PROPIEDADES GENERALES DE LAS FIBRAS ESPECIALES

Las propiedades de una fibra son aquellas cualidades que están presentas de forma única o exclusiva en determinado material. Es decir que no las comparten como pasa con las características.

La resistencia al moho.

Es la capacidad específica de la mayoría de las fibras manufacturadas. Lo que da mayor durabilidad al tejido realizado con este material.

La resistencia al efecto de las polillas.

Las polillas han sido desde hace tiempo un gran agresor  para las prendas textiles, con la evolución de los tejidos se ha logrado que estos tengan un menor daño a causa de esta clase de insectos.

MÉTODOS DE OBTENCIÓN

EXTRUSIÓN O MOLDEO

Se fabrica mediante un complicado proceso de calentamiento de un filamento orgánico, el cual es más fácil de estirar o hilar en tramos largos. Terminando la síntesis queda una estructura que es casi carbono puro.

Se fabrica a partir de otro polímero, llamado que se calienta con un tercer polímero.

Sinterizando posteriormente el producto en hornos de convección.El fabricado por moldeo es siempre superior en calidad y características al extruÍdo.

ELECTROSPINNING

El típico montaje para la ejecución de la técnica de electrospinning Figura 1, consta de un capilar a través del cual debe ser expulsada la solución polimérica (aguja, cono, etc); una fuente de alto voltaje que posee dos electrodos los cuales deben conectarse uno al lugar de salida de la solución y otro directamente al plato colector (lamina de metal conductor, mandril rotativo, etc) [3, 43, 44] donde se depositarán las fibras posterior a la evaporación del didisolvente.

Figura 1. Ensamble del sistema de electrospinning.

La técnica puede ser desarrollada de forma horizontal o vertical según se desee, Figura 2, el principal inconveniente al trabajar en posición vertical es la posible salida de gotas de solución desde el capilar hacia el plato colector las cuales pueden caer sobre las fibras depositadas haciendo defectuosa la superficie de las mismas e interrumpiendo el proceso. Para impulsar la solución a través del capilar puede utilizarse una bomba de infusión; si se trabaja de forma horizontal con cono como capilar, la salida de la solución puede estar determinada por la fuerza de gravedad ligada a la viscosidad de la solución.

  

Para el inicio del proceso, el polímero debe estar diluido en el o los disolventes que permitan una dilución completa del mismo (debe ser completa, para evitar taponamiento del capilar durante el proceso) pero que a la vez promuevan la obtención de fibras homogéneas. Los polímeros son dieléctricos, en presencia de un campo eléctrico pueden considerarse como un arreglo de dipolos eléctricos microscópicos compuestos por cargas positivas y negativas cuyos centros no coinciden perfectamente, se mantienen en su lugar por acción de las fuerzas atómicas y moleculares, y solo pueden cambiar su posición ligeramente en respuesta a fuertes campos eléctricos externos, lo que explica por qué ocurre el estiramiento de la solución en el proceso. Son llamadas cargas ligadas en contraposición a cargas libres que determinan la conductividad en otro material “conductor”. En ocasiones para incrementar las propiedades dieléctricas de la solución, algunos disolventes con altas constantes dieléctricas son adicionados, esto favorece la formación de fibras con menos estructuras defectuosas (las estructuras defectuosas conocidas como beads, decrecen la superficie por unidad de área del proceso) y con diámetros reducidos . Una vez se tiene la solución en el lugar sea jeringa o cono se inicia la aplicación de alto voltaje, cuando este potencial eléctrico se aplica, las cargas se acumulan promoviendo la formación de una gota en la punta del capilar, a medida que la intensidad del campo eléctrico se incrementa, la gota se alarga para crear una forma cónica conocida como cono de Taylor. La fuerza del campo eléctrico supera las fuerzas de cohesión de la solución, en la mayoría de los casos dominada por la tensión superficial, es así como un chorro de solución de polímero inicia un viaje desde la punta del capilar hasta el plato colector; en su viaje, el chorro de solución polimérica es alargado debido a las interacciones electrostáticas entre las cargas cercanas a segmentos del mismo chorro, mientras tanto, el disolvente se evapora, finalmente, las fibras se solidifican a su llegada al plato colector. Luego de ser extraídas del plato colector algunos autores sugieren mantener las fibras en vacío para eliminar el disolvente remanente. Es importante tener precaución durante la ejecución del proceso ya que algunos didisolventes como el cloroformo, dimetilformamida y en general aquellos productos químicos nocivos, pueden emitir vapores perjudiciales para la salud, por lo que se recomienda incluir sistemas de ventilación y protección para quienes ejecutan el proceso .

