trình nấu chảy trực tiếp và nấu chảy bằng viên bi, thủy tinh hoặc các viên bi thủy tinh được đưa qua các ống dẫn được nung nóng bằng điện (còn gọi là đầu phun). Ống dẫn được làm bằng bạch kim hoặc hợp kim kim loại, với từ 200 đến 3.000 lỗ rất nhỏ. Thủy tinh nóng chảy đi qua các lỗ và thoát ra dưới dạng các sợi mảnh.

quy trình sợi liên tục

Sợi dài, liên tục có thể được sản xuất thông qua quy trình kéo sợi liên tục. Sau khi thủy tinh chảy qua các lỗ trên ống lót, nhiều sợi nhỏ được cuốn vào một máy cuộn tốc độ cao. Máy cuộn quay với tốc độ khoảng 3 km/phút, nhanh hơn nhiều so với tốc độ chảy ra từ các ống lót. Lực căng kéo các sợi nhỏ ra khi chúng vẫn còn ở trạng thái nóng chảy, tạo thành các sợi có đường kính nhỏ hơn một phần đường kính của các lỗ trên ống lót. Một chất kết dính hóa học được thêm vào, giúp ngăn sợi bị đứt trong quá trình xử lý sau này. Sau đó, sợi nhỏ được cuộn vào các ống. Lúc này, nó có thể được xoắn và se thành sợi chỉ.

Quy trình sợi ngắn

Một phương pháp khác là quy trình sợi ngắn. Khi thủy tinh nóng chảy chảy qua các ống lót, các luồng khí sẽ nhanh chóng làm nguội các sợi nhỏ. Các luồng khí mạnh cũng làm đứt các sợi nhỏ thành các đoạn dài từ 8-15 inch (20-38 cm). Những sợi này rơi qua một lớp chất bôi trơn phun lên một trống quay, nơi chúng tạo thành một lớp màng mỏng. Lớp màng được kéo ra khỏi trống và kéo thành một sợi liên tục gồm các sợi nhỏ được kết dính lỏng lẻo. Sợi này có thể được xử lý thành sợi chỉ bằng các quy trình tương tự được sử dụng cho len và bông.

Chất xơ cắt nhỏ

Thay vì được kéo thành sợi, sợi dài hoặc sợi liên tục có thể được cắt thành những đoạn ngắn. Sợi được gắn vào một bộ cuộn chỉ, gọi là giá đỡ sợi, và được kéo qua một máy cắt thành từng đoạn ngắn. Sợi đã cắt được tạo thành tấm, sau đó được thêm chất kết dính. Sau khi được sấy khô trong lò, tấm được cuộn lại. Trọng lượng và độ dày khác nhau tạo ra các sản phẩm dùng cho ngói lợp, mái lợp nhiều lớp hoặc thảm trang trí.

Bông thủy tinh

Phương pháp quay ly tâm hoặc kéo sợi được sử dụng để sản xuất len ​​thủy tinh. Trong quy trình này, thủy tinh nóng chảy từ lò nung chảy vào một thùng chứa hình trụ có các lỗ nhỏ. Khi thùng chứa quay nhanh, các dòng thủy tinh nằm ngang chảy ra từ các lỗ. Các dòng thủy tinh nóng chảy được chuyển hóa thành sợi bằng luồng khí thổi từ trên xuống, khí nóng, hoặc cả hai. Các sợi rơi xuống băng chuyền, nơi chúng đan xen vào nhau tạo thành một khối bông xốp. Khối bông này có thể được sử dụng để cách nhiệt, hoặc có thể phun chất kết dính, nén thành độ dày mong muốn và sấy khô trong lò. Nhiệt độ làm đông cứng chất kết dính, và sản phẩm thu được có thể là một tấm cứng hoặc bán cứng, hoặc một tấm bông mềm dẻo.

Lớp phủ bảo vệ

Ngoài chất kết dính, các sản phẩm sợi thủy tinh còn cần các lớp phủ khác. Chất bôi trơn được sử dụng để giảm mài mòn sợi và được phun trực tiếp lên sợi hoặc thêm vào chất kết dính. Đôi khi, một hỗn hợp chống tĩnh điện cũng được phun lên bề mặt của các tấm cách nhiệt sợi thủy tinh trong bước làm nguội. Luồng khí làm mát được hút qua tấm khiến chất chống tĩnh điện thấm vào toàn bộ độ dày của tấm. Chất chống tĩnh điện bao gồm hai thành phần—một chất làm giảm thiểu sự phát sinh tĩnh điện, và một chất đóng vai trò là chất ức chế ăn mòn và chất ổn định. Chất hồ là bất kỳ lớp phủ nào được áp dụng cho các sợi dệt trong quá trình tạo hình, và có thể chứa một hoặc nhiều thành phần (chất bôi trơn, chất kết dính hoặc chất liên kết). Chất liên kết được sử dụng trên các sợi sẽ được sử dụng để gia cường nhựa, để tăng cường liên kết với vật liệu gia cường. Đôi khi cần có một công đoạn hoàn thiện để loại bỏ các lớp phủ này, hoặc để thêm một lớp phủ khác. Đối với vật liệu gia cường bằng nhựa, chất hồ có thể được loại bỏ bằng nhiệt hoặc hóa chất và chất liên kết được áp dụng. Đối với các ứng dụng trang trí, vải phải được xử lý nhiệt để loại bỏ chất hồ và cố định kiểu dệt. Sau đó, các lớp phủ nền thuốc nhuộm được phủ lên trước khi nhuộm hoặc in.

