玻璃纤维

背景

玻璃纤维是指由单根玻璃纤维组合成多种形式制成的一组产品。玻璃纤维根据其几何形状可分为两大类：用于纱线和纺织品的连续纤维，以及用作棉絮、毯子或绝缘和过滤板的不连续（短）纤维。玻璃纤维可以像羊毛或棉花一样制成纱线，并编织成有时用于窗帘的织物。玻璃纤维纺织品通常用作模塑和层压塑料的增强材料。玻璃纤维棉是一种由不连续纤维制成的厚而蓬松的材料，用于隔热和吸音。它常见于船舶和潜艇的舱壁和船体中；汽车发动机舱和车身面板内衬；在熔炉和空调装置中；隔音墙和天花板；和建筑隔断。玻璃纤维可以针对特定应用进行定制，例如 E 型（电气），用作电气绝缘胶带、纺织品和增强材料； C 型（化学）具有优异的耐酸性，T 型用于隔热。

虽然玻璃纤维的商业用途相对较新，但工匠在文艺复兴时期创造了用于装饰高脚杯和花瓶的玻璃丝。法国物理学家 Rene-Antoine Ferchault de Reaumur 于 1713 年生产了装饰有细玻璃丝的纺织品，英国发明家在 1822 年复制了这一壮举。 1842 年一位英国丝织工制作了一种玻璃织物，另一位发明家 Edward Libbey 展出了1893 年芝加哥哥伦比亚博览会上的玻璃编织连衣裙。

玻璃棉是一种长度不连续的蓬松纤维，在世纪之交首次在欧洲生产，使用的工艺包括将纤维从杆中水平拉伸到转鼓中。几十年后，开发了一种纺纱工艺并获得了专利。玻璃纤维绝缘材料在第一次世界大战期间在德国制造。 1930年代，在欧文斯-伊利诺伊玻璃公司和康宁玻璃两大公司的指导下，美国在玻璃纤维的工业化生产方面取得了进展作品。这些公司通过非常细小的孔口拉制熔融玻璃，开发出一种精细、柔韧、低成本的玻璃纤维。 1938 年，这两家公司合并成立了 Owens-Corning Fiberglas Corp。现在简称为 Owens-Corning，它已成为一家年营业额达 30 亿美元的公司，是玻璃纤维市场的领导者。

原材料

玻璃纤维制品的基本原材料是各种天然矿物和人造化学品。主要成分是硅砂、石灰石和纯碱。其他成分可包括煅烧氧化铝、硼砂、长石、霞石正长岩、菱镁矿和高岭土等。硅砂用作玻璃成型剂，纯碱和石灰石主要有助于降低熔化温度。其他成分用于改善某些特性，例如用于耐化学性的硼砂。废玻璃也称为碎玻璃，也用作原材料。在熔化成玻璃之前，必须仔细称量原材料并精确混合（称为配料）。

制造
过程

融化

• 1 批次准备好后，将其送入熔炉进行熔化。熔炉可以通过电、化石燃料或两者的组合加热。必须精确控制温度以保持玻璃的平稳、稳定流动。熔融玻璃必须保持在比其他类型玻璃更高的温度（约 2500°F [1371°C]）才能形成纤维。一旦玻璃熔化，就会通过位于熔炉末端的通道（料道）传送到成型设备。

形成纤维

• 2 根据纤维的类型，有几种不同的工艺可用于形成纤维。纺织纤维可以直接由熔炉中的熔融玻璃制成，或者可以先将熔融玻璃送入机器 形成直径约 0.62 英寸（1.6 厘米）的玻璃弹珠。这些弹珠允许目视检查玻璃是否有杂质。在直接熔化和大理石熔化工艺中，玻璃或玻璃大理石通过电加热套管（也称为喷丝板）进料。衬套由铂或金属合金制成，具有 200 到 3,000 个非常精细的孔口。熔融玻璃通过孔口并以细丝的形式出来。

连续长丝工艺

• 3 可以通过连续长丝工艺生产长而连续的纤维。玻璃流过套管中的孔后，多股线被高速卷绕机卷起。绕线机以每分钟约 2 英里（3 公里）的速度旋转，比从套管流出的流速快得多。张力在仍处于熔融状态的情况下拉出细丝，形成套管中开口直径的一小部分的线束。使用化学粘合剂，有助于防止纤维在后期加工过程中断裂。然后将灯丝缠绕在管子上。现在可以将它加捻并合股成纱线。

短纤工艺

• 4 另一种方法是短纤维工艺。当熔融玻璃流过套管时，空气射流迅速冷却灯丝。湍流的空气也会将细丝断裂成 8-15 英寸（20-38 厘米）的长度。这些长丝通过润滑剂喷雾落到转鼓上，在那里形成薄网。纤维网从滚筒中拉出并拉成一束松散组装的连续纤维。这股线可以通过与羊毛和棉花相同的工艺加工成纱线。

