Fibra de vidrio

Haz de fibras de vidrio

Fibra de vidrio ( fibra de vidrio también deletreado) es un material que consta de numerosos extremadamente fino fibras de vidrio .

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 gracias a la invención de la máquina herramienta más fina. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió una vestir a la Columbian Exposition fibras del mundo que incorpora vidrio con el diámetro y la textura de fibras de seda. Esto fue usado por primera vez por la actriz de teatro popular de la época Georgia Cayvan. Las fibras de vidrio también pueden ocurrir naturalmente, como El pelo de Pele.

La lana de vidrio, que se conoce comúnmente como "fibra de vidrio" hoy en día, sin embargo, fue inventado en 1938 por Russell Juegos Slayter de Owens-Corning como un material para ser utilizado como aislamiento. Se comercializa bajo los nombres comerciales de fibra de vidrio, que se ha convertido en un marca genericized.

La fibra de vidrio se utiliza comúnmente como un material aislante. También se utiliza como agente de refuerzo para muchos productos de polímero; para formar una muy fuerte y ligero polímero reforzada con fibras (FRP) material compuesto llamado de plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP), popularmente conocido como "fibra de vidrio". La fibra de vidrio tiene propiedades más o menos comparables a otras fibras tales como polímeros y fibra de carbono. Aunque no es tan fuerte o tan rígido como fibra de carbono, es mucho más barato y significativamente menos frágil.

Formación de fibra

La fibra de vidrio se forma cuando hebras delgadas de sílice -basado u otro vidrio formulación son extruida en muchas fibras de pequeño diámetro adecuados para textil procesamiento. La técnica de la calefacción y la elaboración de vidrio en forma de fibras finas se conoce desde hace miles de años; 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 de grapas (es decir, grupos de longitudes cortas de fibra). La primera producción comercial de fibra de vidrio fue en 1936. En 1938, Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass Works se unió para formar el Owens-Corning Fiberglas Corporation. Cuando las dos compañías se unieron para producir y promover la fibra de vidrio, introdujeron continua fibras de vidrio de filamento. Owens-Corning sigue siendo el principal productor de fibra de vidrio en el mercado hoy en día.

Los tipos de fibra de vidrio más comúnmente utilizados son principalmente de vidrio E (vidrio de borosilicato alumino-con menos de 1% w / w óxidos alcalinos, utilizado principalmente para plásticos reforzados con vidrio), pero también A-vidrio (vidrio álcali-cal con poco o ningún óxido de boro), E-CR-vidrio (silicato alumino-cal con menos de 1% w / w óxidos alcalinos, tiene alta resistencia a los ácidos), C-vidrio (vidrio álcali-cal con alto contenido de óxido de boro, que se utiliza, por ejemplo, para las fibras de vidrio cortado), D-vidrio (vidrio de borosilicato con constante dieléctrica baja), R-vidrio (vidrio de silicato alumino sin MgO y CaO con altos requerimientos mecánicos), y S-vidrio (vidrio de silicato alumino sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción).

Química

La base de textiles de fibras de vidrio -Grado es sílice , _SiO2. En su forma pura existe como una polímero, _{(SiO2) n.} No tiene cierto punto de fusión , pero se ablanda hasta 1200 ° C, donde empieza a degradarse. En 1713 ° C, la mayoría de las moléculas pueden moverse libremente. Si el vidrio se extruye y se enfrió rápidamente a esta temperatura, será incapaz de formar una estructura ordenada. En el polímero se forma SiO ₄ grupos que están configurados como un tetraedro con el silicio átomo en el centro, y cuatro átomos de oxígeno en las esquinas. Estos átomos se forman una red en condiciones de servidumbre en las esquinas compartiendo los oxígeno átomos.

Los vítreas y cristalinas estados de sílice (vidrio y cuarzo ) tienen niveles de energía similares sobre una base molecular, también dando a entender que la forma cristalina es extremadamente estable. Con el fin de inducir cristalización, debe ser calentado a temperaturas superiores a 1200 ° C durante largos períodos de tiempo.

