Fibras de vidrio
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Fibras de vidrio
El material comúnmente conocido como fibra de vidrio es un composite formado por fibras continuas y discontinuas, contenidas en una matriz plástica. Son materiales con una buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional y buena resistencia al calor, frío, humedad y corrosión. Además son baratas y fáciles de fabricar. Se utilizan básicamente dos tipos de vidrio: el vidrio E (eléctrico) y el vidrio S (de alta resistencia). El vidrio E, borosilicatos de aluminio y calcio (52-56% SiO2, 12-16% Al2O3, 16-25% Cao y 8-13% B2O3), es el más común y barato y generalmente se utiliza como fibra continua. El vidrio S (65% SiO2, 25% Al2O3 y 10% MgO) es más resistente y caro, por lo que se utiliza en aplicaciones más específicas como en la industria espacial. Estos materiales tienen buena resistencia, pero no son rígidos y por tanto no pueden aplicarse en elementos estructurales. En general no pueden operar a temperaturas superiores a los 200ºC porque el polímero se reblandece, aunque con matrices de poliamida pueden alcanzarse los 300ºC. Sus principales aplicaciones se hallan en la industria del automóvil (carrocerías de bajo peso), tuberías, depósitos de almacenaje y suelos industriales. El vidrio se puede clasificar en diferentes tipos. El vidrio eléctrico o electrónico e-glass" es un tipo de vidrio utilizado para producir fibras de vidrio para materiales compuestos. Este tipo de vidrio se usa más comúnmente para fibras continuas. Por lo general, es un vidrio de borosilicato de aluminio y cal con oxígeno o niveles bajos de sodio y potasio. Strenght o "s-glass" es un nombre para otros tipos de fibras de vidrio, como d-glass, a-vidrio, vidrio ECR, fibras de sílice ultrapuras, fibras huecas y fibras trilobulares. Hay muchos usos para el s-glass. Este tipo particular de vidrio se usa principalmente con aplicaciones aeroespaciales y militares debido a su resistencia. El "vidrio E" es el tipo usados en los tecnopolimeros , tiene una resistencia a la tracción de 3,44 GPa y un módulo elástico de 72,3 GPa. El "vidrio S" tiene una mayor relación resistencia / peso mecánico, y es más costoso que el "vidrio E". Tiene una resistencia a la tracción de 4.5 GPa y un módulo elástico de 85.4 GPa. El "vidrio E" donde "E" significa "eléctrico" ya que la composición se selecciona para dar buenas propiedades de propiedades eléctricas del compuesto termoplástico.
Hay muchos tipos diferentes de fibras de vidrio. Se pueden dividir en dos categorías:
- las fibras de bajo costo de uso general
- fibra premium de uso especial
Letter designations and descriptions for some of the types of fibers are
- Electrical E Low electrical conductivity
- Strength S High strength
- Chemical C High chemical durability
- Modulus M High stiffness
- Alkali A High alkali/soda lime glass
- Dielectric D Low dielectric constant
Fibra de vidrio E: es la más utilizada, ya que representa el 90% del refuerzo utilizado en los composites, También es la que más se utiliza en la industria textil.
Tiene muy buenas propiedades eléctricas. Es durable y de baje coste, Poca absorción de humedad,
Fibra de vidrio A: tiene un alto porcentaje de sílice, Sus propiedades mecánicas son inferiores y tiene un módulo más bajo que el vidrio E, Se utiliza como reforzante y tiene una gran resistencia química, Es resistente a medios alcalinos,
Fibra de vidrio B: es borosilicato de calcio de bajo contenido en álcalis, De gran durabilidad, posee excelentes propiedades eléctricas.
Fibra de vidrio S: tiene muy buenas resistencias mecánicas y, en especial, una alta resistencia a la tracción. Muy estable térmicamente se utiliza,
fundamentalmente, en aeronáutica.
