اقرأ في هذا المقال
- ما هي الألياف الزجاجية؟
- الصوف الزجاجي
- أقسام الألياف الزجاجية
- المواد الخام في الألياف الزجاجية
- مراحل تصنيع الألياف الزجاجية
ما هي الألياف الزجاجية؟
الألياف الزجاجية: هي أساس صناعة المواد المركبة وهي عبارة عن مجموعة من المنتجات المصنوعة من ألياف زجاجية فردية عديدة مدمجة في أشكال متنوعة، وخصائصه الفيزيائية مفهومة جيداً فهو خفيف الوزن وقوة الشد له معتدلة ويسهل التعامل معه، يتم استخدام الألياف الزجاجية في مجموعة واسعة من المشاريع داخل الصناعة.
المواد المركبة هي مواد مكونة من مكونات فردية تتجاوز قوتها البدنية مجتمعة خصائص أي منهما على حدة في حالة الرقائق المركبة، هناك عنصرين أساسيين وهما التعزيز الليفي (مثل الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون) والراتنج لا يُقصد استخدام هذين العنصرين حصريًا بل يجب دمجهما معاً عند القيام بذلك، فإنّها تترابط ميكانيكياً وكيميائياً لتشكيل جزء صلب مصفح لا يمكن إصلاحه.
الألياف الزجاجية شائعة الاستخدام لعدد من الأسباب ولكن إلى حد كبير بسبب قوتها العالية مجتمعة لنسبة الوزن المنخفض وبشكل عام، يمكن تصميمها لتناسب التطبيقات المختلفة وتشكيلها بأشكال فريدة ومعقدة كما أنّها تشتهر بمقاومة فائقة لمعظم البيئات ويمكن استخدامها من قبل معظم المصنِّعين دون استثمار كبير.
على الرغم من أنّ الاستخدام التجاري للألياف الزجاجية حديث نسبيًا إلّا أنّ الحرفيين ابتكروا خيوطاً زجاجية لتزيين الكؤوس والمزهريات خلال عصر النهضة حيث أنتج الفيزيائي الفرنسي رينيه أنطوان فيرشاولت دي ريومور منسوجات مزيّنة بخيوط زجاجية دقيقة في عام (1713)، وكرر المخترعون البريطانيون هذا الإنجاز في عام (1822)، صنع نساج حرير بريطاني قماشاً زجاجياً في عام (1842) وعرض مخترع آخر إدوارد ليبي، فستان منسوج من الزجاج في المعرض الكولومبي (1893) في شيكاغو.
الصوف الزجاجي:
صوف الألياف الزجاجية: هو مادة سميكة ورقيقة مصنوعة من ألياف المتقطعة غير المستمرة بأطوال عشوائية وهي تستخدم للعزل الحراري وامتصاص الصوت، توجد عادةً في حواجز السفن والغواصات وأجسامها وفي مقصورات محرك السيارات وبطانات لوحة الهيكل، في الأفران ووحدات تكييف الهواء وفي ألواح الجدران والسقف الصوتية والأقسام المعمارية، يمكن تصميم الألياف الزجاجية لتطبيقات محددة مثل النوع E (كهربائي) وتستخدم أيضاً كشريط عازل كهربائي ومنسوجات وتقوية النوع C (كيميائي) الذي يتميز بمقاومة فائقة للأحماض والنوع T للعزل الحراري.
تمّ إنتاج الصوف الزجاجي لأول مرة في أوروبا باستخدام عملية تضمنت سحب ألياف من قضبان أفقية إلى أسطوانة دوارة وبعد عدة عقود تمّ تطوير عملية الغزل والحصول على براءة اختراع، تمّ تصنيع المواد العازلة من الألياف الزجاجية في ألمانيا خلال الحرب العالمية الأولى وقد تقدّم البحث والتطوير الهادفان إلى الإنتاج الصناعي للألياف الزجاجية في الولايات المتحدة في ثلاثينيات القرن الماضي تحت إشراف شركتين رئيسيتين شركة أوينز إلينوي للزجاج وشركة (Corning Glass).
وقد طورت هذه الشركات ألياف زجاجية دقيقة ومرنة ومنخفضة التكلفة عن طريق سحب الزجاج المنصهر من خلال فتحات دقيقة للغاية، في عام (1938) اندمجت هاتان الشركتان لتشكلا شركة (Owens-Corning Fiberglas Corp) والمعروفة الآن باسم (Owens-Corning) وأصبحت شركة تبلغ قيمتها 3 مليارات دولار في السنة وهي شركة رائدة في سوق الألياف الزجاجية.
