

La fibra de vidrio ( o fibra de vidrio ) es un material que consiste en numerosas fibras de vidrio extremadamente finas .
A lo largo de la historia, los fabricantes de vidrio han experimentado con fibras de vidrio, pero la producción en masa solo fue posible con la invención de maquinaria más precisa. 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 encontrarse en la naturaleza, como en el cabello de Pele .
La lana de vidrio , un producto conocido hoy como "fibra de vidrio", fue inventada entre 1932 y 1933 por Games Slayter de Owens-Illinois como material aislante térmico para la construcción . [ 1 ] Se comercializa bajo el nombre comercial Fiberglass, que se ha convertido en una marca registrada genérica . La fibra de vidrio, cuando se utiliza como material aislante térmico, se fabrica especialmente con un agente aglutinante para atrapar muchas celdas de aire pequeñas, lo que da como resultado la familia de productos de "lana de vidrio" de baja densidad, característicamente rellenos de aire.
La fibra de vidrio posee propiedades mecánicas comparables a las de otras fibras, como los polímeros y la fibra de carbono . Si bien no es tan rígida como la fibra de carbono, es mucho más económica y significativamente menos frágil cuando se utiliza en materiales compuestos. Los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio se emplean en la industria naval y en la fabricación de tuberías debido a su buena resistencia ambiental, mayor tolerancia al daño por impacto, alta resistencia específica y rigidez. [ 2 ]
Formación de fibras
La fibra de vidrio se forma cuando finas hebras de vidrio a base de sílice u otra formulación se extruyen en muchas fibras de pequeño diámetro, adecuadas para el procesamiento textil . La técnica de calentar y estirar el vidrio para formar fibras finas se conoce desde hace milenios y se practicaba en Egipto y Venecia. [ 3 ] Antes del uso reciente de estas fibras para aplicaciones textiles, toda la fibra de vidrio se fabricaba en forma de fibras cortas (es decir, grupos de fibras de longitud reducida).
El método moderno para producir lana de vidrio es un invento de Games Slayter, quien trabajaba en la Owens-Illinois Glass Company ( Toledo, Ohio ). Solicitó la patente de un nuevo proceso para fabricar lana de vidrio en 1933. La primera producción comercial de fibra de vidrio se realizó en 1936. En 1938, la Owens-Illinois Glass Company y la Corning Glass Works se fusionaron para formar la Owens-Corning Fiberglas Corporation . Al unirse para producir y promover la fibra de vidrio, introdujeron las fibras de vidrio de filamento continuo . [ 4 ] Owens-Corning sigue siendo el principal productor de fibra de vidrio en el mercado actual. [ 5 ]
El tipo más común de fibra de vidrio utilizado en la fibra de vidrio es el vidrio E , que es vidrio de aluminoborosilicato con menos del 1 % p/p de óxidos alcalinos, utilizado principalmente para plásticos reforzados con vidrio. Otros tipos de vidrio utilizados son el vidrio A (vidrio de cal alcalina con poco o ningún óxido de boro), el vidrio E-CR (resistencia eléctrica/química; silicato de cal alcalina con menos del 1 % p/p de óxidos alcalinos, con alta resistencia a los ácidos), el vidrio C (vidrio de cal alcalina con alto contenido de óxido de boro, utilizado para fibras discontinuas de vidrio y aislamiento), el vidrio D (vidrio de borosilicato, llamado así por su baja constante dieléctrica), el vidrio R (vidrio de aluminosilicato sin MgO ni CaO con altos requisitos mecánicos como refuerzo ) y el vidrio S (vidrio de aluminosilicato sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción). [ 6 ]
La sílice pura (dióxido de silicio), al enfriarse como cuarzo fundido en un vidrio sin punto de fusión definido, puede utilizarse como fibra de vidrio para la fibra de vidrio, pero tiene el inconveniente de requerir temperaturas muy elevadas. Para reducir la temperatura de trabajo necesaria, se introducen otros materiales como fundentes (es decir, componentes que disminuyen el punto de fusión). El vidrio A común ("A" por "alcalino-cálcico") o vidrio de cal sodada, triturado y listo para ser refundido, como el llamado vidrio reciclado , fue el primer tipo de vidrio utilizado para la fibra de vidrio. El vidrio E ("E" por su aplicación eléctrica inicial) no contiene álcalis y fue la primera formulación de vidrio utilizada para la formación de filamentos continuos. Actualmente constituye la mayor parte de la producción mundial de fibra de vidrio y es también el mayor consumidor de minerales de boro a nivel global. Es susceptible al ataque de iones cloruro y no es una buena opción para aplicaciones marinas. El vidrio S («S» de «Resistencia») se utiliza cuando se requiere una alta resistencia a la tracción (módulo), por lo que es importante en los materiales compuestos para la construcción de edificios y aeronaves. En Europa, esta misma sustancia se conoce como vidrio R («R» de «refuerzo»). El vidrio C («C» de «resistencia química») y el vidrio T («T» de «aislante térmico» – una variante norteamericana del vidrio C) son resistentes al ataque químico; ambos se encuentran frecuentemente en grados de aislamiento de fibra de vidrio soplada. [ 7 ]
Química
La base de las fibras de vidrio de grado textil es la sílice , SiO₂ . En su forma pura existe como un polímero , (SiO₂ ) n . No tiene un punto de fusión verdadero , 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 se enfría rápidamente a esta temperatura, no podrá formar una estructura ordenada. [ 9 ] En el polímero forma grupos SiO₄ que se configuran como un tetraedro con el átomo de silicio en el centro y cuatro átomos de oxígeno en los vértices. Estos átomos forman entonces una red unida en los vértices compartiendo los átomos de oxígeno .