LAS FIBRAS ESPECIALES

ACRILICO

Dentro de los plásticos de ingeniería podemos encontrarlo como polimetilmetacrilato, también conocido por sus siglas PMMA. La placa de acrílico se obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo y la presentación más frecuente que se encuentra en la industria del plástico es en gránulos ('pellas' en castellano; 'pellets' en inglés) o en placas. Los gránulos son para el proceso de inyección o extrusión y las placas para termoformado o para mecanizado.

Compite en cuanto a aplicaciones con otros plásticos como el policarbonato (PC) o el poliestireno (PS), pero el acrílico se destaca frente a otros plásticos transparentes en cuanto a resistencia a la intemperie, transparencia y resistencia al rayado.

Por estas cualidades es utilizado en la industria del automóvil como el faro del coche, iluminación, cosméticos, espectáculos, construcción y óptica, entre muchas otras. En el mundo de la medicina se utiliza la resina de polimetilmetacrilato para la fabricación de prótesis óseas y dentales y como aditivo en polvo en la formulación de muchas de las pastillas que podemos tomar por vía oral. En este caso actúa como retardante a la acción del medicamento para que esta sea progresiva.

En gránulos el acrílico es un material higroscópico, razón por la cual es necesario secarlo antes de procesarlo.

Se distingue el metacrilato como nombre común para las planchas o placas de polimetilmetacrilato, siendo el nombre químico mucho más genérico a todo tipo de elemento (no sólo placas) formado con este material (resinas, pastas, gránulos, adhesivos, emulsiones...).

Algunas marcas comerciales: Plexiglás, Vitroflex, Lucite, Altuglas. También es llamado simplemente vidrio acrílico.[cita requerida]

Las aplicaciones del PMMA son múltiples, entre otras señalización, expositores, protecciones en maquinaria, mamparas separadoras decorativas y de protección, acuarios y piscinas, obras de arte, etc. Las ventajas de este material son muchas pero las que lo diferencian del vidrio son: bajo peso, mejor transparencia, inferior fragilidad. De los demás plásticos se diferencia especialmente por su mejor transparencia, su fácil moldeo y su posible reparación en caso de cualquier raya superficial. La posibilidad de obtener fibras continuas de gran longitud mediante un proceso de fabricación relativamente barato hacen junto con su elevada transparencia que sea un material muy empleado para la fabricación de fibra óptica. Últimamente encontramos muchos diseños, colores y acabados en las planchas que abren un mundo de posibilidades para su uso en arquitectura y decoración, sectores en los que cada vez se emplea más frecuentemente.

El PMMA no es tóxico si está totalmente polimerizado. Su componente el MMA (monómero de metacrilato de metilo) sí lo es en fase líquida.

El metacrilato fue inventado en 1931 por el investigador Archenero Ismael García Guillamón.

PROPIEDADES

Dentro de las cuales se pueden mencionar las siguientes:

Ø Resistente a la intemperie y a los rayos ultravioleta. No hay un envejecimiento apreciable en diez años de exposición exterior.

Ø Excelente aislante térmico y acústico.

Ø Transparencia de alrededor del 93 %. El más transparente de los plásticos.

Ø Alta resistencia al impacto, de unas diez a veinte veces la del vidrio.

