¿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 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 mantas, paneles o planchas para aislamiento y filtración. La fibra de vidrio se puede hilar de forma similar a la lana o el algodón, y tejer para formar 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 aislamiento térmico y absorción acústica. Se encuentra comúnmente en mamparos y cascos de barcos y submarinos; compartimentos de motor y revestimientos de carrocería de automóviles; hornos y unidades de aire acondicionado; paneles acústicos para paredes y techos; y tabiques arquitectónicos. 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 tiene 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 ya creaban hebras de vidrio para decorar copas y jarrones durante el Renacimiento. El físico francés René-Antoine Ferchault de Réaumur elaboró ​​textiles decorados con finas hebras de vidrio en 1713, y en 1822, inventores británicos replicaron la hazaña. Un tejedor de seda británico creó una tela de vidrio en 1842, y otro inventor, Edward Libbey, exhibió un vestido tejido con vidrio en la Exposición Mundial Colombina de Chicago de 1893.

La lana de vidrio, una masa esponjosa de fibras discontinuas de longitudes aleatorias, se produjo por primera vez en Europa a principios del siglo XX, mediante un proceso que consistía en estirar las fibras desde varillas horizontalmente hacia 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 orientados a la producción industrial de fibras 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 de bajo costo al estirar 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 de 3 mil 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 ingredientes principales son arena de sílice, piedra caliza y carbonato de sodio. Otros ingredientes pueden incluir alúmina calcinada, bórax, feldespato, sienita nefelínica, magnesita y arcilla de caolín, entre otros. La arena de sílice se utiliza como formador de vidrio, y el carbonato de sodio y la piedra caliza ayudan principalmente a reducir la temperatura de fusión. Otros ingredientes se utilizan para mejorar ciertas propiedades, como el bórax para la resistencia química. El vidrio de desecho, también llamado vidrio reciclado, también se utiliza como materia prima. Las materias primas deben pesarse cuidadosamente en cantidades exactas y mezclarse completamente (proceso llamado dosificación) antes de fundirse para formar el vidrio.

La fabricación
Proceso

Fusión

Una vez preparada la mezcla, se introduce en un horno para su fusión. 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 poder transformarlo en fibra. Una vez fundido, el vidrio se transfiere al equipo de conformado a través de un canal (frente) 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 bolitas de vidrio de aproximadamente 1,6 cm de diámetro. Estas bolitas permiten inspeccionar visualmente el vidrio en busca de impurezas. Tanto en el proceso de fusión directa como en el de fusión de bolitas, el vidrio o las bolitas de vidrio se introducen a través de boquillas calentadas eléctricamente (también llamadas hileras). La boquilla está hecha 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

Mediante el proceso de filamento continuo se puede producir una fibra larga y continua. Después de que el vidrio fluye a través de los orificios del casquillo, varios filamentos se enrollan en una bobinadora de alta velocidad. La bobinadora gira a unos 3 km por minuto, mucho más rápido que el flujo del filamento. La tensión extrae los filamentos mientras aún están fundidos, formando hebras con un diámetro mucho menor que el de las aberturas del casquillo. Se aplica un aglutinante químico que evita que la fibra se rompa durante el procesamiento posterior. A continuación, el filamento se enrolla en tubos. Ahora se puede torcer y convertir en hilo.

Proceso de fibra discontinua

Un método alternativo es el proceso de fibra cortada. 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 los fragmentan en longitudes de 20 a 38 cm (8 a 15 pulgadas). Estos filamentos caen a través de un rocío de lubricante sobre un tambor giratorio, donde forman una fina red. La red se extrae del tambor y se estira hasta formar un hilo continuo de fibras poco compactas. Este hilo se puede procesar para convertirlo en hilo mediante los mismos procesos que se utilizan para la lana y el algodón.

Fibra picada

En lugar de hilarse, la fibra continua o de fibra larga se puede cortar en trozos cortos. La fibra se monta en un conjunto de bobinas, llamado portabobinas, y se pasa por una máquina que la corta en trozos pequeños. La fibra cortada se transforma en esteras a las que se añade un aglutinante. Tras el curado en un horno, la estera se enrolla. Se obtienen productos de diversos grosores y gramajes para tejas, cubiertas multicapa 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, salen chorros horizontales de vidrio por los orificios. Estos chorros 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 esponjosa. Esta puede utilizarse como aislante, o bien, la lana puede rociarse con un aglutinante, comprimirse hasta obtener el grosor deseado y curarse en un horno. El calor fija el aglutinante, y el producto resultante puede ser un panel rígido o semirrígido, o una manta 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 aplican directamente sobre ella o se añaden al aglutinante. En ocasiones, también se aplica una composición antiestática sobre la superficie de las esteras de aislamiento de fibra de vidrio durante la etapa de 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 la corrosión y estabilizador. El apresto es cualquier recubrimiento aplicado 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 filamentos que se usarán para reforzar plásticos, para fortalecer la unión con el material reforzado. A veces se requiere una operación de acabado para eliminar estos recubrimientos o para añadir otro. Para los refuerzos de plástico, los aprestos se pueden eliminar con calor o productos químicos y se puede aplicar un agente de acoplamiento. Para aplicaciones decorativas, los tejidos deben someterse a un tratamiento térmico para eliminar los aprestos y fijar el tejido. Posteriormente, se aplican recubrimientos base para el tinte antes de teñir o estampar.

Formando figuras

Los productos de fibra de vidrio se presentan en una amplia variedad de formas, elaboradas mediante diversos procesos. Por ejemplo, el aislamiento de fibra de vidrio para tuberías se enrolla en varillas llamadas mandriles directamente desde las unidades de moldeo, antes del curado. Estas varillas, de 91 cm (3 pies) o menos de longitud, se curan en un horno. Posteriormente, se desmoldan longitudinalmente y se cortan a las dimensiones especificadas. Si es necesario, se aplican revestimientos 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 puntos del proceso para garantizar la calidad. Estos puntos incluyen: la mezcla que se introduce en el horno de fusión eléctrico; el vidrio fundido que sale del inyector que alimenta la desfibradora; la fibra de vidrio que sale de la desfibradora; y el producto final curado que sale del final de la línea de producción. Las muestras 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 partícula del material se obtiene haciéndolo pasar por varios tamices de diferentes tamaños. El producto final se mide en espesor después del envasado, 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 diversos procedimientos de prueba estandarizados para medir, ajustar y optimizar la resistencia acústica, la absorción sonora y el rendimiento como barrera acústica de sus productos. 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 se enfrenta a importantes desafíos durante el resto de la década de 1990 y en adelante. 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 el futuro, no puede absorber.

Además del exceso de capacidad, otros materiales aislantes competirán con el mercado. La lana de roca se ha popularizado 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 que compite con el aislamiento es la celulosa, utilizada en el aislamiento de áticos.

Debido a la baja demanda de aislamiento térmico, consecuencia de la debilidad del mercado inmobiliario, los consumidores exigen precios más bajos. Esta demanda también se debe a la continua consolidación de minoristas y contratistas. En respuesta, la industria del aislamiento de fibra de vidrio deberá seguir reduciendo costos en dos áreas clave: energía y medio ambiente. Será necesario utilizar sistemas de calefacción más eficientes que no dependan de una sola fuente de energía.

Dado que los vertederos están alcanzando su máxima capacidad, los fabricantes de fibra de vidrio deberán 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 poder reutilizarlos como materia prima. Varios fabricantes ya están abordando estos problemas.