短切纤维

• 5 可以将连续或长绒股线切割成短线，而不是形成纱线。股线安装在一组称为筒子架的线轴上，并通过机器将其切成短片。短切纤维形成垫子，其中添加了粘合剂。在烤箱中固化后，将垫子卷起。不同重量和厚度的产品可用于带状疱疹、组合屋面或装饰垫。

玻璃棉

• 6 旋转或旋转工艺用于制造玻璃棉。在这个过程中，来自熔炉的熔融玻璃流入一个带有小孔的圆柱形容器。当容器快速旋转时，水平的玻璃流从孔中流出。熔融的玻璃流通过向下的空气、热气或两者一起吹转变成纤维。纤维落到传送带上，在那里它们相互交织成柔软的团块。这可以用于绝缘，或者可以用粘合剂喷涂羊毛，压缩成所需的厚度，然后在烤箱中固化。热定型粘合剂，所得产品可以是刚性或半刚性板，或柔性棉絮。

保护涂层

• 7 除粘合剂外，玻璃纤维产品还需要其他涂层。润滑剂用于减少纤维磨损，可以直接喷在纤维上或添加到粘合剂中。在冷却步骤期间，有时还会将抗静电组合物喷洒到玻璃纤维绝缘垫的表面上。通过垫子吸入的冷却空气使抗静电剂渗透到垫子的整个厚度。抗静电剂由两种成分组成 - 一种可以最大限度地减少静电产生的材料，以及一种用作腐蚀抑制剂和稳定剂的材料。

  上浆是在成型操作中应用于纺织纤维的任何涂层，可能包含一种或多种成分（润滑剂、粘合剂或偶联剂）。偶联剂用于将用于增强塑料的股线，以加强与增强材料的结合。

  有时需要进行修整操作以去除这些涂层，或添加另一种涂层。对于塑料增强材料，可以通过加热或化学物质和偶联剂去除胶料。对于装饰应用，必须对织物进行热处理以去除上浆并固定组织。然后在染色或印刷之前应用染料基础涂层。

成型

• 8 玻璃纤维产品采用多种工艺制成，形状各异。例如，在固化之前，玻璃纤维管道绝缘材料直接从成型单元缠绕到称为心轴的棒状形式上。模具的长度为 3 英尺（91 厘米）或更短，然后在烤箱中固化。然后将固化的长度纵向脱模，并锯成指定的尺寸。如果需要，可以应用饰面，并包装产品以供装运。

质量控制

在玻璃纤维绝缘材料的生产过程中，会在过程中的多个位置对材料进行取样以保持质量。这些位置包括： 混合批次被送入电熔胶机；来自给纤维化器供料的套管中的熔融玻璃；从成纤机出来的玻璃纤维；以及从生产线末端出现的最终固化产品。使用精密的化学分析仪和显微镜分析大块玻璃和纤维样品的化学成分和缺陷的存在。批料的粒度分布是通过使物料通过多个不同尺寸的筛子而获得的。最终产品在包装后根据规格进行厚度测量。厚度的变化表明玻璃质量低于标准。

玻璃纤维绝缘制造商还使用各种标准化测试程序来测量、调整和优化产品的声阻、吸声和声屏障性能。声学特性可以通过调整诸如纤维直径、堆积密度、厚度和粘合剂含量等生产变量来控制。类似的方法用于控制热性能。

未来

在 1990 年代及以后的剩余时间里，玻璃纤维行业面临着一些重大挑战。由于外国公司的美国子公司和美国制造商的生产力提高，玻璃纤维绝缘材料生产商的数量有所增加。这导致了产能过剩，这是当前乃至未来市场无法容纳的。

除了产能过剩，其他绝缘材料也会竞争。由于最近的工艺和产品改进，岩棉已得到广泛应用。泡沫绝缘材料是住宅墙壁和商业屋顶中玻璃纤维的另一种替代方案。另一种竞争材料是纤维素，用于阁楼绝缘。

由于住房市场疲软导致绝缘需求低，消费者要求降低价格。这种需求也是零售商和承包商整合的持续趋势的结果。对此，玻璃纤维保温行业将不得不继续在能源和环境两大领域削减成本。必须使用不只依赖一种能源的更高效的熔炉。

随着垃圾填埋场达到最大容量，玻璃纤维制造商将不得不在不增加成本的情况下实现几乎为零的固体废物产量。这将需要改进制造工艺以减少废物（包括液体和气体废物）并尽可能重复利用废物。

此类废物在重新用作原材料之前可能需要再加工和重熔。一些制造商已经在解决这些问题。