Los estados vítreo y cristalino de la sílice (vidrio y cuarzo ) tienen niveles de energía similares a nivel molecular, lo que implica que la forma vítrea es extremadamente estable. Para inducir la cristalización , debe calentarse a temperaturas superiores a 1200 °C durante largos periodos de tiempo. [ 4 ]
Aunque la sílice pura es un vidrio y fibra de vidrio perfectamente viable, debe trabajarse a temperaturas muy altas, lo cual es una desventaja a menos que se necesiten sus propiedades químicas específicas. Es común introducir impurezas en el vidrio en forma de otros materiales para reducir su temperatura de trabajo. Estos materiales también le confieren al vidrio diversas propiedades que pueden ser beneficiosas en diferentes aplicaciones. El primer tipo de vidrio utilizado para fibra fue el vidrio de sosa-cálcica 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. [ 10 ] El vidrio C se desarrolló para resistir el ataque de productos químicos, principalmente ácidos que destruyen el vidrio E. [ 10 ] El vidrio T es una variante norteamericana del vidrio C. 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 cloruro también atacan y disuelven las superficies del vidrio E.
El vidrio E no se funde, sino que se ablanda. El punto de reblandecimiento es «la temperatura a la que una fibra de 0,55–0,77 mm de diámetro y 235 mm de longitud se alarga bajo su propio peso a 1 mm/min cuando se suspende verticalmente y se calienta a una velocidad de 5 °C por minuto». [ 11 ] 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. [ 11 ]
Propiedades
Térmico
Los tejidos de fibra de vidrio trenzada son aislantes térmicos útiles debido a su alta relación superficie-peso. Sin embargo, esta mayor superficie los hace mucho más susceptibles al ataque químico. Al atrapar aire en su interior, los bloques de fibra de vidrio proporcionan un buen aislamiento térmico , con una conductividad térmica del orden de 0,05 W /(m· K ). [ 12 ]
Propiedades seleccionadas
Propiedades mecánicas
La resistencia del vidrio se suele probar y reportar para fibras "vírgenes" o prístinas, es decir, las que acaban de ser fabricadas. Las fibras más frescas y delgadas son las más resistentes porque son más dúctiles. Cuanto más rayada esté la superficie, menor será la tenacidad resultante . [ 10 ] Debido a que el vidrio tiene una estructura amorfa , sus propiedades son las mismas a lo largo y a lo ancho de la fibra. [ 9 ] 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 mayor elongación antes de romperse. [ 9 ] Los filamentos más delgados pueden doblarse más antes de romperse. [ 15 ] La viscosidad del vidrio fundido es muy importante para el éxito de la fabricación. Durante el estirado, el proceso en el que el vidrio caliente se estira para reducir el diámetro de la fibra, la viscosidad debe ser relativamente baja. Si es demasiado alta, la fibra se romperá durante el estirado. Sin embargo, si es demasiado baja, el vidrio formará gotas en lugar de estirarse para formar una fibra.
