WŁÓKNO SZKLANE – PROCES TWORZENIA, NOWE TECHNOLOGIE I ŚWIATOWY RYNEK

Włókno szklane to materiał znane było już mieszkańcom starożytnej Grecji. Znali oni metody zmiękczania cieplnego szkła i rozciągania go na włókna. Dla przykładu, starożytni Egipcjanie wykonywali pojemniki z grubych włókien rozgrzanego szkła. Surowiec ten był znany i stosowany również znacznie później, choć nie na taką, jak dziś skalę. Przykładem są zdobienia wykonane z włókna szklanego, którymi pokryto trumnę Napoleona. Nie mniej jednak, dopiero w latach 30. ubiegłego wieku rozpoczęto masową produkcję włókna, które znalazło zastosowanie w wyrobach przemysłowych.

Złożone w latach 1933-1937 w USA wnioski patentowe ukazują sposób, w jaki tworzono i udoskonalano proces produkcji materiału, który w krótkim czasie zrewolucjonizował światowy przemysł. Dzisiaj włókno szklane stosowane jest w wielu aplikacjach, które możemy podzielić na cztery grupy: termoizolacje, media filtracyjne, wzmocnienia konstrukcyjne i światłowody (włókna optyczne).

W początkowym okresie wytwarzano watę szklaną z nieciągłych włókien. Następnie opracowano metodę produkcji włókien ciągłych o średnicach wynoszących zaledwie 4 mikrony i długości setek metrów. Kolejne odkrycia pozwoliły na redukcję kosztów, dzięki czemu przemysł produkcji włókna szklanego stał się opłacalny. Przełomowym momentem było połączenie się w 1938 r. dwóch liderów branży, firmy Owens Illinois Glass Co. oraz Corning Glass Works. Tym samym powstała firma Owens-Corning Fiberglass Corp., która pierwszy raz wprowadziła na rynek włókno szklane pod nazwą Fiberglass. Nazwa ta szybko stała się domyślną nazwą tego typu materiałów. Nie minęło wiele czasu, aż pojawili się kolejni wytwórcy z szeregiem nowych usprawnień produktu i technologii wytwarzania. Tak powstał globalny rynek, którego wolumen produkcji sięga 5 milionów ton rocznie.

Proces wytwarzania włókna szklanego

Standardowo włókno szklane wytwarza się z topionego piasku krzemionkowego (dwutlenek krzemu SiO2, zwany potocznie krzemionką). Piasek krzemionkowy, po podgrzaniu do temperatury powyżej 1400°C, a następnie schłodzeniu w temperaturze pokojowej, krystalizuje się i przechodzi w kwarc cechujący się sztywną strukturą atomów o wysokim stopniu uporządkowania. Szkło produkuje się poprzez zmiany temperatur i szybkość chłodzenia. Dwutlenek krzemu podgrzany powyżej 1400°C, a następnie gwałtownie schłodzony, nie ulega krystalizacji. W wyniku procesu powstaje materiał amorficzny o losowym uporządkowaniu atomów, który znamy jako szkło.

Proces tworzenia szkła nie zmienił się od lat 30. ubiegłego wieku. Co prawda współczesny rozwój technologii uspraw­nił cały proces i pozwolił na znaczne zwiększenie skali produkcji, jednak isto­ta tworzenia szkła pozostała ta sama.

Proces tworzenia włókna szklanego można podzielić na pięć etapów: przygotowanie wsadu, topienie, rozwłóknianie, pokrywanie z suszeniem i pakowanie.

Etap 1: przygotowanie wsadu

Choć możliwe jest produkowanie włókna szklanego z samego piasku krzemionkowego – i to na przemysłową skalę – najczęściej dodaje się inne dodatki, dzięki którym włókna uzyskują specjalne właściwości użyteczne w konkretnych zastosowaniach. Ponadto dodatki pozwalają obniżyć temperaturę potrzebną do przeprowadzenia obróbki.

Wśród przykładowych dodatków można wymienić: korund (tlenek glinu Al2O2), wapno (tlenek wapnia CaO), magnezję (tlenek magnezu MgO), węglan sodu, glina, kamień wapienny, kwas borny, fluoryt, oraz różne tlenki metali. Wymienione składniki dodane do krzemionki pozwalają tworzyć konkretne typy szkła.

• Szkło typu E – szkło korundowo-boro-krzemianowe o maksymalnej zawartości alkaliów 2% wagowych stosowane jako włókna ogólnego zastosowania, gdy wymagane są wytrzymałość i wysoka elektryczna rezystywność.

