“FIBRA DE VIDRIO Y FIBRA DE CARBONO” I. INDICE I. INDICE ..................................................................................................................... 2 II. DEDICATORIA ......................................................................................................... 6 III. AGRADECIMIENTO.............................................................................................. 7 IV. RESUMEN ............................................................................................................ 8 V. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 11 VI. MARCO TEORICO.............................................................................................. 13 1.1. DEFINICIÓN .................................................................................................... 14 1.2. FORMACIÓN DE FIBRAS ............................................................................... 15 1.3. ESTRUCTURA QUÍMICA ................................................................................ 15 1.4. PROPIEDADES ............................................................................................... 18 1.5. TIPOS DE VIDRIO PARA FIBRAS .................................................................. 19 a. FIBRAS TIPO E ............................................................................................... 19 b. FIBRAS TIPO AR ............................................................................................ 20 c. FIBRAS TIPO C ............................................................................................... 21 d. FIBRAS DE TIPO D ......................................................................................... 22 e. FIBRAS DE TIPO R ......................................................................................... 22 1.6. PROCESO DE OBTENCIÓN ........................................................................... 23 1.7. FORMAS COMERCIALES DE FIBRAS DE VIDRIO ........................................ 27 a. ROVING .......................................................................................................... 27 b. HILO CORTADO (FIBRA LARGA) ................................................................... 28 c. HILO CORTADO (FIBRA CORTA) .................................................................. 28 d FIBRA MOLIDA ............................................................................................... 29 e. MAT DE HILOS CORTADOS .......................................................................... 29 f. MAT DE FILAMENTO CONTINUO .................................................................. 30 g. TEJIDOS ........................................................................................................ 30 h. VELOS ............................................................................................................ 31 1.8. APLICACIONES Y USOS DE LA FIBRA DE VIDRIO ..................................... 31 1.9. PLÁSTICO REFORZADO CON FIBRA DE VIDRIO ........................................ 35 2 1.10. IMPORTANCIA DEL RECICLAJE DEL VIDRIO PARA FABRICAR FIBRA ...... 36 1.11. FIBRA DE VIDRIO EN LA SALUD ................................................................... 37 1.12. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE VIDRIO A NIVEL NACIONAL ..................... 38 EMPRESAS QUE PRODUCEN FIBRA DE VIDRIO EN PERU .................... 38 1.13. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE VIDRIO A NIVEL INTERNACIONAL .......... 38 EMPRESAS QUE PRODUCEN FIBRA DE VIDRIO EN EL MUNDO ............. 40 1.14. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE VIDRIO A NIVEL MUNDIAL ....................... 41 2.2. DEFINICIÓN .................................................................................................... 44 2.3. HISTORIA ....................................................................................................... 44 2.4. PROPIEDADES PRINCIPALES ...................................................................... 45 2.5. ESTRUCTURA ................................................................................................ 45 2.6. PROCESO DE OBTENCION ........................................................................... 46 SÍNTESIS ...................................................................................................... 46 PROCESO DE FABRICACIÓN ..................................................................... 48 2.7. APLICACIONES DE LA FIBRA DE CARBONO ............................................... 49 2.8. FIBRA DE CARBONO EN LA SALUD ............................................................. 51 2.9. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO A NIVEL NACIONAL ............... 52 2.10. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO A NIVEL INTERNACIONAL ..... 53 2.11. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO A NIVEL MUNDIAL ................. 56 PERSPECTIVA MUNDIAL DE LAS FIBRAS DE CARBONO Y LOS COMPUESTOS DE FIBRA VII. DE CARBONO .................................................... 58 CONCLUSION .................................................................................................... 59 3 ÍNDICE DE GRAFICOS Figura 1: SiO2 en su forma cristalina, el cuarzo 15 Figura 2: Oxigeno y Silicio 16 Figura 3: SiO2 en estado amorfo, vidrio 16 Figura 4: Estructura de vidrio resistente 17 Figura 5: Proceso de fundición directa 24 Figura 6: Proceso de fundición indirecta 24 Figura 7: Bushing con doble plato base 24 Figura 8: Salida del vidrio fundido de las boquillas 25 Figura 9: Boquillas 25 Figura 10: Aletas de enfriamiento en uso 26 Figura 11: Aletas de enfriamiento 26 Figura 12: Proceso de filamento continúo 27 Figura 13: Roving 28 Figura 14: Hilo Cortado (fibra larga) 28 Figura 15: Hilo Cortado (fibra corta) 29 Figura 16: Fibra molida 29 Figura 17: MAT de hilos cortados 30 Figura 18: MAT de filamento continúo 30 Figura 19: Tejidos 31 Figura 20: Velos 31 Figura 21: Plástico reforzado con fibra de vidrio 33 Figura 22: Circuito del reciclado del vidrio 34 Figura 23: Esquema de fabricación del vidrio 34 Figura 24: Sección de lámina de grafito 44 Figura 25: Poliacrilonitrilo 44 Figura 26: Piridínicos fusionados. 45 Figura 27: Cadenas adyacentes unidas 45 Figura 28: polímero de anillos fusionados 45 Figura 29: Caña de pescar telescópica 47 Figura 30: Notebook con carcaza de PRFC 48 4 Figura 31: Aspas de molinos de viento 48 Figura 32: Velero con casco de fibra de carbono 48 Figura 33: Joint Strike Fighter es el mayor esfuerzo en tecnología aeronáutica jamás realizado, que utiliza la fibra de carbono al máximo. Foto Boeing X-32 49 Figura 34: Colocación de la manta de fibra en la columna 51 Figura 35: Distribución geográfica de los lugares de fabricación de fibra de carbono 54 Figura 36: Distribución geográfica de la capacidad mundial de fibra de carbono 55 ÍNDICE DE GRAFICOS Grafico1: Hilados de fibra de vidrio (2010) 39 Grafico 2: Capacidad porcentaje de fibra de carbono fabricantes mundiales de 2009 (basada en la capacidad de remolque de fibra de carbono) 52 Grafico 3: Capacidades de fibra de carbono (2011) en TM por fabricante 52 Grafico 4: Países en función de la capacidad de producción de fibra de carbono que lleva en el año 2016 (en 1.000 toneladas métricas) 53 Grafico 5: Capacidades de fibra de carbono (2011) 53 Grafico 6: Capacidad porcentaje de fibra de carbono fabricantes mundiales de 2009 (Basada en la capacidad de remolque de fibra de carbono) 56 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Composición (% en peso) de los distintos vidrios (valores típicos) 18 Tabla 2: Propiedades mecánicas 18 Tabla 3: Uso de compuestos de fibra de vidrio 36 Tabla 4: hilados de fibra de vidrio (2010) 39 Tabla 5: consumo final de fibra de carbono (TM) 56 Tabla 6: resumen mundial de la demanda de fibra de carbono (MT) 57 5 II. DEDICATORIA Este presente trabajo va dedicado primeramente a nuestros padres por ser el motivo esencial de nuestros esfuerzos y triunfos, también va dedicado a los docentes por darnos y mostrarnos sus sabios conocimientos que nos brindan día a día 6 III. AGRADECIMIENTO En primer lugar mi agradecimiento a Dios por iluminar nuestros caminos, a nuestros padres por inculcarnos el camino del bien y a la ingeniera Ana María Jiménez Pasache por toda su dedicación brindada en este proceso de aprendizaje; muchas gracias 7 IV. RESUMEN FIBRA DE VIDRIO La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos poliméricos basados en dióxido de silicio (SiO2) extremadamente finos. 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 y herramienta más refinadas. Las fibras de vidrio también se pueden formar naturalmente y se les conoce como "Cabellos de Pelé". Fue inventada en 1938 por Russell Games Slayter en la OwensCorning como un material que podría ser usado como aislante en la construcción de edificios. Fue comercializado bajo el nombre comercial Fiberglass. La primera producción comercial de fibra de vidrio fue en 1936. La base de la fibra vidrio grado textil es la sílice (SiO2). En su forma más pura que existe como un polímero, (SiO2)n. No tiene verdadero punto de fusión, pero se ablanda hasta los 2000°C, Sus principales propiedades son: buen aislamiento térmico, inerte ante ácidos, soporta altas temperaturas. TIPOS DE VIDRIO PARA FIBRAS Vidrio A: alto contenido en sílice, uso como reforzante y posee gran resistencia química. Vidrio B: excelentes propiedades eléctricas y gran durabilidad. Vidrio ERC: con propiedades eléctricas combinadas con resistencia química. D. Vidrio S: es el más costoso. Alta resistencia a la tracción y estabilidad térmica. Construcción y aeronáutica. Vidrio C: compuesta de un 60-72% SiO2, 9-17% CaO, MgO y 0.5-7% B2O3. Alta resistencia química. Vidrio R: compuesta de un 60% SiO2, 25% Al2O3, 9% CaO y 6% MgO. Alta resistencia mecánica y módulo de elasticidad. Vidrio D: compuesta de un 73-74% SiO2, y 22-23% B2O3. Alto coeficiente dieléctrico. Vidrio X: Transparencia a los rayos X. Fibra tipo E: compuesta de 53-54% SiO2, 14-15.5% Al2O3, 20-24% CaO, MgO y 6.59% B2O3, y escaso contenido en álcalis. Posee buenas propiedades dieléctricas, además de sus excelentes propiedades frente al fuego. PROCESO DE OBTENCIÓN Hay dos métodos principales de fabricación de fibra de vidrio y dos tipos principales de productos de fibra de vidrio. La fibra se puede hacer por un proceso de fusión directa o por un proceso de refundición. Ambos comienzan con las materias primas en estado sólido. Los materiales se mezclan y se funden en un horno. 