procesos de fabricación
Fusión
Existen 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 refundición de canicas . Ambos parten de materias primas en estado sólido. Los materiales se mezclan y funden en un horno . Luego, en el proceso de canicas, el material fundido se corta y se lamina en canicas, que se enfrían y se empaquetan. Las canicas se llevan a la planta de fabricación de fibra, donde se introducen en un recipiente y se refunden. El vidrio fundido se extruye hacia el casquillo para darle forma de fibra. En el proceso de fusión directa, el vidrio fundido en el horno va directamente al casquillo para su formación. [ 11 ]
Formación
La placa de casquillos es la parte más importante de la maquinaria para la fabricación de la fibra. Se trata de un pequeño horno metálico con boquillas por donde pasa la fibra. Casi siempre está hecha de una aleación de platino con rodio para mayor durabilidad. El platino se utiliza porque el vidrio fundido tiene una afinidad natural por humedecerlo . Cuando se empezaron a usar casquillos, eran de platino puro, y el vidrio los humedecía con tanta facilidad que se filtraba por debajo de la placa tras salir de la boquilla y se acumulaba en la parte inferior. Además, debido a su coste y su tendencia al desgaste, el platino se aleó con rodio. En el proceso de fusión directa, el casquillo actúa como colector del vidrio fundido. Se calienta ligeramente para mantener el vidrio a la temperatura correcta para la formación de la fibra. En el proceso de fusión de mármol, el casquillo actúa más como un horno, ya que funde una mayor cantidad de material. [ 16 ]
Los casquillos representan 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 filamento continuo es el espesor de sus paredes en la región de salida. Se descubrió que la inserción de un avellanado en esta zona reducía la humectación. Actualmente, las boquillas se diseñan para tener un espesor mínimo en la salida. A medida que el vidrio fluye a través de la boquilla, forma una gota que queda suspendida del extremo. Al caer, deja un filamento unido a la boquilla por el menisco , siempre que la viscosidad se encuentre dentro del rango adecuado para la formación de la fibra. Cuanto menor sea el anillo anular de la boquilla y más delgada la pared en la salida, más rápido se formará y caerá la gota, y menor será su tendencia a humedecer la parte vertical de la boquilla. [ 17 ] La tensión superficial del vidrio es lo que influye en la formación del menisco. Para el vidrio E, debería ser de alrededor de 400 mN/m. [ 10 ]
La velocidad de atenuación (estiramiento) es importante en el diseño de la boquilla. Si bien disminuir esta velocidad puede producir una fibra más gruesa, no es rentable trabajar a velocidades para las que las boquillas no fueron diseñadas. [ 4 ]
Proceso de filamento continuo
En el proceso de filamento continuo, después de estirar la fibra, se aplica un apresto . Este apresto ayuda a proteger la fibra mientras se enrolla en una bobina. El apresto aplicado depende de su uso final. Si bien algunos aprestos son auxiliares de procesamiento, otros hacen que la fibra tenga afinidad por una resina específica, si se va a utilizar en un material compuesto. [ 11 ] El apresto se suele añadir en una proporción de 0,5 a 2,0 % en peso. El bobinado se realiza a una velocidad aproximada de 1 km/min. [ 9 ]
Proceso de fibra discontinua
Para la producción de fibra cortada, existen diversas formas de fabricarla. El vidrio puede soplarse o granallarse con calor o vapor después de salir de la máquina formadora. Generalmente, estas fibras se transforman en una especie de estera. El proceso más común es el rotatorio. En este proceso, el vidrio entra en una hiladora giratoria y, debido a la fuerza centrífuga , se expulsa horizontalmente. Los chorros de aire lo empujan verticalmente hacia abajo y se aplica el aglutinante. Luego, la estera se somete a vacío y se coloca sobre una malla, y el aglutinante se cura en un horno. [ 18 ]
Seguridad
La fibra de vidrio ha ganado popularidad desde el descubrimiento de que el amianto causa cáncer y su posterior eliminación de la mayoría de los productos. Tras este aumento de popularidad, también se ha cuestionado la seguridad de la fibra de vidrio. Las investigaciones muestran que la composición de la fibra de vidrio puede causar una toxicidad similar a la del amianto, ya que ambas son fibras de silicato. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
Estudios realizados en ratas durante la década de 1970 revelaron que la fibra de vidrio con un diámetro inferior a 3 μm y una longitud superior a 20 μm es un potente carcinógeno. Asimismo, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer concluyó en 1990 que era razonable prever que fuera un carcinógeno. Sin embargo, la fibra de vidrio se suele fabricar con diámetros superiores a 3 μm. Por otro lado, la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales afirma que no existen pruebas suficientes y que la fibra de vidrio pertenece al grupo A4: «No clasificable como carcinógeno humano» .
