¿Cómo se fabrica la fibra de vidrio?

La fibra de vidrio se refiere a un grupo de productos fabricados a partir de fibras de vidrio individuales combinadas en diversas 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 paneles para aislamiento y filtración. La fibra de vidrio se puede transformar en hilo, de forma similar a la lana o el algodón, y tejerse para crear 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 hecho de fibras discontinuas, se utiliza para el aislamiento térmico y la absorción acústica. Se encuentra comúnmente en mamparos y cascos de barcos y submarinos; compartimentos de motor de automóviles y revestimientos de paneles de carrocería; en hornos 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; el Tipo C (químico), que ofrece una resistencia superior a los ácidos; y el 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. El físico francés René-Antoine Ferchault de Réaumur produjo textiles decorados con finos hilos de vidrio en 1713, e inventores británicos repitieron la hazaña en 1822. Un tejedor de seda británico fabricó una tela de vidrio en 1842, y otro inventor, Edward Libbey, exhibió un vestido tejido de vidrio en la Exposición Colombina de Chicago de 1893.

La lana de vidrio, una masa esponjosa de fibra discontinua de longitudes aleatorias, se produjo por primera vez en Europa a principios de siglo mediante un proceso que consistía en estirar las fibras desde 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 fibra de vidrio progresaron en Estados Unidos en la década de 1930, bajo la dirección de dos importantes empresas: Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass Works. Estas empresas desarrollaron una fibra de vidrio fina, flexible y económica estirando 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 con una facturación de 3000 millones de dólares anuales 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 diversos minerales naturales y productos químicos manufacturados. Los principales ingredientes son arena de sílice, piedra caliza y carbonato sódico. Otros ingredientes pueden incluir alúmina calcinada, bórax, feldespato, sienita nefelina, magnesita y caolín, entre otros. La arena de sílice se utiliza como formador de vidrio, mientras que el carbonato sódico y la piedra caliza contribuyen principalmente a reducir la temperatura de fusión. Se utilizan otros ingredientes para mejorar ciertas propiedades, como el bórax para la resistencia química. El vidrio de desecho, también llamado vidrio de desecho, también se utiliza como materia prima. Las materias primas deben pesarse cuidadosamente en cantidades exactas y mezclarse completamente (lo que se denomina dosificación) antes de fundirse para obtener vidrio.

La fabricación
Proceso

Fusión

Una vez preparada la mezcla, se introduce en un horno para su fundición. El horno puede calentarse con electricidad, combustible fósil o una combinación de ambos. La temperatura debe controlarse con precisión para mantener un flujo de vidrio uniforme y constante. El vidrio fundido debe mantenerse a una temperatura más alta (aproximadamente 1371 °C [2500 °F]) que otros tipos de vidrio para su transformación en fibra. Una vez fundido, el vidrio se transfiere al equipo de conformado a través de un canal (precrisol) ubicado al final del horno.

Formando fibras

Se utilizan varios procesos diferentes para formar fibras, según el tipo de fibra. Las fibras textiles pueden formarse a partir de vidrio fundido directamente del horno, o bien, el vidrio fundido puede introducirse primero en una máquina que forma canicas de vidrio de aproximadamente 1,6 cm (0,62 pulgadas) de diámetro. Estas canicas permiten inspeccionar visualmente el vidrio para detectar impurezas. Tanto en el proceso de fusión directa como en el de fusión de canicas, el vidrio o las canicas de vidrio se introducen a través de casquillos calentados eléctricamente (también llamados hileras). El casquillo está hecho de platino o aleación metálica, 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. Tras el flujo del vidrio a través de los orificios del casquillo, múltiples hebras se recogen en una bobinadora de alta velocidad. La bobinadora gira a unos 3 km por minuto, mucho más rápido que la velocidad de flujo de los casquillos. La tensión extrae los filamentos mientras aún están fundidos, formando hebras con un diámetro apenas inferior al de las aberturas del casquillo. Se aplica un aglutinante químico que evita que la fibra se rompa durante el procesamiento posterior. El filamento se enrolla en tubos. Ahora puede torcerse y doblarse para formar hilo.

Proceso de fibra cortada

Un método alternativo es el proceso de fibra corta. A medida que el vidrio fundido fluye a través de los casquillos, chorros de aire enfrían rápidamente los filamentos. Las ráfagas de aire turbulento también rompen los filamentos en longitudes de 20 a 38 cm (8 a 15 pulgadas). Estos filamentos caen mediante un rociador 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 ligeramente ensambladas. Esta hebra puede procesarse para obtener hilo mediante los mismos procesos que se utilizan para la lana y el algodón.