8 En el proceso de fusión directa, el vidrio fundido del horno va directamente al buje de conformación. El bushing sirve como colector de vidrio fundido. Se calienta en cierta medida para mantener el vidrio a la temperatura correcta para la formación de fibras. Entonces, para el proceso de refundición, el material fundido es cortado y enrollado en bolitas, que son enfriados y envasados. Estas canicas son llevadas a las instalaciones de fabricación de fibra en el que se insertan en un cilindro y el material es refundido. El vidrio fundido se extruye a través de un cabezal con boquillas, denominado bushing, que lo conforma en filamentos. El bushing actúa más como un horno que derrite más el material. Al fluir el vidrio a través de la boquilla se forma una gota que está suspendida de la boquilla. A medida que cae, va formando un hilo, siempre y cuando la viscosidad este en el rango correcto para la formación de fibras. Los filamentos obtenidos al salir de las boquillas son enfriados al pasar por aletas de enfriamiento (refrigeradas con agua) para luego ser enrollados en bobinas (fibra continua) o tratados mediante una corriente de aire para la obtención de una felpa (mat). PROCESO DE FILAMENTO CONTINÚO En el proceso de filamento continuo, después de que la fibra se extrae, se aplica un apresto. Este apresto ayuda a proteger la fibra al enrollarse en una bobina. PROCESO DE FIBRAS DISCONTINUAS El vidrio es tratado con calor o vapor después de salir de la máquina de formación. Por lo general, estas fibras forman una especie de mat (felpa) En este caso, el vidrio entra en un dispositivo giratorio, y debido a la fuerza centrífuga es lanzado horizontalmente. Se aplican aglutinantes y corriente de aire. A continuación, la felpa de fibra de vidrio es conformada por vacío en un filtro y luego entra en un horno para el curado del aglutinante La fibra de vidrio es usada para realizar los cables de fibra óptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para transmitir señales lumínicas, producidas por láser o LEDs. También se utiliza como aislante térmico en la construcción, en modo de mantas o paneles de unos pocos centímetros. Las empresas que producen fibra de vidrio en peru son: FIBREX S.A, Grupo TDM, Clark, Metaquim Las empresas que producen fibra de vidrio en el mundo son: Owens Corning Corporation (Estados Unidos), Saint-Gobain · Vetrotex (Francia),el Grupo Jushi de China (China), PPG Industries Inc. (Estados Unidos), Shandong Taishan fibra de vidrio. FIBRA DE CARBONO La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono. Cada fibra de carbono es la unión de miles de filamentos de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir 9 del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero. En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma Tiene como propiedades principales la resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado, Baja densidad, en comparación con el acero, Elevado precio de producción, Resistencia a agentes externos, Gran capacidad de térmico. La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto PROCESO DE FABRICACIÓN La fibra de carbono se fabrica a partir de otro polímero, llamado poliacrilonitrilo, a través de un complicado proceso de calentamiento. Cuando se calienta el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas ciano formen anillos, al aumentamos el calor, los átomos de carbono se deshacen de sus hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este polímero constituye una serie de anillos piridínicos fusionados. Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este modo, las cadenas adyacentes se unen, este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la temperatura de 600 hasta 1300ºC, nuevas cintas se unirán para formar cintas más anchas, de este modo se libera nitrógeno, el polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su forma de grafito. La fibra de carbono se aplica principalmente la industria del transporte y el deporte de alta competición. En la industria aeronáutica y automovilística. El Perú no se produce fibra de carbono pero hay empresas constructoras que usan este producto (fibra de carbono) para reforzar y fortalecer edificaciones brindando así mayor tiempo de duración de las construcciones. Las empresas que producen fibra de carbono en el mundo son:Hexcel, Cytec Industries, fibras de EFT, Formosa Plastics, Mitsubishi Rayon, Toray Industries,Grupo de SGL, Toho Tenax, La fibra de carbono Toray, Zoltek, Mitsubishi Rayon Co., Ltd.,Nippon grafito de fibra Corporación. En 2016 la capacidad de producción de fibra de carbono en los Estados Unidos y México juntos ascendieron a 46.300 toneladas métricas. 10 V. INTRODUCCIÓN La fibra de vidrio, tal como lo indica su nombre, es un material que consiste en numerosos y extremadamente finas fibras de vidrio. Los fabricantes de vidrio, a lo largo de la historia, han experimentado con fibras de vidrio, pero la fabricación en masa de fibra de vidrio, sólo fue posible con la invención de maquinaria de herramientas más finas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en la Exposición Mundial Colombina (Feria Mundial de Chicago) con la incorporación de fibras de vidrio con el diámetro y la textura de las fibras de seda. Este fue usado por primera vez por la actriz de teatro popular de la época Georgia Cayvan. Las fibras de vidrio también puede ocurrir naturalmente, como el pelo de Pele (es un término geológico de hilos o fibras de vidrio volcánico que se forman cuando pequeñas partículas de material fundido son lanzados al aire en erupciones volcánicas). La lana de vidrio, lo que se conoce comúnmente hoy como "fibra de vidrio", sin embargo, fue inventado en 1938 por Russell Games Slayter de Owens-Corning como un material para ser utilizado como aislante. Se comercializa bajo el nombre comercial de Fiberglass, que se ha convertido en una marca registrada generalizada. En1975 que se formó la Asociación de Concreto Reforzado con Fibra de vidrio en Estados Unidos. Esta es una asociación de empresas, constructoras, arquitectos e ingenieros, abierto a intercambiar avances en la tecnología de mezclar fibra de vidrio y cemento. La tecnología permite lograr mayor complejidad en envolventes de edificaciones y así generar paneles prefabricados vaciados en moldes a medida. El proceso consiste en disparar (spray) cemento con fibra que se mezclan al llegar a la pistola sobre el molde construido en base a dibujos arquitectónicos. Actualmente, se utiliza en Estados Unidos, Europa, Asia mientras que en Latinoamérica se ha empleado en Colombia, Brasil y México en diferentes aplicaciones y muy distintas arquitecturas. La fibra de carbono (fibrocarbono), es un material formado por fibras de 50-10 micras de diámetro, compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbono están unidos entre sí en cristales que son más o menos alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra. La alineación de cristal da a la fibra de carbono alta resistencia en función del volumen (lo hace fuerte para su tamaño). Varios miles de fibras de carbono están trenzados para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en una tela. Las propiedades de las fibras de carbono, tales como una alta flexibilidad, alta resistencia, bajo peso, alta resistencia, tolerancia a altas temperaturas y baja 11 expansión térmica, las hacen muy populares en la industria aeroespacial, ingeniería civil, aplicaciones militares, deportes de motor junto con muchos otros deportes. Sin embargo, son relativamente caros en comparación con las fibras similares, tales como fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran medida su uso. Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Cuando se combina con una resina plástica es moldeada para formar un plástico reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado también como fibrocarbono) el cual tiene una muy alta relación resistencia-peso, extremadamente rígido, aunque el material es un tanto frágil. Sin embargo, las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como por ejemplo con el grafito para formar compuestos carbono-carbono, que tienen una tolerancia térmica muy alta. 12 VI. MARCO TEORICO CAPITULO I FIBRA DE VIDRIO 13 1.1. DEFINICIÓN La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos poliméricos basados en dióxido de silicio (SiO2) extremadamente finos. 