Lasikuitu

Lasikuitu on erittäin kapeista lasisäikeistä tehty materiaali, jota käytetään eristeiden ja tekstiilien valmistuksessa. Arkikielessä lasikuidulla tarkoitetaan yleensä lasikuidulla vahvistettuja muovimateriaaleja eli lujitemuoveja. Ne kuuluvat komposiittimateriaaleihin. Materiaalina lasikuitu on halpaa, helposti muokattavaa ja kemiallisesti kestävää, mikä tekee siitä erinomaisen materiaalin esimerkiksi veneiden, kylpyammeiden, lentokoneiden ja saostussäiliöiden valmistukseen.
Historia.
Lasikuidun valmistamiseen tarvittava perustekniikka, jossa vedetään pitkiä säikeitä sulasta lasista, on tunnettu jo pitkään. Varhaisin patentti myönnettiin Preussilaiselle keksijälle (1845–1914) Yhdysvalloissa vuonna 1880. Lasinvalmistajat ovat kautta aikojen valmistaneet kokeellisesti lasikuitua, mutta sen massatuotanto alkoi vasta, kun tarvittava hienomekaniikka löydettiin vuonna 1932 toimesta. Tässä menetelmässä paineilmasuihku ohjattiin sulaan lasiin, jonka tuloksena syntyi kuituja. Patentti tähän lasivillan valmistusmenetelmään otettiin käyttöön vuonna 1933. Patentoidun "Fiberglas" tuotteen massatuotanto aloitettiin 1936. Fiberglas oli loistava tuote esimerkiksi lämmöneristyksessä korkeissa lämpötiloissa.
Vuonna 1936 DuPont kehitti sopivan hartsin lasikuidun ja muovin yhdistämiseksi komposiittimateriaalin valmistukseen. Vuosina 1936-1942 käytettiin peroksidikovetusmenetelmää. Vuonna 1942 otettiin käyttöön modernimmat polyesterihartsit. Komposiittimateriaalille ominaista oli lujuus, kestävyys ja keveys, jonka vuoksi sitä alettiin käyttämään rakenne- ja rakennusmateriaalina.
Vuonna 1939 Venäjän kerrottiin rakentaneen ensimmäisen veneen lasikuitua sisältävästä lujitemuovimateriaalista. Yhdysvalloissa samaan aikaan oli rakennettu lentokoneen runko ja siivet. Ensimmäinen kokonaan lasikuiturunkoinen auto, rakennettiin vuonna 1946, mutta se ei koskaan tullut massatuotantoon.
Käyttökohteet.
Lasikuitua käytetään laajamittaisesti veneissä, koska lasikuitu on kevyttä ja vedenkestävää eikä kärsi korroosiosta, kuten metallit, tai lahoamisesta, kuten puu. Lasikuitu soveltuu erinomaisesti kosteisiin ja märkiin käyttökohteisiin sekä jatkuvaan suoraan kosketukseen veden kanssa. Lasikuidusta valmistetaan myös sammutuspeitteitä, koska lasikuitu kestää korkeaa lämpötilaa menettämättä ominaisuuksiaan. Lasikuitua käytetään laajasti rakentamisessa, esimerkiksi kattomateriaalina tai betonin vahvikkeena. Ensimmäisessä Chevrolet Corvettessa vuonna 1953 oli lasikuituinen kori. Auton korimateriaalina lasikuitu on korroosiota kestävää ja kevyttä, mutta henkilöautojen korimateriaalina käytetään yleensä lasikuidun sijaan terästä ja osin ABS/PC-muovia, sillä ne omaavat lasikuitua paremmat iskunkestävyyden. Lasikuitua käytetään kuitenkin toisinaan rekkojen koreissa. Kilpailevia materiaaleja eri sovelluksissa ovat ruostumaton tai galvanoitu teräs, alumiini, hiilikuitu ja ABS-muovi.
Kemialliset ominaisuudet.
Lasikuidun perusta.
Lasikuitu muodostuu ohuista piidioksidipohjaisista (SiO2 ) tai muusta lasiyhdisteestä valmistetuista säikeistä. Piidioksidilla ei ole virallista sulamispistettä, mutta se pehmenee 2000°C asti, jolloin se alkaa hajota. 1713°C:ssa suurin osa molekyyleistä pääsee liikkumaan vapaasti. Lasikuidussa SiO2 muodostaa pitkiä polymeeriketjuja. Polymeerissä muodostuu SiO4 -ryhmiä, jotka ovat järjestetty tetraedriksi, jonka keskellä on piiatomi ja kulmissa neljä happiatomia. Nämä atomit muodostavat kulmiin sidotun verkon jakamalla happiatomit.