Fibra picada

En lugar de convertirse en hilo, la hebra continua o de fibra larga puede cortarse en trozos cortos. La hebra se monta en un conjunto de bobinas, llamadas filetas, y se pasa por una máquina que la corta en trozos cortos. La fibra cortada se transforma en esteras a las que se les añade un aglutinante. Tras el curado en un horno, la estera se enrolla. Diversos pesos y grosores dan lugar a productos para tejas, techos compuestos o esteras decorativas.

lana de vidrio

El proceso rotatorio o de hilado se utiliza para fabricar lana de vidrio. En este proceso, el vidrio fundido del horno fluye hacia un recipiente cilíndrico con pequeños orificios. A medida que el recipiente gira rápidamente, fluyen corrientes horizontales de vidrio por los orificios. Estas corrientes de vidrio fundido se convierten en fibras mediante una ráfaga descendente de aire, gas caliente o ambos. Las fibras caen sobre una cinta transportadora, donde se entrelazan formando una masa vellosa. Esta puede utilizarse como aislante, o bien la lana puede rociarse con un aglutinante, comprimirse hasta alcanzar el grosor deseado y curarse en un horno. El calor fija el aglutinante y el producto resultante puede ser un tablero rígido o semirrígido, o una lámina 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 pulverizan directamente sobre ella o se añaden al aglutinante. En ocasiones, también se pulveriza una composición antiestática sobre la superficie de las esteras aislantes de fibra de vidrio durante el enfriamiento. El aire de enfriamiento que pasa a través de la estera hace que el agente antiestático penetre en todo su espesor. El agente antiestático consta de dos ingredientes: un material que minimiza la generación de electricidad estática y un material que actúa como inhibidor de corrosión y estabilizador. El apresto es cualquier recubrimiento que se aplica a las fibras textiles durante la operación de conformado y puede contener uno o más componentes (lubricantes, aglutinantes o agentes de acoplamiento). Los agentes de acoplamiento se utilizan en los cordones que se utilizarán para reforzar plásticos, para reforzar la unión con el material reforzado. En ocasiones, se requiere una operación de acabado para eliminar estos recubrimientos o añadir otro. En el caso de los refuerzos de plástico, el apresto puede eliminarse con calor o productos químicos y aplicar un agente de acoplamiento. Para aplicaciones decorativas, las telas deben someterse a un tratamiento térmico para eliminar el apresto y fijar el tejido. Posteriormente, se aplican capas de base de tinte antes del teñido o la impresión.

Dando forma

Los productos de fibra de vidrio vienen en una amplia variedad de formas y se fabrican mediante diversos procesos. Por ejemplo, el aislamiento de fibra de vidrio para tuberías se enrolla en moldes con forma de varilla llamados mandriles directamente desde las unidades de conformado, antes del curado. Los moldes, de longitudes de 91 cm o menos, se curan en un horno. Las piezas curadas se desmoldan longitudinalmente y se cortan a 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 diversos puntos del proceso para garantizar su calidad. Estos puntos incluyen: la mezcla que se alimenta al horno eléctrico de fusión; el vidrio fundido del casquillo que alimenta el fibrizador; la fibra de vidrio que sale del fibrizador; y el producto curado final que sale de la línea de producción. Las muestras de vidrio y fibra a granel se analizan para determinar su composición química y la presencia de defectos mediante sofisticados analizadores químicos y microscopios. La distribución granulométrica del material se obtiene pasándolo por tamices de diferentes tamaños. El espesor del producto final se mide después del envasado, según las especificaciones. Un cambio en el espesor indica que la calidad del vidrio está por debajo del estándar.

Los fabricantes de aislamientos de fibra de vidrio también utilizan diversos procedimientos de prueba estandarizados para medir, ajustar y optimizar la resistencia acústica, la absorción acústica y el rendimiento de la barrera acústica. Las propiedades acústicas pueden controlarse ajustando variables de producción como el diámetro de la fibra, la densidad aparente, el espesor y el contenido de aglutinante. Un enfoque similar se utiliza para controlar las propiedades térmicas.

El futuro

La industria de la fibra de vidrio se enfrenta a importantes desafíos durante el resto de la década de 1990 y posteriormente. 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 generado un exceso de capacidad, que el mercado actual y quizás futuro no pueden satisfacer.

Además del exceso de capacidad, otros materiales aislantes competirán. La lana de roca se ha generalizado gracias 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 la debilidad del mercado inmobiliario, los consumidores exigen precios más bajos. Esta demanda también se debe a la continua tendencia a la consolidación de minoristas y contratistas. En respuesta, la industria del aislamiento de fibra de vidrio deberá 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 prácticamente nula de residuos sólidos sin aumentar los costos. Esto requerirá mejorar los procesos de fabricación para reducir los residuos (tanto líquidos como gaseosos) y reutilizarlos siempre que sea posible.

Estos residuos pueden requerir reprocesamiento y refundición antes de su reutilización como materia prima. Varios fabricantes ya están abordando estos problemas.