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Fibra de vidrio

La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos cerámicos basados en dióxido de silicio (SiO2) extremadamente finos.

Manojo de fibra de vidrio.

A lo largo de la historia los vidrieros han ensayado con la fibra de vidrio, pero la manufactura masiva de este material solo fue posible con la invención de máquinas y herramienta más refinadas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en la Exposición Mundial Colombina de Chicago que tenía fibra de vidrio con filamentos del diámetro y la textura de una fibra de seda. Fue usado por primera vez por Georgia Cayvan, una actriz de teatro muy conocida en aquella época. Las fibras de vidrio también se pueden formar naturalmente y se las conoce como cabellos de Pele.

Sin embargo, la lana de vidrio, a la que hoy se llama comúnmente fibra de vidrio, no fue inventada sino hasta 1938 por Russell Games Slayter, en la empresa Owens-Corning, como un material que podría ser usado como aislante en la construcción de edificios. Fue comercializado bajo el nombre comercial Fiberglass, que se convirtió desde entonces en una marca vulgarizada en países de habla inglesa.

La fibra de vidrio se conoce comúnmente como un material aislante. También se usa como un agente de refuerzo con muchos productos poliméricos; normalmente se usa para conformar plástico reforzado con vidrio que por metonimia también se denomina fibra de vidrio, una forma de material compuesto consistente en polímero reforzado con fibra. Por lo mismo, en esencia exhibe comportamientos similares a otros compuestos hechos de fibra y polímero como la fibra de carbono. Aunque no sea tan fuerte o rígida como la fibra de carbono, es mucho más económica y menos quebradiza.

Formación de la fibra

La fibra de vidrio se conforma de hebras delgadas hechas a base de sílice o de formulaciones especiales de vidrio, extruidas a modo de filamentos de diámetro diminuto y aptas para procesos de tejeduría. La técnica de calentar y elaborar fibras finas a partir de vidrio se conoce desde hace milenios; sin embargo, el uso de estas fibras para aplicaciones textiles es mucho más reciente: solo hasta ahora es posible fabricar hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y estandarizadas. La primera producción comercial de fibra de vidrio ocurrió en 1936; en 1938 Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass Works se unieron para formar la Owens-Corning Fiberglas Corporation. Cuando ambas compañías se unieron para producir y promover la fibra de vidrio, introdujeron al mercado filamentos continuos de fibra de vidrio.[1]​ Owens-Corning continúa siendo el mayor productor de fibra de vidrio en el mercado actual.[2]

Los tipos de fibra de vidrio usados más comúnmente son las de vidrio clase E (E-glass: vidrio de alumino-borosilicato con menos de 1% peso de óxidos alcalinos, principalmente usada para Plástico reforzado con vidrio,pero también se usan las clases A (A-glass: vidrio álcali-cal con pocos o ningún óxido de boro), clase E-CR (E-CR glass: de silicato álcali-cal con menos de 1% peso/peso de óxidos alcalinos, con alta resistencia a los ácidos), clase C (C-glass: vidrio álcali-cal con alto contenido de óxido de boro, usadas por ejemplo en fibras de vidrio con filamentos cortos), clase D (D-glass: vidrio de borosilicato con una constante dieléctrica alta), clase R (R-glass: vidrio de aluminosilicatos sin MgO ni CaO con altas prestaciones mecánicas) y la clase S (S-glass: vidrio de aluminosilicatos sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción).[3]

Química de la fibra de vidrio

 
Estructura molecular teórica del vidrio

La fibra de vidrio útil para tejido tiene como base el compuesto sílice, SiO2. En su forma pura el dióxido de silicio se comporta como polímero (SiO2)n. Es decir, no tiene un punto de fusión verdadero pero se suaviza a 1200 °C, punto en el que comienza a descomponerse y a 1713 °C la mayoría de las moléculas presentan libertad de movimiento. Si el vidrio ha sido extruido y enfriado de forma rápida desde esta temperatura, es imposible obtener una estructura ordenada.[4]​ En su estado de polímero se forman grupos de SiO4 que están configurados con estructura tetrahédrica con el átomo de silicio en el centro, y cuatro átomos de oxígeno en las puntas. Estos átomos luego forman una red de enlaces en las esquinas que comparten los átomos de oxígeno.

Los estados vítreos y cristalinos de la sílice (vidrio y cuarzo) tienen niveles energéticos similares en sus bases moleculares, lo que implica que en su forma vidriosa es extremadamente estable; en orden de reducir la cristalización, debe ser calentado a temperaturas superiores a los 1200 °C por períodos prolongados de tiempo.[1]

