Fibra de vidrio

La fibra de vidrio es un material que consta de numerosas fibras de vidrio extremadamente finas.

Los vidrieros a lo largo de la historia han experimentado con fibras de vidrio, pero la fabricación en masa de fibra de vidrio solo fue posible gracias a la invención de máquinas herramienta más finas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en la Exposición Mundial Colombina que incorporaba fibras de vidrio con el diámetro y la textura de las fibras de seda. Las fibras de vidrio también pueden ocurrir naturalmente, como el cabello de Pele.

La lana de vidrio, que es un producto llamado "fibra de vidrio" en la actualidad, fue inventada en algún momento entre 1932 y 1933 por Games Slayter de Owens-Illinois, como material para ser utilizado como aislamiento térmico de edificios. Se comercializa con el nombre comercial Fiberglas, que se ha convertido en una marca comercial genérica. La fibra de vidrio, cuando se utiliza como material de aislamiento térmico, se fabrica especialmente con un agente de unión para atrapar muchas celdas de aire pequeñas, lo que da como resultado la familia de productos de "lana de vidrio" de baja densidad característicamente llena de aire.

La fibra de vidrio tiene propiedades mecánicas más o menos comparables a otras fibras como los polímeros y la fibra de carbono. Aunque no es tan rígido como la fibra de carbono, es mucho más barato y significativamente menos quebradizo cuando se usa en materiales compuestos. Los compuestos reforzados con fibra de vidrio se utilizan en la industria marina y en las industrias de tuberías debido a su buena resistencia ambiental, mejor tolerancia al daño por carga de impacto, alta resistencia específica y rigidez.

Formación de fibras

La fibra de vidrio se forma cuando hilos delgados de vidrio a base de sílice u otra formulación se extruyen en muchas fibras con diámetros pequeños adecuados para el procesamiento textil. La técnica de calentar y estirar el vidrio en fibras finas se conoce desde hace milenios y se practicaba en Egipto y Venecia. Antes del uso reciente de estas fibras para aplicaciones textiles, toda la fibra de vidrio se fabricaba como fibra básica (es decir, grupos de longitudes cortas de fibra).

El método moderno para producir lana de vidrio es una invención de Games Slayter que trabaja en Owens-Illinois Glass Company (Toledo, Ohio). Primero solicitó una patente para un nuevo proceso para fabricar lana de vidrio en 1933. La primera producción comercial de fibra de vidrio fue en 1936. En 1938, Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass Works se unieron para formar Owens-Corning Fiberglas Corporation. Cuando las dos empresas se unieron para producir y promover la fibra de vidrio, introdujeron las fibras de vidrio de filamento continuo. Owens-Corning sigue siendo el principal productor de fibra de vidrio del mercado actual.

El tipo más común de fibra de vidrio que se usa en la fibra de vidrio es el vidrio E, que es un vidrio de borosilicato de aluminio con menos del 1 % p/p de óxidos alcalinos, que se usa principalmente para plásticos reforzados con vidrio. Otros tipos de vidrio utilizados son vidrio A (vidrio alcalino-cálcico con poco o nada de óxido de boro), vidrio E-CR (resistencia eléctrica/química; silicato de alumino-cal con menos del 1% p/p de óxidos alcalinos, con alto resistencia a los ácidos), vidrio C (vidrio alcalino-cálcico con alto contenido de óxido de boro, utilizado para fibras cortadas de vidrio y aislamiento), vidrio D (vidrio de borosilicato, llamado así por su baja constante dieléctrica), vidrio R (vidrio de aluminosilicato sin MgO y CaO con altos requisitos mecánicos como rreforzado) y S-glass (vidrio de aluminosilicato sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción).