La Asociación Norteamericana de Fabricantes de Aislamiento (NAIMA) afirma que la fibra de vidrio es fundamentalmente diferente del asbesto, ya que es artificial en lugar de ser de origen natural. [ 22 ] 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 rompa en piezas más pequeñas y peligrosas, citando al Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos :
Las fibras vítreas sintéticas [fibra de vidrio] se diferencian del amianto en dos aspectos que podrían explicar, al menos parcialmente, su menor toxicidad. Dado que la mayoría de las fibras vítreas sintéticas no son cristalinas como el amianto, no se dividen longitudinalmente para formar fibras más delgadas. Además, generalmente presentan una biopersistencia considerablemente menor en los tejidos biológicos que las fibras de amianto, ya que pueden disolverse y romperse transversalmente. [ 23 ]
Un estudio realizado en ratas en 1998 reveló que la biopersistencia de las fibras sintéticas tras un año oscilaba entre el 0,04 % y el 13 %, mientras que la del amianto amosita alcanzaba el 27 % . Se observó que las fibras que persistían durante más tiempo eran más cancerígenas. [ 24 ]
Plástico reforzado con fibra de vidrio
El plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) es un material compuesto o plástico reforzado con fibras, formado por un plástico reforzado con finas fibras de vidrio. El vidrio puede presentarse en forma de estera de filamentos cortados (ECC) o de tejido. [ 6 ] [ 25 ]
Al igual que con muchos otros materiales compuestos (como el hormigón armado ), los dos materiales actúan conjuntamente, compensando cada uno las deficiencias del otro. Mientras que las resinas plásticas son resistentes a la compresión y relativamente débiles a la tracción , las fibras de vidrio son muy resistentes a la tracción pero tienden a no resistir la compresión. Al combinar ambos materiales, el PRFV se convierte en un material que resiste bien tanto las fuerzas de compresión como las de tracción. [ 26 ] Los dos materiales pueden utilizarse de forma uniforme o el vidrio puede colocarse específicamente en aquellas partes de la estructura que experimentarán cargas de tracción. [ 6 ] [ 25 ]
Usos
Entre los usos de la fibra de vidrio convencional se incluyen esteras y tejidos para aislamiento térmico , aislamiento eléctrico , aislamiento acústico, tejidos de alta resistencia o tejidos resistentes al calor y la corrosión. También se utiliza para reforzar diversos materiales, como postes de tiendas de campaña, pértigas de salto , flechas , arcos y ballestas , paneles de techo translúcidos, carrocerías de automóviles , palos de hockey , tablas de surf , cascos de barcos y panales de papel . Se ha utilizado con fines médicos en yesos. La fibra de vidrio se utiliza ampliamente para la fabricación de tanques y recipientes de PRFV . [ 6 ] [ 25 ]
Las rejillas de fibra de vidrio de tejido abierto se utilizan para reforzar el pavimento asfáltico. [ 27 ] Las esteras de mezcla de fibra de vidrio/polímero no tejidas se utilizan saturadas con emulsión asfáltica y recubiertas con asfalto, produciendo una membrana impermeable y resistente al agrietamiento. El uso de barras de refuerzo de polímero reforzado con fibra de vidrio en lugar de barras de refuerzo de acero se muestra prometedor en áreas donde se desea evitar la corrosión del acero. [ 28 ]
Usos potenciales
Recientemente, la fibra de vidrio se ha utilizado en aplicaciones biomédicas para la asistencia en el reemplazo articular [ 29 ], donde la orientación del campo eléctrico de las fibras cortas de vidrio de fosfato puede mejorar las cualidades osteogénicas mediante la proliferación de osteoblastos y con una química superficial mejorada . Otro uso potencial se encuentra en aplicaciones electrónicas [ 30 ] , ya que las fibras de vidrio a base de sodio asisten 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 utilizar vidrio reciclado . La fibra de vidrio reciclada contiene hasta un 40 % de vidrio reciclado. [ 31 ] [ 32 ]
Véase también
- Fibra de basalto
- fibra de carbono
- BS4994
- Materiales compuestos
- Fibra de vidrio
- Moldeo de fibra de vidrio
- Cinta de filamento
- Gelcoat
- Paño de vidrio
- Hormigón reforzado con fibra de vidrio (GFRC o GRC)
- Microesfera de vidrio
- Postes de vidrio
- Lana de vidrio
- Fibra óptica
- El cabello de Pelé , fibra de vidrio de origen natural.
- fibra de cuarzo
Notas y referencias
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Enlaces externos
- CDC – Vidrio fibroso – Tema de seguridad y salud en el lugar de trabajo de NIOSH
- Fibra de vidrio y salud. Archivado el 3 de noviembre de 2017 en Wayback Machine.
- Sociedad Internacional de Geosintéticos , información sobre geotextiles y geosintéticos en general.
- Materiales compuestos
- Tipos de vidrio
- Producción de vidrio
- Materiales de aislamiento para la construcción
- fibras sintéticas
- Presentaciones de 1938