¿Cómo se fabrica la fibra de vidrio?

La fibra de vidrio se refiere a un grupo de productos elaborados a partir de fibras de vidrio individuales combinadas en una variedad de formas. Las fibras de vidrio se pueden dividir en dos grupos principales según su geometría: fibras continuas utilizadas en hilos y textiles, y fibras discontinuas (cortas) utilizadas como guatas, mantas o placas para aislamiento y filtración. La fibra de vidrio se puede transformar en hilo de forma muy parecida a la lana o el algodón, y tejerse en telas que a veces se utilizan para cortinas. Los textiles de fibra de vidrio se utilizan comúnmente como material de refuerzo para plásticos moldeados y laminados. La lana de fibra de vidrio, un material grueso y esponjoso elaborado a partir de fibras discontinuas, se utiliza para aislamiento térmico y absorción acústica. Se encuentra comúnmente en mamparos y cascos de barcos y submarinos; compartimentos de motores de automóviles y revestimientos de paneles de carrocería; en calderas y unidades de aire acondicionado; paneles acústicos para paredes y techos; y particiones arquitectónicas. La fibra de vidrio se puede adaptar para aplicaciones específicas como el Tipo E (eléctrico), utilizado como cinta aislante eléctrica, textiles y refuerzo; Tipo C (químico), que tiene una resistencia superior a los ácidos, y Tipo T, para aislamiento térmico.

Aunque el uso comercial de la fibra de vidrio es relativamente reciente, los artesanos crearon hilos de vidrio para decorar copas y jarrones durante el Renacimiento. Un físico francés, René-Antoine Ferchault de Réaumur, produjo textiles decorados con finas hebras de vidrio en 1713, y los inventores británicos duplicaron la hazaña en 1822. Un tejedor de seda británico hizo una tela de vidrio en 1842, y otro inventor, Edward Libbey, exhibió una Vestido tejido de vidrio en la Exposición Colombina de 1893 en Chicago.

La lana de vidrio, una masa esponjosa de fibra discontinua en longitudes aleatorias, se produjo por primera vez en Europa a principios de siglo, mediante un proceso que implicaba extraer fibras de varillas horizontalmente hasta un tambor giratorio. Varias décadas después, se desarrolló y patentó un proceso de hilado. El material aislante de fibra de vidrio se fabricó en Alemania durante la Primera Guerra Mundial. La investigación y el desarrollo destinados a la producción industrial de fibras de vidrio progresaron en los Estados Unidos en la década de 1930, bajo la dirección de dos empresas importantes, Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass. Obras. Estas empresas desarrollaron una fibra de vidrio fina, flexible y de bajo costo arrastrando vidrio fundido a través de orificios muy finos. En 1938, estas dos empresas se fusionaron para formar Owens-Corning Fiberglas Corp. Ahora conocida simplemente como Owens-Corning, se ha convertido en una empresa que factura 3.000 millones de dólares al año y es líder en el mercado de la fibra de vidrio.

Materias primas

Las materias primas básicas para los productos de fibra de vidrio son una variedad de minerales naturales y productos químicos manufacturados. Los ingredientes principales son arena de sílice, piedra caliza y carbonato de sodio. Otros ingredientes pueden incluir alúmina calcinada, bórax, feldespato, sienita nefelina, magnesita y arcilla de caolín, entre otros. La arena de sílice se utiliza como formador de vidrio, y la carbonato de sodio y la piedra caliza ayudan principalmente a reducir la temperatura de fusión. Se utilizan otros ingredientes para mejorar ciertas propiedades, como el bórax para la resistencia química. También se utiliza como materia prima el vidrio de desecho, también llamado vidrio de desecho. Las materias primas deben pesarse cuidadosamente en cantidades exactas y mezclarse completamente (lo que se denomina procesamiento por lotes) antes de fundirlas en vidrio.

La Fabricación
Proceso

Fusión

Una vez preparado el lote, se introduce en un horno para fundirlo. El horno puede calentarse con electricidad, combustibles fósiles o una combinación de ambos. La temperatura debe controlarse con precisión para mantener un flujo de vidrio suave y constante. El vidrio fundido debe mantenerse a una temperatura más alta (aproximadamente 2500 °F [1371 °C]) que otros tipos de vidrio para poder convertirse en fibra. Una vez que el vidrio se funde, se transfiere al equipo de formación a través de un canal (ante-crisol) ubicado al final del horno.