La sílice pura (dióxido de silicio), cuando se enfría como cuarzo fundido en un vidrio sin un verdadero punto de fusión, se puede usar como fibra de vidrio para fibra de vidrio, pero tiene el inconveniente de que debe trabajarse a temperaturas muy altas. Para bajar la temperatura de trabajo necesaria, se introducen otros materiales como "fluxantes" (es decir, componentes para bajar el punto de fusión). El vidrio A ordinario ("A" de "cal alcalina") o vidrio sodocálcico, triturado y listo para volver a fundirse, como el llamado vidrio de desecho, fue el primer tipo de vidrio utilizado para la fibra de vidrio. El vidrio E ("E" debido a la aplicación eléctrica inicial), no contiene álcalis y fue la primera formulación de vidrio utilizada para la formación continua de filamentos. Ahora constituye la mayor parte de la producción de fibra de vidrio en el mundo y también es el mayor consumidor de minerales de boro a nivel mundial. Es susceptible al ataque de iones de cloruro y es una mala elección para aplicaciones marinas. El vidrio S ("S" de "Fuerza") se utiliza cuando es importante una alta resistencia a la tracción (módulo) y, por lo tanto, es importante en compuestos para la construcción de edificios y aeronaves. La misma sustancia se conoce como vidrio R ("R" de "refuerzo") en Europa. C-vidrio ("C" de "resistencia química") yEl vidrio T ("T" es para "aislante térmico", una variante norteamericana del vidrio C) es resistente al ataque químico; ambos se encuentran a menudo en grados de aislamiento de fibra de vidrio soplada.

Categoría de fibra	Característica
un álcali	Vidrio de cal sodada/alcalino alto
C, químico	Alta resistencia química
D, dieléctrico	Baja constante dieléctrica
mi, electrico	Baja conductividad eléctrica
M, módulo	Alto módulo de tracción
S, fuerza	Alta resistencia a la tracción
Proposito especial
ECR	Resistencia a los ácidos a largo plazo y resistencia a los álcalis a corto plazo
R y te	Alta resistencia a la tracción y propiedades a altas temperaturas.

Química

La base de las fibras de vidrio de grado textil es la sílice, SiO ₂. En su forma pura existe como polímero, (SiO ₂) _n. No tiene un verdadero punto de fusión, pero se ablanda hasta los 1200 °C, donde comienza a degradarse. A 1713 °C, la mayoría de las moléculas pueden moverse libremente. Si el vidrio se extruye y enfría rápidamente a esta temperatura, no podrá formar una estructura ordenada. En el polímero forma grupos SiO ₄ que se configuran como un tetraedro con el átomo de silicio en el centro y cuatro átomos de oxígeno en las esquinas. Estos átomos luego forman una red unida en las esquinas al compartir los átomos de oxígeno.

Los estados vítreo y cristalino de la sílice (vidrio y cuarzo) tienen niveles de energía similares en términos moleculares, lo que también implica que la forma vítrea es extremadamente estable. Para inducir la cristalización, debe calentarse a temperaturas superiores a 1200 °C durante largos períodos de tiempo.

Aunque la sílice pura es un vidrio y una fibra de vidrio perfectamente viables, debe trabajarse con ella a temperaturas muy altas, lo que es un inconveniente a menos que se necesiten sus propiedades químicas específicas. Es habitual introducir impurezas en el vidrio en forma de otros materiales para bajar su temperatura de trabajo. Estos materiales también imparten varias otras propiedades al vidrio que pueden ser beneficiosas en diferentes aplicaciones. El primer tipo de vidrio utilizado para la fibra fue el vidrio sodocálcico o vidrio A ("A" por el álcali que contiene). No es muy resistente a los álcalis. Un tipo más nuevo, sin álcalis (<2 %), el vidrio E, es un vidrio de aluminoborosilicato. El vidrio C se desarrolló para resistir el ataque de productos químicos, en su mayoría ácidos que destruyen el vidrio E.T-glass es una variante norteamericana de C-glass. El vidrio AR es un vidrio resistente a los álcalis. La mayoría de las fibras de vidrio tienen una solubilidad limitada en agua pero dependen mucho del pH. Los iones de cloruro también atacarán y disolverán las superficies de vidrio E.