Aunque la sílice pura es perfectamente viable para hacer vidrio y fibra de vidrio, debe ser procesada a temperaturas muy altas, lo cual es un inconveniente a menos que sus propiedades químicas específicas sean necesarias. Parecería inusual introducir impurezas al vidrio, sin embargo añadir algunos materiales contribuye a bajar su temperatura de trabajo; estos materiales también añaden otras propiedades al vidrio que pueden ser benéficas en aplicaciones diferentes. El primer tipo de vidrio usado para hacer fibra fue el vidrio de cal sodada o el vidrio Clase A, que no es muy resistente a compuestos alcalinos; para corregir esto, un nuevo tipo conocido como Clase E, se desarrolló como un vidrio de alumino-borosilicato que es libre de elementos alcalinos (<2%);[5]​ esta fue la primera formulación de vidrio usada para la formación de filamentos. El vidrio de clase E constituye aún la principal forma de producción de fibra de vidrio y sus compuestos particulares pueden tener ligeras variaciones que deben permanecer bajo cierto rango. La letra E es usada debido a que se desarrolló principalmente para aplicaciones eléctricas. El vidrio Clase S es una formulación cuya característica principal es la alta resistencia a la tracción y por lo mismo recibe su letra (de tensile strength). El vidrio clase C fue desarrollado para resistir el ataque químico, principalmente de ácidos que destruirían un vidrio clase E (su letra proviene entonces de chemical resistance).[5]​El vidrio de Clase T, es una variante comercial de North American Fiberglass del vidrio de Clase C. El vidrio Clase A es una referencia industrial para denominar al vidrio reciclado, muchas veces de botellas, que se usa para hacer lana de vidrio. La clase AR es un vidrio resistente a compuestos alcalinos (AR de alkali-resistant). La mayoría de las fibras de vidrio tienen una solubilidad limitada en agua pero esto cambia en relación al pH. Los iones de cloruro también pueden atacar y disolver superficies de vidrio Clase E.

El vidrio de clase E no puede derretirse realmente, pero en cambio se suaviza, definiéndose su punto de ablandamiento como "la temperatura a la que una fibra con un diámetro entre 0,55 y 0,77 mm de 235 mm de longitud, se alarga con su propia carga a una ratio de 1 mm/min cuando está suspendida verticalmente y se ha calentado a una tasa de 5 °C por minuto".[6]​ El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 1014,5 poise. El punto de atenuación (enfriamiento), que es la temperatura en la que las tensiones internas se reducen a un límite comercialmente aceptable de 15 minutos, está determinado por una viscosidad de 1013 poise.[6]

Propiedades

Sonoras

Gracias a la composición de la resina y la dirección que tienen las fibras cuando se forma el material compuesto, resulta un gran aislante acústico, ya que es un reflector de ondas sonoras.

Térmicas

Las fibras de vidrio son buenos aislantes térmicos debido a su alto índice de área superficial en relación a su peso. Sin embargo, un área superficial incrementada la hace mucho más vulnerable al ataque químico. Los bloques de fibra de vidrio atrapan aire entre ellos, haciendo que la fibra de vidrio sea un buen aislante térmico, con conductividad térmica del orden de 0,05 W/(m·K)[7]

Tensión

Tipo de Fibra Tensión de rotura
(MPa)[8]
Esfuerzo de Compresión
(MPa)
Densidad
(g/cm³)
Dilatación térmica
µm/(m°C)
T de ablandamiento
(°C)
Precio
dólar/kg
Vidrio clase E 3445 1080 2,58 5,4 846 ~2
Vidrio clase S-2 4890 1600 2,46 2,9 1056 ~20

La tensión del vidrio usualmente se comprueba y reporta para fibras "vírgenes" o prístinas (aquellas que se acaban de fabricar). Las fibras recién hechas, más delgadas, son las más fuertes debido a que son más dúctiles. Cuanto más se raye su superficie, menor será la tenacidad resultante.[5]​ Debido a que el vidrio presenta una estructura amorfa, sus propiedades son isotrópicas, es decir, son las mismas a lo largo y ancho de la fibra (a diferencia de la fibra de carbono, cuya estructura molecular hace que sus propiedades sean diferentes a lo largo y y a lo ancho, es decir, son anisotrópicas).[4]​ La humedad es un factor importante para la tensión de rotura; puede ser adsorbida fácilmente y causar rupturas y defectos superficiales microscópicos, disminuyendo la tenacidad.

A diferencia de la fibra de carbono, la de vidrio puede soportar más alargamiento antes de romperse;[4]​ existe una relación de proporcionalidad entre el diámetro de doblez del filamento, al diámetro del filamento en sí.[9]​ La viscosidad del vidrio fundido es muy importante para el éxito durante la fabricación; durante la conformación (tirando del vidrio para reducir el espesor de la fibra) la viscosidad debe ser relativamente baja; de ser muy alta, la fibra se puede romper mientras se tira. Sin embargo, de ser muy baja, el vidrio puede formar gotas en vez de convertirse en filamentos útiles para hacer fibra.

Procesos de fabricación

Fundición

Hay dos tipos principales de fabricación de fibra y dos tipos de resultados. La primera, es fibra hecha a partir de un proceso de fundición directo y la segunda un proceso de refundición de canicas. Ambas comienzan con el material en su forma sólida; los materiales se combinan y se funden en un horno. Luego, para el proceso con canicas, el material fundido se separa mediante tensión cortante y se enrolla en canicas que están enfriadas y empacadas. Las canicas se llevan a las instalaciones donde se elabora la fibra donde se insertan dentro de contenedores para refundirse; el vidrio fundido se extruye en espirales roscados (similares a insertos roscados) para conformar la fibra. En el proceso de fundición directo, el vidrio derretido en el horno va directamente a la formación de los insertos.