Formar fibras

Se utilizan varios procesos diferentes para formar fibras, según el tipo de fibra. Las fibras textiles se pueden formar a partir de vidrio fundido directamente desde el horno, o el vidrio fundido se puede alimentar primero a una máquina que forma canicas de vidrio de aproximadamente 1,6 cm (0,62 pulgadas) de diámetro. Estas canicas permiten inspeccionar visualmente el vidrio en busca de impurezas. Tanto en el proceso de fusión directa como en el de fusión de mármol, el vidrio o las canicas de vidrio se alimentan a través de casquillos calentados eléctricamente (también llamados hileras). El casquillo está hecho de platino o aleación de metal, con entre 200 y 3000 orificios muy finos. El vidrio fundido pasa a través de los orificios y sale en forma de finos filamentos.

Proceso de filamento continuo

Se puede producir una fibra larga y continua mediante el proceso de filamento continuo. Después de que el vidrio fluye a través de los orificios del casquillo, varios hilos quedan atrapados en una bobinadora de alta velocidad. La bobinadora gira a aproximadamente 2 millas (3 km) por minuto, mucho más rápido que la velocidad del flujo de los casquillos. La tensión extrae los filamentos mientras aún están fundidos, formando hebras de una fracción del diámetro de las aberturas del casquillo. Se aplica un aglutinante químico que ayuda a evitar que la fibra se rompa durante el procesamiento posterior. Luego, el filamento se enrolla en tubos. Ahora se puede torcer y doblar hasta formar hilo.

Proceso de fibra cortada

Un método alternativo es el proceso de fibra discontinua. A medida que el vidrio fundido fluye a través de los casquillos, chorros de aire enfrían rápidamente los filamentos. Las turbulentas ráfagas de aire también rompen los filamentos en longitudes de 8 a 15 pulgadas (20 a 38 cm). Estos filamentos caen a través de un spray de lubricante sobre un tambor giratorio, donde forman una fina red. La red se extrae del tambor y se estira hasta formar una hebra continua de fibras sueltas. Esta hebra se puede transformar en hilo mediante los mismos procesos utilizados para la lana y el algodón.

Fibra picada

En lugar de formar un hilo, la hebra continua o de fibra larga se puede cortar en trozos cortos. La hebra se monta en un conjunto de bobinas, llamada fileta, y se pasa a través de una máquina que la corta en trozos cortos. La fibra picada se forma en esteras a las que se les añade un aglutinante. Después del curado en el horno, la estera se enrolla. Diferentes pesos y espesores dan lugar a productos para tejas, tejados armados o esteras decorativas.

lana de vidrio

Para fabricar lana de vidrio se utiliza el proceso rotatorio o de hilatura. En este proceso, el vidrio fundido del horno fluye hacia un recipiente cilíndrico que tiene pequeños orificios. A medida que el recipiente gira rápidamente, chorros horizontales de vidrio salen de los agujeros. Las corrientes de vidrio fundido se convierten en fibras mediante una ráfaga de aire descendente, gas caliente o ambos. Las fibras caen sobre una cinta transportadora, donde se entrelazan entre sí formando una masa lanuda. Esto se puede usar como aislamiento, o la lana se puede rociar con un aglutinante, comprimirla hasta obtener el espesor deseado y curar en un horno. El calor fija el aglutinante y el producto resultante puede ser una tabla rígida o semirrígida, o una guata flexible.

Recubrimientos protectores

Además de los aglutinantes, se requieren otros recubrimientos para los productos de fibra de vidrio. Los lubricantes se utilizan para reducir la abrasión de la fibra y se rocían directamente sobre la fibra o se agregan al aglutinante. A veces también se rocía una composición antiestática sobre la superficie de las esteras aislantes de fibra de vidrio durante la etapa de enfriamiento. El aire frío aspirado a través de la alfombra hace que el agente antiestático penetre en todo el espesor de la alfombra. El agente antiestático consta de dos ingredientes: un material que minimiza la generación de electricidad estática y un material que sirve como inhibidor y estabilizador de la corrosión. El apresto es cualquier recubrimiento aplicado a las fibras textiles en la operación de conformación y puede contener uno o más componentes (lubricantes, aglutinantes o agentes de acoplamiento). Los agentes de acoplamiento se utilizan en hebras que se utilizarán para reforzar plásticos, para fortalecer la unión con el material reforzado. A veces se requiere una operación de acabado para eliminar estos recubrimientos o agregar otro recubrimiento. Para refuerzos plásticos, los aprestos se pueden eliminar con calor o productos químicos y aplicar un agente de acoplamiento. Para aplicaciones decorativas, las telas deben tratarse térmicamente para eliminar el apresto y fijar el tejido. Luego se aplican recubrimientos de base de tinte antes de teñir o imprimir.