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 y 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 OwensCorning como un material que podría ser usado como aislante en la construcción de edificios. Fue comercializado bajo el nombre comercial Fiberglass, 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.1 Las propiedades principales de este material son: Alta resistencia a la tensión Incombustible Biológicamente inerte Excelente resistencia a la intemperie y a gran cantidad de agentes químicos Excelente estabilidad dimensional 6. Baja conductividad térmica2 1 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado:(22-01-17) Página web disponible en: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html Citado:(22-01-17) 2 14 1.2. FORMACIÓN DE FIBRAS La fibra de vidrio se forma cuando el vidrio es extruido en muchos filamentos de diámetro pequeño adecuado para el procesamiento textil. La técnica de calefacción y moldeo de vidrio en fibras finas se conoce desde hace milenios, sin embargo, el uso de estas fibras para aplicaciones textiles es más reciente. Hasta entonces se conocía las fibras de hilos cortados. La primera producción comercial de fibra de vidrio fue en 1936. En 1938, Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass Works se unieron para formar Owens-Corning Fiberglass Corporation. Cuando las dos compañías se unieron para producir y promover la fibra de vidrio, introdujeron en el mercado las fibras de vidrio de filamentos continuos. Hoy en día, Owens-Corning sigue siendo el mayor productor de fibra de vidrio en el mercado.3 1.3. ESTRUCTURA QUÍMICA La base de la fibra vidrio grado textil es la sílice (SiO2). En su forma más pura que existe como un polímero, (SiO2)n. Figura 2: SiO2 en su forma cristalina, el cuarzo No tiene verdadero punto de fusión, pero se ablanda hasta los 2000°C, en donde empieza a degradarse. A 1713°C, la mayoría de las moléculas pueden moverse libremente. Si el vidrio es extruido y se enfría rápidamente a esta temperatura, será incapaz de formar una estructura ordenada. En el polímero se forman grupos SiO4 que se configuran como un tetraedro con el átomo de silicio en el centro, y los cuatro átomos de oxígeno en las esquinas. Estos átomos forman una red vinculadas en las esquinas compartiendo los átomos de oxígeno. 3 Página web disponible en: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html (22-0117) 15 Figura 2: Oxigeno y Silicio Los estados vítreo y cristalino de la sílice (vidrio y cuarzo) tienen niveles similares de energía sobre una base molecular, que también implica que la forma cristalina es extremadamente estable. Con el fin de inducir la cristalización, debe ser calentado a temperaturas superiores a 1200°C durante largos periodos de tiempo. A pesar de que la sílice pura es un vidrio perfectamente viable para la fibra de vidrio, este debe ser trabajado en temperaturas muy altas, lo cual es un inconveniente a menos que estas propiedades químicas específicas sean necesarias. Al ser enfriado rápidamente la sílice se ve impedida de formar una estructura ordenada, es decir, presenta un estado amorfo. Figura 3: SiO2 en estado amorfo, vidrio Este es el vidrio que se emplea para lentes en telescopios y cosas por el estilo. Posee muy buenas propiedades ópticas, pero es quebradizo. Lo habitual es introducir impurezas (ejemplo: carbonato de sodio) en el vidrio en forma de otros materiales para bajar su temperatura de trabajo. Además esto nos brinda un vidrio más resistente, con una estructura similar a ésta: 16 Figura 4: Estructura de vidrio resistente Estos materiales también imparten otras propiedades a los cristales, que pueden ser beneficiosas en distintas aplicaciones. El primer tipo de vidrio utilizado para la fibra fue vidrio sodio-cálcico o vidrio A, este no es muy resistente a los álcalis. Un nuevo tipo, vidrio E, entonces fue formulado, que es un vidrio de aluminoborosilicato que prácticamente no tiene constituyente alcalino (<2%). Esta fue la primera formulación del vidrio utilizado para la formación de filamentos continuos. El vidrio E todavía constituye la mayor parte de la producción de fibra de vidrio en el mundo. Sus componentes, en particular, pueden variar ligeramente en porcentaje, pero debe estar dentro de un rango específico. La letra E se utiliza, ya que originalmente era de aplicaciones eléctricas. El vidrio S es una formulación de alta resistencia de uso cuando la resistencia a la tracción es la propiedad más importante. El vidrio C fue desarrollado para resistir el ataque de sustancias químicas, la mayoría de los ácidos que destruyen el vidrio E. El vidrio T es una variante de América del Norte de vidrio C. El vidrio A es un término industrial para vidrio roto, a menudo botellas, hechas en fibra. El vidrio AR es un vidrio resistente a los álcalis. La mayoría de las fibras de vidrio tienen limitada solubilidad en agua, pero son muy dependientes del pH. Los iones cloruro también atacan y disuelven las superficies del vidrio E. Los vidrios E en realidad no se derriten, sino que se ablandan, el punto de reblandecimiento es la temperatura a la cual una fibra de 0,55-0,77 mm de diámetro y 235 mm de largo, se alarga por su propio peso en 1 mm/min cuando se suspende verticalmente y se calienta a una tasa de 5°C por minuto. El punto de tensión se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 1014.5 poise. El punto de recocido, que es la temperatura en donde las tensiones internas se reducen a un límite aceptable comercialmente en 15 minutos, se caracteriza por una viscosidad de 1013 poise.4 4 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado:(22-01-17) 17 Tabla 1: Composición (% en peso) de los distintos vidrios (valores típicos) Oxido Vidrio E Vidrio C Vidrio S Vidrio A Vidrio D Vidrio R Vidrio ECR Basalto SiO2 55,0 66,0 65,0 67,5 74,0 60,0 61,0 52,0 Al2O3 14,0 4,0 25,0 3,5 - 24,0 13,0 17,2 TiO2 0,2 - - - - - - 1,0 B2O3 7,0 5,0 - 1,5 22,5 - - - CaO 22,0 14,0 - 6,5 - 9,0 22,0 8,6 MgO Na2O K2O Fe2O3 Punto de ablandamiento 1,0 0,5 0,3 - 3,0 7,5 5,0 - 10,0 - 4,5 13,5 3,0 - 1,5 2,0 - 6,0 0,5 0,1 - 3,0 0,5 - 5,2 5,0 1,0 5,0 840°C 750°C 950°C 700°C 720°C 950°C 840°C - Fuente: Tecnología de los Plásticos 1.4. PROPIEDADES a. Térmica Las fibras de vidrio son útiles aislantes térmicos debido a su alta proporción de superficie respecto al peso. Sin embargo, la mayor superficie hace mucho más susceptible al ataque químico. Por el atrapamiento del aire dentro, los bloques de fibra de vidrio hacen un buen aislamiento térmico, con una conductividad térmica del orden de 0,05 W/(m.K). b. Mecánica Tabla 2: Propiedades mecánicas Tipo de fibra Vidrio E Vidrio S2 Resistencia a la tracción (MPa) Resistencia a la compresión (MPa) Densidad (g/cm3) Expansión térmica um/(m°C) Temperatura de ablandamiento (°C) 3445 1080 2,58 5,4 846 4890 1600 2,46 2,9 1056 Fuente: Tecnología de los Plásticos La resistencia del vidrio suele ser testeada y notificada en las fibras vírgenes (aquellas que acaban de ser fabricadas). Las fibras más delgadas recién fabricadas son las más fuertes debido a que las fibras más delgadas son más dúctiles. Cuanto más rayada esté la superficie, menor será la tenacidad resultante. Debido a que el vidrio tiene una estructura amorfa, sus propiedades son las mismas a lo largo y a lo ancho de la fibra. La humedad es un factor importante en la resistencia a la tracción. La humedad es fácilmente absorbida, 18 y puede empeorar las grietas microscópicas y los defectos superficiales, y disminuir la tenacidad. En contraste con la fibra de carbono, la fibra de vidrio puede sufrir más de elongación antes de romperse. Existe una correlación entre el diámetro de curvatura de los filamentos y el diámetro del filamento. La viscosidad del vidrio fundido es muy importante para el éxito de la fabricación. Durante la elaboración (estirando el vidrio para reducir la circunferencia de la fibra), la viscosidad debe ser relativamente baja. Si es demasiado alta, la fibra se rompe durante el estirado. Sin embargo, si es demasiado baja, el vidrio forma gotas en lugar de moldearse en forma de fibra. 5 1.5. TIPOS DE VIDRIO PARA FIBRAS a. FIBRAS TIPO E Composición: Fibra inorgánica compuesta de 53-54% SiO2, 14-15.5% Al2O3, 20-24% CaO, MgO y 6.5-9% B2O3, y escaso contenido en álcalis. Este tipo de fibra posee buenas propiedades dieléctricas, además de sus excelentes propiedades frente al fuego. El vidrio tipo E tiene un peso específico de 2.6 g/cm3 Especificaciones técnicas: Mecánicas Tenacidad (N/tex): 1.30 Fuerza a la tracción (MPa): 3400 Elongación hasta rotura (%): 4.5 Térmicas Conductividad Térmica (W/m.K): 1 Resistencia termomecánica: 100% después de 100 h a 200ºC Eléctricas Resistividad (ohm x cm): 1014 - 1015 Factor de disipación dieléctrica: 0.0010 - 0.0018 a 106 Hz Químicas 5 Absorción de humedad a 20ºC y 60% de humedad relativa (%): 0.1 Resistencia a los disolventes: alta Resistencia a la intemperie y los rayos UV: alta Resistencia a microorganismos: alta Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado:(22-01-17) 19 Aplicaciones: Construcción: tejidos para decoración en locales públicos, aislante. Automoción: composites para componentes de vehículos. Deporte: composites para utensilios o aparejos para la práctica de deportes, como esquís, canoas, pértigas. Usos industriales: para todo tipo de composites para usos industriales, como piezas plásticas reforzadas con éste tipo de fibra, componentes para ordenadores. Marcas comerciales: ADVANTEX CAM EL YAF CENTRAL GLASS FIBER E HERCUFLEX DANYANG ZHONGYA EVANITE GLASSEIDEN GMBH NIPPON ELECTRIC GLASS FIBER NITOBO ASCO S-2 STARSTRAIN, TERMOFLOW THERMO E-GLASS TUFROV TURBOFIL VETROTEX b. FIBRAS TIPO AR Composición: La fibra de vidrio tipo AR es una fibra de alto contenido en óxido de zirconio. Este tipo de fibra posee muy buenas propiedades de resistencia a compuestos alcalinos. Tiene un peso específico de 2.68 - 2.7g/cm3 Especificaciones técnicas: Mecánicas Fuerza a la tracción (MPa): 3.000 – 3.500 Elongación hasta rotura (%): 4.3 Químicas Absorción de humedad a 20 ºC y 60% de humedad relativa (%): 0.1 Resistencia a los disolventes: alta Resistencia a la intemperie y los rayos UV: alta 20 Resistencia a microorganismos: alta Aplicaciones: Usos industriales: se utiliza como fibra de refuerzo en morteros a base de cemento, sustitución de amianto en tejados, paneles de fachadas, piezas de recubrimiento, de decoración. Marcas comerciales CEM-FIL NIPPON ELECTRIC c. FIBRAS TIPO C Composición: La fibra de vidrio tipo C es una fibra inorgánica compuesta de un 60-72% SiO2, 9-17% CaO, MgO y 0.5-7% B2O3. Se caracteriza por su alta resistencia química, por ello se suele aplicar para aquellos productos dónde se necesite dicha propiedad. Tiene un peso específico de 2.5 g/cm3. Especificaciones técnicas: Mecánicas