أقسام الألياف الزجاجية:
يمكن تقسيم الألياف الزجاجية إلى مجموعتين رئيسيتين وفقاً لهندستها: الألياف المستمرة المستخدمة في الخيوط والمنسوجات، والألياف غير المستمرة (القصيرة) المستخدمة كخفافيش أو بطانيات أو ألواح للعزل والترشيح، يمكن تشكيل الألياف الزجاجية إلى خيوط تشبه إلى حد كبير الصوف أو القطن ويمكن نسجها في نسيج يستخدم أحياناً في الستائر، تُستخدم المنسوجات المصنوعة من الألياف الزجاجية بشكل شائع كمواد تقوية للبلاستيك المقولب والمصفح.
المواد الخام في الألياف الزجاجية:
المواد الخام الأساسية لمنتجات الألياف الزجاجية هي مجموعة متنوعة من المعادن الطبيعية والمواد الكيميائية المصنعة، المكونات الرئيسية لها هي رمل السيليكا والحجر الجيري ورماد الصودا وقد تشمل المكونات الأخرى الألومينا المكلس والبوراكس والفلسبار والنفيلين سينيت والمغنسيت وطين الكاولين، يتم استخدام رمل السيليكا كقالب زجاجي ويساعد رماد الصودا والحجر الجيري بشكل أساسي على خفض درجة حرارة الانصهار وتستخدم المكونات الأخرى لتحسين خصائص معينة مثل البورق للمقاومة الكيميائية.
تُستخدم نفايات الزجاج التي تسمى أيضاً كسّارة الزجاج كمواد خام ويجب وزن المواد الخام بعناية وبكميات دقيقة وخلطها جيداً معاً (تسمى الخلط) قبل صهرها في الزجاج.
مراحل تصنيع الألياف الزجاجية:
تمر الألياف الزجاجية بخطوات ومراحل لإتمام عملية التصنيع بدءاً من عملية الذوبان وانتهاءاّ بعملية تشكيلها إلى أشكال.
1. الذوبان:
بمجرّد تحضير المواد يتم إدخالها في فرن للصهر ويتم تسخين الفرن بالكهرباء أو الوقود الأحفوري أو مزيج من الاثنين، يجب التحكم في درجة الحرارة بدقة، للحفاظ على تدفق سلس وثابت للزجاج حيث يجب حفظ الزجاج المصهور في درجة حرارة أعلى (حوالي 2500 درجة فهرنهايت [1371 درجة مئوية]) من الأنواع الأخرى من الزجاج حتى يتم تشكيله في ألياف، بمجرّد أن يذوب الزجاج يتم نقله إلى معدات التشكيل عبر قناة موجودة في نهاية الفرن.
2. تشكيل الألياف:
تُستخدم عدة عمليات مختلفة لتشكيل الألياف اعتماداً على نوع الألياف، يمكن تشكيل ألياف النسيج من الزجاج المصهور مباشرة من الفرن أو يمكن تغذية الزجاج المنصهر أولاً إلى آلة من الألياف الزجاجية التي تشكل كرات زجاجية يبلغ قطرها حوالي (0.62) بوصة (1.6 سم)، تسمح هذه الكرات الزجاجية بفحص الزجاج بصرياً بحثاً عن الشوائب، في كل من عملية الصهر المباشر وصهر الرخام يتم تغذية الزجاج أو الرخام الزجاجي من خلال البطانات المسخنة كهربائياً (وتسمى أيضًا المغازل) البطانة مصنوعة من البلاتين أو سبيكة معدنية، مع 200 إلى 3000 فتحة دقيقة جدًا حيث يمر الزجاج المصهور عبر الفتحات ويخرج كخيوط دقيقة.
3. مرحلة الخيوط المستمرة:
يتم إنتاج ألياف طويلة ومستمرة من خلال عملية الفتيل المستمر، بعد أن يتدفق الزجاج عبر الفتحات الموجودة في البطانة يتم التقاط خيوط متعددة بجهاز لف عالي السرعة حيث يدور جهاز اللفاف بسرعة حوالي 2 ميل (3 كم) في الدقيقة، وهو أسرع بكثير من معدل التدفق من البطانات، يسحب الشد الخيوط بينما لا يزال منصهراً ويشكل خيوطاً تكون عبارة عن جزءاً صغيراً من قطر الفتحات الموجودة في الجلبة، يتم تطبيق مادة رابطة كيميائية تساعد على منع الألياف من التكسر أثناء المعالجة اللاحقة ثمّ يتم لف الخيط على أنابيب حيث يمكن ثنيها وربطها في الغزل.
