الیاف شیشه یكی از مهم ترین الیاف مورد استفاده در ساخت سازه های مختلف

كامپوزیتی است كه ویژگیهای مكانیكی و قیمت مناسب آن، باعث شده است تا در
مقایسه با الیاف گوناگون كربن، آرامید و بازالت كه كاربری آنها محدود به
كاربردهای بسیار ویژه است، بیشترین میزان مصرف را داشته باشد. بخش اعظمی
از صنایع مختلف، از صنایع رده بالایی همچون تولید پره های توربین بادی و
وسایل نقلیه هوافضایی تا صنایع رده پایینی همچون تولید وان و سینك
ظرفشویی از رده های گوناگون این الیاف مشتمل بر مت، رووینگ، پارچه های تك
یا چند جهته و... در تولید محصولات خود بهره می جویند.
تأمین الیاف شیشه موردنیاز صنعت كامپوزیت ایران (با مصرف سرانۀ 1 كیلوگرم
كامپوزیت در سال) تنها متكی بر واردات از كشورهای تركیه، چین، تایوان
و... است در حالی كه منابع غنی معدنی سیلیس به عنوان عنصر پایه تشكیل
دهنده این الیاف، در داخل كشور به وفور یافت میشوند. بدون شك، تولید
الیاف شیشه در داخل كشور علاوه بر ایجاد ارزش افزوده مناسب و استفاده از
ذخایر كشور، نتایج دیگری همچون كارآفرینی، قطع وابستگی در تامین مواد در
این حوزه و همچنین تحقق صادرات به عنوان یك آرمان بلند مدت را در پی
خواهد داشت. در همین راستا، واحد كامپوزیت گروه مهندسی صنعتی فهامه تدوین
طرح جامع امكان سنجی تولید الیاف شیشه در داخل كشور را برای بخش خصوصی در
دستور كار خود قرار داده كه نوشتار زیر مختصری از قسمت فنی آن طرح است.
مواد اولیه لازم برای تولید الیاف شیشه عبارتند از ماسه سیلیسی، سنگ آهك،
كائولن، كلمانیت و برخی اجزای تركیبی دیگر به مقدار كم (نظیر منیزیت،
دولومیت، فلدسپار، فلوئورین و سولفات سدیم). این مواد در سیلوهایمخصوص
نگهداری شده، پس از توزین و مخلوط شدن به صورت خشك در مخلوط كن، توسط
نقاله یا پالت های ویژه به كوره ذوب منتقل و در دمای بالا ذوب می شوند.
دمای ذوب باتوجه به تركیب شیشه متفاوت و عموماً حدود 1260 درجه سانتی
گراد است. با كشیده شدن این مواد مذاب سیلیكاتیطبق فرایندی ویژه، رشته
های نازك الیاف شیشه حاصل میشوند. به طور كلی دو فرایند عمده و متفاوت
جهت دستیابی به الیاف شیشه از مذاب وجود دارد كه هر دو شیوه تا انتهای
مرحله تولید مخلوط مذاب شیشه یكسان هستند. این دو روش عمده عبارتند از:

1- روش ذوب غیر مستقیم كه تحت عنوان فرایند ذوب گلوله (Marble Melt
Process) نیز شناخته میشود.
2- روش ذوب مستقیم (Direct Melt Process)

