Fiberglas, sanıldığından çok daha eski bir kompozittir. Modern üretim yöntemlerine geçmeden çok öncede bilinmekteydi. Tüm modern kompozitlerin kökenini teşkil eden ilk bilinen takviye de cam elyafıdır.
Fenikeliler, Mısırlılar ve Yunanlılar camı nasıl eritip ince liflere gereceklerini biliyorlardı. Ancak cam elyafının ticari bir ürüne dönüşmesi yüzyıllar aldı. Ta ki 1930 yıllara kadar büyük ölçekte üretmek mümkün olmadı. 1930'larda başlayan süreç, ticari olarak daha sonra yapısal takviyeler olarak kullanılacak sürekli liflerin büyük ölçekli üretimine dönüşmüştür.
Owens-Illinois Glass Co.'nun (Toledo, Ohio) çalışanları Games Slayter, John Thomas ve Dale Kleist tarafından 1933-1937 yılları arasında dosyalanan patent başvuruları, endüstrinin süreksiz lifli cam yünü üretiminden adım adım değişmesine neden olan önemli gelişmeleri kaydeder.
4 mikron (metrenin 4 milyonda biri) küçük çaplı ve binlerce metre uzunluğunda sürekli cam filamentlerinin üretilmesi endüstride ve elbet sanayide bir atılımı başlattı.
Bu atılımların sağlanması, süreci ticari olarak uygulanabilir ve düşük maliyetli hale getirmiştir.
Patent serisindeki “Tekstil Malzemesi” ve “Cam Kumaş” başlıklı son iki patent, cam elyafın tekstil takviyesi olarak geleceğini açıkladı.
Patentler, 1938'de, Owens-Illinois ve Corning Glass Works'ün (Corning, N.Y.) Owens-Corning Fiberglas Corp.'u (OCF) oluşturmak üzere katıldığı aynı yıl verildi.
Yeni şirket, cam elyafını, Fiberglas markası altında pazarladı. Pek çok başka üreticinin pazara girmesi çok uzun sürmedi.
Bu üreticiler sayısız süreç ve ürün yenilikleriyle, yılda yaklaşık 4 ila 5 milyon tonluk bir dünyadaki yapısal kompozit takviye pazarına katkıda bulundu.
Cam Elyaf Üretim Süreci
Tekstil sınıfı cam elyaflar, 1720 ° C’da (3128 ° F) eriyen silika (SiO2) kumundan yapılır. SiO2 aynı zamanda doğal olarak oluşan bir kaya olan kuvarsında temel elementidir.
Bununla birlikte kuvarsın yapısı kristalindir. Yani çok sert ve çok düzenli bir atom yapısına sahiptir.
Ve yüzde 99’dan daha fazlası SiO2'dir. SiO2, 1200° C (2192° F) derecelerin üzerinde ısıtılır. Ardından ortam soğutulur. Böylece SiO2 kristalleşir. Kuvars hale gelir.
Cam, sıcaklık ve soğuma oranları değiştirilerek üretilebilir. Bu da üretilen camın niteliğini istenilen özelliklere göre değiştirir.
Saf SiO2, 1720°C'ye (3128° F) ısıtıldığında hızlı bir şekilde soğutulursa, kristalleşme önlenebilir. Üretim işlemi, cam olarak bildiğimiz amorf veya rastgele sıralı atomik yapıyı verir.
Sürekli olarak inceltilmiş ve geliştirilmiş olmasına rağmen, bugünün cam elyaf üreticileri, bu yüksek sıcaklık / hızlı soğutma stratejisini, daha büyük bir ölçekte de olsa, 1930'larda geliştirilen ile neredeyse aynı olan bir süreçle takip etmektedirler.
Üretim işlemi beş temel aşamaya ayrılabilir:
Harmanlama
Eritme
Elyaflaştırma,
Kaplama
Kurutma / Paketleme
Adım 1: Harmanlama (Batching)
Aktif bir ticari cam elyafı sadece silikadan yapılabilir. Ancak çalışma sıcaklığını düşürme yöntemleri ve kullanılacağı alanlara göre yararlı olan diğer özellikleri vermek için başka bileşenler eklenir.
Örneğin, elektriksel uygulamalara yönelik E-cam, SiO2, AI2O3 (alüminyum oksit veya alümina), CaO (kalsiyum oksit veya sönmüş kireç) ve MgO (magnezyum oksit veya magnezya) içeren bir bileşimle orijinal sodalı kireç camına göre daha alkali dirençli bir alternatif olarak geliştirilmiştir.
Daha sonra, E-cam partisinin eridiği sıcaklıklar arasındaki farkı arttırmak ve bunun fiberizasyonda kullanılan nozüllerin tıkanmasını önlemek için kristalli bir yapı oluşturduğu sıcaklıklar arasındaki farkı arttırmak için, B2O3 (bor oksit) aracılığıyla bor eklenmiştir
Daha sonra, E-cam elyaf partisine B2O3 (bor oksit) aracılığıyla bor eklenmiştir. Bu iki yarar sağlamıştır. Bu E-cam elyafın fiberizasyon da eridiği sıcaklık farklarını arttırarak, kristalize bir yapı oluşturur böylece nozüllerin tıkanmasını engellenir.