Fibra de vidrio C: de altas resistencias químicas. Es un vidrio intermedio entre el A y el E. Se utiliza en las capas superficiales de elementos expuestos a la
corrosión o de estructuras anticorrosión.
Fibra de vidrio R: tiene unas altas resistencias mecánicas, siendo su resistencia a la tracción y su módulo de elasticidad muy superiores a los de los otros vidrios. Se emplea, sobre todo, en los campos de la aeronáutica, aviación, armamento y, en general, cuando se exigen materiales muy resistentes a la fatiga, la temperatura y la humedad.
Fibra de vidrio D: tiene unas altas propiedades dieléctricas por lo que su empleo es recomendado en la construcción de materiales electrónicos, de comunicación y como material permeable a las ondas electromagnéticas. Se utiliza en la fabricación de radares y ventanas electromagnéticas.
Fibra de vidrio AR: es la que se utiliza para armar los morteros de cemento (GRC) por ser resistente a los álcalis del cemento.
Casi todas las resinas termoplásticas y los termofijas pueden ser reforzadas, algunas con mas de un tipo de cargas reforzante. Los plásticos reforzado estan constituido por una matriz polimérica combinada con un a carga reforzante. Las cargas reforzantes mejoran las propiedades mecánicas como resistencia termica y rigidez. Las fibras de carbono y de vidrio son los reforzantes más utilizadas, aunque también se utilizan caolino ,wollastonita, talco o carbonato de calcio y las esferas de vidrio en algunos caso es necerario el utilizo de un compatibillizante. Las fibras pueden tener diferente tamafio (cortas o continuas), disposición (unidireccional, bidireccional y multidireccional). La utilización de estos compuestos ofrecen claras ventajas sobre los materiales convencionales como componentes resistentes o estructurales en un gran numero de aplicaciones en los sectores. Las fibras de vidrio son el refuerzo más utilizado debido a su buenas características mecánicas y bajo costo. El plástico reforzado con fibras de vidrio (GFRP, por sus siglas en inglés: Glass Fiber Reinforced-Plastic) puede contener hasta el 65% en volumen de fibra de vidrio. Las propiedades mecánicas y fisicas de los plásticos reforzados con fibra de vidrio dependen del tipo, forma y orientación de la fibra, así como de su longitud y de la fracción volumétrica (porcentaje).
Fibras de vidrios
Son las más utilizadas como refuerzo en los composites aplicados a la construcción, debido, fundamentalmente, a la excelente relación existente entre características y precio. Las fibras de vidrio están elaboradas con las mismas materias primas que el vidrio: sílice, cal, alúmina y magnesita, a las cuales se les añaden ciertos óxidos en porcentajes muy estrictos, según los tipos de fibras que se quieran obtener. Todos estos componentes se mezclan y trituran hasta conseguir una mezcla homogénea que se introduce en un horno de fusión a la temperatura de 1550ºC, en el cual la mezcla pasa progresivamente a un estado líquido. El vidrio en estado líquido pasa por las hileras, por centenares de orificios de entre l y 2 mm de diámetro, a la salida de los cuales son estirados mecánicamente hasta conseguir unos filamentos de 5 a 24 micras, dependiendo de las aplicaciones. Posteriormente se revisten estos filamentos con una dispersión acuosa de compuestos, generalmente orgánicos, operación denominada "ensimaje" que garantiza la unión entre filamentos y la protección del hilo. Los filamentos, una vez revestidos, se reúnen para formar el hilo al que finalmente se le da un acabado textil o plástico.