روش ذوب غیرمستقیم
در این روش، مذاب شیشه پس تولید و كف گیری، از طریق راهگاههای هادی منشعب
از كوره ذوب، به قسمت تجهیزات گلوله سازی منتقل می شود. هر راهگاه، مذاب
را به یك ماشین گلوله زنی انتقال می دهد. مذاب شیشه پس از عبور از راهگاه
با دمای حدود 1150 درجه سانتی گراد وارد ماشین گلوله زنی می شود. جریان
مذاب از طریق راهگاه هادی مذاب به صفحه كشویی برخورد می كند كه با حركت
رفت و برگشتی خود، مقدار مشخصی از مذاب را كه به لقمه معروف است و وزن
مشخصی نیز دارد بر روی دو استوانه شیاردار مارپیچی دوار با چرخش در جهت
خلاف یكدیگر، قرار می دهد. سرعت دوران استوانه ها با یكدیگر متفاوت بودهف
شیارهای آنها به صورتی بر هم منطبق بوده، شیارهای آنها به صورتی بر هم
منطبق است كه با حركت دورانی آنها، خروجی به صورت گلوله خواهد بود.
نرخ تولید ماشین های گلوله زنی عموماً 5/4 تن در روز است. قطر گلوله ها
نیز 19 تا 25 میلیمتر و وزن هر گلوله 19 میلیمتری حدود 11 گرم است. رعایت
یكنواختی در اندازه گلوله های تولیدی، كنترل جریان مذاب و حركت رفت و
برگشتی صفحه تخلیه از جمله عواملی هستند كه در حفظ بازدهی تولید الیاف
شیشه و تضمین كیفیت آن نقش دارند.
گلوله های تولید شده در پالت های مخصوص نگهداری می شوند و در زمان مورد
نظر با انتقال به بوشینگ های شكل دهنده الیاف، دوباره ذوب می شوند.
بوشینگ ها شامل صفحاتی از جنس فلزاتی با مقاومت به خوردگی زیاد، مقاومت
به سایش بالا و حفظ استحكام در دمای زیاد هستند. آلیاژ مناسب برای این
بوشینگ ها، آلیاژهای خانواده پلاتین و عموماً آلیاژ پلاتین- رادیم است.
پس از ذوب گلوله شیشه ای در سیستم بوشینگ، مذاب تحت تأثیر نیروی وزن خود
از سوراخ های ریز متعدد تعبیه شده در كف این سیستم عبور كرده و رشته های
پیوسته ای به نام تار (Filament) تشكیل می دهند. این تارها یا رشته های
شیشه ای به كمك پاشش آب یا با هوا سرد شده، پوشش محافظ یا سایزینگ بر روی
آنها كشیده می شود. این عمل تا زمانی كه سیستم كنترل قطر بوبین دستور
توقف ندهد، ادامه خواهد یافت و در نهایت بوبین حاوی تارهای جمع و دسته
شده كه كیك الیاف نام دارد، بر روی پالت های مخصوص قرار گرفته و برای
عملیات بعدی و تولید محصولات الیاف شیشه به انبار موقت انتقال داده می
شود.

روش ذوب مستقیم
در این روش، مذاب شیشه پس از عملیات كف گیری توسط كانال هادی مذاب
مستقیماً به راهگاههای منتهی به سیستم بوشینگ انتقال می یابد و پس از آن،
كلیه مراحل كشش تا تولید كیك الیاف در فرایندی مشابه روش ذوب غیرمستقیم
دنبال می شود. بنابراین در این روش، فرایند از ذوب شیشه تا تولید الیاف
شیشه به طور پیوسته ادامه می یابد و مرحله تولید گلوله های شیشه ای حذف
میشود.