• Szkło typu S – szkło magnezytowo-glinowo-krzemianowe stosowane jako składnik tekstyliów albo zbrojenie w kompozytowych zastosowaniach kon­strukcyjnych, które wymagają wysokiego współczynnika wytrzymałości i stabilności w środowisku ekstremalnej temperatury i korozji.

• Szkło typu A – szkło sodowo-wapniowo-krzemowe stosowane, gdy wy­trzymałość, trwałość i dobra rezystyw­ność szkieł typu E nie są wymagane.

• Szkło typu C – szkło wapniowo-boro-krzemianowe stosowane ze względu na jego chemiczną stabilność w kwasowym środowisku korozyjnym.

• Szkło typu D – szkło boro-krzemianowe o niskiej przenikalności elektrycz­nej względnej do aplikacji elektrycz­nych.

• Szkło typu R – szkło wapniowo-glinowo-krzemianowe stosowane jako zbrojenie, gdy wymagana jest dodatko­wa wytrzymałość i odporność na korozję kwasową.

W tabeli ukazana została procentowa zawartość poszczególnych dodatków w wybranych typach szkła.

 

Typ szkła
dodatek	Typu E (z dodatkiem boru)	Typ E (bez boru)	Typ S (odmiana S-2)	Typ R
SiO2	52-56%	59%	64-66%	60-65%
Al2O3	12-16%	12,1-13,2%	24-26%	17-24%
B2O3	5-10%	–	–	–
CaO	16-25%	22-23%	–	5-11%
MgO	0-5%	3,1-3,4%	8-12%	6-12%
Na2O	0-1%	06-09%	0-01%	0-2%
K2O	śladowe	0-0,2%	–	–
TIO2	0,2-0,5%	0,5-1,5%	–	–
Zr2O3	–	–	0-1%	–
Fe2O3	0,2-0,4%	0,2%	0-0,1%	–
F2	0,2-0,7%	0-0,1%	–	–
Próg zmiękczenia	840°C	840°C	950°C	950°C

 

 

Na pierwszym etapie tworzenia włókna szklanego miesza się odpowied­nio odmierzone ilości dwutlenku krzemu i dodatków. W ten sposób przygotowywany jest wsad. Obecnie cały proces jest zautomatyzowany, a wszystkie składniki przechowuje się w specjalnych silosach wyposażonych w elektroniczny system odważania. Składniki następnie trafiają za pomocą przenośników pneumatycznych do mieszarki.

 

Etap 2: topienie

Przygotowany uprzednio wsad trafia do wysokotemperaturowego pieca zasilanego gazem naturalnym, gdzie zostaje stopiony w temperaturze ok. 1400°C. Zwykle piec jest podzielony na trzy sekcje połączone kanałami. W pierwszej sekcji odebrany wsad jest topiony. Stopiona mieszanka przepływa do drugiej sekcji, czyli rafinera, gdzie temperatura jest obniżana do ok. 1370°C. Ostatnią, trzecią sekcją jest zasilacz, gdzie roztopione szkło przepływa do wykonanych ze stopu platyny i rodu łódek do snucia włókna szklanego. Na tym kończy się etap topienia.

Ulepszenie pieców na przestrzeni lat znacznie usprawniło proces tworzenia włókna szklanego. Gdy zaczęto stosować duże piece posiadające kilka kanałów wyposażonych we własne zasilacze, można było znacząco zwiększyć przerób surowców. Kolejnym dużym przełomem było wprowadzenie w piecach cyfrowego sterowania, które precyzyjnie utrzymuje temperaturę szkła w miarę jego przepływu przez kolejne sekcje. Sterowanie cyfrowe pozwala zachować bardziej ustabilizowany i płynniejszy dopływ surowca do urządzeń, co pozwala uniknąć powstania pęcherzyków powierza i innych czynników mogących powodować nieciągłości we włóknach. Na zmniejszenie kosztów produkcji włókna szklanego wpłynęło zastosowanie pieców najnowszej generacji, w których spalany jest prawie czysty tlen. Pozwala to na czystsze spalanie gazu ziemnego, co umożliwia uzyskiwanie wyższych temperatur i bardziej wydajne topienie szkła. Nowa technologia pozwala również obniżyć koszty operacyjne poprzez zmniejszenie zużycia energii i ograniczenie emisji tlenku azotu (o 75%) i dwutlenku węgla (o 40%).