Fibras cortas
La forma de las partículas (ratio) influencia la rigidez: las partículas más largas tienen un mayor efecto. Una consecuencia lógica es el uso de fibras. La mayoría de los termoplásticos, en particular cuando están destinados a su uso como materiales de construcción, están disponibles comercialmente en formulaciones con fibras de vidrio cortas. Estas formulaciones se fabrican como puntas, hechas en la extrusora habitual y un granulador, después de un proceso de mezcla en el que las fibras se mezclan con el polímero fundido. Además de las fibras de vidrio, también se están aplicando fibras de carbono. Las fibras tienen unos pocos mm de largo y, p. 10 µm de espesor. Durante la mezcla y el procesamiento posterior, las fibras pueden romperse, por lo que su longitud final puede diferir de un caso a otro. Para comprender mejor el efecto de las fibras cortas en las propiedades del material compuesto, podemos comenzar considerando una sola fibra, incrustada en el polímero en la dirección del esfuerzo de tensión. La fibra tiene mucha mayor rigidez que el polímero, pero solo podrá contribuir a la rigidez y resistencia del compuesto si lleva parte de la carga. En sus extremos este no es el caso; La interfaz cilíndrica está sometida a una carga de corte, que, con una buena adhesión, disminuye gradualmente desde el extremo de la fibra, mientras que la carga de tracción en la fibra aumenta. La parte efectiva de la fibra es, por lo tanto, su longitud total disminuida por la longitud de las partes por su naturaleza de las fibras (fibras de vidrio baratas o costosas fibras de carbono) es de menor importancia. Las fibras cortas son menos efectivas que las largas y sus propiedades se ven fuertemente influenciadas con el tiempo y la temperatura. Las fibras largas transmiten mejor la carga a través de la matriz, por lo que usualmente se utilizan en aplicaciones críticas, especialmente a temperaturas elevadas. El refuerzo de fibra también afecta otras propiedades de los compuestos, las propiedades fisicas, la resistencia a la fatiga y al desgaste, dependen del tipo y cantidad de refuerzo. Después del proceso de hilatura, se aplica una capa delgada aplicada a la superficie de las fibras que está constituida por productos químicos específicos capaces de producir una unión eficiente entre el vidrio y el polímero. Al contrario de los materiales compuestos llenos de partículas, las fibras inducen un aumento de la resistencia, se puede concluir que la resistencia a la tracción aumenta en un factor entre 1.5 y 3.5 a 20% en volumen de fibras de vidrio. Aparentemente, las fibras desempeñan un papel de carga tan importante, que el polímero en sí está considerablemente menos estresado. La tensión en la rotura, sin embargo, disminuye fuertemente. El efecto de las fibras cortas sobre la resistencia al impacto varía; a veces es positivo y a veces negativo. En términos generales, los polímeros con una baja resistencia al impacto, y también polímeros más duros a bajas temperaturas, se mejoran a este respecto. También ocurre lo contrario: los polímeros resistentes sufren una pérdida de resistencia al impacto cuando se rellenan con fibras de vidrio. Las fibras parecen nivelar las diferencias en la resistencia al impacto de los diversos polímeros. Parecía que su efecto sobre los polímeros amorfos es menor, mientras que para los polímeros semicristalinos los puntos de reblandecimiento aumentan drásticamente. Las observaciones de boto están directamente relacionadas con la pendiente de la curva log E - T. Además de mejorar las propiedades mecánicas, las fibras cortas también se pueden aplicar para otros fines, como la conductividad eléctrica. Las fibras metálicas, si se dispersan de tal manera que se tocan entre sí, son adecuadas a este respecto. Aunque la conductividad no es lo suficientemente alta como para permitir el transporte de energía, es adecuada para el blindaje electromagnético.
