La fibra de vidrio ( o fibra de vidrio ) es un material formado por 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 sólo fue posible con 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 presentarse de forma natural, como el cabello de Pele .
La lana de vidrio , que es un producto llamado hoy "fibra de vidrio", 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 bajo el nombre comercial Fiberglas, que se ha convertido en una marca comercial genérica . La fibra de vidrio, cuando se utiliza como material aislante térmico, se fabrica especialmente con un agente adhesivo para atrapar muchas células de aire pequeñas, lo que da como resultado la característica familia de productos de "lana de vidrio" de baja densidad y llenos 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 rígida como la fibra de carbono, es mucho más barata y mucho menos quebradiza cuando se utiliza en compuestos. Los compuestos reforzados con fibra de vidrio se utilizan en la industria marina y en la industria de tuberías debido a su buena resistencia ambiental, mejor tolerancia al daño por cargas de impacto, alta resistencia específica y rigidez. [2]
La fibra de vidrio se forma cuando se extruyen finas hebras de vidrio a base de sílice u otra formulación para obtener muchas fibras con diámetros pequeños adecuados para el procesamiento textil . La técnica de calentar y transformar vidrio en 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 como fibra corta (es decir, grupos de trozos cortos 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 ). 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. [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 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), vidrio E-CR (resistencia eléctrica/química; silicato de alumino-cal con menos del 1% p/p de óxidos alcalinos, con alta resistencia a los ácidos), vidrio C (vidrio álcali-cal 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 silicato de aluminio sin MgO y CaO con altos requerimientos mecánicos como refuerzo ), y vidrio S (vidrio de silicato de aluminio sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción). [6]
La sílice pura (dióxido de silicio), cuando se enfría como cuarzo fundido en un vidrio sin punto de fusión real, se puede utilizar como fibra de vidrio para 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" de "álcali-cal") o vidrio sodocálcico, 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" debido a la aplicación eléctrica inicial) 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 del mundo y también es el mayor consumidor de minerales de boro a nivel mundial. Es susceptible al ataque de iones cloruro y es una mala elección para aplicaciones marinas. El vidrio S ("S" para "Resistencia") se utiliza cuando una alta resistencia a la tracción (módulo) es importante y, por lo tanto, es importante en compuestos para la construcción de edificios y aviones. La misma sustancia se conoce como R-glass ("R" de "refuerzo") en Europa. El vidrio C ("C" para "resistencia química") y el 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 aislantes de fibra de vidrio soplada. [7]
La base de las fibras de vidrio de calidad textil es la sílice , SiO 2 . En su forma pura existe como polímero , (SiO 2 ) n . No tiene un punto de fusión real , 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 SiO 4 que se configuran como un tetraedro con el átomo de silicio en el centro y cuatro átomos de oxígeno en las esquinas. Luego, estos átomos forman una red unida en las esquinas 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 también implica que la forma vítrea es extremadamente estable. Para inducir la cristalización , se debe calentar 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 con ella a temperaturas muy altas, lo que supone 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 otras propiedades al vidrio que pueden resultar 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, libre de álcalis (<2%), el vidrio E, es un vidrio de aluminoborosilicato. [10] El vidrio C fue desarrollado para resistir el ataque de productos químicos, principalmente ácidos que destruyen el vidrio E. [10] T-glass es una variante norteamericana del 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 electrónico.
El vidrio electrónico en realidad no se funde, sino que se ablanda, siendo el punto de reblandecimiento "la temperatura a la que una fibra de 0,55 a 0,77 mm de diámetro y 235 mm de largo se alarga bajo su propio peso a 1 mm/min cuando se suspende verticalmente y se calienta a la velocidad de 5 °C por minuto". [11] El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 10 14,5 poises . El punto de recocido , que es la temperatura donde las tensiones internas se reducen a un límite comercial aceptable en 15 minutos, está marcado por una viscosidad de 10 13 poises. [11]
Los tejidos de fibras de vidrio tejidas son aislantes térmicos útiles debido a su alta relación entre superficie 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 generalmente se prueba y se informa para fibras "vírgenes" o prístinas, aquellas que acaban de fabricarse. 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. [10] Debido a que el vidrio tiene una estructura amorfa , sus propiedades son las mismas a lo largo y ancho de la fibra. [9] La humedad es un factor importante en la resistencia a la tracción. La humedad se absorbe 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 alargarse más 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 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 convertirse en fibra.
