แก้ว...ทำมาจากอะไร ?

แก้ว...ทำมาจากอะไร ?

Last Updated on Tuesday, 26 April 2011 09:51รายการวันละนิดวิทย์เทคโนกับสวทช. ตอน แก้ว...ทำมาจากอะไร ?

แก้วเป็นวัสดุที่ได้จากซิลิกาซึ่งมีอยู่ในทรายเนื้อละเอียดผสมกับสารเคมีชนิดอื่น อย่างตัวช่วยหลอมละลายหรือสารให้สีนำเข้าเเครื่องบดแล้วหลอมละลายด้วยอุณภูมิ 1500-1600 องศาเซลเซียสจนส่วนผสมต่างๆ หลอมเป็นแก้วเหลวจึงนำมาขึ้นรูปเพื่อทำเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ แก้วเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษแข็งแรง ใส สะอาด ปลอดภัยและมีความเป็นกลางจึงได้รับความนิยมแพร่หลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำภาชนะบรรจุอาหาร ขวดน้ำอัดลม ถ้วยชาม เนื่องจากไม่ทำปฏิกิริยาใดๆ กับอาหารทำให้ไม่มีสารปนเปื้อน นอกจากนี้ยังใช้ผลิตเป็นเฟอร์นิเจอร์ กระจก และเครื่องใช้ไฟฟ้า นอกจากบรรจุภัณฑ์จากแก้วจะมีความปลอดภัยและสวยงาม แก้วยังสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีก

ความเป็นมาของใยแก้ว

ประวัติของการผลิตใยแก้วสาวย้อนไปได้ถึงปี ค.ศ. 1893 เมื่อนาย เอ็ดเวร์ด ดรามมอนด์ ได้แสดงใยแก้วที่เขาคิดค้นในงานแสดง World Columbian Exposition ใยแก้วที่นำมาแสดงนั้นมีลักษณะของเส้นใยคล้ายกับเส้นไหม   แต่ก็ไม่ได้มีการคิดค้นต่อยอดหรือนำเส้นใยแก้วที่คิดค้นได้นั้นมาพัฒนาให้ใช้งานได้จริงจัง  จนอีก 45 ปีผ่านไปจึงได้มีการพัฒนาจนถึงขั้นการผลิตใยแก้วในระดับอุตสหกรรมโดยนาย รัสเซล เยมส์ สเลเตอร์ แห่งประเทศอเมริกา   ครั้งนั้นได้ตั้งชื่อให้กับใยแก้วที่ผลิตได้ว่า  Fiberglas ซึ่งก็ได้เรียกกันติดปากจนเป็นชื่อเรียกสามัญไป    ในช่วงแรกของการพัฒนาใยแก้วยังใช้อยู่เฉพาะในวงการฉนวนกันความร้อนเท่านั้น แต่ต่อมาได้มีการพัฒนากระบวนการผลิตโดยการดึงเส้นใยให้เป็นเส้นต่อเนื่องที่มีความแข็งแรงสูงเพื่อใช้ในการเสริมความแข็งแรงของพลาสติกประเภทเทอร์โมเซ็ท เช่น โพลีเอสเตอร์เรซิ่นชนิดไม่อิ่มตัว  ไวนิลเอสเตอร์เรซิ่น  อีพอกซี่เรซิ่น   และรวมไปถึงเทอร์โมพลาสติก เช่น ไนลอน   โพลีโพรไพลีน  โพลีคาบอร์เนต   ABS PPS และชนิดอื่นๆ อีกมาก   นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาต่อเนื่องให้ใช้เสริมความแข็งแรงของปูนซีเมนต์ ยิปซัม และยางมะตอยได้อีกด้วย     ในปัจจุบัน  นอกจากใยแก้วแล้ว  ยังมีใยชนิดอื่นที่ได้มีการค้นคว้าและผลิตออกมาโดยมีข้อดีและข้อด้อยต่างๆ กันไป ชนิดที่สำคัญและจะกล่าวถึงในเชิงเปรียบเทียบต่อไปเช่น  ใยคาร์บอน (กราไฟท์) และใยเคฟลาร์

กระบวนการหลอมน้ำแก้ว

เริ่มต้นจากการนำเอาวัตถุดิบตามธรรมชาติประเภทต่างๆมาผสมรวมกันและให้ความร้อนจนหลอมเหลวที่อุณภูมิสูงประมาณ 1400 c วัตถุดิบเหล่านี้ประกอบด้วย  ทราย  ดินขาว หินปูน  กรดบอริก และ อื่นๆ อีกเล็กน้อย โดยกำหนดอัตราส่วนเพื่อให้วัตถุดิบตามธรรมชาติเหล่านี้ให้สารประกอบตามร้อยละของน้ำแก้วดังต่อไปนี้ SiO2 =52-62wt% Alkaline oxide (Na2O, K2O) < 2wt%. Alkaline terrous oxide (CaO, MgO..) 16-30% B2O3 = 0-10wt% Al2O3 = 11-16 wt% TiO2 = 0-3% Fe2O3 = 0-1% F2 = 0-2% วัตถุดิบจะอยู่ในรูปของผงสีขาวที่มีความบริสุทธิ์ และขนาดที่กำหนดเพื่อให้ได้คุณภาพที่เหมาะสมต่อการสาวเป็นเส้นใย   โดยจุดที่สำคัญที่สุดคือเส้นใยที่ได้จะต้องไม่ขาดง่ายในขณะทำการสาวเส้นใย   โรงงานผลิตใยแก้วจะตั้งค่าไว้ให้ไม่ให้มีการขาดเกิน 2 ครั้งต่อชั่วโมงถ้าเกินกว่านี้ก็ถือว่าการผลิตยังไม่ได้ตามมาตรฐานที่ยอมรับได้  เตาที่ใช้หลอมแก้วจะทำขึ้นจากวัสดุเซรามิคหรืออิฐทนไฟโดยมีกระบวนการให้ความร้อนอยู่ 2 ประเภทคือการให้ความร้อนจากไฟฟ้าและการให้ความร้อนโดยใช้แก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิง    ในปัจจุบันจะไม่ค่อยมีเตาที่ให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าเหลืออยู่แล้วเนื่องจากข้อจำกัดทางด้านขนาดของเตาและต้นทุนพลังงาน