Formación

La placa donde se enroscan los insertos es el componente principal en el maquinado de la fibra. Consiste en una placa de metal caliente en la que están situadas las boquillas mediante las cuales se hará fibra a partir de los insertos introducidos en ellas. Casi siempre esta placa está hecha de una aleación de platino y rodio por motivos de durabilidad. El platino se usa debido a que el vidrio fundido tiene una afinidad natural para humectarlo. Las primeras placas que se usaban para este propósito eran 100% de platino y el vidrio las penetraba tan fácilmente que empapaba la placa y se acumulaba como residuo a la salida de las boquillas. También se usa esta aleación platino-rodio debido al costo del platino y su tendencia a desgastarse con facilidad; en el proceso de fundición directa, las placas también cumplen la función de colectar el vidrio fundido. Se usan ligeramente calientes para mantener el vidrio a una temperatura correcta, adecuada para la formación de la fibra. En el proceso de fundición de canicas, la placa actúa más como un distribuidor de calor, en el sentido en que funde la mayoría del material.[1]

Estas placas representan el mayor costo en la producción de fibra de vidrio. El diseño de las boquillas también es importante; el número de boquillas abarca un rango desde 200 a 4000 en múltiples de 200. Una de las dimensiones más importantes a tener en cuenta en la elaboración de filamentos continuos, es el espesor de las paredes de las boquillas en su salida; se descubrió que añadiendo un ensanchamiento de la cavidad antes del orificio, se reducía el empapamiento. Actualmente, las boquillas están diseñadas para tener un espesor de pared lo más delgado posible al final; a medida que el vidrio fluye por la boquilla forma una gota que se suspende verticalmente y, a medida que cae, deja un hilo conectado por el menisco a la boquilla, que será tan largo como lo permita el diseño de la boquilla. Cuanto menor sea el anillo de la boquilla (la parte final de las paredes que rodean el orificio de salida) más rápido permitirá la formación de la gota que cae y más baja es la tendencia a que empape la parte vertical de la boquilla.[1]​ La tensión superficial del vidrio es lo que influye en la formación del menisco; para el vidrio de Clase E debe ser de aproximadamente 400mN por minuto.[5]

La velocidad de atenuación (enfriamiento) es importante en el diseño de la boquilla. Aunque bajar esta velocidad permitiría hacer fibra más dura, no es viable económicamente operar a bajas velocidades y a las que las boquillas no están diseñadas.[1]

Proceso de filamentos continuos

En el proceso de filamento continuo, luego de ser atenuada, a la fibra se le aplica un apresto especial que permite que pueda ser embobinada o enrollada. La adición de este compuesto también puede tener relación con su uso destinado, ya que algunos de ellos son co-reactivos (pre impregnados) con ciertos tipos de resina cuando la fibra va a ser usada para conformar un material compuesto.[6]​ El apresto que se añade usualmente tiene una relación de entre 1 y 2% de peso. El enrollado posterior se realiza a una tasa de 1000 m por minuto.[4]

Proceso de fibra corriente

Para la producción de fibra de vidrio corriente (útil también para hacer «lana de vidrio»), existen diversos métodos de manufactura. El vidrio puede ser soplado o rociarse con calor o vapor luego de salir de la máquina de conformado (fundido); usualmente esta fibra se convierte en cierto tipo de textil, similar a un fieltro. El proceso más común es el proceso rotativo, en el que el vidrio entra en un rotor que, por acción de la fuerza centrífuga, dispara el vidrio en trozos horizontalmente mientras que chorros de aire lo empujan hacia abajo, donde recibe un aglutinante. Luego esta felpa es succionada en una cortina que le da forma, y el aglutinante se cura usando un horno.[10]

Salud

La fibra de vidrio se hizo muy popular desde que se descubrió que los asbestos son causantes de cáncer, y fueron eliminados de muchos productos. Sin embargo, la seguridad de la fibra de vidrio también se puso en duda debido a que investigaciones muestran que la composición de este material (tanto los asbestos como la fibra de vidrio son fibras de silicato) puede causar una toxicidad similar a la de los asbestos.[11][12][13][14]

Estudios realizados con ratas en la década de 1970, mostraban que vidrio en fibra de menos de 3 micras de diámetro y con una longitud superior a las 20 micras constituían un "cancerígeno en potencia". Igualmente en el Centro Internacional de Investigación de Cáncer CIRC se encontró que "podría anticiparse razonablemente como un cancerígeno" en 1990. Por otra parte en la American Conference of Governmental Industrial Hygienist, se estipula que no hay evidencia suficiente y que la fibra de vidrio se encuentra en el listado de la asociación dentro del grupo A4: "No clasificado como un cancerígeno humano".

La North American Insulation Manufacturers Association (NAIMA) asegura que la fibra de vidrio es fundamentalmente diferente a los asbestos, en la medida en que es un material producido por el hombre en vez de ser producto de la naturaleza. Los miembros de esta asociación aseguran que la fibra de vidrio se "disuelve en los pulmones" mientras que los asbestos permanecen de por vida dentro del cuerpo. Aunque la fibra de vidrio y los asbestos están hechos de filamentos de sílice, la NAIMA asegura que los asbestos constituyen un riesgo mayor debido a su estructura cristalina, que causa que el material se exfolie en trozos más pequeños y peligrosos, citando al Departamento de Salud y Servicios Sociales de los Estados Unidos:[15]

Las fibras de vidrio sintético (fibra de vidrio) difieren de los asbestos en dos formas que pueden proveer al menos explicaciones parciales del porqué su baja toxicidad. Debido a que la mayoría de las fibras vítreas sintéticas no son cristalinas como los asbestos, no pueden separarse longitudinalmente para producir fibras más delgadas. También presentan una marcada biopersistencia menor en tejidos vivos que las fibras de asbesto gracias a que pueden disolverse y sufrir rupturas transversales.[16]