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 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 del mármol, el material fundido se corta y se lamina en mármoles que se enfrían y empaquetan. Las canicas se llevan a las instalaciones de fabricación de fibras, donde se insertan en una lata y se vuelven a fundir. El vidrio fundido se extruye hasta 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]
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 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 se usaron los casquillos por primera vez, eran 100% platino y el vidrio mojó el casquillo 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 coste y a la tendencia al desgaste, el platino se aleaba con rodio. En el proceso de fusión directa, el casquillo sirve como recolector del 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, el casquillo actúa más como un horno ya que derrite más material. [dieciséis]
Los casquillos son el mayor gasto en la producción de fibra de vidrio. El diseño de la boquilla también es fundamental. El número de boquillas oscila entre 200 y 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 zona de salida. Se encontró que la inserción de un 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 queda suspendida del extremo. Al caer deja un hilo adherido por el menisco a la boquilla siempre y cuando 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. [17] La tensión superficial del vidrio es lo que influye en la formación del menisco. Para vidrio E debería ser de unos 400 mN/m. [10]
La velocidad de atenuación (extracción) 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. [4]
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. Si bien 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. [11] El apresto generalmente se agrega entre 0,5 y 2,0 % en peso. El bobinado se realiza entonces a aproximadamente 1 km/min. [9]
Para la producción de fibras cortadas, 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 convierten en una especie de estera. El proceso más común utilizado es el proceso rotativo. Aquí el vidrio entra en una rueda giratoria y, debido a la fuerza centrífuga, es expulsado horizontalmente. Los chorros de aire lo empujan verticalmente hacia abajo y se aplica el aglutinante. Luego, la estera se aspira hasta una rejilla y el aglutinante se cura en el horno. [18]
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. 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 amianto y la fibra de vidrio son fibras de silicato) puede causar una toxicidad similar a la del amianto. [19] [20] [21] [22]
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 "potente carcinógeno". [19] Asimismo, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer determinó que "puede razonablemente anticiparse que sea un carcinógeno" en 1990. La Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales , por otro lado, dice que no hay pruebas suficientes y que el vidrio La fibra está en el grupo A4: "No clasificable como carcinógeno humano" .
La Asociación Norteamericana de Fabricantes de Aislamientos (NAIMA) afirma que la fibra de vidrio es fundamentalmente diferente del asbesto, ya que es artificial y no 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, NAIMA afirma que el amianto es más peligroso debido a su estructura cristalina, que hace que se escinda 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. Por lo general, también tienen una biopersistencia notablemente menor en los tejidos biológicos que las fibras de amianto porque pueden sufrir disolución y rotura transversal. [24]
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 amianto amosita . Se descubrió que las fibras que persistían por más tiempo eran más cancerígenas. [25]
El plástico reforzado con vidrio (GRP) es un material compuesto o plástico reforzado con fibra hecho de un plástico reforzado con finas fibras de vidrio. El vidrio puede tener la forma de una estera de hebras cortadas (CSM) o de una tela tejida. [6] [26]
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 cargas 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 uniformemente 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 normal 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 postes de tiendas de campaña, pértigas 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 panales 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 rejillas de fibra de vidrio de tejido abierto se utilizan para reforzar el pavimento asfáltico. [28] Se utilizan esteras de mezcla de polímero y fibra de vidrio no tejidas saturadas con emulsión asfáltica y recubiertas con asfalto, produciendo 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 acero es prometedor en áreas donde se desea evitar la corrosión del acero. [29]
El uso de fibra de vidrio se ha utilizado recientemente en aplicaciones biomédicas para ayudar en el reemplazo de articulaciones [30], donde la orientación del campo eléctrico de fibras cortas de vidrio de fosfato puede mejorar las cualidades osteogénicas mediante la proliferación de osteoblastos y con una mejor química de la superficie . Otro uso potencial es el de las 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 aislamiento 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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