برتری ها و كاستی های هر روش
مشخص است كه تفاوت دو روش مستقیم و غیرمستقیم، تنها در مجزا بودن مرحله
ذوب شیشه از مرحله تولید الیاف در روش غیرمستقیم به واسطه تولید گلوله
است. در حالی كه در شیوه مستقیم، مذاب شیشه مستقیماً به مرحله تولید
الیاف شیشه انتقال می یابد. در حقیقت فرایند تولید الیاف شیشه به روش
گلوله زنی، فرایندی ناپیوسته است كه امكان تولید گلوله شیشه ای و تولید
الیاف شیشه از این گلوله را در دو واحد مستقل امكان پذیر می كندو تولید
به شیوه ذوب مستقیم، فرایندی پیوسته و مستمر است.
برتری های نسبی شیوه تولید مبتنی بر ذوب مستقیم به روش غیرمستقیم را
میتوان به صورت زیر خلاصه كرد:
1- تولید مستمر و افزایش نرخ تولید
2- كاهش زمان تولید و افزایش سرعت تولید به علت عدم وجود مرحله گلوله سازی
3- برنامه ریزی ساده تر
4- كاهش مصرف مواد در جریان ساخت
5- صرفه جویی در مصرف انرژی به علت عدم نیاز به ذوب مجدد گلوله ها
6- كاهش هزینه های سربار
7- كاهش هزینه استفاده از فلزات خانواده پلاتین به میزان 3 الی 5 بار
8- امكان اتوماسیون بیشتر
9- هزینه نصب و راه اندازی كمتر
10- تولید اقتصادی تر برای ظرفیت های بالاتر از 5000 تن در سال
همچنین برای روش غیرمستقیم نیز میتوان برتری های زیر را نسبت به روش مستقیم برشمرد:
1- مجزا بودن مراحل ذوب شیشه از تولید الیاف و امكان تولید گلوله در یك
زمان و انبار كردن آنها و تولید الیاف شیشه در زمانی دیگر
2- انعطاف پذیری بالا و سهولت در تغییر نوع محصول از الیاف شیشه
3- امكان فروش گلوله به سایر مجموعه ها یا خرید گلوله از آنها
4- امكان سرمایه گذاری و راه اندازی واحدهای تولید گلوله و الیاف شیشه به تفكیك
5- امكان ادامه فعالیت هركدام از واحدهای گلوله سازی و تولید الیاف به
هنگام انجام تعمیرات در واحد دیگر
6- تولید اقتصادی برای ظرفیت های كمتر از 5000 تن
با توجه به نكات برشمرده شده، چنانچه حجم سرمایه اولیه محدود و ظرفیت
تولید نیز پایین باشد، استفاده از شیوه غیرمستقیم یا تولید الیاف شیشه
با توجه به نكات برشمرده شده، چنانچه حجم سرمایه اولیه محدود و ظرفیت
تولید نیز پایین باشد، استفاده از شیوه غیرمستقیم یا تولید الیاف شیشه
مبتنی بر تولید گلوله توصیه می شود. در حقیقت به تبع پایین بودن میزان
تولید، عامل توفیق در بازار، ارائه گستره متنوعی از محصولات مختلف است كه
می بایست بر اساس اتخاذ یك شیوه انعطاف پذیر استوار شود و چنانچه حجم
سرمایه گذاری محدود نباشد و ظرفیت طرح بالا باشد، استفاده از شیوه مستقیم
به منظور افزایش بازدهی و سرعت تولیدتوصیه میشود.

زیرفرایندهای تولید الیاف شیشه
زیرفرایندهای تولید الیاف شیشه به ترتیب زیر تحقق می یابند:

آماده سازی و اختلاط مواد اولیه
تمام مواد اولیه اصلی صنعت الیاف شیشه (به جز سولفات سدیم كه به صورت
كیسه ای عرضه می شود) به صورت فله ای با دانه بندی موردنظر خریداری شده و
به كمك بونكر عاری از رطوبت و آلودگی و به صورت سرپوشیده به محل كارخانه
حمل خواهند شد. پس از حمل مواد و انتقال به كارخانه، بونكرها محموله های
خود را در قیف مخصوص بارگیری تخلیه كرده و مواد به كمك پمپ باد توسط
سیستم لوله كشی به سیلوها منتقل خواهند شد. پس از آن مواد اولیه توزین و
به سمت بالابر مخلوط كن ها هدایت می شوند و درون مخلوط كن ها ریخته می
شوند.
در واحدهای تولیدی الیاف شیشه، مخلوط كن ها به سه شیوه متفاوت مستقر می شوند:
1- مخلوط كن در واحد آماده سازی مستقر می شود و با استفاده از سیستم های
انتقال، مواد مخلوط شده به سیلوهای ذخیره خوراك دهی پای كوره انتقال می
یابند.
2- مخلوط كن در واحد آماده سازی مستقر می شود و مواد مخلوط با استفاده از
پالت به كوره های مذاب منتقل می شوند.
3- مخلوط كن در محل قرارگیری كوره مستقر می شود.

