Cam Elyaf Nasıl Üretilir?

Cam elyafı, modern kompozitlerin orijinal fiber takviyesidir. Antik Fenikeliler, Mısırlılar ve Yunanlar camı eritip ince lifler halinde uzatmayı biliyorlardı ancak bu süreç, 1930’ların ortalarına kadar kesintisiz fiberlerin ticari ölçekte üretilip yapısal takviye olarak kullanılacağı bir süreç haline gelmedi. 1933-1937 yılları arasında yapılan patent başvuruları, endüstriyi, kesintili lif cam yünü üretiminden 4 mikron çapında binlerce metre uzunluğunda kesintisiz cam elyaf üretimi sürecine dönüştüren temel gelişmeleri kayıt altına aldı. Ardından gelen yenilikler, fiberglass üretimi sürecinin ticari olarak uygulanabilir ve rekabetçi maliyetli hale gelmesini sağladı.

Bu süreçte son iki patent, “Tekstil Malzemesi” ve “Cam Kumaş” başlıklarında, cam elyafının tekstil takviyesi şeklinde kullanımına yönelik olarak 1938’de verildi. Cam elyafı, “Fiberglas” ticari markası altında pazarlanmaya başlandı. Kısa bir süre sonra birçok yeni üretici pazara girdi ve süreçteki ve ürünlerdeki yeniliklerle, dünya çapında bir yapısal kompozit takviye pazarına dönüştü.

Cam Elyaf Üretim Prosesi

Teknik tekstil sınıfı cam elyafı, 1720°C’de eriyen silika (SiO2) kumundan yapılır. SiO₂ , doğal olarak bulunan bir kaya olan kuvarsın temel bileşenidir. Ancak kuvars, kristal bir yapıya sahiptir ve %99’dan fazlası SiO₂‘dir. Eğer SiO2 1200°C’nin üzerinde ısıtılıp ortam sıcaklığında soğutulursa, kristalleşir ve kuvarsa dönüşür. Cam, sıcaklık ve soğuma hızlarının değiştirilmesiyle üretilir. Saf SiO2 1720°C’ye ısıtılıp hızlı bir şekilde soğutulursa, kristalleşme önlenebilir ve sürecin sonunda, cam olarak bildiğimiz amorf yapı oluşur.

Sürekli olarak geliştirilmesine ve iyileştirilmesine rağmen, günümüz cam elyaf üreticileri, esas olarak 1930’larda geliştirilen yüksek ısı/hızlı soğutma stratejisini diğer adımlarla birleştirerek cam elyaf üretimi yapmaktadırlar. Cam elyaf üretimi süreci beş temel adımda incelenebilir: harmanlama, eritme, elyaf dönüşümü, kaplama ve kurutma/paketleme.

1.Harmanlama

Yalnızca silikadan da ticari olarak kullanılabilir cam elyaf üretimi yapılabilirken, bazı uygulamalarda yararlı olan diğer özellikleri sağlamak ve çalışma sıcaklığını azaltmak için yararlı bileşenler eklenmektedir.

Örneğin, özellikle elektrik uygulamaları için geliştirilen E-camı, SiO₂, AI2O3 (alüminyum oksit), CaO (kalsiyum oksit) ve MgO (magnezyum oksit) gibi ana bileşenleri içeren bir kompozisyona sahiptir ve orijinal soda camına, alkali direnci daha yüksek bir karışım olarak geliştirilmiştir. Daha sonra, fiberizasyonda kullanılan nozüllerin tıkanmasını önlemek amacıyla E-cam karışımının erime ve kristal yapısı oluşturduğu sıcaklıkların azaltılması amacıyla, dünyadaki bazı üreticiler B2O3 (bor oksit) eklemişlerdir.

Bu nedenle, cam elyaf üretiminin başlangıç aşamasında, bu malzemelerin tam miktarlarda dikkatlice tartılması ve tam olarak harmanlanması (karıştırılması) gerekmektedir. Harmanlama, bilgisayar kontrollü tartı üniteleri ve kapalı malzeme taşıma sistemleri kullanılarak otomatik hale getirilmiştir.

2.Eritme

Bu cam elyaf üretimi adımında karışım, karıştırma bölümünden başka bir konveyörle eritme için yüksek sıcaklıkta (≈1400ºC) doğal gaz/mazot/elektrik ile çalışan bir fırına gönderilir. Fırın genellikle üç bölüme ayrılmıştır ve cam akışına yardımcı olan kanallara sahiptir. İlk bölümde, erime gerçekleşir ve homojenlik sağlanır, ayrıca kabarcıklar da giderilir. Eriyen cam daha sonra ikinci bölüme akar, burada sıcaklığı 1370ºC’ye düşürülür. Son bölüm doldurma sistemi bulunan döküm haznesidir (forehart). Bir sonraki adımda, karışım forehart nozülleri içinden erimiş cam liflere dönüşür.

Cam elyaf üretiminde daha büyük fırınların kullanılmaya başlanmasıyla üretim kapasitesi yılda 30.000 ila 40.000 metrik ton arasında artmıştır. En önemli ilerlemelerden biri dijital kontrol teknolojisidir. Dijital kontroller, camın fırın içinde hareket ettiği sırada, gazın ve oksijenin akış hızlarını ve camın hassas sıcaklığını ölçer ve yönetir. Ayrıca, elyaf dönüştürme ekipmanına daha düzgün ve daha istikrarlı bir akış sağlar, hava kabarcıklarını veya diğer kesintileri önleyerek lif oluşumunda ayrışmaları engeller. Oksijen akış hızlarının kontrolü önemlidir çünkü son teknolojiyi kullanan fırınlar, doğal gaz yakıtının daha temiz ve daha sıcak yanmasına yardımcı olması için hava yerine neredeyse saf oksijen yakar. Ayrıca, daha az enerji kullanarak işletme maliyetlerini düşürür ve NOx emisyonlarını %75 ve CO2 emisyonlarını ise %40 azaltır.