Estructura molecular de los cristales

Aunque la sílice pura es una fibra de vidrio y vidrio perfectamente viable, se debe trabajar con temperaturas muy altas, lo cual es un inconveniente a menos que se necesitan sus propiedades químicas específicas. Es usual introducir impurezas en el vidrio en forma de otros materiales para reducir su temperatura de trabajo. Estos materiales también imparten otras propiedades diferentes al vidrio que puede ser beneficioso en diferentes aplicaciones. El primer tipo de vidrio utilizado para la fibra era el vidrio de soda de lima o una copa. No es muy resistente a los álcalis. Un nuevo tipo, vidrio E, se formó; este es un vidrio de borosilicato alumino-que es álcali libre (<2%). Esta fue la primera formulación de vidrio utilizado para continua formación de filamentos. E-vidrio aún constituye la mayor parte de la producción de fibra de vidrio en el mundo. Sus componentes particulares pueden diferir ligeramente en porcentaje, pero deben estar dentro de un rango específico. La letra E se utiliza porque era originalmente para eléctricos aplicaciones. S-glass es una formulación de alta resistencia para su uso cuando resistencia a la tracción es la propiedad más importante. C-vidrio fue desarrollado para resistir el ataque de productos químicos, principalmente ácidos que destruyen E-vidrio. T-vidrio es una variante norteamericana de C-vidrio. Un cristal es un término de la industria para desperdicios de vidrios rotos, a menudo botellas, hecho en fibra. AR-vidrio es vidrio resistente a los álcalis. La mayoría de las fibras de vidrio tienen limitada solubilidad en agua, pero son muy dependientes pH. Los iones cloruro también atacar y disolver las superficies de vidrio E.

E-vidrio en realidad no se derrita, pero ablanda lugar, el punto de reblandecimiento ser "la temperatura a la que una fibra de diámetro 0,55-0,77 mm 235 mm de largo, se alarga por su propio peso a 1 mm / min cuando se suspenden verticalmente y se calentó a la tasa de 5 ° C por minuto ". El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 10 ^14,5 aplomo. La punto de recocido, que es la temperatura a la que las tensiones internas se reducen a un límite comercial aceptable en 15 minutos, está marcada por una viscosidad de 10 poises ^13.

Propiedades

Térmico

Las fibras de vidrio son aislantes térmicos útiles debido a su alta relación de área superficial a peso. Sin embargo, el área de superficie aumentada hace que sean mucho más susceptibles al ataque químico. Al atrapar aire dentro de ellos, los bloques de fibra de vidrio hacen buena aislamiento térmico, con una conductividad térmica del orden de 0,05 W / (m · K ).

Extensible

La resistencia del vidrio por lo general se probó y se transmitirá para "virgen" o fibras vírgenes, aquellas que acaban de ser fabricado. Los más frescos, fibras más finas son las más fuertes, porque las fibras más finas son más dúctiles. Cuanto más se rascó la superficie, menor será la resultante tenacidad. Debido a que el vidrio tiene una estructura amorfa, sus propiedades son las mismas a lo largo de la fibra y en toda la fibra. La humedad es un factor importante en la resistencia a la tracción. La humedad es fácilmente adsorbido, y puede empeorar grietas microscópicas y defectos superficiales, y disminuir la tenacidad.

En contraste con fibra de carbono, vidrio puede someterse a más de alargamiento antes de que se rompa. Existe una correlación entre la flexión diámetro del filamento y el diámetro del filamento. La viscosidad del vidrio fundido es muy importante para el éxito de fabricación. Durante dibujo (tirando del vidrio para reducir la circunferencia 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 bajo, el vidrio se forman gotitas en lugar de dibujar hacia fuera en fibra.

