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Para el material compuesto común reforzado con fibras de vidrio, consulte Fibra de vidrio .
Para conocer la fibra de vidrio utilizada para transmitir información, consulte Fibra óptica .
Haz de fibras de vidrio

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

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

La lana de vidrio , que es un producto llamado "fibra de vidrio" en la actualidad, fue inventada en 1932-1933 por Games Slayter de Owens-Illinois , como material para ser utilizado como aislamiento térmico para edificios . [1] Se comercializa con el nombre comercial Fiberglas, que se ha convertido en una marca comercial genérica . La fibra de vidrio, cuando se usa 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 aproximadamente 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. Por tanto, las fibras de vidrio se utilizan como agente reforzante para muchos productos poliméricos ; para formar un material compuesto de polímero reforzado con fibra (FRP) muy fuerte y relativamente ligero llamado plástico reforzado con vidrio (GRP), también conocido popularmente como "fibra de vidrio". A diferencia de la lana de vidrio, el GRP contiene poco o nada de aire o gas, es más denso y, por lo tanto, es un mal aislante térmico en comparación con la lana de vidrio; en cambio, se utiliza estructuralmente debido a su resistencia y peso relativamente bajo.

Formación de fibras [ editar ]

La fibra de vidrio se forma cuando hebras delgadas de vidrio a base de sílice o de otra formulación se extruyen en muchas fibras con diámetros pequeños adecuados para el procesamiento textil . La técnica de calentar y estirar el vidrio en finas fibras se conoce desde hace milenios; sin embargo, el uso de estas fibras para aplicaciones textiles es más reciente. Hasta ese momento, toda la fibra de vidrio se había fabricado como fibra (es decir, racimos de tramos cortos de fibra).

El método moderno para producir lana de vidrio es la invención de Games Slayter, que trabaja en Owens-Illinois Glass Company ( Toledo, Ohio ). Solicitó por primera vez 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 fibras de vidrio de filamento continuo . [2] Owens-Corning sigue siendo el principal productor de fibra de vidrio del mercado actual. [3]

El tipo más común de fibra de vidrio que se usa en la fibra de vidrio es el vidrio E, que es vidrio de aluminoborosilicato con menos del 1% p / p de óxidos alcalinos, que se usa principalmente para plásticos reforzados con vidrio. Otros tipos de vidrio utilizados son A-vidrio ( A vidrio lkali-cal con poco o nada de óxido de boro), E-CR-vidrio ( E QUIPOS / C hemical R esistencia; alumino-cal silicato con menos de 1% w / w alcalino óxidos, con alta resistencia a los ácidos), vidrio C ( vidrio de cal alcalino con alto contenido de óxido de boro, utilizado para fibras cortadas de vidrio y aislamiento), vidrio D (vidrio de borosilicato, llamado así por su bajo contenido de Dconstante ielectric), R-vidrio (alumino vidrio de silicato sin MgO y CaO con requisitos mecánicos elevados como r einforcement), y S-vidrio (alumino vidrio de silicato sin CaO pero con alto contenido de MgO, con alta resistencia a la tracción). [4]

La sílice pura (dióxido de silicio), cuando se enfría como cuarzo fundido en un vidrio sin un verdadero punto de fusión, puede usarse 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 "agentes fundentes" (es decir, componentes para bajar el punto de fusión). El vidrio A ordinario ("A" para "álcali-cal") o el vidrio de cal sodada, 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. E-glass ("E" debido a la e inicialaplicación eléctrica), no contiene álcalis y fue la primera formulación de vidrio utilizada para la formación de filamentos continuos. 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" para "Resistencia") se usa cuando es importante una alta resistencia a la tracción (módulo) y, por lo tanto, es importante en materiales compuestos para la construcción de edificios y aeronaves. La misma sustancia se conoce como vidrio R ("R" para "refuerzo") en Europa. Vidrio C ("C" para "resistencia química") y vidrio T ("T" es para "aislante térmico"- una variante norteamericana del vidrio C) son resistentes al ataque químico; ambos se encuentran a menudo en grados de aislamiento de fibra de vidrio soplada.[5]

Categorías de fibras comunes y características asociadas [6]
Categoría de fibraCaracterística
A, álcaliVidrio de cal sodada / álcali alto
C, químicoAlta resistencia química
D, dieléctricoConstante dieléctrica baja
E, eléctricoBaja conductividad eléctrica
M, móduloMódulo de alta resistencia
S, fuerzaAlta resistencia a la tracción
Proposito especial
ECRResistencia a los ácidos a largo plazo y resistencia a los álcalis a corto plazo
R y TeAlta resistencia a la tracción y propiedades a altas temperaturas.