En 1998 se realizó un estudio en el que se usaron ratas, con el que se demostró que la biopersistencia de las fibras sintéticas después de un año era de 0.04 a 10%, pero era del 27% para las de asbesto de la variedad grunerita. Estas fibras que permanecieron por más tiempo probaron ser más cancerígenas[17]

Plástico reforzado con fibra de vidrio

El plástico reforzado con fibra de vidrio es un material compuesto o un plástico reforzado por fibra (FRP) hecho de polímero armado con fibras de vidrio delgadas. Al igual que el plástico reforzado con fibra de carbono, sufre de una sinécdoque que simplifica su enunciación como fibra de vidrio, al referirse al material compuesto. Puede usarse la fibra presentada en CSM (chopped strand mat) que es en esencia una tela en rollos hecha de trozos sueltos (diferente a la lana de vidrio que se caracteriza por su apariencia de algodón, mucho más esponjosa), o como una tela tejida (a veces llamada mat).

Como muchos otros materiales compuestos (por ejemplo el hormigón armado) los dos materiales actúan al mismo tiempo, cada uno complementando las propiedades del otro.[18]​ Mientras las resinas poliméricas son fuertes a cargas de compresión física, son relativamente débiles a la tensión; o cargas de tracción; la fibra de vidrio es muy fuerte en tensión pero tiende a no resistir la compresión; así que al combinar ambos materiales, el FRP Fiber Reinforced Plastic se convierte en un material que resiste tanto compresión como tensión en rangos aceptables.[3][19]

Usos

El uso normal de la fibra de vidrio incluye aislamiento acústico, aislamiento térmico y aislamiento eléctrico en recubrimientos, como refuerzo a diversos materiales, palos de tiendas de campaña, absorción de sonido, telas resistentes al calor y la corrosión, telas de alta resistencia, pértigas para salto con pértiga, arcos y ballestas, tragaluces translúcidos, partes de carrocería de automóviles, palos de hockey, tablas de surf, cascos de embarcaciones, y rellenos estructurales ligeros de panal (técnica de armado con honeycomb). Se ha usado para propósitos médicos en férulas. La fibra de vidrio es ampliamente usada para la fabricación de tanques y silos de material compuesto.[3][19]

Importancia del reciclaje del vidrio para fabricar fibra

Los fabricantes de fibra de vidrio para aislamiento pueden usar vidrio reciclado. La fibra que produce Owens Corning es en un 40% procedente de vidrio reciclado. En 2009 esta compañía comenzó un programa de reciclaje de vidrio para enviar residuos de vidrio reciclado desde Kansas City a la planta de Owens Corning para ser usado como materia prima para fabricar fibra de vidrio clase A.[20][21]

Véase también

Referencias

  1. Loewenstein, K.L. (1973). The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers (en inglés). Elsevier Scientific. pp. 2-94. ISBN 0-444-41109-7. 
  2. Dean, Richard; Dr. Sanjay Mazumdar (Agosto de 2007). «A Market Assessment and Impact Analysis of the Owens Corning Acquisition of Saint-Gobain's Reinforcement and Composites Business» (en inglés). p. 9. Consultado el 21 de octubre de 2012. 
  3. Fitzer, Erich. «Fibers, 5. Synthetic Inorganic». Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Weinheim, Alemania: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA). 
  4. Gupta, V.B.; Kothari, V.K. (1997). Manufactured Fibre Technology (en inglés). Chapman and Hall. pp. 544-546. ISBN 0-412-54030-4. 
  5. Volf, Milos B. (1990). Technical Approach to Glass (en inglés). Elsevier. ISBN 0-444-98805-X. 
  6. Lubin, George (Ed.) (1975). Robert E. Krieger, ed. Handbook of Fiberglass and Advanced Plastic Composites. Huntingdon NY. 
  7. Incropera, Frank P.; De Witt, David P. (1990). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (en inglés). John Wiley & Sons. p. A11. ISBN 0-471-51729-1. 
  8. Wallenberg, Frederick T.; Bingham, Paul A. (Octubre de 2009). Fiberglass and Glass Technology: Energy-Friendly Compositions and Applications (en inglés). Springer. p. 211-. ISBN 978-1-4419-0735-6. Consultado el 21 de octubre de 2012. 
  9. Hillermeier KH, Melliand Textilberichte 1/1969, Dortmund-Mengede, pp. 26–28, "Glass fiber—its properties related to the filament fiber diameter".
  10. Mohr, J.G.; Rowe, W.P. (1978). Fiberglass. Van Nostrand Reindhold. p. 13. ISBN 0-442-25447-4. 
  11. «Fiber Glass: A Carcinogen That's Everywhere». Environmental Research Foundation. 31 de mayo de 1995. Consultado el 21 de octubre de 2012. 
  12. Fuller, John. «Fiberglass and Asbestos». Is insulation dangerous?. Consultado el 21 de octubre de 2012. 
  13. «Environmental Health & Safety, Fiberglass». Yeshiva University. Consultado el 21 de octubre de 2012. 
  14. Infante, P.F.; Schuman, L.D.; Huff, J. (1996). «Fibrous glass insulation and cancer: response and rebuttal». American journal of industrial medicine. 1 30: 113-120. 16374937. 
  15. NAIMA. . Fiberglass Insulation No Longer on Cancer Concern List (RP057) (en inglés). Archivado desde el original el 9 de octubre de 2015. Consultado el 21 de octubre de 2012. 
  16. U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Services, Agency for Toxic Substances and Disease Registry (Septiembre de 2004). «Toxicological Profile for Synthetic Vitreous Fibers». p. 17. 
  17. Hesterberga, T. W.; Chaseb, G.; Axtenc, C.; Millera, W. C.; Musselmad, R. P.; Kamstrupe, O.; Hadleyf, J.; Morscheidtg, C.; Bernsteinh, D.M.; Thevenaz, P. (2 de agosto de 1998). «Biopersistence of Synthetic Vitreous Fibers and Amosite Asbestos in the Rat Lung Following Inhalation» [Biopersistencia de Fibras Vítreas Sintéticas y de Grunerita en los Pulmones de Ratas Luego de su Inhalación]. Toxicology and Applied Pharmacology. 2 (en inglés) 151. Consultado el 22 de octubre de 2012. 
  18. Erhard, Gunter. Designing with Plastics. Trans. Martin Thompson. Munich: Hanser Publishers, 2006.
  19. Ilschner, B. «Composite materials». Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Weinheim, Alemania: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA). 
  20. , Kansas City Star, October 14, 2009
  21. North American Insulation Manufacturers Association FAQ page, retrieved October 15, 2009 el 13 de junio de 2010 en Wayback Machine.