Los procesos de fabricación

Fusión

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 hace ya sea desde un proceso de fusión directa o una proceso de refusión de mármol. Ambos comienzan con las materias primas en forma sólida. Los materiales se mezclan juntos y se fundieron en una horno. Entonces, para el proceso de mármol, el material fundido se cortado y enrollado en mármoles que se enfrían y empaquetados. Las canicas son llevados a las instalaciones de fabricación de la fibra en el que se insertan en una lata y refundidos. El vidrio fundido se extruye a la buje para formarse en fibras. En el procedimiento de fusión directa, el vidrio fundido en el horno va directamente al casquillo para la formación.

Formación

La placa de paso es la parte más importante de la maquinaria para la fabricación de la fibra. Este es un horno pequeño de metal que contiene boquillas para la fibra que se forman a través. Es casi siempre está hecho de platino aleado con rodio para mayor durabilidad. Platinum se utiliza porque la masa fundida de vidrio tiene una afinidad natural para mojándola. Cuando bujes se utilizaron principio eran 100% de platino y el vidrio humedecen el buje con tanta facilidad que corrían bajo la placa después de salir de la boquilla y se acumulan en la parte inferior. También, debido a su costo y la tendencia al desgaste, el platino se alea con rodio. En el procedimiento de fusión directa, el casquillo sirve como un colector para el vidrio fundido. Se calienta ligeramente para mantener el vidrio a la temperatura correcta para la formación de fibras. En el proceso de fusión de mármol, el casquillo actúa más como un horno mientras se derrite más del material.

Bujes son el mayor gasto en la producción de fibra de vidrio. El diseño de la boquilla es también crítico. 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 región de salida. Se encontró que la inserción de una escariar aquí reducida humectante. Hoy en día, las boquillas están diseñados para tener un espesor mínimo en la salida. Como los flujos de vidrio a través de la boquilla forma una gota que está suspendido desde el extremo. A medida que cae, deja un hilo unido por el menisco a la boquilla mientras la viscosidad está en el rango correcto para la formación de fibras. Cuanto menor sea el anillo anular de la boquilla y la más delgada de la pared en la salida, se formará más rápida es la caída y la caída de distancia, 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-vidrio que debe estar alrededor de 400 mN por m.

La atenuación (dibujo) la velocidad es importante en el diseño de la boquilla. Aunque la desaceleración esto abajo velocidad puede hacer que la fibra más gruesa, es poco rentable para funcionar a velocidades para las que las boquillas no fueron diseñados.

Proceso de filamento continuo

En el proceso de filamento continuo, después de que se extrae la fibra, una se aplica tamaño. Este tamaño ayuda a proteger la fibra a medida que se enrolla en una bobina. El tamaño particular aplicada se refiere a su uso final. Mientras que algunos tamaños son coadyuvantes de elaboración, otros hacer que la fibra tiene una afinidad por un determinado resina, si la fibra es para ser utilizado en un compuesto. Tamaño se suele añadir a 0,5-2,0% en peso. Winding entonces se lleva a cabo en alrededor de 1.000 m por minuto.

Proceso de fibras cortadas

Para la producción de fibras cortadas, hay un número de maneras de fabricar la fibra. El vidrio puede ser quemado o atacó con calor o vapor después de salir de la máquina de la formación. Por lo general, estas fibras se convierten en una especie de estera. El proceso más común usado es el proceso rotatorio. Aquí, el vidrio entra en un spinner de rotación, y debido a fuerza centrífuga es lanzada horizontalmente. Los chorros de aire empujan hacia abajo verticalmente y se aplica aglutinante. A continuación, la estera se aspira a una pantalla y el aglutinante se cura en el horno.

Seguridad

La fibra de vidrio ha aumentado en popularidad desde el descubrimiento de que asbesto produce cáncer y su posterior eliminación de la mayoría de productos. Sin embargo, la seguridad de fibra de vidrio también está siendo puesta en duda, ya que la investigación muestra que la composición de este material (asbesto y fibra de vidrio son dos fibras de silicato) puede causar toxicidad similar como el amianto.