Lasikuidussa käytetyt lasityypit.
Ensimmäinen lasikuiduissa käytetty lasityyppi oli A-lasi. Se ei ollut kovin kestävä alkaleille. Uusi tyyppi, , valmistettiin alkalivapaaksi (&lt;2%) alumiini-borosilikaattilasiksi. Tämä oli ensimmäinen jatkuvalangan valmistukseen käytetty lasi. E-lasi muodostaa edelleen suurimman osan maailman lasikuiduntuotannosta. Sen sisältämät komponentit voivat hieman vaihdella prosenttimäärältään, mutta niiden on oltava tietyssä rajassa. Kirjainta E käytetään, koska se oli alun perin tarkoitettu sähkösovelluksiin. S-lasia käytetään, kun vetolujuus on tärkein ominaisuus. C-lasi kehitettiin suojaamaan kemikaalien ja happojen hyökkäyksiä, jotka tuhosivat E-lasin.
E-lasin ominaisuudet.
Koska E -lasi ei todellisuudessa sula vaan pehmenee, sille määritellään sulamispisteen sijaan usein pehmenemispiste. pehmenemispiste määritellään lämpötilaksi, jossa 0,55 - 0,77 mm halkaisijaltaan oleva 9,25 tuuman pituinen kuitu venyy omalla painollaan 1 mm/minuutissa, kun se ripustetaan pystysuoraan ja kuumennetaan 5 °C/minuutin nopeudella. Murtumispiste on kohta, jossa lasilla on viskositeetti 1014.5 poisea. Karkaisu-piste on lämpötila, jossa sisäiset jännitteet vähenevät hyväksyttävään rajaan 15 minuutissa. Viskositeetin tässä pisteessä tulisi olla 1013 poisea.
Valmistus.
Lasikuituja valmistetaan sulattamalla kvartsihiekkaa muiden epäorgaanisten aineiden, kuten kalkkikiven, soodan, alumiinioksidin, booraksin ja metallioksidien kanssa. Lasikuidun valmistuksessa käytetyn piidioksidin kanssa on työskenneltävä erittäin korkeissa lämpötiloissa, jonka vuoksi lasiin lisätään em. epäorgaanisia aineita lasin työskentelylämpötilan alentamiseksi. Täyteaineiden lisäämistä pitää kuitenkin harkita tarkkaan, sillä täyteaineet vaikuttavat lasikuidun lujuuteen ja kestävyyteen.
Lasikuituja voidaan valmistaa sulakehruulla suulakkeen läpi puristamalla, puhaltamalla tai lasisauvasta venyttämällä. Yleisin lasikuitujen valmistusprosessi on sulakehruu. Lasiseos sulatetaan korkeassa lämpötilassa (1400 °C), minkä jälkeen sulaneesta lasiseoksesta poistetaan ilmakuplat. Sula lasimassa puristetaan suulakkeiden läpi, ja muodostuneet lasisäikeet jäähdytetään vesisuihkuilla. Säikeet tulee jäähdyttää riittävän hitaasti, sillä muuten ei saada aikaan tarvittavaa rakennetta.
Lasikuitujen suurin tuottajamaa vuonna 2019 oli Kiina, jonka osuus on noin 30 prosenttia kokonaistuotannosta. Muita merkittäviä lasikuitujen tuotantomaita ovat Belgia, Malesia, Yhdysvallat, Saksa, Egypti, Taiwan, Tšekki, Alankomaat, Ranska, Meksiko, Iso-Britannia ja Slovakia.
Kierrättäminen.
Lasikuitua ei pääasiassa kierrätetä, koska jauhaminen ja murskaaminen tuhoaa suurimman osan lasikuiduista. Kun lasikuitu tuhoutuu, sen lujuus, kestävyys, koko ja käyttökelpoisuus tulevissa sovelluksissa vähenevät merkittävästi. Tämän vuoksi kierrätetylle lasikuidulle on erittäin vähän kysyntää. Toinen ongelma lasikuidun kierrättämisessä on, että kierrättämiseen vaadittavat laitteet ovat erittäin kalliita eivätkä ole saatavilla jokaisella kierrätyslaitoksella. Jos lasikuitua halutaan kierrättää, niin voidaan hyödyntää lasikuituhiontaa, lasikuidun polttoa tai lasikuidun kuivatislausta.