Enlaces externos

  •   Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre fibra de vidrio.
  • Salud y Seguridad Ambiental de la Fibra de Vidrio, sección del Albert Einstein College of Medicine (en inglés)
  • International Geosynthetics Society, información de geotextiles y geosintéticos en general (en inglés)
  • comparación de resistencia y deformabilidad de fibras de diferentes materiales
  •   Datos: Q5861
  •   Multimedia: Glass fibers

fibra, vidrio, este, artículo, trata, sobre, material, construcción, para, otro, tipo, fibras, véase, fibra, desambiguación, fibra, vidrio, material, consta, numerosos, filamentos, cerámicos, basados, dióxido, silicio, sio2, extremadamente, finos, manojo, fibr. Este articulo trata sobre el material de construccion Para otro tipo de fibras vease Fibra desambiguacion La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos ceramicos basados en dioxido de silicio SiO2 extremadamente finos Manojo de fibra de vidrio A lo largo de la historia los vidrieros han ensayado con la fibra de vidrio pero la manufactura masiva de este material solo fue posible con la invencion de maquinas y herramienta mas refinadas En 1893 Edward Drummond Libbey exhibio un vestido en la Exposicion Mundial Colombina de Chicago que tenia fibra de vidrio con filamentos del diametro y la textura de una fibra de seda Fue usado por primera vez por Georgia Cayvan una actriz de teatro muy conocida en aquella epoca Las fibras de vidrio tambien se pueden formar naturalmente y se las conoce como cabellos de Pele Sin embargo la lana de vidrio a la que hoy se llama comunmente fibra de vidrio no fue inventada sino hasta 1938 por Russell Games Slayter en la empresa Owens Corning como un material que podria ser usado como aislante en la construccion de edificios Fue comercializado bajo el nombre comercial Fiberglass que se convirtio desde entonces en una marca vulgarizada en paises de habla inglesa La fibra de vidrio se conoce comunmente como un material aislante Tambien se usa como un agente de refuerzo con muchos productos polimericos normalmente se usa para conformar plastico reforzado con vidrio que por metonimia tambien se denomina fibra de vidrio una forma de material compuesto consistente en polimero reforzado con fibra Por lo mismo en esencia exhibe comportamientos similares a otros compuestos hechos de fibra y polimero como la fibra de carbono Aunque no sea tan fuerte o rigida como la fibra de carbono es mucho mas economica y menos quebradiza Indice 1 Formacion de la fibra 2 Quimica de la fibra de vidrio 3 Propiedades 3 1 Sonoras 3 2 Termicas 3 3 Tension 4 Procesos de fabricacion 4 1 Fundicion 4 2 Formacion 4 3 Proceso de filamentos continuos 4 4 Proceso de fibra corriente 5 Salud 6 Plastico reforzado con fibra de vidrio 7 Usos 8 Importancia del reciclaje del vidrio para fabricar fibra 9 Vease tambien 10 Referencias 11 Enlaces externosFormacion de la fibra EditarLa fibra de vidrio se conforma de hebras delgadas hechas a base de silice o de formulaciones especiales de vidrio extruidas a modo de filamentos de diametro diminuto y aptas para procesos de tejeduria La tecnica de calentar y elaborar fibras finas a partir de vidrio se conoce desde hace milenios sin embargo el uso de estas fibras para aplicaciones textiles es mucho mas reciente solo hasta ahora es posible fabricar hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y estandarizadas La primera produccion comercial de fibra de vidrio ocurrio en 1936 en 1938 Owens Illinois Glass Company y Corning Glass Works se unieron para formar la Owens Corning Fiberglas Corporation Cuando ambas companias se unieron para producir y promover la fibra de vidrio introdujeron al mercado filamentos continuos de fibra de vidrio 1 Owens Corning continua siendo el mayor productor de fibra de vidrio en el mercado actual 2 Los tipos de fibra de vidrio usados mas comunmente son las de vidrio clase E E glass vidrio de alumino borosilicato con menos de 1 peso de oxidos alcalinos principalmente usada para Plastico reforzado con vidrio pero tambien se usan las clases A A glass vidrio alcali cal con pocos o ningun oxido de boro clase E CR E CR glass de silicato alcali cal con menos de 1 peso peso de oxidos alcalinos con alta resistencia a los acidos clase C C glass vidrio alcali cal con alto contenido de oxido de boro usadas por ejemplo en fibras de vidrio con filamentos cortos clase D D glass vidrio de borosilicato con una constante dielectrica alta clase R R glass vidrio de aluminosilicatos sin MgO ni CaO con altas prestaciones mecanicas y la clase S S glass vidrio de aluminosilicatos sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la traccion 3 Quimica de la fibra de vidrio Editar Estructura molecular teorica del vidrio La fibra de vidrio util para tejido tiene como base el compuesto silice SiO2 En su forma pura el dioxido de silicio se comporta como polimero SiO2 n Es decir no tiene un punto de fusion verdadero pero se suaviza a 1200 C punto en el que comienza a descomponerse y a 1713 C la mayoria de las moleculas presentan libertad de movimiento Si el vidrio ha sido extruido y enfriado de forma rapida desde esta temperatura es