Fibras largas
Para hacer compuestos de un polímero con fibras largas y/o continuas, se utilizan técnicas bastante diferentes que para las fibras cortas. Ahora ya no es el polímero el que, lleno de fibras de refuerzo, se somete a un proceso de formación para producir un artículo terminado. Ahora se forma la masa de fibra y, luego, se llena con el polímero. Las posiciones están invertidas, no solo en la fabricación del material compuesto, sino también en sus propiedades, ya que ahora su comportamiento depende en gran medida de las fibras y no del polímero. Una primera consecuencia es que las matrices para fibras largas termoestables son principalmente adecuadas. Los haces o paños de fibra se pueden impregnar mucho más fácilmente con una resina de baja viscosidad y bajo peso molecular que con los termoplásticos fundidos altamente viscosos. La mayoría de los compuestos de fibra larga se basan, por lo tanto, termoplasticos principalmente poliamidas y polipropilene. Sin embargo, durante los últimos años, las matrices termoplásticas se están utilizando a una escala creciente. Las fibras de vidrio se utilizan con mayor frecuencia para aplicaciones exigentes, también fibras modernas como el carbono y la aramida, a veces en combinación entre sí. Las fibras se pueden disponer en rovings o en telas, acumuladas a partir de rovings o de hilos retorcidos. Con rovings es posible lograr la orientación unidireccional; con tela el efecto del refuerzo es en dos direcciones. Sin embargo, de hecho, resultó en un refuerzo tridimensional, aunque, de hecho, en un grado menor que con las estructuras anisotrópicas. Para refuerzo de fibra de vidrio en resina de poliéster, algunos valores promedio de tracción se trazan el módulo y la resistencia, todo para 40% en peso (25% en volumen) de fibra de vidrio. Además, se indican las propiedades de la resina pura y de la fibra de vidrio.
Fibras estándar : longitud 3-5 mm
El encuentro de las fibras de vidrio se encuentra con una descomposición mecánica durante la fase de combinación de compuestos, lo que resulta en una longitud de fibra de 1,5 mm en los gránulos compuestos. La longitud en el componente moldeado es de aproximadamente 0,25-0,40 mm dependiendo del perfil del tornillo y de su procesamiento.
Fibras cortas (milled): Longitud de aproximadamente 0,5 mm
Las fibras cortas son menos eficientes en términos de refuerzo mecánico , pero ofrecen una solución eficiente para reducir la deformación.
La longitud de las fibras largas es equivalente al tamaño de los gránulos (5-25 mm)
Las fibras largas otorgan propiedades mecánicas sobresalientes en propiedades a lo largo de la dirección del flujo, los compuestos con fibras largas requieren condiciones específicas de diseño y procesamiento específicas para ser eficientes.
Tamaño de la partícula
En general entre más fino el tamaño de la partícula, más altos los valores de resistencia a la tensión, módulo y dureza. Partículas más gruesas tienen a dar un compuesto con menores propiedades que el material virgen (sin carga) y por el contrario si el tamaño de partícula es más bien fino, las propiedades mecánicas mejoran, a este fenómeno se le conoce como refuerzo.Las impurezas en las cargas pueden tener efectos graves en el compuesto polimérico. Las partículas gruesas conducen a puntos de debilidad en polímeros flexibles y por tanto, pueden fallar bajo situaciones por debajo de lo esperado. En general, el fenómeno de refuerzo parece depender de tres factores:
- Extensidad - la cantidad total de área superficial de la carga por unidad de volumen en contacto con el polímero
- Intensidad - la actividad específica de la carga - interfaz con el polímero químico causando unión física y/o química
- Geométrico - tales como la estructura y la porosidad de las partículas
Ejemplos de cargas en partícula son el carbonato de calcio, la fibra de vidrio, micro-esfera de vidrio, dióxido de titanio, etc.
Chopped strands
Los hilos cortados o chopped strands son fibras de vidrio o carbono, cortadas en longitudes predeterminadas, de 3 - 4 - 6 - 12 y 25 mm. Cada fibretta está compuesta de numerosos filamentos primarios (aprox. 500). Cuando se dispersan en la matriz, el apósito se disuelve liberando una gran cantidad de hilos primarios. Se utilizan para reforzar piezas obtenidas por fundición o en mástiles de ensamblaje. La resistencia a la tracción conferida es menor que la de las fibras largas, pero mejoran significativamente la resistencia.