Formando formas

Los productos de fibra de vidrio vienen en una amplia variedad de formas y se fabrican mediante varios procesos. Por ejemplo, el aislamiento de tuberías de fibra de vidrio se enrolla en formas similares a varillas llamadas mandriles directamente desde las unidades de formación, antes del curado. Las formas del molde, en longitudes de 3 pies (91 cm) o menos, luego se curan en un horno. Luego, las longitudes curadas se desmoldan longitudinalmente y se cortan en las dimensiones especificadas. Se aplican revestimientos si es necesario y el producto se empaqueta para su envío.

Control de calidad

Durante la producción de aislamiento de fibra de vidrio, se toman muestras del material en varios lugares del proceso para mantener la calidad. Estas ubicaciones incluyen: el lote mezclado que se alimenta al fusor eléctrico; vidrio fundido del casquillo que alimenta al fibrizador; fibra de vidrio que sale de la máquina fibrizadora; y producto curado final que emerge del final de la línea de producción. Las muestras a granel de vidrio y fibra se analizan para determinar su composición química y la presencia de defectos mediante sofisticados analizadores químicos y microscopios. La distribución del tamaño de las partículas del material del lote se obtiene pasando el material a través de varios tamices de diferentes tamaños. El espesor del producto final se mide después del embalaje de acuerdo con las especificaciones. Un cambio en el espesor indica que la calidad del vidrio está por debajo del estándar.

Los fabricantes de aislamiento de fibra de vidrio también utilizan una variedad de procedimientos de prueba estandarizados para medir, ajustar y optimizar la resistencia acústica, la absorción del sonido y el rendimiento de la barrera acústica del producto. Las propiedades acústicas se pueden controlar ajustando variables de producción como el diámetro de la fibra, la densidad aparente, el espesor y el contenido de aglutinante. Se utiliza un enfoque similar para controlar las propiedades térmicas.

El futuro

La industria de la fibra de vidrio enfrenta algunos desafíos importantes durante el resto de la década de 1990 y más allá. El número de productores de aislamiento de fibra de vidrio ha aumentado debido a las filiales estadounidenses de empresas extranjeras y a las mejoras en la productividad de los fabricantes estadounidenses. Esto ha resultado en un exceso de capacidad, que el mercado actual y quizás el futuro no puede acomodar.

Además del exceso de capacidad, competirán otros materiales aislantes. La lana de roca se ha vuelto ampliamente utilizada debido a las recientes mejoras en los procesos y productos. El aislamiento de espuma es otra alternativa a la fibra de vidrio en paredes residenciales y techos comerciales. Otro material competidor es la celulosa, que se utiliza en el aislamiento de áticos.

Debido a la baja demanda de aislamiento debido a un mercado inmobiliario débil, los consumidores exigen precios más bajos. Esta demanda también es el resultado de la tendencia continua de consolidación de minoristas y contratistas. En respuesta, la industria del aislamiento de fibra de vidrio tendrá que seguir reduciendo costos en dos áreas principales: energía y medio ambiente. Será necesario utilizar hornos más eficientes que no dependan de una sola fuente de energía.

Con los vertederos alcanzando su capacidad máxima, los fabricantes de fibra de vidrio tendrán que lograr una producción casi nula de residuos sólidos sin aumentar los costos. Esto requerirá mejorar los procesos de fabricación para reducir los residuos (también de líquidos y gases) y reutilizar los residuos siempre que sea posible.

Es posible que dichos desechos requieran reprocesamiento y refundición antes de reutilizarlos como materia prima. Varios fabricantes ya están abordando estas cuestiones.