imposible obtener una estructura ordenada 4 En su estado de polimero se forman grupos de SiO4 que estan configurados con estructura tetrahedrica con el atomo de silicio en el centro y cuatro atomos de oxigeno en las puntas Estos atomos luego forman una red de enlaces en las esquinas que comparten los atomos de oxigeno Los estados vitreos y cristalinos de la silice vidrio y cuarzo tienen niveles energeticos similares en sus bases moleculares lo que implica que en su forma vidriosa es extremadamente estable en orden de reducir la cristalizacion debe ser calentado a temperaturas superiores a los 1200 C por periodos prolongados de tiempo 1 Aunque la silice pura es perfectamente viable para hacer vidrio y fibra de vidrio debe ser procesada a temperaturas muy altas lo cual es un inconveniente a menos que sus propiedades quimicas especificas sean necesarias Pareceria inusual introducir impurezas al vidrio sin embargo anadir algunos materiales contribuye a bajar su temperatura de trabajo estos materiales tambien anaden otras propiedades al vidrio que pueden ser beneficas en aplicaciones diferentes El primer tipo de vidrio usado para hacer fibra fue el vidrio de cal sodada o el vidrio Clase A que no es muy resistente a compuestos alcalinos para corregir esto un nuevo tipo conocido como Clase E se desarrollo como un vidrio de alumino borosilicato que es libre de elementos alcalinos lt 2 5 esta fue la primera formulacion de vidrio usada para la formacion de filamentos El vidrio de clase E constituye aun la principal forma de produccion de fibra de vidrio y sus compuestos particulares pueden tener ligeras variaciones que deben permanecer bajo cierto rango La letra E es usada debido a que se desarrollo principalmente para aplicaciones electricas El vidrio Clase S es una formulacion cuya caracteristica principal es la alta resistencia a la traccion y por lo mismo recibe su letra de tensile strength El vidrio clase C fue desarrollado para resistir el ataque quimico principalmente de acidos que destruirian un vidrio clase E su letra proviene entonces de chemical resistance 5 El vidrio de Clase T es una variante comercial de North American Fiberglass del vidrio de Clase C El vidrio Clase A es una referencia industrial para denominar al vidrio reciclado muchas veces de botellas que se usa para hacer lana de vidrio La clase AR es un vidrio resistente a compuestos alcalinos AR de alkali resistant La mayoria de las fibras de vidrio tienen una solubilidad limitada en agua pero esto cambia en relacion al pH Los iones de cloruro tambien pueden atacar y disolver superficies de vidrio Clase E El vidrio de clase E no puede derretirse realmente pero en cambio se suaviza definiendose su punto de ablandamiento como la temperatura a la que una fibra con un diametro entre 0 55 y 0 77 mm de 235 mm de longitud se alarga con su propia carga a una ratio de 1 mm min cuando esta suspendida verticalmente y se ha calentado a una tasa de 5 C por minuto 6 El punto de deformacion se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 1014 5 poise El punto de atenuacion enfriamiento que es la temperatura en la que las tensiones internas se reducen a un limite comercialmente aceptable de 15 minutos esta determinado por una viscosidad de 1013 poise 6 Propiedades EditarSonoras Editar Gracias a la composicion de la resina y la direccion que tienen las fibras cuando se forma el material compuesto resulta un gran aislante acustico ya que es un reflector de ondas sonoras Termicas Editar Las fibras de vidrio son buenos aislantes termicos debido a su alto indice de area superficial en relacion a su peso Sin embargo un area superficial incrementada la hace mucho mas vulnerable al ataque quimico Los bloques de fibra de vidrio atrapan aire entre ellos haciendo que la fibra de vidrio sea un buen aislante termico con conductividad termica del orden de 0 05 W m K 7 Tension Editar Tipo de Fibra Tension de rotura MPa 8 Esfuerzo de Compresion MPa Densidad g cm Dilatacion termicaµm m C T de ablandamiento C Preciodolar kgVidrio clase E 3445 1080 2 58 5 4 846 2Vidrio clase S 2 4890 1600 2 46 2 9 1056 20La tension del vidrio usualmente se comprueba y reporta para fibras virgenes o pristinas aquellas que se acaban de fabricar Las fibras recien hechas mas delgadas son las mas fuertes debido a que son mas ductiles Cuanto mas se raye su superficie menor sera la tenacidad resultante 5 Debido a que el vidrio presenta una estructura amorfa sus propiedades son isotropicas es decir son las mismas a lo largo y ancho de la fibra a diferencia de la fibra de carbono cuya estructura molecular hace que sus propiedades sean diferentes a lo largo y y a lo ancho es decir son anisotropicas 4 La humedad es un factor importante para la tension de rotura puede ser adsorbida facilmente y causar rupturas y defectos superficiales microscopicos disminuyendo la tenacidad A diferencia de la fibra de carbono la de vidrio puede soportar mas alargamiento antes de romperse 4 existe una relacion de proporcionalidad entre el diametro de doblez del filamento al diametro del filamento en si 9 La viscosidad del vidrio fundido es muy importante para el exito durante la fabricacion