La fibra de vidrio ( o fibra de vidrio ) es un material formado por numerosas fibras de vidrio extremadamente finas .
A lo largo de la historia, los fabricantes de vidrio han experimentado con fibras de vidrio, pero la fabricación en masa de fibras de vidrio solo fue posible gracias a la invención de máquinas herramienta más refinadas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en la Exposición Universal Colombina que incorporaba fibras de vidrio con el diámetro y la textura de las fibras de seda . Las fibras de vidrio también pueden existir de forma natural, como el cabello de Pelé .
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 . [1] 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 adhesivo para atrapar muchas pequeñas celdas de aire, lo que da como resultado la familia de productos de "lana de vidrio" de baja densidad, característicamente llenos de aire.
La fibra de vidrio tiene propiedades mecánicas aproximadamente comparables a las de otras fibras, como los polímeros y la fibra de carbono . Aunque no es tan rígida como la fibra de carbono, es mucho más barata y significativamente menos frágil cuando se utiliza en 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. [2]
La fibra de vidrio se forma cuando se extruyen hebras delgadas de vidrio a base de sílice o de otra formulación para formar muchas fibras con diámetros pequeños adecuados 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 había fabricado como fibra corta (es decir, grupos de longitudes cortas de fibra).
El método moderno para producir lana de vidrio es una invención de Games Slayter, que trabajaba en la Owens-Illinois Glass Company ( Toledo, Ohio ). En 1933, solicitó por primera vez una patente para un nuevo proceso de fabricación de lana de vidrio . La primera producción comercial de fibra de vidrio se produjo en 1936. En 1938, Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass Works se unieron para formar la 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 . [4] Owens-Corning sigue siendo el principal productor de fibra de vidrio del mercado actual. [5]
El tipo más común de fibra de vidrio utilizado en la fibra de vidrio es el vidrio E , que es un 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 alcalino-cálcico con poco o nada de óxido de boro), el vidrio E-CR (resistencia eléctrica/química; silicato de alumino-cálcico con menos del 1% p/p de óxidos alcalinos, con alta resistencia a los ácidos), el vidrio C (vidrio alcalino-cálcico con alto contenido de óxido de boro, utilizado para fibras cortas de vidrio y aislamiento), el vidrio D (vidrio de borosilicato, llamado así por su baja constante dieléctrica), el vidrio R (vidrio de alumino-silicato sin MgO y CaO con altos requisitos mecánicos como refuerzo ) y el vidrio S (vidrio de alumino-silicato sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción). [6]
El sílice puro (dióxido de silicio), cuando se enfría como cuarzo fundido en un vidrio sin un punto de fusión verdadero, se puede utilizar como fibra de vidrio para la fibra de vidrio, pero tiene el inconveniente de que debe trabajarse a temperaturas muy altas. Para reducir la temperatura de trabajo necesaria, se introducen otros materiales como "agentes fundentes" (es decir, componentes para reducir el punto de fusión). El vidrio A ordinario ("A" por "álcali-cal") o el vidrio sódico-cálcico, triturado y listo para ser refundido, como el llamado vidrio de desecho , fue el primer tipo de vidrio utilizado para la fibra de vidrio. El vidrio E ("E" por su aplicación eléctrica inicial), no contiene álcali y fue la primera formulación de vidrio utilizada para la formación de filamentos continuos. Actualmente constituye la mayor parte de la producción de fibra de vidrio en el mundo y también es el mayor consumidor individual de minerales de boro a nivel mundial. Es susceptible al ataque de iones de cloruro y es una mala opción para aplicaciones marinas. El vidrio S (S de "resistencia") se utiliza cuando es importante una alta resistencia a la tracción (módulo) y, por lo tanto, es importante en los compuestos para la construcción de edificios y aeronaves. La misma sustancia se conoce como vidrio R (R de "reforzamiento") en Europa. 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 a menudo en los grados de aislamiento de la fibra de vidrio soplada. [7]
La base de las fibras de vidrio de grado textil es sílice , SiO 2 . En su forma pura existe como polímero , (SiO 2 ) n . No tiene un punto de fusión verdadero , 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. [9] En el polímero forma grupos SiO 4 que están configurados 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 enlazada 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 a nivel 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. [4]
Aunque la sílice pura es un vidrio y una fibra de vidrio perfectamente viables, debe trabajarse 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 reducir 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 sódico-cálcico 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 de cloruro también atacarán y disolverán las superficies del vidrio E.
El vidrio E en realidad no se funde, sino que se ablanda, siendo el punto de ablandamiento "la temperatura a la que una fibra de 0,55–0,77 mm de diámetro y 235 mm de longitud se alarga por su propio peso a 1 mm/min cuando está suspendida 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 en 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]
Los tejidos de fibras de vidrio tejidas son aislantes térmicos útiles debido a su alta relación entre área superficial y peso. Sin embargo, el aumento de la superficie los hace mucho más susceptibles al ataque químico. Al atrapar 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 ). [12]
La resistencia del vidrio se suele comprobar y registrar en el caso de fibras "vírgenes" o prístinas, es decir, las que acaban de fabricarse. Las fibras más frescas y delgadas son las más resistentes, porque son más dúctiles. Cuanto más se rasque la superficie, menor será la tenacidad resultante. [10] Como el vidrio tiene una estructura amorfa , sus propiedades son las mismas a lo largo de la fibra y a lo ancho de ella. [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 de la superficie, y reducir la tenacidad.
A diferencia de la fibra de carbono , el vidrio puede sufrir un mayor alargamiento 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 trefilado, 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 alta, la fibra se romperá durante el trefilado. Sin embargo, si es demasiado baja, el vidrio formará gotitas en lugar de ser extraído hasta convertirse en una fibra.