Ø Ligero en comparación con el vidrio (aproximadamente la mitad), con una densidad de unos 1190 kg/m3 es sólo un poco más denso que el agua.

Ø De dureza similar a la del aluminio: se raya fácilmente con cualquier objeto metálico, como un clip. El metacrilato se repara muy fácilmente con una pasta de pulir.

Ø Se puede mecanizar en frío pero no doblar (serrado, esmerilado, acuchillado, pulido, etc.). Para doblarlo hay que aplicar calor local o calentar toda la pieza. Esto último es un proceso industrial complejo que requiere moldes y maquinaria especializada.

Ø El metacrilato presenta gran resistencia al ataque de muchos compuestos pero es atacado por otros, entre ellos: Acetato de etilo, acetona, ácido acético, ácido sulfúrico, alcohol amílico, benzol, butanol, diclorometano, triclorometano (cloroformo), tolueno.

Ø De fácil combustión, no es autoextinguible (no se apaga al ser retirado del fuego). Sus gases tienen olor afrutado y crepita al arder. No produce ningún gas tóxico al arder por lo que se puede considerar un producto muy seguro para elementos próximos a las personas al igual que la madera.

Ø Gran facilidad de mecanización y moldeo.

Ø Se comercializa en planchas rectangulares de entre 2 y 120 mm de espesor. Existe con varios grados de resistencia (en unas doce calidades diferentes) y numerosos colores. Se protege su superficie con un film de polietileno para evitar que se raye al manipularlo.

SPANDEX

El elastano  es una fibra sintética muy conocida por su gran elasticidad, inventada en 1959 por el químico Joseph Shivers, quien trabajaba para la compañía DuPont.

La empresa española DuPont patentó su invención en 1959 y le dio el conocido nombre de marca LYCRA. La fibra LYCRA es hoy propiedad de la empresa Invista. No es un tejido sino una de las fibras que componen un tejido. Sus propiedades son de dar elasticidad y mayor calidad que otros elastanos.

Cuando se introdujo por primera vez, el elastano revolucionó muchas áreas de la industria textíl. Hoy en día es utilizado sobre todo en el ámbito deportivo gracias a su flexibilidad y ligereza. Es un polímero de cadena muy larga, compuesto con un mínimo del 85% de poliuretano segmentado (Spandex); obteniéndose filamentos continuos que pueden ser multifilamento o monofilamento.

El elastano se utiliza conjuntamente con otras fibras para fabricar tejidos óptimos para producir ropa interior, ropa femenina, calcetines. También esta presente en pantis y medias así como en ropa deportiva y en ropa de baño, ya que gracias a sus propiedades elásticas otorga libertad de movimientos a los deportistas que la utilizan.

Tiene enlaces urea y uretano en su cadena. Lo que le confiere al spandex sus características especiales, es el hecho de que en su estructura tiene bloques rígidos y flexibles. La cadena polimérica corta de un poliglicol, de generalmente cerca de cuarenta unidades de longitud, es flexible y parecida al caucho

PROPIEDADES

Se puede estirar un gran número de veces y volver a tomar su forma original. Puede ser estirado hasta un 600% sin que se rompa.

- Es ligero, suave, liso y flexible.

- Resistente al sudor, lociones y detergentes.

- No existe problema de electricidad estática.

USOS

Se combina con otras fibras como la lana, la seda o el rayón para mejorar sus propiedades. Se usa frecuentemente en trajes, blusas y chaquetas.Tiene una alta retención a su forma y se usa como soporte en la confección de prendas de vestir.

METODOS DE OBTENCION.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la elaboración libre de disolvente de hilos elásticos o filamentos sobre la base de poli(urea uretano) segmentados con propiedades térmicas mejoradas y comportamiento de elaboración mejorado, por ejemplo mediante termofijacion de objetos planos, que contienen fibras elásticas, a través de utilización de un poliisocianato que contiene grupos isocianurato en la transformación de compuestos polihidroxil de alto peso molecular, de cadena larga, con diisocianatos orgánicos y dioles de bajo peso molecular, así como eventualmente otros medios adicionales y auxiliares en la colada, hilado directo de la masa de reacción así obtenida y tratamiento termico posterior de los hilos elásticos obtenidos así como también los hilos elásticos obtenibles según el procedimiento.