Eritme ve camın hareket ettirilmesi sürecinde fırının içini kaplayan refrakter tuğlalar aşınır. Bu nedenle, tuğlaların hizmet ömrünü 10-12 yılı artırmak için çaba sarf edilmektedir.

Cam eritme konusunda endüstri üç temel yaklaşım benimsemektedir: (1) dolaylı eritme; (2) daha büyük ölçekli fırınlar kullanarak doğrudan eritme; (3) daha küçük ölçekli fırınlar (paramelter) kullanarak doğrudan eritme. Dolaylı eritme yönteminde, yaklaşık 15 ila 16 milimetre çapında bilyelere kullanılarak elyaf üretilir, ardından soğutulur, paketlenir ve elyaf dönüşümü tesisine taşınır. Bilyeli üretimlerde, üretici, bilye üreticisinin kalitesine bağımlıdır, camın kusurları elde edilecek elyafın toplam kalitesine etki eder.  Doğrudan eritme yöntemi ise, erimiş cam, harman ile başlar ve fırından doğrudan fiber oluşturma ekipmanına transfer eder. Doğrudan eritme, ara adımları ve bilye oluşturma maliyetini ortadan kaldırdığı ve daha üstün teknik özelliklere sahip olduğu için en yaygın kullanılan yöntem haline gelmiştir.

3.Elyaf Dönüşümü

Cam elyaf üretimi sürecinde cam oluşumu, ekstrüzyon ve incelme işleminin bir kombinasyonudur. Ekstrüzyon sırasında, erimiş cam foreharttan, çok ince deliklere sahip aşınmaya dayanıklı platin/rodyum alaşımından yapılmış 1,6-1,8mm çaplarında ve özel kesit tasarımına sahip deliklerden (Bushing) geçer. Bu deliklerin sayısı 200 ila 12.000 arasında değişebilir. Tüp plakaları elektronik olarak ısıtılır ve sıcaklıkları cam viskozitesini sabit tutmak için hassas bir şekilde kontrol edilir. Filamentler, yaklaşık 1204ºC sıcaklıkla tüpten çıkarken su püskürterek soğutulur.

İncelme, ekstrüzyonla çıkan erimiş cam akışlarını mekanik olarak lifli elemanlara, yani filamentlere dönüştürme işlemidir. Filamentlerin çapı, insan saçının çapının onda biri olan 4 ila 34 mikrometre arasında değişir. Yüksek hızda dönen bir sarma makinesi erimiş akışları yakalar ve gerilim uygulayarak ince filamentler halinde çeker. Uygulanan hız, filamentlerin çapını belirler.

Bushingler oldukça maliyetlidir ve nozül tasarımı elyaf oluşumu için önemlidir. Nozül çapı filament çapını belirler ve nozül miktarı uç sayısına eşittir.

4.Kaplama

Cam elyaf üretiminin son aşamasında, kimyasal bir kaplama veya bağlayıcı(sizing) uygulanır.

Bağlayıcı tipik olarak ağırlığa göre %0,5 ila %2,0 oranında eklenir ve kayganlaştırıcı, bağlayıcılar ve/veya birleştirici ajanlar içerebilir. Kayganlaştırıcılar, filamentlerin toplandığı ve bir miğfere sarıldığı sırada ve daha sonra dokuyucular veya diğer dönüştürücüler tarafından kumaşlar veya diğer takviye biçimlerine dönüştürüldüğünde, filamentlerin aşınmasını ve kırılmasını engellemeye yardımcı olur. Bağlayıcı ajanlar, fiberin belirli bir reçine kimyasıyla uyum sağlamasını sağlar, reçine ıslanmasını iyileştirir ve fiber-matriks arayüzünde yapışma bağını güçlendirir. Bazı bağlayıcı kimyasalları sadece poliester reçineyle uyumludur, bazıları ise yalnızca epoksi ile uyumludur, diğerleri çeşitli reçinelerle de kullanılabilir.

5.Kurutma/Paketleme

Son olarak, çekilmiş ve boyutlandırılmış filamentler bir araya toplanarak, 51 ila 1.624 filamentten oluşan bir cam ipliği oluşturur. İplik, makaraya benzeyen bir tambura sarılır. Hala su soğutmalı ve boyutlandırılmış olan bu formdaki paketler daha sonra bir fırında kurutulur ve ardından paletlenip sevk edilmeye veya kırpılmış elyaf, fitil veya iplik haline işlenmeye hazır hale gelir.

Tek Proses, Birçok Ürün

Temel cam elyaf üretimi süreci, 80 yıl önce ticarileşmesinden bu yana çok az değişmiş olmasına rağmen, birçok iyileştirme geçirmiştir. Cam elyaf üreticileri, bir yandan üretim verimliliğini artırmak, maliyeti düşürmek ve bitmiş ürünün performans özelliklerini iyileştirmek için ilerlemeye devam ederken diğer yandan cam elyaf takviyeli kompozitler için sürekli yenilikçi uygulamalar arayışındadırlar.