Tenacidad (N/tex): 1.24 Fuerza a la tracción (MPa): 3100 Elongación hasta rotura (%): 4 Eléctricas Factor de disipación dieléctrica: 0.005 a 106Hz Químicas Absorción de humedad a 20ºC y 60% de humedad relativa (%): 0.1 Resistencia a los disolventes: alta Resistencia a la intemperie y los rayos UV: alta Resistencia a microorganismos: alta Aplicaciones: Usos industriales: se utiliza para productos dónde se necesite una alta resistencia química, para torres de refrigeración, material para techos, tanques de agua, tinas de baño, tubería, barcos. Marcas comerciales: DANYANG ZHONGYA MICROGLASS UNITEX VETROTEX 21 d. FIBRAS DE TIPO D Composición: La fibra de vidrio “tipo D” es una fibra inorgánica compuesta de un 73-74% SiO2, y 22-23% B2O3. Posee muy buenas propiedades dieléctricas, además de sus excelentes propiedades frente al fuego, su peso específico es de 2.14 g/cm3. Especificaciones técnicas: Mecánicas Tenacidad (N/tex): 1.17 Fuerza a la tracción (MPa): 2500 Elongación hasta rotura (%): 4.5 Térmicas Conductividad Térmica (W/m.K): 0.8 Eléctricas Factor de disipación dieléctrica: 0.0005 106 Hz Químicas Absorción de humedad a 20 ºC y 60% de humedad relativa (%): 0.1 Aplicaciones: Usos industriales: se utiliza para composites permeables a las ondas electromagnéticas, para radares, ventanas electromagnéticas, circuitos impresos de alta gama. Marcas comerciales VETROTEX e. FIBRAS DE TIPO R Composición: La fibra de vidrio “tipo R” es una fibra compuesta de un 60% SiO2, 25% Al2O3, 9% CaO y 6% MgO. Posee buenas propiedades mecánicas y es resistente a la fatiga, temperatura y humedad. Su peso específico es de 2.53g/cm3. Especificaciones técnicas Mecánicas Tenacidad (N/tex): 1.74 Fuerza a la tracción (MPa): 4400 Elongación hasta rotura (%): 5.2 Térmicas Conductividad Térmica (W/m.K): 1 Resistencia termomecánica: 50% después de 150 h a 750ºC 22 Eléctricas Resistividad (ohm x cm): 1014 – 1015 Factor de disipación dieléctrica: 0.0019 a 105 Hz Químicas Absorción de humedad a 20ºC y 60% de humedad relativa (%): 0.1 Resistencia a los disolventes: alta Resistencia a la intemperie y los rayos UV: alta Resistencia a microorganismos: alta Aplicaciones Usos industriales: se utiliza como fibra de refuerzo en palas de helicópteros, componentes en aeronáutica, cisternas de cohetes, misiles, lanza-misiles. Marcas comerciales VETROTEX6 1.6. PROCESO DE OBTENCIÓN FUSIÓN Hay dos métodos principales de fabricación de fibra de vidrio y dos tipos principales de productos de fibra de vidrio. La fibra se puede hacer por un proceso de fusión directa o por un proceso de refundición. Ambos comienzan con las materias primas en estado sólido. Los materiales se mezclan y se funden en un horno. a. Método de fusión directa: en este método, el horno se alimenta con la mezcla formada por los distintos componentes del vidrio debidamente homogeneizada y refinada. b. Método de fabricación por bolitas o proceso de refundición: El material fundido es cortado y enrollado en bolitas (de 0.19 mm), que son enfriados y envasados. Estas canicas son llevadas a las instalaciones de fabricación de fibra en el que se insertan en un cilindro y el material es refundido. El vidrio fundido se extruye a través de un cabezal con boquillas, denominado bushing, que lo conforma en filamentos. La tendencia actual se inclina por el método de fusión directa, por su mejor rendimiento. 6 Página web disponible en: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html Citado:(22-01-17) 23 Figura 5: Proceso de fundición directa Figura 6: Proceso de fundición indirecta CONFORMACIÓN La placa del bushing es la parte más importante de la maquinaria para la fabricación de la fibra. Se trata de un cabezal calefaccionado de metal que contiene las boquillas para que los filamentos se formen a través de estas. Figura 7: Bushing con doble plato base 24 Figura 8: Salida del vidrio fundido de las boquillas El bushing es casi siempre hecho de platino aleado con rodio para una mayor durabilidad debido a que se encuentra expuesto a elevadas temperaturas. En el proceso de fusión directa, el bushing sirve como colector de vidrio fundido. Se calienta en cierta medida para mantener el vidrio a la temperatura correcta para la formación de fibras. En el proceso de refundición, el bushing actúa más como un horno que derrite más el material. Estos cabezales (bushings) son el mayor gasto en la producción de fibra de vidrio. El diseño de la boquilla es también crítico, de esto depende en gran medida la correcta formación de los filamentos de vidrio. El número de boquillas oscila entre 200 y 4000 en múltiplos de 200. El factor más importante de la boquilla en la fabricación de filamentos continuos es el espesor de sus paredes en la región de salida. Figura 9: Boquillas Hoy en día, las boquillas están diseñadas para tener un espesor mínimo a la salida. Al fluir el vidrio a través de la boquilla se forma una gota que está suspendida de la boquilla. A medida que cae, va formando un hilo, siempre y cuando la viscosidad este en el rango correcto para la formación de fibras. Los filamentos obtenidos al 25 salir de las boquillas son enfriados al pasar por aletas de enfriamiento (refrigeradas con agua) para luego ser enrollados en bobinas (fibra continua) o tratados mediante una corriente de aire para la obtención de una felpa (mat). Figura 10: Aletas de enfriamiento en uso Figura 11: Aletas de enfriamiento PROCESO DE FILAMENTO CONTINÚO En el proceso de filamento continuo, después de que la fibra se extrae, se aplica un apresto. Este apresto ayuda a proteger la fibra al enrollarse en una bobina. El apresto concreto aplicado es relativo al uso final que tenga la fibra. Mientras que algunos aprestos son coadyuvantes de la elaboración, otros hacen de la fibra tenga una afinidad por ciertas resinas, si la fibra se va a utilizar en un composite. El apresto es generalmente añadido en un 0,5-2,0% en peso. El bobinado se lleva a cabo en torno a 1000 m por minuto. 26 Figura 12: Proceso de filamento continúo Fuente: Tecnología de los Plásticos PROCESO DE FIBRAS DISCONTINUAS Para la producción de fibras discontinuas, hay una serie de formas para la fabricación de la fibra. El vidrio es tratado con calor o vapor después de salir de la máquina de formación. Por lo general, estas fibras forman una especie de mat (felpa). El proceso más común es el proceso rotativo. En este caso, el vidrio entra en un dispositivo giratorio, y debido a la fuerza centrífuga es lanzado horizontalmente. Se aplican aglutinantes y corriente de aire. A continuación, la felpa de fibra de vidrio es conformada por vacío en un filtro y luego entra en un horno para el curado del aglutinante.7 1.7. FORMAS COMERCIALES DE FIBRAS DE VIDRIO En la industria de los plásticos reforzados con fibras de vidrio, dependiendo de la pieza que se desee obtener como el método de conformación utilizado existen una amplia gama de formas de fibras de vidrio en el mercado que se pueden emplear. a. ROVING El Roving es una hebra de hilos continuos de filamentos de fibra de vidrio con cierta torsión mecánica, fabricado con un vidrio Tipo E. Se utiliza para pultrusión y bobinado filamentario. El roving sin torsión se utiliza generalmente para el proceso de laminado por spray. 7 Página web disponible en: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html Citado: (22-01-17) 27 Figura 13: Roving b. HILO CORTADO (FIBRA LARGA) El hilo cortado está formado por hilos continuos de vidrio tipo E cortados a longitudes específicas, los cuales están diseñados para usarse en compuestos moldeables de resinas poliéster y epoxi, así como para mezclado en seco en aplicaciones con resinas fenólicas. Tiene múltiples aplicaciones en la industria eléctrica, del transporte y en compuestos moldeables. Se utiliza en procesos de termocompresión e inyección. Figura 14: Hilo Cortado (fibra larga) c. HILO CORTADO (FIBRA CORTA) El hilo cortado está formado por hilos continuos cortados a longitudes específicas. Está fabricado con Vidrio Tipo E. se usa como refuerzo de termoplásticos, tales como: ABS, polipropileno, Nylon, poliestireno, PVC y SAN. 28 Figura 15: Hilo Cortado (fibra corta) d. FIBRA MOLIDA La fibra molida está compuesta por filamentos de vidrio recubiertos con un apresto especial para hacerlos compatibles con resinas específicas y molidos para proporcionar una densidad específica a granel. A diferencia del hilo cortado que se secciona a una longitud precisa, esta fibra es molida y se obtiene una longitud promedio, determinándose ésta por el tipo de hilo base y las condiciones del proceso. El producto está diseñado para usarse en una variedad de compuestos termoplásticos y termofijos. La fibra de vidrio es fabricada a partir de Vidrio Tipo E. Figura 16: Fibra molida e. MAT DE HILOS CORTADOS Se componen de fibras de vidrio cortadas unidas entre sí utilizando un aglutinante en emulsión o polvo de poliéster. Los mat están diseñados para ser compatibles con poliéster insaturado, vinil éster y una variedad de otras resinas. Se utilizan como soporte del gel coat y refuerzo de laminado para el moldeo de contacto (hand lay-up) para fabricación de embarcaciones, tablas de surf, tableros, tanques y otras aplicaciones diversas. 29 Figura 17: MAT de hilos cortados f. MAT DE FILAMENTO CONTINUO El MAT de filamento continuo son fibras de vidrio continuas que forman una tela no tejida constituyendo un aglomerado compacto como felpa. La fibra se mantiene unida por el agregado de una resina de poliéster insaturado. Es especialmente adecuado para moldeado de laminados por compresión así como para su uso en procesos de pultrusión. Figura 18: MAT de filamento continúo g. TEJIDOS Estas telas están conformadas por rovings tejidos, son telas de alto rendimiento, se usa para producir telas de alta resistencia, para aplicaciones estructuralmente sólidas, tales como contenedores de transporte, armadura balística, alas de aeronaves y puertas. 