เตารุ่นใหม่ๆจะถูกออกแบบให้มีกำลังการผลิตใยแก้วอย่างน้อยที่ 30000 ตันต่อปีต่อเตา   ซึงระดับนี้ถือเป็นขนาดเตาที่เล็กที่สุดในแง่ของความคุ้มค่าด้านการลงทุน   สำหรับผู้ประกอบการที่ไม่มีขนาดของตลาดใหญ่เพียงพอกับการผลิตระดับ 30000 ตันขึ้นไปก็จะใช้กระบวนการหลอมแก้วอีกวิธีหนึ่งที่ควรจะกล่าวถึงไว้ด้วยคือกระบวนการหลอมแก้วจากลูกแก้ว   ซี่งลูกแก้วนี้ก็ถูกผลิตมาจากผู้ผลิตใยแก้วที่มีเตา

ขนาด 30000 ตันหรือใหญ่กว่านั่นเอง   โดยโรงผลิตขนาดใหญ่เหล่านี้จะนำน้ำแก้วมาขึ้นรูปเป็นลูกกลมแทนที่จะดึงเป็นเส้นใย แล้วขายลูกแก้วเหล่านี้ให้กับโรงงานผลิตใยแก้วขนาดเล็กที่จะนำลูกแก้วเหล่านี้มาหลอมใหม่ในเตาไฟฟ้าขนาดเล็กก่อนจะนำน้ำแก้วที่ได้มาดึงเป็นเส้นใยแก้วอีกที

จากน้ำแก้วเป็นเส้นใยแก้ว

เป็นเรื่องน่าตื่นตาตื่นใจเสมอสำหรับคนที่ได้เข้าไปเยี่ยมชมโรงงานผลิตเส้นใยแก้ว  และได้เห็นกระบวนการสาวใยแก้วเป็นครั้งแรก   แน่นอนว่าทุกคนทราบมาคร่าวๆอยู่แล้วว่าแก้วน้ำหรือกระจกที่เราเห็นและใช้งานกันอยู่ทุกวันนั้นทำมาจากทรายหรือมีทรายเป็นองค์ประกอบหลัก  แต่ส่วนใหญ่ก็จะทราบอยู่เท่านั้น และแค่นั้นก็น่าทึ่งอยู่แล้ว   เมื่อได้มาเห็นใยแก้วที่ก็เป็นแก้วเหมือนกัน  ทำมาจากทรายเหมือนกันแต่อยู่ในรูปของเส้นเล็กๆ ที่มีความอ่อนนุ่มเหมือนเส้นด้ายไม่แตกเปราะเหมือนกับแก้วน้ำหรือกระจกก็มักจะอดสงสัยไม่ได้ว่าวิธีการทำให้แก้วมาเป็นเส้นและอ่อนนุ่มนั้นทำอย่างไร

กระบวนการเริ่มต้นต่อจากที่ได้หลอมเหลววัตถุดิบที่อุณหภูมิประมาณ 1400 c ได้น้ำแก้วที่อยู่ในรูปของเหลวสีแดงอยู่ในเตาเผา   ด้านล่างของเตาเผาจะมีการเจาะเป็นช่องทางให้น้ำแก้วไหลออกจากเตาเพื่อขึ้นรูปเป็นเส้น  โดยให้ผ่านแผ่นโลหะประเภทแพลทตินั่ม (ทองคำขาว) ทีได้ทำการเจาะเป็นรูพรุนเล็กๆ ดังภาพ   แผ่นแพลทตินั่มนี้เราเรียกกันในวงการว่า Bushing เป็นชิ้นส่วนที่มีราคาสูงมาก   Bushing (ที่มีความยาวประมาณ 26 นิ้ว กว้าง 8 นิ้ว) จะมีรูอยู่ประมาณ 1600 รู    เมื่อใยแก้วเริ่มไหลออกมาทาง Bushing เส้นใยจะถูกพ่นด้วยละอองน้ำเพื่อลดอุณหภูมิแล้วจะถูกดึงด้วยมอเตอร์เพื่อเข้าม้วน   โดยการดึงจะให้เส้นใยวิ่งผ่านสารเคมีสำหรับเคลือบเส้นใยที่เรียกกันว่า Sizing อีกด้วย

Sizing เป็นสารที่มีความสำคัญต่อคุณสมบัติต่างๆ ของใยแก้วอย่างมาก  เป็น Solution  ที่เป็น Polymer base มีหน้าที่หลักๆ ดังนี้คือ  1. เป็นตัวประสานระหว่างใยแก้วกับเรซิ่นชนิดต่างๆ   2. ให้เส้นใยแก้วมีความหยุ่นตัวไม่เปราะแตก  3.  ลดการเกิดไฟฟ้าสถิตในระหว่างการใช้งาน   4.  เป็นสารหล่อลื่นพื้นผิวใยแก้ว  และ ฯลฯ ใยแก้วที่เข้าม้วนแล้วจะมีศัพท์เรียกเฉพาะว่า cake ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป   โดย cake เหล่านี้จะถูกนำไปแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ที่เรารู้จักกันดีเช่น  ใยแก้วผืน (chopped strand mat)  ใยพ่น (spray roving)  ใยทอ (woven roving)  และอื่นๆอีกมาก