Química [ editar ]

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 1200 ° C, donde comienza a degradarse . A 1713 ° C, la mayoría de las moléculas pueden moverse libremente. Si el vidrio se extruye y se enfría rápidamente a esta temperatura, no podrá formar una estructura ordenada. [7] En el polímero forma grupos SiO 4 que se configuran como un tetraedro con el silicio.átomo 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 sobre una base molecular, 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. [2]

Aunque la sílice pura es una fibra de vidrio y vidrio perfectamente viable, debe trabajarse con 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 de cal sodada o vidrio A ("A" por el álcali que contiene). No es muy resistente a los álcalis. Un tipo más nuevo, libre de álcalis (<2%), el vidrio E, es un vidrio de aluminoborosilicato. [8] El vidrio C se desarrolló para resistir el ataque de productos químicos, principalmente ácidos que destruyen el vidrio E.[8] T-glass es una variante norteamericana del C-glass. AR-glass es un vidrio resistente a los álcalis. La mayoría de las fibras de vidrio tienen una solubilidad limitadaen 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, el punto de ablandamiento es "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 la velocidad de 5 ° C por minuto ". [9] El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 10 14,5  poise . El punto de recocido , que es la temperatura a la que las tensiones internas se reducen a un límite comercial aceptable en 15 minutos, está marcado por una viscosidad de 10 13  poise. [9]

Propiedades [ editar ]

Térmica [ editar ]

Los tejidos de fibras de vidrio tejidas son aislantes térmicos útiles debido a su alta relación entre el área de la superficie y el peso. Sin embargo, el aumento de la superficie los hace mucho más susceptibles al ataque químico. Al atrapar aire dentro de ellos, los bloques de fibra de vidrio constituyen un buen aislamiento térmico , con una conductividad térmica del orden de 0,05 W / (m · K ). [10]

Propiedades seleccionadas [ editar ]

Tipo de fibraResistencia a la tracción
(MPa) [11]		Resistencia a la compresión
(MPa)		Módulo de Young, E

(GPa) [12]

Densidad
(g / cm 3 )		Expansión térmica
(µm / m · ° C)		Ablandamiento T
(° C)		Precio
($ / kg)
E-vidrio3445108076,02,585846~ 2
Vidrio C [12]3300-69,02,497.2--
Vidrio S-24890160085,52,462.91056~ 20

Propiedades mecánicas [ editar ]

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 . [8] Debido a que el vidrio tiene una estructura amorfa , sus propiedades son las mismas a lo largo de la fibra y a lo largo de la fibra. [7] 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 superficiales y disminuir la tenacidad.

A diferencia de la fibra de carbono , el vidrio puede sufrir un mayor alargamiento antes de romperse. [7] Los filamentos más delgados pueden doblarse más antes de romperse. [13] 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 gotas en lugar de extraer una fibra.

Procesos de fabricación [ editar ]

Derritiendo [ editar ]

Hay dos tipos principales de fabricación de fibra de vidrio y dos tipos principales de productos de fibra de vidrio. En primer lugar, la fibra se fabrica mediante un proceso de fusión directa o un proceso de fusión de mármol . Ambos parten de 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 cizalla y se enrolla en canicas 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 darle forma de fibra. En el proceso de fusión directa, el vidrio fundido en el horno va directamente al buje para su formación. [9]

Formación [ editar ]