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 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 lamina 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 convertirse en fibra. En el proceso de fusión directa, el vidrio fundido en el horno va directamente al casquillo para su formación. [11]
La placa de casquillo es la parte más importante de la maquinaria para fabricar la fibra. Se trata de un pequeño horno de metal que contiene boquillas para que la fibra se forme a través de él. Casi siempre está hecho de platino aleado con rodio para mayor durabilidad. Se utiliza platino porque el vidrio fundido tiene una afinidad natural por humedecerlo . Cuando se utilizaron 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 coste y a la tendencia al desgaste, el platino se aleaba 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 la fibra. En el proceso de fusión del mármol, el casquillo actúa más como un horno, ya que funde más material. [16]
Los casquillos son el mayor gasto en la producción de fibra de vidrio. El diseño de la boquilla también es crítico. 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 insertar un orificio avellanado aquí reducía la humectación. Hoy en día, las boquillas están diseñadas para tener un espesor mínimo en la salida. A medida que el vidrio fluye a través de la boquilla, forma una gota que está suspendida del 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 fibra. Cuanto más pequeño 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 debe ser de alrededor de 400 mN/m. [10]
La velocidad de atenuación (estiramiento) es importante en el diseño de la boquilla. Si bien reducir esta velocidad puede generar fibras más gruesas, no resulta rentable operar a velocidades para las que no fueron diseñadas las boquillas. [4]
En el proceso de filamento continuo, después de que se estira la fibra, se aplica un apresto que ayuda a proteger la fibra mientras se enrolla en una bobina. El apresto particular aplicado se relaciona con el uso final. Mientras que algunos aprestos son auxiliares de procesamiento, otros hacen que la fibra tenga afinidad por una resina determinada, si la fibra se va a utilizar en un compuesto. [11] El apresto se agrega generalmente en una proporción de 0,5 a 2,0 % en peso. Luego, el bobinado se realiza a aproximadamente 1 km/min. [9]
Para la producción de fibras cortas, existen 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 transforman en algún tipo de estera. El proceso más común utilizado es el proceso rotatorio. En este caso, el vidrio ingresa a una centrifugadora giratoria 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 hasta una pantalla y el aglutinante se cura en el horno. [18]
La fibra de vidrio ha ganado popularidad desde que se descubrió que el amianto causa cáncer y se eliminó de la mayoría de los productos. Sin embargo, la seguridad de la fibra de vidrio también se está poniendo en duda, 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. [19] [20] [21] [22]
Estudios realizados en ratas durante la década de 1970 encontraron que el vidrio fibroso de menos de 3 μm de diámetro y más de 20 μm de longitud es un "potente carcinógeno". [19] Asimismo, la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer encontró que "puede anticiparse razonablemente que sea un carcinógeno" en 1990. La Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales , por otro lado, dice que no hay evidencia suficiente, y que la fibra de vidrio está en el grupo A4: "No clasificable como carcinógeno humano" .
La Asociación Norteamericana de Fabricantes de Aislantes (NAIMA) afirma que la fibra de vidrio es fundamentalmente diferente del amianto, ya que es artificial en lugar de producirse de forma natural. [23] Afirman que la fibra de vidrio "se disuelve en los pulmones", mientras que el amianto permanece en el cuerpo de por vida. Aunque tanto la fibra de vidrio como el amianto están hechos de filamentos de sílice, la NAIMA afirma que el amianto es más peligroso debido a su estructura cristalina, que hace que se rompa en trozos más pequeños y peligrosos, 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 pueden explicar, al menos en parte, su menor toxicidad. Como la mayoría de las fibras vítreas sintéticas no son cristalinas como el amianto, no se dividen longitudinalmente para formar fibras más delgadas. Además, por lo general tienen una biopersistencia en los tejidos biológicos mucho menor que las fibras de amianto, ya que pueden sufrir disolución y rotura transversal. [24]
Un estudio realizado en 1998 con ratas determinó que la biopersistencia de las fibras sintéticas después de un año era de entre el 0,04 y el 13 %, pero del 27 % en el caso del amianto amosita . Se determinó que las fibras que persistían durante más tiempo eran más cancerígenas. [25]
El plástico reforzado con vidrio (PRFV) es un material compuesto o plástico reforzado con fibra de vidrio hecho de un plástico reforzado con fibras de vidrio finas. El vidrio puede tener la forma de una estera de hebras cortadas (CSM) o de una tela tejida. [6] [26]
Al igual que 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 tanto las fuerzas de compresión como las de tracción. [27] Los dos materiales pueden usarse de manera uniforme o el vidrio puede colocarse específicamente en aquellas partes de la estructura que experimentarán cargas de tracción. [6] [26]
Los usos de la fibra de vidrio regular 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 varios materiales, como postes de tiendas de campaña, postes 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 utiliza ampliamente para fabricar tanques y recipientes de FRP . [6] [26]
Las mallas de fibra de vidrio de trama abierta se utilizan para reforzar el pavimento asfáltico. [28] Se utilizan mallas de fibra de vidrio/polímero no tejidas 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 reforzadas con fibra de vidrio en lugar de barras de refuerzo de acero resulta prometedor en áreas donde se desea evitar la corrosión del acero. [29]
Recientemente, la fibra de vidrio se ha utilizado en aplicaciones biomédicas para ayudar en el reemplazo de articulaciones [30], donde la orientación del campo eléctrico de las fibras cortas de vidrio de fosfato puede mejorar las cualidades osteogénicas a través de la proliferación de osteoblastos y con una química superficial mejorada . Otro uso potencial es en aplicaciones electrónicas [31], 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.
Los fabricantes de aislamientos de fibra de vidrio pueden utilizar vidrio reciclado . La fibra de vidrio reciclada contiene hasta un 40 % de vidrio reciclado. [32] [33]
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