30 Figura 19: Tejidos h. VELOS Son finas telas de fibra de vidrio (tejida o no tejida) que presentan una superficie lisa y altamente uniforme. Se utilizan generalmente como capa superficial en laminados para dar un acabado suave a las piezas conformadas. También son llamados velos de superficie. Figura 20: Velos 1.8. APLICACIONES Y USOS DE LA FIBRA DE VIDRIO El uso normal de la fibra de vidrio incluye aislamiento acústico, aislamiento térmico y aislamiento eléctrico en recubrimientos, 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 31 para propósitos médicos en férulas. La fibra de vidrio es ampliamente usada para la fabricación de tanques y silos de material compuesto8 a. FACHADAS Paneles arquitectónicos Sistemas de construcción Placas de recubrimiento en obra b. INGENIERIA CIVIL Encofrados de tableros de puentes y muros Muros anti ruido Renovación de alcantarillados Sistema de transporte de agua y canales c. MOLDEADOS ARQUITECTÓNICOS Capiteles y columnas Ménsulas y cornisas Pórticos Barandillas9 Figura 21: Carro de juguete con fibra de vidrio 8 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio#Usos Citado: (22-01-17) Página web disponible en: http://es.slideshare.net/archieg/nuevos-materiales-en-la-construccion Citado: (22-01-17) 9 32 Figura 22: Elaboración de un tiburón con fibra de vidrio Figura 23: Fibra de vidrio en piscinas Figura 24: Fibra de vidrio como aislante térmico 33 Figura 25: Fibra de vidrio como esculturas de animales Figura 26: Hormigón reforzado con fibra de vidrio Figura 27: Tanques de fibra de vidrio 34 Figura 28: Tablas de surf con fibra de vidrio 1.9. PLÁSTICO REFORZADO CON FIBRA DE 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 sinécdoque 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 llamada 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; o cargas de tracción; la fibra de vidrio es muy fuerte en tensión pero tiende a no resistir la compresión; así que al combinar ambos materiales, el FRP Fiber Reinforced Plastic se convierte en un material que resiste tanto compresión como tensión en rangos aceptables. Figura 29: Bañera de plástico reforzado con fibra de vidrio 35 1.10. 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.10 Por cada tonelada de vidrio reciclado se ahorran 130 kilos de combustible y 1.200 de materia prima. El vidrio es un material 100% reciclable que no pierde sus propiedades físicas ni disminuye su calidad en el proceso de reciclado. Esto permite soñar con a una tasa de residuos cero. El mínimo exigido por la Unión Europea es un 60% de vidrio reciclado. España traspasó esa cifra en 2007, aunque países como Suecia, Suiza o Bélgica ya superan el 90%.11 En el Peru Owens-Illinois en Lurín es una empresa que brinda reciclaje y la reutilización del vidrio contribuyendo a la reducción de la huella de carbono en la producción de este tipo de empaques. Cada kilo de cullet (vidrio reciclado) reemplaza 1,2 kg de materias primas vírgenes. Además, por cada 10 % de cullet utilizado se reduce en 5% las emisiones de carbono y se ahorra 3% de energía.12 Propuesto como meta reciclar unos 65 millones de kilos de vidrio para el 2015 y superar el objetivo de este año, previsto en 60 millones de kilos, como parte de su campaña "Vidrio es vida".13 Figura 30: Circuito del reciclado del vidrio 10 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado: (22-01-17) Página web disponible en: http://www.ecoticias.com/residuos-reciclaje/64446/importancia-reciclar-vidrio Citado: (22-01-17) 12 Página web disponible en: http://www.pucp.edu.pe/climadecambios/index.php?tmpl=articulo&id=1405 Citado: (22-01-17) 13 Página web disponible en: http://elcomercio.pe/economia/peru/botella-vidrio-tiene-vida-30-veces-mayorotra-plastico-noticia-1777268 Citado: (22-01-17) 11 36 Figura 31: Esquema de fabricación del vidrio 1.11. FIBRA DE VIDRIO EN LA 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 37 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 cancerígenas14 1.12. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE VIDRIO A NIVEL NACIONAL EMPRESAS QUE PRODUCEN FIBRA DE VIDRIO EN PERU FIBREX S.A: fabricación de productos de poliéster reforzado con fibra de vidrio, conservando los más altos estándares de calidad. Grupo TDM: Grupo TDM y Sarplast presentan planta de producción de tuberías de fibra de vidrio. Clark Fabricación y venta, recubrimiento de tanques de fibra de vidrio. Metaquim: fabricación de productos PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRA DE VIDRIO 1.13. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE VIDRIO A NIVEL INTERNACIONAL Tabla 3: Uso de compuestos de fibra de vidrio USO DE COMPUESTOS DE FIBRA DE VIDRIO. Aplicación Aeronave y aeroespaciales accesorios construcción bienes de consumo Productos resistentes a la corrosión Tubos eléctricos y piezas Accesorios marinos y marinos transporte terrestre otro Total Porcentaje de producción de fibra de vidrio. 2 6 14 6 10 5 19 33 5 100 Fuente: Commercial Opportunities for Advanced Composites 14 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado: (23-01-17) 38 Las ventajas principales para la fibra de vidrio son coste bajo, durabilidad creciente y resistencia creciente a la degradación por el agua. La producción de equipo de transporte terrestre es la sección de más rápido crecimiento de la industria de la fibra de vidrio. Con la presente crisis energética, el uso de componentes de menor peso en camiones y automóviles es la solución natural y los porcentajes de compuestos de fibra de vidrio en el peso total del automóvil pronto podrán alcanzar el 30 por ciento. Debido al alto volumen de producción de vectores de automoción, esta aplicación puede eventualmente ser el mayor usuario de la producción de fibra de vidrio15 En los últimos años, tanto en la producción y la demanda en Europa y América de los compuestos de fibra de vidrio continúa creciendo, especialmente en el mercado compuesta por China. En 2010, la capacidad global fue de 4.715 millones de toneladas de fibra de vidrio y continúa creciendo. La fibra de vidrio es un muy buen material metal materiales alternativos, con el rápido desarrollo de la economía de mercado, las fibras de vidrio se convierten en construcción, transporte, electrónica, eléctrica, química, metalurgia, protección del medio ambiente, la defensa nacional y otras industrias de materias primas esenciales. Debido ampliamente utilizado en muchos campos, por lo tanto, las fibras de vidrio cada vez más atención de la gente. Países de producción y consumo de fibra de vidrio a nivel mundial, principalmente los Estados Unidos, Europa, Japón y otros países desarrollados, un mayor consumo per cápita de vidrio. Europa sigue siendo el área más grande de consumo de fibra de vidrio, representa el 35% de la cantidad total global. En 2006, la producción total de hilados de fibra de vidrio mostro una cantidad de 1.1607 millones de toneladas, mostrando así un aumento del 22,18%. 2008 por la crisis financiera internacional, también afecto al comercio de la fibra de vidrio, ya que la degradación de la situación económica internacional, el actual período de presentación de exceso de oferta, ocasiono caídas severas de producción y exportaciones. Diciembre de 2011, la producción de China de fibra de vidrio de 310.000 toneladas, un aumento del 15,28%. Enero-diciembre de 2011, la producción nacional de fibra de vidrio alcanzó 3,72 millones de toneladas, un aumento del 17,95%. Las otras aplicaciones de la fibra de vidrio han expandido al mercado de la energía eólica, esto puede ser un punto brillante en el futuro desarrollo de la fibra de vidrio, 15 Página web disponible en: Commercial Opportunities for Advanced Composites citado: (23-01-17) 39 la crisis energética llevó a los países a buscar nuevas fuentes de energía, la energía eólica se ha convertido en un foco de atención hoy en día. En 2020, China invertirá 350 millones de yuanes en los campos de generación de energía eólica.16 EMPRESAS QUE PRODUCEN FIBRA DE VIDRIO EN EL MUNDO En primer lugar, Owens Corning Corporation (Estados Unidos) Desde su fundación en 1938, el famoso corpation OC ha sido siempre un pionero mundial en la fabricación de fibra de vidrio, y ahora sigue siendo el mayor fabricante del mundo de fibra de vidrio. En segundo lugar, Saint-Gobain · Vetrotex (Francia) La compañía se ha convertido en el segundo mayor fabricante de un verdadero mundo de fibra de vidrio, ahora su producción anual de fibra de vidrio es de 590.000 toneladas. Actualmente, las ventas anuales totales de Saint-Gobain · Vetrotex Grupo habían superado 1,4 millones de euros, que superaron las empresas OC (Estados Unidos). Por lo tanto, a partir de las ventas, Saint-Gobain · Vetrotex ha superado OC Group, ocupando el primer lugar en el mundo, sino por la capacidad anual de fibra de vidrio, que sigue siendo el segundo del mundo. En tercer lugar, el Grupo Jushi de China (China) Jushi Group de China es a gran escala de fibras de vidrio fabricante en la parte continental de China. Es propietaria de estaciones de trabajo de la investigación de postdoctorado, que ha sido identificado como empresa de alta tecnología del país. Las variedades y especificaciones de Jushi Grupo de fibra de vidrio llegan tan alto como más de 20 categorías, cerca de 500 tipos de especificaciones, es el fabricante de las especificaciones más completo de reforzar la fibra de vidrio en China continental. En cuarto lugar, PPG Industries Inc. (Estados Unidos) Desde esa fecha, esto sigue siendo fabricantes de fibra de vidrio de tercera del mundo, los chinos han estado en silencio más allá de la fibra de vidrio Grupo Boulder, degradado a la cuarta del mundo, ahora en su capacidad de fibra de vidrio de 400.000 toneladas. En quinto lugar, Shandong Taishan fibra de vidrio Taishan fibra de vidrio, es una de las mayores compañías de fibras de vidrio en China continental, que es propietaria de estaciones de trabajo de la 16 Página web disponible en: http://www.zwbk.org/zh-tw/Lemma_Show/313444.aspx citado: (22-01-17) 40 investigación de post-doctorado, y se ha identificado como empresas de alta tecnología del país. En la actualidad, la producción anual de la empresa de fibra de vidrio alcanzó 330.000 toneladas, ocupando el quinto lugar.17 1.14. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE VIDRIO A NIVEL MUNDIAL Es difícil tener una idea exacta de la capacidad de producción global de fibra de vidrio, ya que los productores son reacios a revelar su capacidad, tal como se expresa en el número de hornos y en la capacidad del horno. En los últimos tres años, estos productores han tenido que cerrar algunos de sus hornos temporalmente para adaptarse a la volátil demanda del mercado. La crisis económica de 2008/2009 también condujo al aplazamiento de una serie de proyectos de inversión. 18 Grafico1: Hilados de fibra de vidrio (2010) 20.6% 57.3% 22.1% Asia Europa America Fuente: JEC Newsletter (Boletín de JEC) Tabla 4: hilados de fibra de vidrio (2010) CONTINENTE Europa América (Estados Unidos, Canadá , Brasil, México) Asia (China, Japón, Corea, Arabia Saudita) PRODUCCIÓN (TONELADAS MÉTRICAS) 850 000 790 000 2 200 000 17 Página web disponible en: http://www.glassinchina.com/news/detail1335.html (25-01-17) Página web disponible en: http://www.jeccomposites.com/knowledge/international-compositesnews/global-glass-fibre-production-changes-across-board citado(25-01-17) 18 41 Mundo total 3 840 000 Fuente: JEC Newsletter (Boletín de JEC) La fibra de vidrio se clasifica generalmente en cuatro familias grandes, que son E, ECR, Advantex y HP. ECR-vidrio está reservado para aplicaciones en las que la resistencia a los productos químicos (ácidos o bases) El vidrio Advantex proporciona propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión Fibras de vidrio de alto rendimiento (HP): diseñado para ofrecer propiedades mecánicas estáticas y dinámicas superiores (resistencia, rigidez, Fatiga) y propiedades térmicas y de resistencia a la corrosión Los productores itinerantes representan aproximadamente 3.800.000 toneladas métricas de producción. La producción itinerante muestra un fuerte aumento en Asia (incluyendo China continental) con un 55-60%. Europa viene después con 20-25%, luego Norteamérica con 15-20%. Japón, India, Corea y Hong Kong tienen niveles muy bajos de producción, sólo un 5% agrupados. La fuerte demanda de los mercados internos de Asia se espera en los próximos años, lo que conduce a una ráfaga de anuncios de inversión en toda Asia19 19 Página web disponible en: http://www.jeccomposites.com/knowledge/international-compositesnews/global-glass-fibre-production-changes-across-board citado: (25-01-17) 42 CAPITULO II FIBRA DE CARBONO 43 2.2. DEFINICIÓN La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5– 10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono.1 Cada fibra de carbono es la unión de miles de filamentos de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero. La principal aplicación es la fabricación de materiales compuestos, en la mayoría de los casos —aproximadamente un 75%— con polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque también puede asociarse a otros polímeros, como el poliéster o el viniléster.20 2.3. HISTORIA En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma, ahora GrafTech International Holdings, Inc., que se encuentra en las afueras de Cleveland, Ohio. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez. En la década de 1960, un proceso desarrollado por Akio Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene alrededor del 55% de carbono. El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso desarrollado en el Establecimiento Real de aeronaves en Hampshire, Reino Unido. El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y luego autorizada a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds. Estas empresas fueron capaces de establecer instalaciones de producción industrial de fibra de carbono. Rolls-Royce se aprovechó de las propiedades del nuevo material para entrar en el mercado americano con motores para aviones. Por desgracia, Rolls-Royce empujó el estado de la técnica demasiado lejos, demasiado rápido, en el uso de fibra de carbono en las aspas del compresor del motor de aviones, que resultó ser vulnerables a daños por impacto de aves. Lo que parecía un gran triunfo tecnológico en 1968 se convirtió rápidamente en un desastre. De hecho, los problemas de Rolls-Royce se hizo tan grande que la 20 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono Citado:(27-01-17) 44 empresa fue nacionalizada por el gobierno británico en 1971 y la planta de producción de fibra de carbono fue vendida a la forma "Bristol composites". Dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable, Morganite también decidió que la producción de fibra de carbono era periférica respecto a su negocio principal, dejando Courtaulds como el único fabricante grande del Reino Unido. Esta compañía continuó la fabricación de fibras de carbono, con el desarrollo de dos mercados principales: el aeroespacial y de equipamiento deportivo. La velocidad de la producción y la calidad del producto se han mejorado desde entonces. Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión.21 2.4. PROPIEDADES PRINCIPALES Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado. Baja densidad, en comparación con otros materiales como por ejemplo el acero. Elevado precio de producción. Resistencia a agentes externos. Gran capacidad de aislamiento térmico. Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable.22 2.5. ESTRUCTURA Un filamento de carbono de 6 μm de diámetro (desde abajo a la izquierda hasta arriba a la derecha), comparado con un cabello humano. La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas son relativamente débil, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, 21 Página web disponible en: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/11/fibra-de-carbono.html (2701-17) 22 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono#cite_ref-2 citado: (27-01-17) 45 apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia. La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto.23 2.6. PROCESO DE OBTENCION SÍNTESIS La fibra de carbono es un polímero de una cierta forma de grafito. El grafito es una forma de carbono puro. En el grafito los átomos de carbono están dispuestos en grandes láminas de anillos aromáticos hexagonales. Figura 32: Sección de lámina de grafito La fibra de carbono se fabrica a partir de otro polímero, llamado poliacrilonitrilo, a través de un complicado proceso de calentamiento. Cuando se calienta el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas ciano formen anillos. Figura 33: Poliacrilonitrilo 23 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado:(27-01-17) 46 Al aumentamos el calor, los átomos de carbono se deshacen de sus hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este polímero constituye una serie de anillos piridínicos fusionados. Figura 34: Piridínicos fusionados. Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este modo, las cadenas adyacentes se unen: Figura 35: Cadenas adyacentes unidas Este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la temperatura de 600 hasta 1300ºC, nuevas cintas se unirán para formar cintas más anchas: Figura 36: polímero de anillos fusionados 47 De este modo se libera nitrógeno. Como se puede observar, el polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su forma de grafito. PROCESO DE FABRICACIÓN Cada filamento de carbono es producido a partir de un polímero precursor. El polímero precursor es comúnmente rayón, poliacrilonitrilo (PAN) o una resina derivada del petróleo. Para los polímeros sintéticos como el rayón o el PAN, el precursor es primeramente hilado en filamentos, mediante procesos químicos y mecánicos para alinear los átomos de polímero para mejorar las propiedades físicas finales de la fibra de carbono obtenida. Las composiciones de precursores y de los procesos mecánicos utilizados durante el hilado pueden variar entre los fabricantes. Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo. Después de embutición o hilatura en húmedo (a veces también se emplea la técnica de hilado fundido), las fibras de polímero se calientan para eliminar los átomos que no sean de carbono (carbonización), produciendo la fibra de carbono final. Las fibras de carbono pueden ser sometidos a un tratamiento de mejorar las cualidades de manejo, luego son enrolladas en bobinas. Las bobinas se utilizan para suministrar a máquinas que producen hilos de fibra de carbono o tejido. Un método común de la fabricación consiste en calentar los filamentos PAN en una atmósfera con aire (oxidación) a aproximadamente 300°C, que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida la materia. El PAN oxidado se coloca en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón, y se calienta a aproximadamente 2000°C, lo que induce a la grafitización del material, cambiando la los enlaces de la estructura molecular. Cuando se calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la otra, formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es generalmente 93-95% de carbono. Una baja calidad de fibra se pueden fabricar con brea de mesofase o rayón como precursor en lugar de PAN. Al material obtenido se le pueden variar algunas de sus propiedades, confiriéndoles alto módulo, o alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El material que ha sido calentado de 1500 a 2000ºC (carbonización) 48 exhibe la mayor resistencia a la tracción (820.000 psi , 5.650 MPa o N/mm²), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 hasta 3000°C (grafitización) muestra un alto módulo de elasticidad (77.000.000 psi o 531 GPa o 531 kN/mm²). 