La placa del buje es la parte más importante de la maquinaria para fabricar la fibra. Este es un pequeño horno de metal que contiene boquillas para que se forme la fibra. Casi siempre está hecho de platino aleado con rodio para mayor durabilidad. Se utiliza platino porque el vidrio fundido tiene una afinidad natural por mojarlo . Cuando bujesCuando se usaron por primera vez, eran 100% platino, y el vidrio mojó el buje con tanta facilidad que pasó por debajo de la placa después de salir de la boquilla y se acumuló en la parte inferior. Además, debido a su costo y la tendencia al desgaste, el platino se aleó con rodio. En el proceso de fusión directa, el casquillo sirve como colector del vidrio fundido. Se calienta ligeramente para mantener el vidrio a la temperatura correcta para la formación de fibras. En el proceso de fusión del mármol, el buje actúa más como un horno a medida que derrite más material. [14]

Los bujes son el mayor 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 grosor de sus paredes en la región de salida. Se encontró que la inserción de un escariado aquí reducía la humectación. Hoy, 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 se suspende en el extremo. Al caer, 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 de salida, más rápido se formará y caerá la gota, y menor será su tendencia a mojar la parte vertical de la boquilla. [15] La tensión superficial del vidrio es lo que influye en la formación del menisco. En el caso del vidrio E, debería rondar los 400 mN / m. [8]

La velocidad de atenuación (dibujo) es importante en el diseño de la boquilla. Aunque reducir esta velocidad puede hacer que la fibra sea más gruesa, no es rentable operar a velocidades para las que las boquillas no fueron diseñadas. [2]

Proceso de filamento continuo [ editar ]

En el proceso de filamento continuo, después de que la fibra se extrae, un tamaño se aplica. Este tamaño ayuda a proteger la fibra cuando se enrolla en una bobina. El tamaño particular aplicado se relaciona con el uso final. Mientras que algunos tamaños son coadyuvantes de procesamiento, otros hacen que la fibra tenga afinidad por una determinada resina, si la fibra se va a utilizar en un compuesto. [9] El tamaño generalmente se agrega al 0.5–2.0% por peso. Luego, el bobinado se realiza a aproximadamente 1 km / min. [7]

Proceso de fibra cortada [ editar ]

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

Seguridad [ editar ]

La fibra de vidrio ha aumentado en popularidad desde el descubrimiento de que el asbesto causa cáncer y su posterior eliminación de la mayoría de los productos. Sin embargo, la seguridad de la fibra de vidrio también está siendo cuestionada, ya que las investigaciones muestran que la composición de este material (el amianto y la fibra de vidrio son fibras de silicato) puede causar una toxicidad similar a la del amianto. [17] [18] [19] [20]

Los estudios 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". [17] Del mismo modo, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer encontró que "se puede anticipar razonablemente que sea un carcinógeno" en 1990. La Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales , por otro lado, dice que no hay evidencia suficiente, y que el vidrio La fibra está en el 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 es artificial en lugar de natural. [21] 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, lo que hace que se parta en pedazos más pequeños y peligrosos, citando al Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU .:

Las fibras vítreas sintéticas [fibra de vidrio] se diferencian del amianto en dos aspectos que pueden proporcionar 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. También generalmente tienen una biopersistencia notablemente menor en los tejidos biológicos que las fibras de amianto porque pueden sufrir disolución y rotura transversal. [22]

Un estudio de 1998 con ratas encontró que la biopersistencia de las fibras sintéticas después de un año era de 0.04 a 13%, pero del 27% para el amianto amosita . Se descubrió que las fibras que persistían más tiempo eran más cancerígenas. [23]

Plástico reforzado con vidrio (fibra de vidrio) [ editar ]

Artículo principal: Fibra de vidrio

El plástico reforzado con vidrio (GRP) es un material compuesto o plástico reforzado con fibra hecho de un plástico reforzado con fibras de vidrio finas. Al igual que el plástico reforzado con grafito , el material compuesto se denomina comúnmente fibra de vidrio . El vidrio puede tener la forma de una estera de hebras cortadas (CSM) o una tela tejida. [4] [24]

Como ocurre con muchos otros materiales compuestos (como el hormigón armado ), los dos materiales actúan juntos, superando cada uno los déficits 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 GRP se convierte en un material que resiste bien las fuerzas de compresión y tracción. [25] Los dos materiales pueden usarse uniformemente o el vidrio puede colocarse específicamente en aquellas partes de la estructura que experimentarán cargas de tracción. [4] [24]

Usos [ editar ]