Rendimiento mecánico
Las fibras de vidrio mejoran considerablemente el rendimiento mecánico del compuesto y afectan particularmente:
- E modus E modus
- Resistencia a la tracción
- Rigidez a alta temperatura
- Resistencia a la fatiga (cargas cíclicas cargas cíclicas)
- Resistencia a la fluencia (deformación a largo plazo bajo cargas aplicadas constantemente)
Además, las fibras de vidrio afectan otras importantes propiedades :
- la densidad del compuesto aumenta
- el coeficiente de expansión térmica térmica lineal es reduce (y más similar al de los metales)
- la contracción durante la inyección se reduce
- se reduce la deformación
- la fluidez es menor
- la resistencia a la llama se ve afectada las propiedades eléctricas se modifican
Los polímeros semi-cristalinos de polímeros cristalinos (PP, PE, PA6, PA66, PBT, PET, POM, PPS):
Mediante la adición de fibras de vidrio se obtiene una notable mejora del rendimiento mecánico.
Polímeros amorfos polímeros polímeros (PS, ABS, PC, PPOm, PSU):
Mediante la adición fibras de vidrio, solo se incrementa el módulo y la resistencia a la tracción. El impacto se reduce mediante la adición de fibras.
Desventajas
Las fibras de vidrio ofrecen ventajas excepcionales en términos de rendimiento mecánico de compuestos termoplásticos. Sin embargo, el riesgo potencial de problemas de deformación (que se deben a la contracción diferencial a lo largo del flujo y transversal al flujo) debe tenerse en cuenta en la etapa de diseño.
Coeficiente de dilatación térmica
La adición de fibras cortas a una matriz polimérica reducirá su coeficiente de expansión térmica. Si la orientación de la fibra es verdaderamente aleatoria, la expansión térmica del compuesto será la misma en todas las direcciones. No existen modelos satisfactorios para predecir el coeficiente de expansión térmica de un compuesto de fibra aleatorio. En general, la incorporación de fibras cortas en un polímero moldeado por inyección aumenta su resistencia, módulo, resistencia al impacto y temperatura de deflexión térmica, sin embargo, la tensión al fracaso puede disminuir. La resistencia a la fluencia del polímero también aumenta sustancialmente. El coeficiente de expansión térmica se reduce y también la contracción del molde. Por otro lado, si la orientación de la fibra no es aleatoria, puede haber una deformación aumentada en la parte moldeada por inyección causada por la contracción diferencial en el flujo y las direcciones de flujo cruzado de la parte. En general, la deformación de los polímeros reforzados con fibra corta moldeados por inyección es mayor que la de los polímeros no reforzados.
Las principales características de estas fibras son las siguientes:
- Alta adherencia fibra-matriz, gracias al uso de recubrimientos apropiado
- Resistencia mecánica, siendo si resistencia específica (tracción/densidad) superior a la del acero
- Es aislante eléctrico incluso en espesores reducidos. Tiene buena permeabilidad eléctrica. Permeable a las ondas electromagnética
- Incombustibilidad, materia mineral, la fibra de vidrio es incombustible por naturaleza. No propaga la llama ni origina con el calor humos ni toxicidad. Estabilidad dimensional, poco sensible a las variaciones de temperatura e higrometría, tiene un bajo coeficiente de dilatación
- Compatibilidad con las materias orgánicas, su aptitud de recibir diferentes ensimajes creando un puente de unión entre el vidrio y la matriz le confieren la posibilidad de asociarse a numerosas resinas sintéticas, así como a ciertas matrices minerales, tales como el yeso o el cemento
- Imputescibilidad, (no sufre ninguna alteración). Es insensible a la acción de los roedores e insectos
- Débil conductividad térmica. La utilización de los materiales compuestos en la industria de la construcción permite suprimir los puentes térmicos, dando lugar a un considerable ahorro de calefacción
- Excesiva flexibilidad
- Bajo Coste