Pomimo tych wszystkich udoskonaleń jest jeszcze pole do usprawnień. Najsłabszym ogniwem całego procesu są ogniotrwałe cegły, którymi wyłożony jest piec. Nieprzerwane topienie i przepływ szkła powoduje zużycie cegieł. Obecnie naukowcy i inżynierowie pracują nad poprawą okresu ich użytkowania. Jest to istotne, bo produkcja włókna szklanego jest procesem nieprzerwanym. Po rozpoczęciu produkcji nie można jej zatrzymać. Według producentów, typowe piece mogą pracować średnio przez 12-15 lat, choć okres ten wynosi czasem tylko 7 lat. Przebudowa lub zakup nowego pieca to wydatek rzędu 10-15 milionów dolarów, dlatego zwiększenie żywotności cegieł ogniotrwałych i wydłużenie czasu eksploatacji pieca jest bardzo istotne z ekonomicznego punktu widzenia.

Najczęściej na świecie stosuje się topienie szkła w tzw. procesie bezpośrednim, czyli stopione szkło przekazywane jest z pieca bezpośrednio do urządzeń formujących włókna. Zdarza się, choć rzadziej, tzw. topienie pośrednie, gdzie stopione w zakładzie szkło jest cięte na kawałki i walcowane do postaci kulek. Kulki takie następnie są schładzane, pakowane i transportowane do zakładu produkcji włókna szklanego, gdzie są ponownie stapiane.

 

Etap 3: rozwłóknianie

Etap ten jest połączeniem procesu wytłaczania i snucia. Podczas procesu wytłaczania, szkło opuszcza zasilacz przez wykonaną z platyny i rodu łódkę wyposażoną w otwory o niewielkiej średnicy. Jedna łódka może mieć takich otworów od 200 do nawet 8 000. Łódki są od spodu ogrzewane elektrycznie, co pozwala zachować lepkość szkła na stałym poziomie. Wychodzące przez otwory włókienka stopionego szkła mają temperaturę ok 1200°C i są chłodzone za pomocą strumieni wody. Następnie szkło jest chwytane przez mechaniczne wyciągarki, które obracają się w bardzo szybkim tempie. Prędkość obrotowa maszyny jest znacznie większa niż prędkość z jaką stopione szkło wypływa z łódki, dzięki czemu zostaje ono roz­ciągnięte i wyciągnięte w postaci cienkiego włókna, którego średnica wynosi od 4 do 34 μm, czyli jedną dziesiątą grubości ludzkiego włosa.

 

Etap 4: pokrywanie

Na tym etapie mechaniczne przewijarki ciągną włókna z prędkością liniową do 61 m/s poprzez aplikator, który pokrywa włókna odpowiednią chemiczną powłoką tzw. klejonką, aby wspomóc dalsze ich przetwarzanie i poprawić końcową jakość produktu finalnego. Proces ten nazywa się pokrywaniem.

Nakładana powłoka zwykle jest w ilości 0,5-2,0% masy i może zawierać środki smarujące i/lub promotory adhezji. Środki smarujące pomagają chronić włókna przed ścieraniem i łamaniem podczas zbierania, nawijania i przetwarzania w maszynach tkających lub urządzeniach innego typu. Promotory adhe­zji nadają włóknu właściwości powinowactwa chemicznego do określonych postaci żywic i wzmacniają wiązania adhezyjne na styku włókna z podłożem. Niektóre powłoki mogą być stosowane z różnymi rodzajami żywic, podczas gdy inne, tylko z żywicami poliestrowymi lub epoksydowymi.

Parametry chemiczne powłoki są kluczowe dla osiągów włókna szklanego. Specjaliści twierdzą, że w wielu zastosowaniach skład chemiczny powłoki ma taki sam, o ile nie większy, wpływ na parametry włókna, jak skład chemiczny wsadu do produkcji szkła. Przykładowo, specjalna powłoka stosowana do produkcji łopatek turbin wiatrowych pozwala na osiągnięcie o rząd wielkości większej poprawy trwałości zmęczeniowej łopatki. Jest to skutkiem zwiększenia zwilżalności włókna oraz jego adhezji do różnego rodzaju żywic.

 

Etap 5: suszenie i pakowanie

Ostatnim etapem jest zbieranie w wiązkę wyciągniętych i powleczonych powłoką włókien szklanych. Wiązki tworzą splot zawierający od 51 do 1624 ciągłych włókien. Splot nawijany jest w postaci formowanego pakietu (przypominającego szpulę nici) na bęben. Na tym etapie formowane pakiety nadal są wilgotne od wody stosowanej do chłodzenia i nakładanej powłoki, dlatego muszą być wysuszone w piecu. Wysuszone włókno szklane może być następnie umieszczone na paletach i przekazane nabywcy lub poddane dalszej obróbce na włókno cięte, przędzę lub pęczki. Przędza produkowana jest z jednego lub wielu splotów, które mogą zostać skręcone, dzięki czemu wzmocniona będzie integralność przędzy w dalszych procesach, np. tkaniu. Pęczki natomiast tworzy się z 10-15 splotów nawiniętych razem na pakiet posiadający wiele zakończeń.