TEFLÓN

ANTECEDENTES

Roy j. Plunkett Fue contratado en 1936 (año de su doctorado) por la empresa DuPont, en la que permaneció toda su vida laboral. Fue en 1938, mientras trabajaba en el desarrollo de sustancias refrigerantes, cuando realizó el hallazgo. Estaba buscando la manera de producir cantidades de tetrafluoroetileno (TFE) suficientes como para poder utilizarlas industrialmente. Tras obtener las cantidades necesarias pasó a realizar distintas pruebas con el TFE obtenido Colocaba el TFE en cilindros refrigerados con CO2 sólido (nieve carbónica). Con la colaboración de su ayudante, Jack Rebok, estaba un día vaporizando el contenido de un cilindro de TFE que contenía unas dos libras de gas. Según se vaporizaba el gas pasaba por unos medidores de flujo y entraba en una cámara donde el TFE reaccionaba con otros productos químicos. . Aquel día, poco después de comenzar el experimento, Jack Rebok avisó a Plunkett de que algo no funcionaba bien.

El flujo de TFE se había detenido, pero el cilindro seguía conteniendo masa. Al desmontar la válvula y abrir el cilindro encontraron en su interior una sustancia blanca en forma de polvo. Parecía que el TFE se había polimerizado dando lugar a este polvo.

El polímero politetraflouroetileno, mejor conocido en el mundo por el nombre de Teflon®, fue desarrollado en el año de 1938 por Roy Plunkett en Nueva Jersey, Estados Unidos, mientras este realizaba trabajos para crear un nuevo refrigerante CFC. Un día en el laboratorio, Plunkett estaba vaporizando un cilindro que contenía dos libras de gas, poco después de haber comenzado, Plunkett se percató que el flujo de gas en el cilindro se había detenido. Al desmontar y abrir el cilindro se encontró en su interior una sustancia blanca en forma de polvo, el cual resultó ser tetrafluoroetileno polimerizado. Al caracterizarlo, Plunkett descubrió que era inerte a todos los disolventes, ácidos y bases disponibles.

El coeficiente de fricción de esta sustancia, la cual se nombró Teflon® es el tercer más bajo en lo que se refiere a materiales sólidos, el cual es de .05 a .10. Tal es su resistencia a las fuerzas de Van der Waals que lo convierte en el único tipo de superficie a la que un gueco no puede adherirse. Gracias a esta propiedad, Teflon® es uno de los polímeros más versátiles, permitiendo su uso en una gran variedad de aplicaciones.

OBTENCIÒN

Más conocido como TEFLON es un producto blanco que se obtiene por extrusión o por moldeo,

sinterizando posteriormente el producto en hornos de convección.El fabricado por moldeo es siempre superior en calidad y características al extruÍdo.

PROPIEDADES QUIMICAS

 1.   Resistencia a agentes químicos: es  prácticamente inerte contra casi todos los elementos y compuestos conocidos. Solamente es atacado       por metales alcalinos en estado elemental, por trifloruro de cloro y por flúor elemental aaltas temperaturas y presiones.  

2.    Resistencia a solventes: es insoluble en casi todos los solventes hasta temperaturas de 300 º C. Hidrocarburos fluorados causan cierto hinchazón, el cual es reversible. 

3.    Resistencia a agentes atmosféricos y luz: piezas dePTFE expuestas durante más de 20 años        a condiciones climáticas extremas, no han demostrado alteraciones en sus propiedades características.

4.    Resistencia a las radiaciones: radiaciones de alta energía tienden a romper la molécula de PTFE, o sea que la resistencia a este tipo de radiaciones es muy limitada.