Lasikuituhionta.
Lasikuituhionta on yleisin kierrätystapa. Lasikuitu murskataan ja leikataan pieneksi paloiksi tai jauheeksi. Tämä prosessi kuitenkin vahingoittaa lasikuituja, jolloin kierrätettyä lasikuitua ei voida uuden lasikuidun tavoin enää käyttää suurimmassa osassa sovelluksia. Murskattu lasikuitu käy kuitenkin asfaltin täyteaineeksi tai sementin lisäaineeksi.
Lasikuidun poltto.
Tässä prosessissa lasikuidun polttamisessa vapautuvaa lämpöenergiaa hyödynnetään muihin käyttötarkoituksiin. Esimerkiksi höyryn tuottamiseen tai sementtitehtaiden lämmitykseen. Jäljelle jäävät kuidut voidaan hyödyntää sekoittamalla ne betoniin täyteaineeksi lisäämään lujuutta. Lasikuidun polttamisessa syntyy sivutuotteena tuhkaa, jota ei voida hyödyntää, jolloin se päätyy suoraan kaatopaikalle.
Lasikuidun lämpösisältö tulee hartsin orgaanisista ainesosista. Useimmat lasikuidut sisältävät vain 25–30 % orgaanista materiaalia, joten niiden lämpösisältö on alhainen ja tuhkapitoisuus korkea. Tuhka koostuu pääasiassa kalsiumoksidista, joka tulee lasin kalsiumkarbonaatista, boorista ja muista oksideista.
Lasikuidun kuivatislaus.
Kuivatislauksessa eli pyrolyysissä lasikuitu hajotetaan tai muunnetaan kemiallisesti yhdeksi tai useammaksi hyödynnettäväksi aineeksi korkeassa ja hapettomassa tilassa. Ero lasikuidun polttamiseen on se, että lasikuidun poltto tapahtuu hapen kanssa. Kuivatislattu lasikuitu hajoaa kolmeksi hyödynnettäväksi aineeksi: pyro-kaasu, pyro-öljy ja kiinteä sivutuote. Näitä kaikkia voidaan kierrättää.
Prosessissa lasikuitu ensin silputaan 5 cm neliöiksi, jotka syötetään kuivatislausreaktoriin imun avulla, mikä poistaa suurimman osan hapesta. Reaktori lämmitetään noin 500 °C:seen, jolloin hartsin hiilivedyt hajoavat kaasuksi. Kaasu imetään ja siirretään kaasunpesulaitteeseen, joka erottaa sen pyrokaasuksi ja pyroöljyksi.
Pyrokaasu on erittäin puhdasta ja sen energiasisältö on samanlainen kuin maakaasulla. Sitä voidaan myydä maakaasun korvikkeena. Pyroöljy on samankaltainen kuin raskas raakaöljy. Se voidaan sekoittaa muiden polttoöljyjen kanssa tai sisällyttää asfalttiin. Kuivatislauksessa muodostuu yhteensä noin 25% pyrokaasua ja pyroöljyä. Ne eivät sisällä rikkiä, halogeenejä, fosforia, raskasmetalleja tai muita ympäristöongelmia aiheuttavia aineita.
Tämä prosessi vahingoittaa myös vähiten lasikuituja, mikä tekee niistä arvokkaampia lasikuituvalmistajille.
Terveyshaitat.
Lasikuiduissa käytettävien piidioksidikuitujen ei epäillä aiheuttavan ihmiselle terveydellistä haittaa. Lujitekuidut ja useimmat täyteaineet ovat partikkelikooltaan yli 5 μm eivätkä siten pääse kulkeutumaan keuhkorakkuloihin. Niitä sisältävien tuotteiden mekaanisessa käsittelyssä, esimerkiksi hionnassa voi kuitenkin syntyä partikkelikooltaan pienempää pölyä, jonka hengittämistä on ehdottomasti vältettävä. Vaikka kuitujen ei itsessään epäillä aiheuttavan ihmiselle terveyshaittaa, on kuitenkin mahdollista altistua kuitupölystä johtuvaan hengitystieärsytykseen ja mekaaniseen iho-, silmä- ja nieluärsytykseen käsittelyn ja prosessoinnin aikana. Yleiset HTP‑arvot orgaaniselle pölylle ovat 5 mg/m3/8 h (10 mg/m3/15 min) ja epäorgaaniselle pölylle 10 mg/m3/8 h.