 

Rozwój włókna szklanego

Wraz z rozwojem włókien szklanych rozwijał się jego światowy rynek. Trzydzieści lat temu większość produkcji stanowiło szkło typu E i S. Typ E był jednym z pierwszych jakie zaczęto stosować do produkcji materiałów wzmacniających konstrukcje i nadal jest w czołówce produkowanych włókien szklanych. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na bardziej specjalistyczne produkty, producenci zaczęli tworzyć kolejne typy szkła do konkretnych typów zastosowań.

Rozwój technologiczny sprawił, że producenci zaczęli wprowadzać kolejne udoskonalenia poprawiając właściwości szkła i możliwości jego obróbki. Przy­kładem jest usunięcie boru ze szkła typu E. Zabieg ten nie tylko obniżył koszty produkcji, ale również ograniczył emisję zanieczyszczeń, przez co produkt stał się bardziej ekologiczny.
Obecnie duże znaczenie dla rynku mają włókna szklane specjalnego zastosowania, których przykładem jest szkło typu ECR, czyli włókna o bardzo dużej odporności na korozję, o zawartości ok. 16-19% tlenku cyrkonu (tzw. szkło alkalioodporne cyrkonowe) używane w budownictwie.

Szkło typu S również ewoluowało na przestrzeni lat. Przykładem jest włókno typu S-2, które charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie o 40 procent wyższym oraz modułem sprężystości przy rozciąganiu o 20 procent wyższym niż szkło typu E.
Dalszą modyfikacją było wprowadzenie na rynek szkła typu S-3, które jest wysokiej jakości włóknem szklanym o specyfikacji przygotowanej specjalnie pod konkretne indywidualne wymagania zamawiającego. Przykładem jest szkło o nazwie HPB, które zostało przygotowane specjalnie na potrzeby me­dycznych implantów.

Specjalistyczne szkło o wysokich parametrach jest trudniejsze w produkcji bowiem wymaga wyższej temperatury topienia i mniejszej wielkości pieców, co zmniejsza wydajność produkcji i zwiększa koszty.

 

Rynek włókna szklanego

Aktualnie istnieją dwie tendencje na rynku włókien szklanych. Pierwszą z nich jest dążenie do zwiększenia wolumenu produkcji, a drugą dążenie do redukcji kosztów. W obu przypadkach przodują Chiny. Chiny są kluczowym motorem napędowym światowej produkcji włókna szklanego od 2002 roku. Po części jest to skutek gwałtownego wzrostu ich krajowego popytu na ten surowiec, który między 2002 i 2006 rokiem wzrósł o 33% do wartości 515 000 ton w 2007 r. Tego samego roku produkcja włókna szklanego w Chinach wyniosła 1,45 miliona ton, co stanowiło 37% światowej produkcji tego surowca. Chiny tym samym przegoniły w 2007 roku Stany Zjednoczone Ameryki, które do tej pory przodowały w produkcji włókna szklanego.

Światowym liderem w produkcji szkła pozostają Chiny, jednak w większości produkują oni standardowe szkło typu E. Większość produkcji drogiego szkła o wysokiej jakości i parametrach nadal ulokowana jest w USA. Nie mniej Chiny zaczynają gonić Amerykę pod tym względem. Niskie koszty pracy i wsparcie chińskiego rządu powodują, że Azja ma pod tym względem dużą przewagę nad innymi rynkami, szczególnie w produkcji wymagającej dużego nakładu pracy. Przykładem jest produkcja przędzy, która w większości przeniosła się do Chin, podczas gdy większość produkcji wysokiej jakości włókien do specjalnych zastosować ulokowana jest w Ameryce i Europie.

Szacuje się, że do 2020 roku wartość globalnego rynku włókien szklanych wyniesie blisko 16 miliardów dolarów. Za wzrost wartości rynku odpowiada głównie wzrastające użycie włókna szklanego w wielu gałęziach przemysłu, tj. budownictwie i inżynierii. Najwięk­sze zapotrzebowanie występuje na rynkach amerykańskich i azjatyckich. W rękach Azji i Ameryki znajduje się ponad 78% światowego udziału w produkcji włókna szklanego.

Największy popyt na włókno mają Chiny, które zużywają ponad połowę światowej podaży surowca. Popyt stale wzrasta również w innych krajach. Największy wzrost odnotowują USA oraz Japonia i to na tych rynkach producenci aktualnie sku­piają największą uwagę.