5.    Permeabilidad a los gases: la permeabilidad      a los gases es similar a la de otros materiales      plásticos.

PROPIEDADES FISICAS

-Propiedades de tensión y compresión

-Flexibilidad

-Resistencia al impacto

-Dureza

-Fricción

-Desgaste

-Es capaz de resistir temperaturas de unos 300º C

durante largos periodos sin apenas sufrir modificaciones.

-Bajo coeficiente de friccion inferior  a 0.1

-No humectante

-Antiadherencia

-Resistencia térmica

-Propiedades eléctricas

-Resistencia quimica

-Tiene el gran inconveniente de su bajísima resistencia

  a la comprensión,que en muchos casos lo

  hace inservible por el excesivo

  tamaño de los casquillos y soportes.

- Su densidad 2,4 es muy elevada lo que unido a su precio,  también elevado, lo hacen un producto caro por volumen utilizado.

PRUEBA DE COMBUSTION

Ni las fibras ni los productos de composicion que se acercan a la llama son inflamables.

Al encender una vela, la cera comienza a derretirse a causa del calor proporcionado por la llama. Despues de que la llama se apaga, la cera se enfria y solidifica.

PUNTO DE FUSION

Es el paso del estado solido a liquido, la temperatura a la que las materias inician su fusion se denomina temperatura de fusion; la temperatura a la que se solidifican se les denomina temperatura de solidificacion. La temperatura de fusion y la de solidificacion son iguales para una misma materia.

Punto de fusión es de 600k

(327ºc; 620 ºF)

SOLUBILIDAD

Excelente solides. Poseen una resistencia elevada a los productos quimicos, tales como disolventes, aceites y grasas ademas de una alta estabilidad termica.

Como un polímero totalmente insoluble, se le han encontrado disolventes a temperaturasno muy por debajo del punto de fusión cristalino,  esto indica que es soluble en algunos de los pocos líquidos que

existen por encima de 300ºc. Las únicas sustancias químicas que se sabe afectan estos bonos de carbono-flúor son ciertos metales alcalinos y mas altamente reactivas agentes de floración.

NOMBRES COMERCIALES

DuPont teflón, Halon, Hostaflon, Fluon, Algoflon Y Fluoroplast.

USOS Y APLICACIONES

•   En el Proyecto Manhattan como recubrimiento

     de válvulas y como sellador en tubos

     que contenían hexafluoruro de uranio.

•    En revestimientos de aviones, cohetes y naves

     espaciales.

•    En la industria se emplea en elementos articulados,

     ya que su capacidad antifricción permite eliminar

     el uso de lubricantes como el Krytox.

•    En medicina, aprovechando que no reacciona

     con sustancias o tejidos y es flexible y antiadherente

     se utiliza para prótesis, creación de tejidos artificiales

     y vasos sanguíneos, en incluso

     operaciones estéticas (body piercing).

•    En electrónica, como revestimiento de cables o

     dieléctrico de condensadores.

•    En utensilios de cocina, como sartenes y ollas por su capacidad

     de rozamiento baja, así son fáciles de limpiar y

     mantiene un grado menor de toxicidad.

•    En pinturas y barnices.

•    En estructuras y elementos sometidos a

     ambientes corrosivos, así como en mangueras y

     conductos por los que circulan productos químicos.

•    Como recubrimiento de balas perforantes.

•    Como hilo para coser productos expuestos

     continuamente a los agentes atmosféricos o químicos.

•    En Odontología como aislante.

•    Distintas mallas y telas con distintas características

     de resistencia tanto mecánica como química.

•    De prendas de vestir para tapicería, tejido protector teflón,

•    En prendas de vestir y textiles para

     entender las necesidades de protección de los

     bomberos, obreros, policías.

El PTFE es un polímero de alto peso molecular. Es considerado uno de los más versátiles dentro de los materiales plásticos conocidos y su utilidad se extiende a un gran rango de productos, para aplicaciones en las cuales otros materiales no pueden ser utilizados.