El vidrio E en realidad no se derrite, sino que se ablanda, siendo el punto de ablandamiento "la temperatura a la que una fibra de 0,55 a 0,77 mm de diámetro y 235 mm de largo se alarga por su propio peso a 1 mm/min cuando se suspende verticalmente y se calienta a una velocidad de 5 °C por minuto". El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 10 poises. El punto de recocido, que es la temperatura en la que las tensiones internas se reducen a un límite comercial aceptable en 15 minutos, está marcado por una viscosidad de 10 poise.

Propiedades

Térmico

Las telas de fibras de vidrio tejidas son aislantes térmicos útiles debido a su alta relación entre el área superficial y el peso. Sin embargo, el área superficial aumentada los hace mucho más susceptibles al ataque químico. Al atrapar el aire en su interior, los bloques de fibra de vidrio constituyen un buen aislamiento térmico, con una conductividad térmica del orden de 0,05 W/(m·K).

Propiedades seleccionadas

tipo de fibra	Resistencia a la tracción(MPa)	Resistencia a la compresión(MPa)	Módulo de Young, E(GPa)	Densidad(g/cm)	Expansión térmica(µm/m·°C)	T de reblandecimiento(°C)	Precio($/kg)
E-vidrio	3445	1080	76.0	2.58	5	846	~2
C-vidrio	3300	--	69.0	2.49	7.2	--	--
vidrio S-2	4890	1600	85.5	2.46	2.9	1056	~20

Propiedades mecánicas

La resistencia del vidrio generalmente se prueba y se informa para fibras "vírgenes" o prístinas, aquellas que se acaban de fabricar. Las fibras más frescas y delgadas son las más fuertes porque las fibras más delgadas son más dúctiles. Cuanto más se raya la superficie, menor es la tenacidad resultante. Debido a que el vidrio tiene una estructura amorfa, sus propiedades son las mismas a lo largo y ancho de la fibra. La humedad es un factor importante en la resistencia a la tracción. La humedad se adsorbe fácilmente y puede empeorar las grietas microscópicas y los defectos de la superficie, y disminuir la tenacidad.

A diferencia de la fibra de carbono, el vidrio puede sufrir un mayor alargamiento antes de romperse. Los filamentos más delgados pueden doblarse más antes de romperse. La viscosidad del vidrio fundido es muy importante para el éxito de la fabricación. Durante el estirado, el proceso en el que se tira del vidrio caliente para reducir el diámetro de la fibra, la viscosidad debe ser relativamente baja. Si es demasiado alto, la fibra se romperá durante el estirado. Sin embargo, si es demasiado bajo, el vidrio formará gotitas en lugar de convertirse en una fibra.

Procesos de manufactura

Derritiendo

Hay dos tipos principales de fabricación de fibra de vidrio y dos tipos principales de productos de fibra de vidrio. Primero, la fibra se fabrica a partir de un proceso de fusión directa o de un proceso de refundición de mármol. Ambos comienzan con las materias primas en forma sólida. Los materiales se mezclan y se funden en un horno. Luego, para el proceso de mármol, el material fundido se corta y se enrolla en mármoles que se enfrían y empaquetan. Las canicas se llevan a la planta de fabricación de fibra donde se insertan en una lata y se vuelven a fundir. El vidrio fundido se extruye al casquillo para formar fibra. En el proceso de fusión directa, el vidrio fundido en el horno va directamente al buje para su formación.