durante la conformacion tirando del vidrio para reducir el espesor de la fibra la viscosidad debe ser relativamente baja de ser muy alta la fibra se puede romper mientras se tira Sin embargo de ser muy baja el vidrio puede formar gotas en vez de convertirse en filamentos utiles para hacer fibra Procesos de fabricacion EditarFundicion Editar Hay dos tipos principales de fabricacion de fibra y dos tipos de resultados La primera es fibra hecha a partir de un proceso de fundicion directo y la segunda un proceso de refundicion de canicas Ambas comienzan con el material en su forma solida los materiales se combinan y se funden en un horno Luego para el proceso con canicas el material fundido se separa mediante tension cortante y se enrolla en canicas que estan enfriadas y empacadas Las canicas se llevan a las instalaciones donde se elabora la fibra donde se insertan dentro de contenedores para refundirse el vidrio fundido se extruye en espirales roscados similares a insertos roscados para conformar la fibra En el proceso de fundicion directo el vidrio derretido en el horno va directamente a la formacion de los insertos Formacion Editar La placa donde se enroscan los insertos es el componente principal en el maquinado de la fibra Consiste en una placa de metal caliente en la que estan situadas las boquillas mediante las cuales se hara fibra a partir de los insertos introducidos en ellas Casi siempre esta placa esta hecha de una aleacion de platino y rodio por motivos de durabilidad El platino se usa debido a que el vidrio fundido tiene una afinidad natural para humectarlo Las primeras placas que se usaban para este proposito eran 100 de platino y el vidrio las penetraba tan facilmente que empapaba la placa y se acumulaba como residuo a la salida de las boquillas Tambien se usa esta aleacion platino rodio debido al costo del platino y su tendencia a desgastarse con facilidad en el proceso de fundicion directa las placas tambien cumplen la funcion de colectar el vidrio fundido Se usan ligeramente calientes para mantener el vidrio a una temperatura correcta adecuada para la formacion de la fibra En el proceso de fundicion de canicas la placa actua mas como un distribuidor de calor en el sentido en que funde la mayoria del material 1 Estas placas representan el mayor costo en la produccion de fibra de vidrio El diseno de las boquillas tambien es importante el numero de boquillas abarca un rango desde 200 a 4000 en multiples de 200 Una de las dimensiones mas importantes a tener en cuenta en la elaboracion de filamentos continuos es el espesor de las paredes de las boquillas en su salida se descubrio que anadiendo un ensanchamiento de la cavidad antes del orificio se reducia el empapamiento Actualmente las boquillas estan disenadas para tener un espesor de pared lo mas delgado posible al final a medida que el vidrio fluye por la boquilla forma una gota que se suspende verticalmente y a medida que cae deja un hilo conectado por el menisco a la boquilla que sera tan largo como lo permita el diseno de la boquilla Cuanto menor sea el anillo de la boquilla la parte final de las paredes que rodean el orificio de salida mas rapido permitira la formacion de la gota que cae y mas baja es la tendencia a que empape la parte vertical de la boquilla 1 La tension superficial del vidrio es lo que influye en la formacion del menisco para el vidrio de Clase E debe ser de aproximadamente 400mN por minuto 5 La velocidad de atenuacion enfriamiento es importante en el diseno de la boquilla Aunque bajar esta velocidad permitiria hacer fibra mas dura no es viable economicamente operar a bajas velocidades y a las que las boquillas no estan disenadas 1 Proceso de filamentos continuos Editar En el proceso de filamento continuo luego de ser atenuada a la fibra se le aplica un apresto especial que permite que pueda ser embobinada o enrollada La adicion de este compuesto tambien puede tener relacion con su uso destinado ya que algunos de ellos son co reactivos pre impregnados con ciertos tipos de resina cuando la fibra va a ser usada para conformar un material compuesto 6 El apresto que se anade usualmente tiene una relacion de entre 1 y 2 de peso El enrollado posterior se realiza a una tasa de 1000 m por minuto 4 Proceso de fibra corriente Editar Para la produccion de fibra de vidrio corriente util tambien para hacer lana de vidrio existen diversos metodos de manufactura El vidrio puede ser soplado o rociarse con calor o vapor luego de salir de la maquina de conformado fundido usualmente esta fibra se convierte en cierto tipo de textil similar a un fieltro El proceso mas comun es el proceso rotativo en el que el vidrio entra en un rotor que por accion de la fuerza centrifuga dispara el vidrio en trozos horizontalmente mientras que chorros de aire lo empujan hacia abajo donde recibe un aglutinante Luego esta felpa es succionada en una cortina que le da forma y el aglutinante se cura usando un horno 10 Salud EditarLa fibra de vidrio se hizo muy popular desde que se descubrio que los asbestos son causantes de cancer y fueron eliminados de muchos productos Sin embargo la seguridad de la fibra de vidrio tambien se puso en