ذوب شیشه
از آنجایی كه كیفیت نهایی الیاف شیشه تولیدی، مستقیماً به كیفیت مواد
اولیه ورودی و فرایند ذوب آنها بستگی دارد، حصول اطمینان از ثابت بودن
كیفیت مواد اولیه، ثابت بودن نرخ خروجی كوره و تنظیم بودن عوامل مختلف
كوره نظیر دما، فشار و تركیب گازهای خروجی بسیار حایز اهمیت است.
به طور كلی، كوره های ذوب شیشه برای تولید الیاف شیشه، تفاوت قابل ملاحظه
ای با دیگر انواع كوره های موردنیاز برای تولید سایر اشیای شیشه ای
ندارند و اصلی ترین تفاوت آنها در بالتر بودن دمای ذوب در این واحدها
است. در این كوره ها پس از ورود مخلوط مواد اولیه با درصد تركیب مشخص و
توزین شده، خروجی مذاب از طریق مجراهای خاصی به سیستم بوشینگ تولید الیاف
شیشه منتقل می شوند. كوره های متداول برای تولید الیاف شیشه پنج نوع كلی
زیر را شامل می شوند:
1- كوره های احیایی (Regenerative)
2- كوره های الكتریكی
3- كوره های با شعله مستقیم (Direct Fired)
4- كوره های بهبود دهنده (Recuperative)
5- كوره های تركیبی
واحدهای ذوب شیشه شامل قسمت هایی همچون بخش تغذیه، منطقه ذوب، بخش تولید
حباب، سیستم كف گیر، مجراهای هادی مذاب، مجرای خروجی دود و بهبود دهنده
هستند. فضای موردنیاز برای ذوب، حدود 5/1 مترمربع به ازای هر تن مذاب
شیشه است. عمق مذاب نیز از 500 تا 1200 میلی متر با توجه به نوع فناوری
به كار رفته تغییر می كند. اگر عمق مذاب زیاد باشد، اختلاف دمای بین لایه
های فوقانی و تحتانی سبب می شود تا بلورهای شیشه در مذاب تشكیل شود و اگر
این عمق خیلی كم باشد، به علت میزان حرارت زیاد تولید شده، نرخ خوردگی
آجرهای دیرگداز افزایش خواهد یافت كه باعث كاهش عمر كوره می شود.

كشش الیاف
شیشه های مذاب تولید شده در واحد ذوب، جهت كشش الیاف از طریق راهگاههای
مذاب به سیستم بوشینگ منتقل می شوند. عمل تولید و كشش الیاف، در سیستم
بوشینگ تعبیه شده در راهگاههای فرعی منشعب از مجرای هادی مذاب صورت می
پذیرد. در این سیستم، در ابتدا مذاب وارد بوش اصلی شده، پس از عبور از
روزنه های ریزی به نام "اوریفیس"، الیاف پیوسته و نازك تولید می شود.
اوریفیس های مورد استفاده از جنس آلیاژهای خانواده پلاتینند كه برای گرم
كردن آنها، از المنت های الكتریكی استفاده می شود. تعداد اوریفیس ها
مضربی از عدد 200 بوده، این سیستم ها در حالت كلی حاوی 200 تا 4800
اوریفیس هستند و حتی تا 6000 عدد هم وجود دارد.
گرانروی شیشه مذابی كه وارد سیستم بوشینگ می شود باید بین 500 تا 1000
پواز باشد. در گرانروی های پایین، شیشه سیالیت بسیار دارد و هنگام عبور
از نازل های اوریفیس به صورت قطره خارج می شود. اگر گرانروی مذاب بالا
نیز باشد به علت سیالیت كم، عملیات كشش به سختی انجام می گیرد. وظیفه
اصلی بوشینگ، تامین شرایط یكسان دمایی و سیالیت برای تعداد زیاد نازل های
موجود است تا قطر الیاف كشیده شده خروجی یكسان باشد.
برای تهیه بوشینگ ها در تولید الیاف شیشه، از آلیاژهای پلاتین- رودیم با
درصد 20- 80 و یا 10- 90استفاده می شود. محدودیت هایی همانند عدم حلالیت
فلزی در مذاب شیشه، مقاومت به اكسیداسیون آلیاژ در دمای عملیاتی بوشینگ،
مقاومت به خزش در دمای عملیاتی و زاویه تماس فلز با شیشه، باعث می شود تا
استفاده از خانواده های پلاتین راهكار مناسبی باشد.
پس از خروج الیاف شیشه از نازل های سیستم بوشینگ، بر روی آنها آب پاشیده
می شود. الیاف شیشه مرطوب قابلیت بتری برای جذب ماده پوششی كه در مرحله
بعد روی آن اعمال میشود دارند و فرایند پیچش به دور بویین نیز تسهیل می
شود. در این بخش از آب معمولی استفاده می شود؛ با این وجود با توجه به
كیفیت و نوع محصول موردنظر از آبهای عاری از یون نیز استفاده می شود.