Los usos de la fibra de vidrio regular incluyen esteras y tejidos para aislamiento térmico , aislamiento eléctrico , aislamiento acústico, tejidos de alta resistencia o tejidos resistentes al calor y a la corrosión. También se utiliza para reforzar diversos materiales, como palos de tienda, palos de salto con pértiga , flechas , arcos y ballestas , paneles de techo translúcidos, 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 . [4][24]

Las rejillas de fibra de vidrio de tejido abierto se utilizan para reforzar el pavimento asfáltico. [26] Las esteras de mezcla de polímero / fibra de vidrio no tejida se utilizan saturadas con emulsión asfáltica y superpuestas con asfalto, lo que produce una membrana impermeable y resistente a las grietas. El uso de vidrio reforzado con fibra de polímero barras de refuerzo en lugar de espectáculos de barras de refuerzo de acero prometen en áreas donde se desea evitar la corrosión del acero. [27]

Usos potenciales [ editar ]

El uso de fibra de vidrio se ha utilizado recientemente en aplicaciones biomédicas para ayudar al reemplazo de articulaciones [28], donde la orientación del campo eléctrico de las fibras de vidrio de fosfato cortas puede mejorar las cualidades osteogénicas mediante la proliferación de osteoblastos y con una química de superficie mejorada . Otro uso potencial es en aplicaciones electrónicas [29], 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 [ editar ]

Los fabricantes de aislamiento de fibra de vidrio pueden utilizar vidrio reciclado . La fibra de vidrio reciclada contiene hasta un 40% de vidrio reciclado. [30] [31]

Ver también [ editar ]

  • Fibra de basalto
  • Fibra de carbon
  • BS4994
  • Materiales compuestos
  • Fibra de vidrio
  • Moldura de fibra de vidrio
  • Cinta de filamento
  • Abrigo de gel
  • Hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC o GRC)
  • Microesferas de vidrio
  • Poling de vidrio
  • Lana de vidrio
  • Fibra óptica
  • Pele's hair , fibra de vidrio natural.
  • Fibra de cuarzo

Notas y referencias [ editar ]

  1. ^ Patente de Slayter para lana de vidrio . Solicitud de 1933, concedida en 1938.
  2. ↑ a b c Loewenstein, KL (1973). La tecnología de fabricación de fibras de vidrio continuas . Nueva York: Elsevier Scientific. págs. 2-94. ISBN 978-0-444-41109-9.
  3. ^ "Una evaluación de mercado y análisis de impacto de la adquisición de Owens Corning del negocio de compuestos y refuerzo de Saint-Gobain" . Agosto de 2007. Archivado desde el original el 15 de agosto de 2009 . Consultado el 16 de julio de 2009 .
  4. ^ a b c d E. Fitzer; et al. (2000). "Fibras, 5. Sintético Inorgánico". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim, Alemania: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi : 10.1002 / 14356007.a11_001 . ISBN 978-3527306732. Falta o vacío |title=( ayuda )
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  9. ↑ a b c d Lubin, George (Ed.) (1975). Manual de Compuestos Plásticos Avanzados y Fibra de Vidrio . Huntingdon, Nueva York: Robert E. Krieger.CS1 maint: extra text: authors list (link)
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  18. ↑ John Fuller (24 de marzo de 2008). "Fibra de vidrio y amianto" . ¿Es peligroso el aislamiento? . Consultado el 27 de agosto de 2010 .
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  29. ^ Nandi, S., Jaffee, AM, Goya, KF y Dietz, AG (2019). Patente de Estados Unidos No. US10193138. Washington, DC: Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU.
  30. ^ El nuevo esfuerzo de reciclaje tiene como objetivo impulsar a KC a volverse ecológico con su vidrio , Kansas City Star, 14 de octubre de 2009
  31. ^ Preguntas frecuentes sobre el aislamiento de fibra de vidrio . Asociación de Fabricantes de Aislamiento de América del Norte

Enlaces externos [ editar ]

  • CDC - Vidrio fibroso - Tema de seguridad y salud en el lugar de trabajo de NIOSH
  • Fibra de vidrio y salud
  • Sociedad Internacional de Geosintéticos , información sobre geotextiles y geosintéticos en general.