Formación

La placa de casquillo es la parte más importante de la maquinaria para fabricar la fibra. Este es un pequeño horno de metal que contiene boquillas a través de las cuales se forma la fibra. Casi siempre está hecho de platino aleado con rodio para mayor durabilidad. Se usa platino porque el vidrio fundido tiene una afinidad natural para humedecerlo. Cuando se usaron los casquillos por primera vez, eran 100 % platino y el vidrio humedecía el casquillo con tanta facilidad que se deslizaba por debajo de la placa después de salir de la boquilla y se acumulaba en la parte inferior. Además, debido a su costo y la tendencia al desgaste, el platino fue aleado con rodio. En el proceso de fusión directa, el buje sirve como colector para el vidrio fundido. Se calienta ligeramente para mantener el vidrio a la temperatura adecuada para la formación de fibras. En el proceso de fusión del mármol,

Los casquillos son el principal gasto en la producción de fibra de vidrio. El diseño de la boquilla también es fundamental. El número de boquillas varía de 200 a 4000 en múltiplos de 200. La parte importante de la boquilla en la fabricación de filamentos continuos es el espesor de sus paredes en la región de salida. Se encontró que la inserción de un escariado aquí reducía la humectación. Hoy en día, las boquillas están diseñadas para tener un espesor mínimo a la salida. A medida que el vidrio fluye a través de la boquilla, forma una gota que queda suspendida en el extremo. A medida que cae, deja un hilo unido por el menisco a la boquilla siempre que la viscosidad esté en el rango correcto para la formación de fibras. Cuanto más pequeño sea el anillo anular de la boquilla y más delgada sea la pared a la salida, más rápido se formará y caerá la gota, y menor será su tendencia a mojar la parte vertical de la boquilla. La tensión superficial del vidrio es lo que influye en la formación del menisco. Para E-glass debe ser de alrededor de 400 mN/m.

La velocidad de atenuación (trazado) es importante en el diseño de la boquilla. Aunque disminuir esta velocidad puede hacer que la fibra sea más gruesa, no es económico operar a velocidades para las cuales las boquillas no fueron diseñadas.

Proceso de filamento continuo

En el proceso de filamento continuo, después de estirar la fibra, se aplica un apresto. Este tamaño ayuda a proteger la fibra mientras se enrolla en una bobina. El tamaño particular aplicado se relaciona con el uso final. Mientras que algunos tamaños son auxiliares de procesamiento, otros hacen que la fibra tenga afinidad por una determinada resina, si la fibra se va a utilizar en un compuesto. El tamaño generalmente se agrega al 0.5-2.0% por peso. El bobinado tiene lugar entonces a aproximadamente 1 km/min.

Proceso de fibra cortada

Para la producción de fibra cortada, hay varias formas de fabricar la fibra. El vidrio se puede soplar o chorrear con calor o vapor después de salir de la máquina de formación. Por lo general, estas fibras se convierten en una especie de estera. El proceso más común utilizado es el proceso rotatorio. Aquí, el vidrio entra en un rotor giratorio y, debido a la fuerza centrífuga, se expulsa horizontalmente. Los chorros de aire lo empujan hacia abajo verticalmente y se aplica el aglutinante. Luego, la estera se aspira a una pantalla y el aglutinante se cura en el horno.

La seguridad

La fibra de vidrio ha ganado popularidad desde el descubrimiento de que el asbesto provoca cáncer y su posterior eliminación de la mayoría de los productos. Sin embargo, la seguridad de la fibra de vidrio también se está cuestionando, ya que las investigaciones muestran que la composición de este material (el asbesto y la fibra de vidrio son fibras de silicato) puede causar una toxicidad similar a la del asbesto.

Los estudios de la década de 1970 en ratas encontraron que el vidrio fibroso de menos de 3 μm de diámetro y más de 20 μm de longitud es un "carcinógeno potente". Asimismo, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer encontró que "se puede anticipar razonablemente que es un carcinógeno" en 1990. La Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales, por otro lado, dice que no hay evidencia suficiente y que la fibra de vidrio está en grupo A4: "No clasificable como carcinógeno humano".