OBTENCIÓN Y COMPOSICIÓN

El politetrafluoretileno (PTFE) es un polímero similar al polietileno, en el que los átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos flúor. La fórmula química del monómero, tetrafluoretileno, es CF2=CF2.Bajo el nombre de Teflon,

Para la obtención del teflón partimos de un agente clorante en este caso cloro gaseoso y lo hacemos reaccionar con metano a una temperatura de 450ºC , mediante la acción de la luz se van a formar radicales de Cl que se unirán al metano para formar triclorometano.

En un segundo paso el triclorometano se hace reaccionar con fluoruro de hidrógeno para dar HClF2 y bajo un calentamiento a 800ºC , reacción por lo tanto endotérmica (todas las anteriores son exotérmicas) , obtenemos el monómero de tetrafluoroetileno y ácido clorhídrico.

El último paso seria la polimerización radicalaria del monómero de tetrafluoroetileno hasta obtener el PTFE o Teflón.

EFECTO DEL FLUOR

El flúor es un elemento muy extraño. Cuando forma parte de una molécula, no le agrada estar alrededor de otras moléculas, incluso cuando éstas contengan átomos de flúor. Menos aún cuando se trata de otras clases de moléculas. De modo que una molécula de PTFE, estando tan repleta de átomos de flúor como está, quisiera estar lo más alejada posible de otras moléculas. Por esta razón, las moléculas en la superficie de un trozo de PTFE rechazarán cualquier cosa que intente acercárseles. Esta es la razón por la cual nada se pega al PTFE.

PROPIEDADES

Antiadherente: Muy pocas sustancias sólidas se le pegarán permanentemente alPTFE. Aunque las sustancias pegajosas pueden mostrar cierta adhesión al PTFE, las mismas se despegarán fácilmente.

Bajo Coeficiente de Fricción: El coeficiente de fricción del PTFE es en promedio de 0.05, dependiendo de la magnitud de la carga soportada y la velocidad de deslizamiento.

Impermeable: Debido a que las superficies cubiertas con PTFE son óleo e hidrofóbicas, las mismas no son fácilmente humedecidas. Su limpieza es mas fácil y mas completa – en muchos casos, las superficies son autolimpiables.

Resistente a la Temperatura: El PTFE puede operar continuamente a temperaturas hasta 260°C/500°F y pueden trabajar de manera intermitente en servicio hasta 316°C/600°F con ventilación adecuada.

Excelentes Propiedades Eléctricas: Sus propiedades dieléctricas son esencialmente constantes a todas las frecuencias y a todo el rango de temperaturas de servicio del PTFE. El PTFE es totalmente no flamable en todas las pruebas normales.

Estabilidad a Temperaturas Criogénicas: El PTFE puede resistir extremos severos de temperatura. El PTFE industrial puede ser utilizado a temperaturas tan bajas como-270°C/-454°F (servicio con helio líquido).

Resistencia Química El PTFE normalmente no es afectado por los ambientes químicos. Las únicas sustancias químicas y solventes comerciales capaces de afectar al PTFE son los metales alcalinos derretidos y los agentes fluorados altamente reactivos.

No es tóxico

Punto de fusión y Densidad

Densidad de 2.2 g/cm.

Su punto de fusión es el °C 327 (el 620.6°F) , solamente sus características degrada sobre el °C 260 (500°F)

USOS

Ofrece numerosas aplicaciones en todo tipo de industria, especialmente en la industria papelera, quimica, petrolera, electrica, nuclear, metalurgica, farmaceutica, alimenticia, plastica, textil, etc. presentaciones: LAMINA, BARRA, TUBO, JUNTAS , CINTA, ANILLOS, CHUMACERAS, PIEZAS ESPECIALES.

En la industria se emplea en elementos articulados, ya que su capacidad antifricción permite eliminar el uso de lubricantes como el Krytox.

En medicina, aprovechando que no reacciona con sustancias o tejidos y es flexible y antiadherente se utiliza para prótesis, creación de tejidos artificiales y vasos sanguíneos, en incluso operaciones estéticas (body piercing).