1970 estudios en ratas encontraron que el vidrio fibrosa de menos de 3 micrómetros de diámetro y de más de 20 micrómetros de longitud es una "potente cancerígeno". Asimismo, el Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer encontró que "es razonable predecir que es un carcinógeno" en 1990. La Conferencia Americana de Higienistas Industriales del Gobierno, por su parte, dice que no hay pruebas suficientes, y que la fibra de vidrio es en grupo A4: "No puede ser clasificado como un carcinógeno humano".

La Asociación Americana de Fabricantes de Aislamiento del Norte (NAIMA) afirma que la fibra de vidrio es fundamentalmente diferente de amianto, ya que es hecho por el hombre en lugar de origen natural. Ellos 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 y 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 escindir en partes más pequeñas y peligrosas, citando la Departamento de Salud y Servicios Humanos de Estados Unidos:

Las fibras vítreas sintéticas [fibra de vidrio] difieren de amianto en dos formas que pueden proporcionar, al menos parciales explicaciones de su menor toxicidad. Debido a que la mayoría de las fibras vítreas sintéticas no son cristalinos como el amianto, que no se dividen longitudinalmente para formar fibras más delgadas. Ellos también tienen en general marcadamente menos biopersistencia en los tejidos biológicos que las fibras de amianto, ya que pueden someterse a la disolución y la rotura transversal.

Un estudio realizado en 1998 con ratas descubrió que la biopersistencia de las fibras sintéticas después de un año fue 0,04 a 10%, pero el 27% de amosita. Las fibras que persistieron ya se encontró que eran más cancerígenos.

Plásticos de cristal

De plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP) es un material compuesto o plástico reforzado con fibra hecha de un plástico reforzado por fibras de vidrio finas. Como grafito reforzado con plástico, el material compuesto se conoce comúnmente como fibra de vidrio. El vidrio puede estar en la forma de una esterilla de hilos cortados (CSM) o una tela tejida.

Como con muchos otros materiales compuestos (tales como hormigón armado), los dos materiales actúan juntos, cada uno superación de los déficits de la otra. Considerando que las resinas plásticas son fuertes en carga de compresión y relativamente débil en resistencia a la tracción, las fibras de vidrio son muy fuertes en la tensión, pero no tienden a resistir la compresión. Mediante la combinación de los dos materiales, GRP se convierte en un material que resiste bien las dos fuerzas de compresión y de tracción. Los dos materiales pueden ser utilizados de manera uniforme o el cristal pueden ser colocados específicamente en aquellas partes de la estructura que va a experimentar cargas de tracción.

Usos

Usos de fibra de vidrio regular incluyen esteras y tejidos para aislamiento térmico, aislamiento eléctrico, aislamiento acústico, las telas de alta resistencia o tejidos al calor y resistentes a la corrosión. También se utiliza para reforzar de diversos materiales, tales como postes de la tienda, polos de salto con pértiga, flechas, arcos y ballestas, paneles para techos translúcidos, automóviles cuerpos, palos de hockey, tablas de surf, barco cascos, y nido de abeja de papel. Se ha utilizado para fines médicos en los moldes. La fibra de vidrio se utiliza ampliamente para la fabricación de Tanques y recipientes de FRP.

Open-tejer redes de fibra de vidrio se utilizan para reforzar el pavimento asfáltico. Esteras de mezcla de fibra de vidrio / polímero no tejidos se utilizan saturados con emulsión asfáltica y overlayes con asfalto, la producción de una membrana impermeable, 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 prometer en las zonas donde se desea evitar la corrosión del acero.

Papel de reciclaje en la fabricación de fibra de vidrio

Los fabricantes de aislamiento de fibra de vidrio pueden utilizar vidrio reciclado. Fibra de vidrio reciclado tiene hasta un 40% de vidrio reciclado.