La Asociación de Fabricantes de Aislamiento de América del Norte (NAIMA) afirma que la fibra de vidrio es fundamentalmente diferente del asbesto, ya que está hecha por el hombre en lugar de ocurrir naturalmente. Afirman que la fibra de vidrio "se disuelve en los pulmones", mientras que el asbesto permanece en el cuerpo de por vida. Aunque tanto la fibra de vidrio como el asbesto están hechos de filamentos de sílice, NAIMA afirma que el asbesto es más peligroso debido a su estructura cristalina, que hace que se divida en piezas más pequeñas y peligrosas, citando al Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU.:

Las fibras vítreas sintéticas [fibra de vidrio] se diferencian del asbesto en dos formas que pueden brindar explicaciones, al menos parciales, de su menor toxicidad. Debido a que la mayoría de las fibras vítreas sintéticas no son cristalinas como el asbesto, no se dividen longitudinalmente para formar fibras más delgadas. Por lo general, también tienen una biopersistencia notablemente menor en los tejidos biológicos que las fibras de amianto porque pueden disolverse y romperse transversalmente.

Un estudio de 1998 con ratas encontró que la biopersistencia de las fibras sintéticas después de un año era del 0,04 al 13 %, pero del 27 % para el asbesto de amosita. Se descubrió que las fibras que persistían por más tiempo eran más cancerígenas.

Plástico reforzado con fibra de vidrio (fibra de vidrio)

El plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) es un material compuesto o plástico reforzado con fibra fabricado a partir de un plástico reforzado con finas fibras de vidrio. Al igual que el plástico reforzado con grafito, el material compuesto se conoce comúnmente como fibra de vidrio. El vidrio puede tener la forma de una estera de hebras cortadas (CSM) o de una tela tejida.

Al igual que con muchos otros materiales compuestos (como el hormigón armado), los dos materiales actúan juntos, superando cada uno las deficiencias del otro. Mientras que las resinas plásticas son fuertes en carga de compresión y relativamente débiles en resistencia a la tracción, las fibras de vidrio son muy fuertes en tensión pero tienden a no resistir la compresión. Al combinar los dos materiales, el PRFV se convierte en un material que resiste bien tanto las fuerzas de compresión como las de tracción. Los dos materiales se pueden usar de manera uniforme o el vidrio se puede colocar específicamente en aquellas partes de la estructura que experimentarán cargas de tracción.

Usos

Los usos de la fibra de vidrio común incluyen esteras y telas para aislamiento térmico, aislamiento eléctrico, aislamiento acústico, telas de alta resistencia o telas resistentes al calor y la corrosión. También se utiliza para reforzar diversos materiales, como postes de tiendas de campaña, postes de salto con pértiga, flechas, arcos y ballestas, paneles translúcidos para techos, carrocerías de automóviles, palos de hockey, tablas de surf, cascos de barcos y panal de papel. Se ha utilizado con fines médicos en yesos. La fibra de vidrio se usa ampliamente para fabricar tanques y recipientes de FRP.

Las rejillas de fibra de vidrio de tejido abierto se utilizan para reforzar el pavimento asfáltico. Las esteras de mezcla de polímero/fibra de vidrio no tejida se utilizan saturadas con emulsión asfáltica y recubiertas con asfalto, lo que produce una membrana impermeable y resistente a las grietas. El uso de barras de refuerzo de polímero reforzado con fibra de vidrio en lugar de barras de refuerzo de acero es prometedor en áreas donde se desea evitar la corrosión del acero.

Usos potenciales

El uso de fibra de vidrio se ha utilizado recientemente en aplicaciones biomédicas como ayuda para el reemplazo de articulaciones donde la orientación del campo eléctrico de las fibras de vidrio de fosfato corto puede mejorar las cualidades osteogénicas a través de la proliferación de osteoblastos y con una química de superficie mejorada. Otro uso potencial se encuentra dentro de las aplicaciones electrónicas, ya que las fibras de vidrio a base de sodio ayudan o reemplazan al litio en las baterías de iones de litio debido a sus propiedades electrónicas mejoradas.

Papel del reciclaje en la fabricación de fibra de vidrio

Los fabricantes de aislamiento de fibra de vidrio pueden usar vidrio reciclado. La fibra de vidrio reciclada contiene hasta un 40 % de vidrio reciclado.