Daha yüksek mekanik mukavemet için geliştirilen S-cam fiberler, SiO2, AI2O3, MgO formülasyonuna dayanır. Çekme dayanımı istenen en önemli özellik olduğu uygulamalarda ise daha yüksek oranlarda SiO2 içerir.
Uygulanacakları sahalardan dolayı, cam üretiminin ilk aşamasında, bu malzemeler kesin miktarlarda dikkatlice tartılır ve karıştırlır.
Modern üretim işletmelerinde harmanlama, bilgisayarlı tartı birimleri ve kapalı malzeme taşıma sistemleri kullanılarak otomatik hale getirilmiştir.
Örneğin, modern bir üretim tesisinde, her bir madde, pnömatik konveyörler yoluyla, 1.98 ila 7.36m³ malzeme tutabilen belirlenmiş çok katlı depolama kutusuna (silo) taşınır. Her bir bölmenin hemen altında da her bir bileşenin kesin miktarını bir pnömatik karıştırıcıya aktaran otomatik bir tartma ve besleme sistemi bulunur.
Adım 2: Eritme
Elyaf parti kümesinden, başka bir pnömatik konveyör, karışımı eritmek için yüksek sıcaklıkta (≈1400ºC / 2552ºF) doğal gazla çalışan bir fırına gönderir.
Bu fırınlar genel olarak, cam akışına yardımcı kanallarla üç kısma ayrılır. İlk bölüm, erimenin gerçekleştiği ve hava kabarcıklarının çıkarılması da dahil olmak üzere homojenliğin arttırıldığı ilk cam partisini alır.
Erimiş cam daha sonra, sıcaklığı 1370°C'ye (2500°F) düşürüldüğü rafineriye aktarılır. Fırının son bölümü, erimiş camın liflere ekstrüde edilmesi için kullanılan dört ila yedi kovandan oluşur.
Dünyada bu fırın işletmeleri birkaç alanda devam etmektedir.
Daha büyük fırınların kullanımı, yıllık verimi 30.000 ila 40.000 mt'a (66.2 milyon lb ila 88.2 milyon lb) çıkardı. En önemli gelişmelerden biri dijital kontrol teknolojisi olmuştur.
Dijital kontroller camın fırın içindeki gaz ve oksijen akış hızlarını cam hareket ettikçe kesin sıcaklığını ölçüp yönetirler.
Ayrıca, baloncuk veya lif oluşumunda kesintilere neden olabilecek diğer kesintileri engelleyerek fiberizasyon ekipmanına daha yumuşak ve daha düzenli bir akış sağlarlar.
Oksijenin akış hızının kontrolü çok önemlidir. Çünkü en son teknolojiyi kullanan fırınlar, doğal hava yerine neredeyse saf oksijeni kullanır ve yakar. Bu doğal gaz yakıtının, camı daha verimli bir şekilde temiz ve sıcak yakmasına yardımcı olur.
Bu şekilde daha az enerji kullanıldığı için işletme maliyetleri de düşürülmüş olur. Çok daha çevreci bir fırın teknolojisi de kullanılmış olur. Azot oksit (NOx) emisyonlarını yüzde 75, karbondioksit (CO2) emisyonları ise yüzde 40 azaltır.
Fırının işletmesi zordur. Camın eritilmesi ve taşınması işlemi, fırının içini kaplayan tuğlaları aşındırır. Cam elyaf üretimi asla kesinti yapılamayacak sürekli bir süreçtir. Üretim başladıktan sonra duramazsınız. Bu sebeple tuğlanın servis ömrünü uzatma çabaları da fırın teknolojisinin geliştirilme mücadelelerinden biridir.
Endüstri, cam eritmeye üç ana yaklaşım getirmiştir.
(1) Dolaylı eriyik (ayrıca tekrar mermer eritmesi de denir
(2) Daha büyük ölçekli fırınlar kullanarak doğrudan eriyik
(3) Paramelit olarak da adlandırılan daha küçük ölçekli fırınlar kullanarak doğrudan eriyik.
Dolaylı eriyik yöntemi için, erimiş cam kesilir. Çapı yaklaşık 15 mm olan mermerler halinde yuvarlanır, soğutulur, paketlenir. Daha sonra elyaflaştırma için eritildikleri bir elyaf üretim tesisine taşınır. Mermerler, camın daha saf bir üretim için görsel olarak incelenmesini de kolaylaştırır. Böylece daha tutarlı bir ürün elde edilir.
Doğrudan erime işleminde ise, fırındaki erimiş cam doğrudan elyaf oluşturma mekanizmasına aktarılır.