duda debido a que investigaciones muestran que la composicion de este material tanto los asbestos como la fibra de vidrio son fibras de silicato puede causar una toxicidad similar a la de los asbestos 11 12 13 14 Estudios realizados con ratas en la decada de 1970 mostraban que vidrio en fibra de menos de 3 micras de diametro y con una longitud superior a las 20 micras constituian un cancerigeno en potencia Igualmente en el Centro Internacional de Investigacion de Cancer CIRC se encontro que podria anticiparse razonablemente como un cancerigeno en 1990 Por otra parte en la American Conference of Governmental Industrial Hygienist se estipula que no hay evidencia suficiente y que la fibra de vidrio se encuentra en el listado de la asociacion dentro del grupo A4 No clasificado como un cancerigeno humano La North American Insulation Manufacturers Association NAIMA asegura que la fibra de vidrio es fundamentalmente diferente a los asbestos en la medida en que es un material producido por el hombre en vez de ser producto de la naturaleza Los miembros de esta asociacion aseguran que la fibra de vidrio se disuelve en los pulmones mientras que los asbestos permanecen de por vida dentro del cuerpo Aunque la fibra de vidrio y los asbestos estan hechos de filamentos de silice la NAIMA asegura que los asbestos constituyen un riesgo mayor debido a su estructura cristalina que causa que el material se exfolie en trozos mas pequenos y peligrosos citando al Departamento de Salud y Servicios Sociales de los Estados Unidos 15 Las fibras de vidrio sintetico fibra de vidrio difieren de los asbestos en dos formas que pueden proveer al menos explicaciones parciales del porque su baja toxicidad Debido a que la mayoria de las fibras vitreas sinteticas no son cristalinas como los asbestos no pueden separarse longitudinalmente para producir fibras mas delgadas Tambien presentan una marcada biopersistencia menor en tejidos vivos que las fibras de asbesto gracias a que pueden disolverse y sufrir rupturas transversales 16 En 1998 se realizo un estudio en el que se usaron ratas con el que se demostro que la biopersistencia de las fibras sinteticas despues de un ano era de 0 04 a 10 pero era del 27 para las de asbesto de la variedad grunerita Estas fibras que permanecieron por mas tiempo probaron ser mas cancerigenas 17 Plastico reforzado con fibra de vidrio EditarArticulo principal Plastico reforzado con vidrio El plastico reforzado con fibra de vidrio es un material compuesto o un plastico reforzado por fibra FRP hecho de polimero armado con fibras de vidrio delgadas Al igual que el plastico reforzado con fibra de carbono sufre de una sinecdoque que simplifica su enunciacion como fibra de vidrio al referirse al material compuesto Puede usarse la fibra presentada en CSM chopped strand mat que es en esencia una tela en rollos hecha de trozos sueltos diferente a la lana de vidrio que se caracteriza por su apariencia de algodon mucho mas esponjosa o como una tela tejida a veces llamada mat Como muchos otros materiales compuestos por ejemplo el hormigon armado los dos materiales actuan al mismo tiempo cada uno complementando las propiedades del otro 18 Mientras las resinas polimericas son fuertes a cargas de compresion fisica son relativamente debiles a la tension o cargas de traccion la fibra de vidrio es muy fuerte en tension pero tiende a no resistir la compresion asi que al combinar ambos materiales el FRP Fiber Reinforced Plastic se convierte en un material que resiste tanto compresion como tension en rangos aceptables 3 19 Usos EditarEl uso normal de la fibra de vidrio incluye aislamiento acustico aislamiento termico y aislamiento electrico en recubrimientos como refuerzo a diversos materiales palos de tiendas de campana absorcion de sonido telas resistentes al calor y la corrosion telas de alta resistencia pertigas para salto con pertiga arcos y ballestas tragaluces translucidos partes de carroceria de automoviles palos de hockey tablas de surf cascos de embarcaciones y rellenos estructurales ligeros de panal tecnica de armado con honeycomb Se ha usado para propositos medicos en ferulas La fibra de vidrio es ampliamente usada para la fabricacion de tanques y silos de material compuesto 3 19 Importancia del reciclaje del vidrio para fabricar fibra EditarLos fabricantes de fibra de vidrio para aislamiento pueden usar vidrio reciclado La fibra que produce Owens Corning es en un 40 procedente de vidrio reciclado En 2009 esta compania comenzo un programa de reciclaje de vidrio para enviar residuos de vidrio reciclado desde Kansas City a la planta de Owens Corning para ser usado como materia prima para fabricar fibra de vidrio clase A 20 21 Vease tambien EditarFibra de basalto Fibra de carbono BS4994 Material compuesto Gelcoat Concreto armado con fibra de vidrio GFRC o GRC Microesfera de vidrio Plastico reforzado con vidrio Lana de vidrio Fibra optica Cabellos de Pele fibra de vidrio que se forma naturalmente Rejilla de fibra de vidrioReferencias Editar a b c d e Loewenstein K L 1973 The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers en ingles Elsevier 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