سایزینگ یا اعمال پوششی رزینی
تارهای شیشه در حالی كه با آب پوشانده شده اند، به محض خروج از بوشینگ با
سرعت بالا، بلافاصله وارد مرحله سایزینگ می شوند. لایه نازك روكش الیاف،
وقتی رشته های الیاف در فرایند تولید به دور راهنماها و سایر قطعات القاء
كننده تنش پیچانده می شوند، از آنها محافظت می كند. این پوشش باید الیافی
مناسب برای مرحله عملیات تكمیلی و یا تولید محصولات كامپوزیتی پدید آورد،
به ویژه اگر قرار باشد این الیاف برای تولید پارچه های بافته شده استفاده
شوند.
فرایند سایزینگ یكی از مراحل اصلی و حساس تولید الیاف شیشه است. در حقیقت
این مرحله، مهم ترین مرحله در تعیین خصوصیات عملكردی و مكانیكی الیاف در
هر دو حوزه تولید مواد اولیه و ساخت سازه كامپوزیتی است. به عبارت دیگر،
این مرحله نه تنها در فرایند تولید اهمیت ویژه ای دارد، بلكه نقش بسیار
مهمی را در تعیین ویژگیهای مكانیكی الیاف ایفا می كند.
الیاف شیشه تولیدی و حاصل از كوره مذاب بسیار ساینده و مستعد به خوردگی
است و می بایست از مجاورت با سایر الیاف حاضر در همسایگی خود محافظت شود
و بدون اعمال سایزینگ چیزی به جز توده جریان مذاب در دست نخواهد بود.
سایزینگ الیاف شیشه تنها متكی به یك تركیب شیمیایی نیست، بلكه تركیبی از
چندین جز پیچیده شیمیایی است كه هر كدام از آنها نقش خاصی در ویژگی های
نهایی الیاف دارند.
دو جزء اصلی تشكیل دهنده تركیب سایزینگ، شكل دهنده لایه (Film Former) و
عامل اتصال (Coupling Agent) هستند.

جمع كردن الیاف
برای دسته كردن تارهای پوشش داده شده، از كفشك های گرافیتی خاصی استفاده
می شود. این كفشك ها به طور مستمر با سرعت 20 الی 50 دور در دقیقه كار
كرده،از جریان شدید آب برای تمیزكاری سطح استفاده می كنند و در نهایت
دسته الیاف را كه مجموعه به هم تابیده شده ای از تارهاست را در اختیار
قرار می دهند.

تولید محصول نهایی از الیاف شیشه
الیاف شیشه پس از عبور از مرحله كشش، دسته بندی، جمع شدن و پیچش بر روی
دوك ها به محصولاتی تبدیل می شوند كه قابل عرضه به بازار باشند. محصولات
حاصل از الیاف شیشه تولیدی اولیه شامل رووینگ، الیاف تابیده، الیاف
سوزنی، انواع مت، انواع پارچه و بافته هستند.
برای تولید پارچه، رووینگ به واحد بافت منتقل شده و در آنجا با استفاده
از ماشین الات مخصوص این امر، پارچه موردنظر برای مصارف خاص صنعتی تولید
می شود.