24 2.7. APLICACIONES DE LA FIBRA DE CARBONO La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos, para obtener materiales conocidos como plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC). Las tercnicas utilizadas para materiales poliméricos son: moldeo manual , espreado , pultrusión, bobinado de hilo, compresión, BMC, SMC, SCRIMP, RTM, etc. Los materiales no poliméricos también se puede utilizar como matriz de las fibras de carbono. Debido a la formación de metal carburos metálicos y corrosión, el fibrocarbono ha tenido un éxito limitado en aplicaciones de compuestos de matriz metálica. El RCC (carbono-carbono reforzado) se compone de refuerzo de fibrocarbono con grafito, y se utiliza estructuralmente en aplicaciones de alta temperatura. La fibra también tiene uso en la filtración de gases a alta temperatura, como electrodo de gran superficie e impecable resistencia a la corrosión, y como un componente anti-estático. La demanda global de materiales compuestos de fibra de carbono se valoró en aproximadamente EE.UU. $ 10,8 mil millones de dólares en 2009, el cual disminuyó 10.8% respecto al año anterior. Se espera que llegue en EE.UU. a 13,2 mil millones de dólares en 2012 y que aumente a 18,6 mil millones de dólares en EE.UU. en 2015 con una tasa de crecimiento anual del 7% o más. Las demandas más fuertes provienen de las industrias aeronáutica y aeroespacial, de la energía eólica, así como de la industria automotriz.25 Figura 37: Caña de pescar telescópica 24 Página web disponible en: //tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/11/fibra-de-carbono.html citado: (26-01-17) 25 Página web disponible en: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/11/fibra-de-carbono.html citado: (26-01-17) 49 Figura 38: Notebook con carcaza de PRFC Figura 39: Aspas de molinos de viento Figura 40: Velero con casco de fibra de carbono 50 Figura 41: Joint Strike Fighter es el mayor esfuerzo en tecnología aeronáutica jamás realizado, que utiliza la fibra de carbono al máximo. Foto Boeing X-32 ELEMENTOS QUE SE PUEDEN ELABORAR CON LA FIBRA DE CARBONO Construcciones Cascos de motocicleta Material deportivo Drones Instrumentos musicales Cañas de pescar de competición y o muy alta resistencia. Prótesis26 2.8. FIBRA DE CARBONO EN LA SALUD Los principales peligros para la salud se generan durante la manipulación de las fibras de carbono. Las fibras de carbono se rompen fácilmente por el estiramiento “menos del 2% de alargamiento”; las fibras pueden convertirse fácilmente en polvo que puede ser liberado a la atmósfera circundante. De no ser controladas, estas fibras microscópicas producen un riesgo potencial para la salud ya que generan irritación en la piel y en las membranas y mucosas del sistema respiratorio. Por otro lado, el uso de fibras de carbono es difícil de gestionar en un accidente de tráfico ya que estas son eléctricamente conductoras y el polvo o los residuos puede provocar un cortocircuito si no han sido aisladas las partes que producen o almacenan energía, de las estructuras de los superdeportivos. La inhalación de nanotubos de carbono podría ser perjudicial y de hecho, se trata de un material que ha sido equiparado a la toxicidad del amianto. Actualmente el uso de las fibras de carbono no está regulado y lo cierto es que deberían ya que 26 Página web disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono (26-01-17) 51 en determinados casos en los que se genere polvo, este puede causar graves problemas respiratorios. Durante ciertos estudios, los científicos observaron que los delgados y largos nanotubos de carbono se comportan como las fibras de amianto que por cierto se ha demostrado que causan mesotelioma –un cáncer mortal que afecta a la membrana que recubre los órganos internos del cuerpo, en particular a los pulmones-. Al igual que las fibras de asbesto, las de carbono son especialmente perjudiciales, porque son lo suficientemente pequeñas como para penetrar en los pulmones y de ahí pasar al sistema circulatorio. Los nanotubos de carbono están hechos de láminas de grafito generalmente no más gruesas que un átomo, o una milmillonésima parte de un metro de ancho y formado en los cilindros, con el diámetro variable, desde unos pocos nanómetros hasta decenas de nanómetros.27 2.9. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO A NIVEL NACIONAL El Perú no se produce fibra de carbono pero eso no quiere decir que no se comercialice, hay proveedores que ofrecen este producto vía internet o en establecimientos pequeños, también podemos decir que hay empresas constructoras que usan este producto (fibra de carbono) para reforzar y fortalecer edificaciones brindando así mayor tiempo de duración de las construcciones. Empresas constructoras que usan fibras de carbono en el Perú FIBRWRAP PERÚ CCL PERÚ Z ADITIVOS S.A CONSTRUCTORA RF SAC TOPCONSULT INGENIERÍA Dato: De todos los sistemas de reforzamiento estructural disponibles en el Perú, el que más acogida ha tenido, por las ventajas que ofrece, es el de láminas de fibras de carbono. Una o varias capas de láminas – dependiendo del requerimiento estructural y características de la fibra - son colocadas alrededor o debajo de las secciones de concreto por reforzar, y junto a un sistema adhesivo epóxico especial se logra una total adherencia a la antigua superficie de concreto. Con ello se obtiene una capa externa de reforzamiento que ayuda a soportar las cargas del elemento y previene deflexiones excesivas. Cabe mencionar que este sistema 27 Página web disponible en: http://www.autonocion.com/fibra-de-carbono-tan-ligera-y-resistente-comopeligrosa-para-la-salud/ Citado:(26-01-17) 52 está normado por el American Concrete Institute (ACI) y por los fabricantes de las fibras.28 Figura 42: Colocación de la manta de fibra en la columna Fuente: revistas PUCP (fibras de carbono) 2.10. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO A NIVEL INTERNACIONAL FABRICANTES Los principales fabricantes de fibras de carbono son: Hexcel Cytec Industries fibras de EFT Formosa Plastics Mitsubishi Rayon Toray Industries Grupo de SGL Toho Tenax La fibra de carbono Toray Zoltek Mitsubishi Rayon Co., Ltd. Nippon grafito de fibra Corporación Los fabricantes suelen hacen diferentes grados de fibras para diferentes aplicaciones. Fibras de carbono de módulo más alto son típicamente más caros. 28 revistas pucp( fibras de carbono) citado: (26-01-17) 53 Grafico 2: Capacidad porcentaje de fibra de carbono fabricantes mundiales de 2009 (basada en la capacidad de remolque de fibra de carbono) Fuente: ResearchInChina Grafico 3: Capacidades de fibra de carbono (2011) en TM por fabricante Diverso 650 Aksa 1800 Fabricantes Cytec 3200 China 7000 Formosa 7000 SGL 7000 Hexcel 7200 MRC 10200 Zoltek 13000 Toho 13500 Toray 18200 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Fibra de Carbono (TM) Fuente: Revista de plásticos modernos 54 Grafico 4: Países en función de la capacidad de producción de fibra de carbono que lleva en el año 2016 (en 1.000 toneladas métricas) Gran Bretaña 4 Francia 5.2 Alemania 5.8 Hungria 6.2 Corea del Sur 8.6 Taiwan 8.8 China 13.3 Japon 25 EE.UU y Mexico 46.3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Fibra de carbono (Mil toneladas métricas) Fuente: statista (El Portal de Estadísticas) Esta estadística muestra los principales países de todo el mundo sobre la base de la capacidad de producción de fibra de carbono en 2016. En ese año, la capacidad de producción de fibra de carbono en los Estados Unidos y México juntos ascendieron a 46.300 toneladas métricas. La fibra de carbono se compone de fibras extremadamente pequeñas que se derivan principalmente de átomos de carbono. Se espera que la demanda mundial para aumentar junto con su potencial de materiales tales como la sustitución de aluminio en el sector aeroespacial de refuerzo. Grafico 5: Capacidades de fibra de carbono (2011) 3% 2% 8% 29% 8% 25% 25% EE.UU Japon Europa China Taiwan Otros Turquia Fuente: Revista de plásticos modernos 55 En 2011 la capacidad teórica máxima de fibra de carbono en el mundo era 90.000 TM, siendo el mayor fabricante EE.UU con un 29%, seguida por Europa y Japón con un 25% cada una y China un 8%. Todos los análisis predicen que China se expansionara notablemente en los próximos años. 2.11. PRODUCCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO A NIVEL MUNDIAL Figura 43: Distribución geográfica de los lugares de fabricación de fibra de carbono Ubicaciones de fabricación de fibra de carbono Fuente: Red and Zimm 2012 La fibra de carbono es la fibra de nueva generación reforzado, utilizado principalmente en los campos de la industria aeroespacial, la energía eólica, automoción, deportes y ocio. En 2013, las aplicaciones industriales globales como la energía eólica y los automóviles mostraron la mayor demanda de fibra de carbono, es decir, más de 60%, seguido de la industria aeroespacial, con la creciente proporción de aplicación de fibra de carbono y por lo tanto la demanda aumentado de forma constante; mientras que el crecimiento de la demanda de los deportes y el ocio era relativamente lenta. En 2013, la capacidad mundial de fibra de carbono asciende a aproximadamente 120.000 toneladas, aportados principalmente por Japón y los EE.UU. Las cinco principales compañías del mundo - Toray, Teijin, Zoltek, Mitsubishi Rayon y Formosa Plastics comparten el 55% de la capacidad mundial de fibra de carbono juntos. En septiembre de 2013, Toray adquirió Zoltek para aumentar su cuota de mercado de alrededor del 30%. La fibra de carbono se divide principalmente en fibra de carbono basada en PAN, cuya tasa de utilización de disparo aproximadamente 95%, y fibra de carbono a base de betún. En 2013, dos tercios de la pequeña remolque global de fibra de carbono (≤ 24K) a base de PAN fue producido por Toray, Teijin y Mitsubishi 56 Rayon; tres cuartas partes de la gran haz de fibras de carbono basadas en PAN (> 24K) fueron hechos por Zoltek y SGL; la mitad de la fibra de carbono a base de betún fue creado