En electrónica, como revestimiento de cables o dieléctrico de condensadores por su gran capacidad aislante y resistencia a la temperatura. Los capacitores o condensadores con dieléctrico de teflón se utilizan en equipos amplificadores de sonido de alta calidad.

En pinturas y barnices.

En estructuras y elementos sometidos a ambientes corrosivos.

Cinta de teflon con y sin adhesivo para máquinas selladoras y bolseadoras.

Sellos y empaques para altas temperaturas

Teflon hoja desmontable

Aislante eléctrico

Revestimientos deslizantes para toboganes o resbaladillas, mesas, etc..

Recubrimiento en superficie de mesas de trabajo. 

USOS TEXTILES

En revestimientos de aviones, cohetes

 y naves espaciales debido a las grandes

diferencias de temperatura que es capaz de soportar

Tela de Teflon para recubrimiento de rodillos y tamboras textiles

Recubrimiento de tamboras con Tela de Teflon en máquina engomadora textil Aplicación de calcomanías "HotStamping"

Máquinas fusionadoras y de serigrafía

NOMBRES  COMERCIALES

SEALON – SEPCO - GORE-TEX

FIBRA DE VIDRIO

La fibra de vidrio es un material que consta de fibras numerosas y extremadamente finas de vidrio.

A lo largo de la historia los vidrieros ensayaron la fibra de vidrio, pero la manufactura masiva de este material sólo fue posible con la invención de máquinas herramienta más refinadas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en la Exposición Universal 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 les conoce como "Cabellos de Pelé".

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 Owens Corning|Owens-Corning como un material que podría ser usado como aislante en la construcción de edificios. Fue comercializado bajo el nombre comercial Fiberglas, 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: sólo 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. Owens-Corning continúa siendo el mayor productor de fibra de vidrio en el mercado actual.

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/peso de óxidos alcalinos, principalmente usada para GRP), pero también se usan las clases A (A-glass: vidrio alcali-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 constate dieléctrica alta), clase R (R-glass: vidrio de alumino silicatos sin MgO ni CaO con altas prestaciones mecánicas) y la clase S (S-glass: vidrio de alumino silicatos sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción).

Química de la fibra de 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. 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.

Estructura molecular teórica del vidrio

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 elementosalcalinos (<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 strenght). 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). 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 a cambio se suaviza, definiéndose su punto de ablandamiento como "la temperatura a la que una fibra con un diámetro entre 0.55 y 0.77mm de 235mm de longitud, se alarga con su propia carga a una rata de 1mm/min cuando está suspendida verticalmente y se ha calentado a una tasa de 5 °C por minuto". El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 10^14.5 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.

Propiedades

Térmicas

Las fibras de vidrio son buenos aislantes térmicos debido a su alto índice de área superficial en relación al 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 órden de 0.05 W/(m·K)

Tensión

Tipo de Fibra	Tensión de rotura (MPa)	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. 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 ancho, es decir, anisotrópicas). 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; existe una relación de proporcionalidad entre el diámetro de doblez del filamento, al diámetro del filamento en sí. 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.

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. 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.

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.

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. El apresto que se añade usualmente tiene una relación de entre 0.5 y 2% de peso. El enrollado posterior se realiza a una tasa de 1000 m por minuto.

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 tela, 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.

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.

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:

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.

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

Plástico reforzado con fibra de vidrio

Artículo principal: Plástico reforzado con 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 metonimia 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 llamado 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. Mientras las resinas poliméricas son fuertes a cargas de compresión física, son relativamente débiles a la tensión de rotura; la fibra de vidrio es muy fuerte en tensión pero tiende a no resistir la compresión; así que al combinar ambos materiales, la GRP se convierte en un material que resiste tanto compresión como tensión en rangos aceptables y determinados.

Usos

El uso normal de la fibra de vidrio incluye recubrimientos, aislamiento térmico, aislamiento eléctrico, aislamiento acústico, 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 garrocha, 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.

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.