Tạo thành các hình dạng

Các sản phẩm sợi thủy tinh có nhiều hình dạng khác nhau, được sản xuất bằng nhiều quy trình. Ví dụ, vật liệu cách nhiệt ống bằng sợi thủy tinh được cuộn lên các khuôn hình que gọi là trục cuốn trực tiếp từ các thiết bị tạo hình, trước khi đóng rắn. Các khuôn mẫu, có chiều dài 91 cm (3 feet) hoặc ngắn hơn, sau đó được đóng rắn trong lò nung. Các đoạn đã đóng rắn sau đó được tháo khuôn theo chiều dọc và cưa thành các kích thước đã định. Lớp phủ bề mặt được áp dụng nếu cần thiết, và sản phẩm được đóng gói để vận chuyển.

Kiểm soát chất lượng

Trong quá trình sản xuất vật liệu cách nhiệt sợi thủy tinh, nguyên liệu được lấy mẫu tại nhiều vị trí khác nhau để đảm bảo chất lượng. Các vị trí này bao gồm: hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào lò nấu chảy điện; thủy tinh nóng chảy từ ống dẫn cấp liệu cho máy kéo sợi; sợi thủy tinh ra khỏi máy kéo sợi; và sản phẩm cuối cùng đã được xử lý xong ra khỏi dây chuyền sản xuất. Các mẫu thủy tinh và sợi được phân tích thành phần hóa học và sự hiện diện của các khuyết tật bằng cách sử dụng các máy phân tích hóa học và kính hiển vi hiện đại. Sự phân bố kích thước hạt của nguyên liệu được xác định bằng cách cho nguyên liệu đi qua một số sàng có kích thước khác nhau. Sản phẩm cuối cùng được đo độ dày sau khi đóng gói theo đúng tiêu chuẩn. Sự thay đổi về độ dày cho thấy chất lượng thủy tinh không đạt tiêu chuẩn.

Các nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt sợi thủy tinh cũng sử dụng nhiều quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn để đo lường, điều chỉnh và tối ưu hóa khả năng cách âm, hấp thụ âm thanh và hiệu suất chắn âm của sản phẩm. Các đặc tính âm học có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các biến số sản xuất như đường kính sợi, mật độ khối, độ dày và hàm lượng chất kết dính. Một phương pháp tương tự được sử dụng để kiểm soát các đặc tính nhiệt.

Tương lai

Ngành công nghiệp sợi thủy tinh đang đối mặt với một số thách thức lớn trong những năm còn lại của thập niên 1990 và những năm tiếp theo. Số lượng nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt sợi thủy tinh đã tăng lên do các công ty con của Mỹ thuộc các tập đoàn nước ngoài và sự cải thiện năng suất của các nhà sản xuất Mỹ. Điều này dẫn đến tình trạng dư thừa công suất, mà thị trường hiện tại và có thể cả tương lai không thể đáp ứng được.

Ngoài nguồn cung dư thừa, các vật liệu cách nhiệt khác cũng sẽ cạnh tranh. Len đá đã được sử dụng rộng rãi nhờ những cải tiến gần đây về quy trình và sản phẩm. Vật liệu cách nhiệt dạng bọt là một lựa chọn thay thế khác cho sợi thủy tinh trong tường nhà ở và mái nhà thương mại. Một vật liệu cạnh tranh khác là cellulose, được sử dụng để cách nhiệt gác mái.

Do nhu cầu về vật liệu cách nhiệt thấp vì thị trường nhà ở ảm đạm, người tiêu dùng đang yêu cầu giá thấp hơn. Nhu cầu này cũng là kết quả của xu hướng hợp nhất liên tục giữa các nhà bán lẻ và nhà thầu. Để đáp ứng, ngành công nghiệp vật liệu cách nhiệt sợi thủy tinh sẽ phải tiếp tục cắt giảm chi phí ở hai lĩnh vực chính: năng lượng và môi trường. Cần phải sử dụng các lò sưởi hiệu quả hơn, không chỉ phụ thuộc vào một nguồn năng lượng duy nhất.

Khi các bãi chôn lấp đạt đến công suất tối đa, các nhà sản xuất sợi thủy tinh sẽ phải đạt được mục tiêu gần như bằng không về lượng chất thải rắn mà không làm tăng chi phí. Điều này đòi hỏi phải cải thiện quy trình sản xuất để giảm thiểu chất thải (cả chất thải lỏng và khí) và tái sử dụng chất thải bất cứ khi nào có thể.

Loại chất thải này có thể cần được xử lý lại và nấu chảy trước khi tái sử dụng làm nguyên liệu thô. Một số nhà sản xuất đã và đang giải quyết những vấn đề này.