por Kureha.29 Figura 44: Distribución geográfica de la capacidad mundial de fibra de carbono Fuente: ResearchIinChina Actualmente, la tecnología y la producción de fibra de carbono en todo el mundo siguen siendo bajo el control de Japón y los EE.UU. debido al complicado proceso de producción, alto contenido técnico, y la introducción políticamente restringido de tecnologías y equipos. En la actualidad hay menos de 20 países y regiones que pueden realizar la industrialización de la fibra de carbono y no más de 12 empresas que son capaces de la producción en masa en todo el mundo. Toray (Japón), Toho Tenax (Japón), Zoltek (EE.UU.), y Mitsubishi Rayon (Japón) clasificar los Global Top 4 fabricantes por la capacidad de la fibra de carbono, que representan el 23,4%, 17,1%, 14,3% y 10,3%, respectivamente, de la capacidad total mundial, mientras que las empresas chinas ocupan sólo el 4,3%.30 29 Página web disponible en: http://www.researchinchina.com/Htmls/Report/2014/6817.html citado: (27-01-17) 30 Página web disponible en: http://www.researchinchina.com/Htmls/Report/2010/5939.html citado: (27-01-17) 57 Grafico 6: Capacidad porcentaje de fibra de carbono fabricantes mundiales de 2009 (Basada en la capacidad de remolque de fibra de carbono) Fuente: ResearchInChina PERSPECTIVA MUNDIAL DE LAS FIBRAS DE CARBONO Y LOS COMPUESTOS DE FIBRA DE CARBONO La Conferencia Anual de Fibra de Carbono de CompositesWorld, celebrada del 9 al 11 de noviembre en Scottsdale, AZ, EE.UU. Tabla 5: consumo final de fibra de carbono (TM) CONSUMO FINAL DE FIBRA DE CARBONO (TM) MERCADO 2016 2021 2025 AUTOMOTOR 11,825 23,526 32,708 RECIPIENTES A PRESIÓN. 8,206 25,674 45,327 TURBINAS EÓLICAS 17,250 31,744 46,477 ENERGÍA NO 3,750 11,440 29,356 EÓLICA. AEROSTRUCTURAS 7,506 10,319 10,110 COMERCIALES. INTERIORES DE ACERO 4,649 5,196 5,027 COMERCIALES Fuente;Composites Forecasts and Consulting LLC En términos de consumo en volumen, la gran mayoría (75%) de fibra de carbono se utiliza en el mercado industrial, que incluye los sectores de automoción, recipientes a presión y energía eólica. El resto se destina al mercado aeroespacial (14%) y al mercado de consumo (11%). Los mayores impulsores de la utilización 58 de fibra de carbono durante la próxima década, estarán en categorías él etiqueta de automoción, recipientes a presión, turbinas de viento, energía no viento, estructuras aeroespaciales comerciales y los interiores aero comerciales 31 Tabla 6: resumen mundial de la demanda de fibra de carbono (MT) RESUMEN MUNDIAL DE LA DEMANDA DE FIBRA DE CARBONO (MT) MERCADO CONSUMIDOR. AEROESPACIAL. INDUSTRIAL TOTAL 2016 2021 2025 15,200 171,100 19,100 17,900 22,900 23,100 68,500 141,800 220,100 101,600 181,900 262,400 Fuente;Composites Forecasts and Consulting LLC De aquí a cinco años,se espera que el mercado industrial usará más fibra de carbono al (141, 800 MT) que todo el mundo consume al año actual (101, 600 MT). VII. CONCLUSION La fibra de vidrio son hilos de vidrio obtenidos mediante el paso de un vidrio líquido a través de un elemento o pieza sumamente resistente, que además debe contar con diminutos orificios. Sus propiedades y el bajo precio de sus materias primas, le han dado popularidad en muchas aplicaciones industriales las características del material permiten que la Fibra de Vidrio sea moldeable con mínimos recursos es por ello que es usada para realizar los cables de fibra óptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para transmitir señales lumínicas, producidas por láser o LEDs, Además también podemos encontrarlo dentro de los edificios al ser utilizada como aislante, por la gran demanda que ha ocasionada estos últimos se ha hablado mucho de este material en especial los gobiernos americano y alemán clasificando a la fibra de vidrio como un elemento posiblemente cancerígeno. De todos modos es necesaria una investigación más profunda ya que no se trata de la misma sustancia que los asbestos, aunque guardan ciertas semejanzas. Parece que los trabajadores que trabajan en plantas de elaboración de fibra de vidrio 31 Página web disponible en: http://www.compositesworld.com/articles/carbon-fiber-2016-report citado: (2701-17) 59 tienen tasas más elevadas de cáncer, pero esta cuestión es todavía un debate abierto. Las fibras de carbono presentan una combinación de características que compensa sus precios y las convierten, para determinadas aplicaciones, en una alternativa valiosa. Sobresalen por poseer un excelente conjunto de propiedades mecánicas, entre las que se destacan: su baja densidad, ligereza, resistencia mecánica y química, y libertad de formas. En general, superan las ofrecidas por los diferentes tipos de aceros, hierros y aluminio. También brindan la seguridad gracias a una mejor resistencia a los impactos y al fuego, ofreciendo un mejor aislamiento térmico y eléctrico. Es cierto que el costo de fabricación de la fibra de carbono es superior al de los materiales tradicionales como el acero, sin embargo, ahorrando piezas de enlace y mecanización, reduciendo de manera importante los gastos de mantenimiento y aumentando la vida útil y la seguridad, las ventajas pueden valorizarse en términos de beneficios con el uso. Una propiedad especial de los compuestos de fibras, es que son anisótropos: su fortaleza difiere de conformidad con la dirección en que se aplica una fuerza respecto de la dirección de las fibras. Por ejemplo, si se tira del material en paralelo a la dirección de las fibras tendrá una inmensa fortaleza, pero si se aplican fuerzas a 90º de la alineación de la fibra la resistencia del compuesto depende casi exclusivamente de la matriz de resina relativamente endeble. VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado:(22-01-17) http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html Citado:(22-01-17) http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html citado (22-01-17) https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado:(22-01-17) http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html Citado:(22-01-17) http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/12/fibra-de-vidrio.html Citado: (22-01-17) http://www.maquinariapro.com/materiales/fibra-de-vidrio.html Citado: (22-0117) http://es.slideshare.net/archieg/nuevos-materiales-en-la-construccion Citado: (22-01-17) https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado: (23-01-17) 60 Commercial Opportunities for Advanced Composites citado: (23-01-17) http://www.zwbk.org/zh-tw/Lemma_Show/313444.aspx citado: (22-01-17) http://www.glassinchina.com/news/detail1335.html citado: (25-01-17) http://www.jeccomposites.com/knowledge/international-compositesnews/global-glass-fibre-production-changes-across-board citado(25-01-17) https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono Citado:(27-01-17) http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/11/fibra-de-carbono.html citado (27-01-17) https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono#cite_ref-2 citado: (27-01-17) https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_vidrio Citado:(27-01-17) //tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/11/fibra-de-carbono.html citado: (26-01-17) http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.pe/2011/11/fibra-de-carbono.html citado: (26-01-17) https://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono citado (26-01-17) http://www.autonocion.com/fibra-de-carbono-tan-ligera-y-resistente-comopeligrosa-para-la-salud/ Citado:(26-01-17) http://www.researchinchina.com/Htmls/Report/2014/6817.html citado: (27-0117) http://www.researchinchina.com/Htmls/Report/2010/5939.html citado: (27-0117) IX. BIBLIOGRAFIA http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Fiberglass citado: (22-01-17) http://www.cnita.org.cn/china/magazinedetail.aspx?sid=51&aid=2241 citado: (22-01-17) http://www.zwbk.org/zh-tw/Lemma_Show/313444.aspx citado: (25-01-17) http://bj.jkbkhm.com/wyzyqj/1449.html citado: (25-01-17) http://info.plas.hc360.com/2007/10/31102917481.shtml citado: (27-01-17) http://www.fiberglass365.com.cn/jszl/detail.aspx?id=35552&mtt=3 citado: (2601-17) http://big5.askci.com/freereports/2008-03/2008320165119.html citado: (27-0117) http://www.lxfrp.com/news/221.html citado: (26-01-17) http://www.avk-tv.de/files/pressclip/avkpc/20130131_consumo_mundial_2012_de_materiales_compuestos_de_fibra _de_carbona.pdf citado: (26-01-17) Revista de plásticos modernos citado: (26-01-17) 61 http://www.compositesworld.com/articles/supply-and-demand-advancedfibers-2016 citado: (27-01-17) https://www.ihs.com/products/carbon-fibers-chemical-economicshandbook.html citado: (26-01-17) http://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66071.pdf citado: (27-01-17) http://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66071.pdf citado: (27-01-17) file:///C:/Users/tania/Downloads/ce8ed3f0-2dba-4667-8986ed3532cb37a2.pdf citado: (27-01-17) Global carbon fibre market remains on upward trend citado: (27-01-17) http://www.cep-plasticos.com/es/contenido/mercado-mundial-2013-deplasticos-reforzados-con-fibra-de-carbono citado: (27-01-17) http://www.compositesworld.com/articles/carbon-fiber-market-gatheringmomentum citado: (27-01-17) Revistas PUCP( fibras de carbono) citado: (26-01-17) https://www.youtube.com/watch?v=S5vu2Vj1u2Y citado: (26-01-17) http://www.maquinariapro.com/materiales/fibra-de-vidrio.html citado: (26-0117) https://www.ecured.cu/Fibra_de_vidrio citado: (28-01-17) http://www.maquinariapro.com/materiales/fibra-de-carbono.html citado: (2801-17) http://www.fibradecarbono.es/articulos/que-es-fibra-carbono/ citado: (28-0117) http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/16574-La-fibra-de-carbonoun-material-para-el-siglo-21.html citado: (28-01-17) https://prezi.com/gxhmqc8p0mio/la-fibra-de-carbono-obtencion-propiedadesy-aplicaciones/ citado: (28-01-17) http://www.ehu.eus/zorrilla/juanma/automovil/carbono.htm citado: (28-01-17) 62