4. عملية الألياف الأساسية:
تعتبر هذه العملية طريقة بديلة فعندما يتدفق الزجاج المنصهر عبر البطانات، تعمل نفاثات الهواء على تبريد الخيوط بسرعة كما أنّ رشقات الهواء المضطربة تكسر الشعيرات إلى أطوال تتراوح من 8 إلى 15 بوصة (20-38 سم). تسقط هذه الخيوط من خلال رذاذ مادة التشحيم على أسطوانة دوارة، حيث تشكل شبكة رقيقة ثمّ يتم سحب الشبكة من الأسطوانة ويتم سحبها إلى خيط مستمر من الألياف المجمعة بشكل فضفاض، يمكن معالجة هذه الخصلة إلى خيوط بنفس العمليات المستخدمة في الصوف والقطن.
5. عملية الألياف المقطعة:
بدلاً من تشكيل الألياف في خيوط الغزل، يمكن تقطيع الخيط المستمر أو الطويل إلى أطوال قصيرة، حيث يتم تثبيت الخصلة على مجموعة من البكرات تسمى كرييل، ويتم سحبها من خلال آلة تقطيعها إلى قطع قصيرة، تتكون الألياف المقطعة في حصائر يضاف إليها مادة رابطة وبعد المعالجة في الفرن يتم لف الحصيرة، تعطي الأوزان والسماكات المختلفة منتجات للألواح الخشبية أو الأسقف المبنية أو الحصائر الزخرفية.
6. العملية الدوارة:
يتم استخدام العملية الدوارة أو الغزل لصنع الصوف الزجاجي في هذه العملية، يتدفق الزجاج المصهور من الفرن إلى وعاء أسطواني به فتحات صغيرة وعندما تدور الحاوية بسرعة تتدفق تيارات الزجاج الأفقية من الثقوب، يتم تحويل التيارات الزجاجية المنصهرة إلى ألياف عن طريق تدفق هواء إلى أسفل أو غاز ساخن أو كليهما ثمّ تسقط الألياف على حزام ناقل حيث تتشابك مع بعضها البعض في كتلة صخرية يمكن استخدام هذا للعزل، أو يمكن رش الصوف بالمادة اللاصقة وضغطه بالسماكة المطلوبة ومعالجته في الفرن، تعمل الحرارة على ضبط المادة الرابطة وقد يكون المنتج الناتج عبارة عن لوح صلب أو شبه صلب، أو قالب مرن.
7. الطلاءات الواقية:
إنّ الطلاءات مطلوبة لمنتجات الألياف الزجاجية تُستخدم مواد التشحيم لتقليل تآكل الألياف ويتم رشها مباشرة على الألياف أو إضافتها إلى المادة الرابطة، أحياناً يتم رش تركيبة مضادة للكهرباء الساكنة على سطح حصائر العزل المصنوعة من الألياف الزجاجية أثناء خطوة التبريد، ويتسبب هواء التبريد المسحوب عبر السجادة في اختراق العامل المضاد للكهرباء الساكنة لكامل سماكة الحصيرة، يتكون العامل المضاد للكهرباء الساكنة من مكونين مادة تقلل من توليد الكهرباء الساكنة ومادة تعمل كمثبط للتآكل، التحجيم هو أي طلاء يتم تطبيقه على ألياف النسيج في عملية التشكيل وقد يحتوي على مكون واحد أو أكثر وتُستخدم عوامل التوصيل على الخيوط التي سيتم استخدامها لتقوية اللدائن لتقوية الرابطة مع المادة المقواة في بعض الأحيان، يلزم إجراء عملية تشطيب لإزالة هذه الطلاءات أو لإضافة طلاء آخر.
8. التشكيل إلى أشكال:
منتجات الألياف الزجاجية تأتي في مجموعة متنوعة من الأشكال على سبيل المثال يتم لف الأنابيب العازلة المصنوعة من الألياف الزجاجية على أشكال تشبه القضبان تسمى المغزل مباشرة من وحدات التشكيل قبل المعالجة، يتم بعد ذلك معالجة القوالب التي يبلغ أطوالها 3 أقدام (91 سم) أو أقل في الفرن، يتم بعد ذلك فك الأطوال المعالجة بالطول ونشرها إلى أبعاد محددة ثمّ يتم تطبيق الواجهات إذا لزم الأمر ويتم تعبئة المنتج للشحن.