Doğrudan erime ara adımları ve yeniden eritilecek mermer oluşturma maliyetini ortadan kaldırdığından, en yaygın kullanılan yöntem haline gelmiştir.
Adım 3: Elyaflaştırma
Cam lifi oluşumu veya fiberizasyon (elyaflaştırma), ekstrüzyon ve zayıflama kombinasyonunu içerir. Ekstrüzyonda, erimiş cam, önden, 200 ila 8,000 sayıda çok ince deliklere sahip, erozyona dayanıklı bir platin / rodyum alaşımından yapılmış bir burçtan geçer.
Burç plakaları elektronik olarak ısıtılır ve sabit bir cam viskozitesini korumak için sıcaklıkları tam olarak kontrol edilir.
Su jetleri, filamentleri burçtan çıkarken, yaklaşık 1204°C’de (2200°F) iken soğutur.
Zayıflama, erimiş camın haddelenmiş akışlarının filamentler adı verilen lifli elementlere mekanik olarak çekme işlemidir.
Bu filamentlerin çapı insan saçının onda biri kadardır. Yüksek hızlı bir sarıcı, erimiş akıntıları yakalar ve dakikada 2 km /3 km çevresel hızda dönerek toplar. Bu hız erimiş camın burçlardan çıkmasından çok daha hızlıdır.
Burçlar pahalıdır ve nozul tasarımı ise elyaflaşma için kritiktir.
Meme çapı, filament çapını belirler. Meme miktarı, uçların sayısına eşittir. Tek bir fitil ürünü üretmek için bir 4.000 nozul burcu kullanılabilir. Burçlar cam başına lif verimini veya lif metre miktarını da kontrol eder.
Burç tasarımı da araştırma alanlarından biridir. Özel tasarımlı filament çapları ile performansı daha da artıran, aynı zamanda toplam üretime katkıda bulunan, maliyeti de düşüren yeni gelişmeler üzerinde çalışılmaktadır.
Endüstri, elyaf çapı veya mikronaj aralığı ve kompozit takviyelerde daha da uzmanlaştıkça üretim tipleri de çeşitlenmeye devam etmektedir. Sarımdaki gelişmeler üreticilerin verimliliği üçe katlamasını sağlamıştır.
Adım 4: Kaplama
Son aşamada, kimyasal bir kaplama veya boyut uygulanır. Her ne kadar bağlayıcı, ebat ve ebatlama terimleri endüstride sıklıkla birbirinin yerine kullanılsa da, ebat uygulanan kaplama için doğru terimdir ve ebatlama bu işlemi uygulamak için kullanılan prosestir.
Kaplamalar genellikle ağırlıkça yüzde 0,5 ila 2,0 oranında eklenir. Yağlayıcılar, bağlayıcılar ve/veya birleştirme ajanları içerebilir.
Yağlayıcılar, filamentleri aşınma ve kopmalara karşı korumaya yardımcı olurlar.
Birleştirme maddeleri, elyafın belirli bir reçine kimyası için reçine atığının iyileştirilmesine ve elyaf-matris ara yüzündeki yapışkan bağın güçlendirilmesini sağlamak için kullanılır.
Bazı büyüklükteki kimyasallar sadece polyester reçinesi ve bazıları ise sadece epoksi ile uyumludur. Diğerleri ise başka farklı reçinelerle kullanılabilir.
Adım 5: Kurutma / Paketleme
Son olarak, çizilen, boyutlandırılmış filamentler bir demet halinde toplanır. Bu filamentler 51 ila 1.624 oluşan bir cam ipliği-teli oluşturur.
Bu tel, bir makaraya benzeyen bir biçimlendirme tamburu üzerine sarılır.
Su soğutulması ve boyutlandırıl işleminden sonra hala ıslak olan ambalajlar daha sonra bir fırında kurutulur.
Daha sonra, paletlenmeye, gönderilmeye veya doğranmış elyaf, fitil veya iplik halinde işlenmeye hazır hale getirilir.
Fitil, bükülmeyen veya bükülmeyen ipler topluluğudur.
Örneğin, çok uçlu bir fitil paketinde birbirine sarılmış 10 ila 15 tel bulunur. Fitil, ek taşıma ve işleme aşamaları gerektirir.
Tek Süreç Ama Bir Çok Cam Elyaf Ürün
Temel cam elyaf işlemi ticari üretiminden 80 sene sonra çok az değişmiştir. Ama süreç üzerinde iyileştirmeler çok fazladır.
Fiberglas üretiminin tarihçesi boyunca iki sürekli istek endüstriye yön vermiştir.
Birincisi üretim verimliliğini artırma ve maliyetleri düşürme isteği,
İkincisi bitmiş ürünün performans özelliklerini geliştirme isteğidir.
Polser A.Ş. olarak bizde dünyaya yön veren fiberglas takviyeli kompozit ürünlerimizi geliştirmek için yeni uygulamalar peşinde koşarken bu iki cephede mücadele etmeye devam ediyoruz.
