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Fascio di fibra di vetro
fibra di vetro o fibra di vetro è un materiale estremamente fini e fibre di vetro. Viene utilizzato come agente di rinforzo per molti prodotti polimerici; il materiale composito risultante, correttamente noto come polimero rinforzato con fibre (FRP) o plastica rinforzata con vetro (GRP), è chiamato “fibra di vetro” nell’uso popolare.,
I vetrai nel corso della storia hanno sperimentato le fibre di vetro, ma la produzione di massa di fibra di vetro è stata resa possibile solo con l’avvento di macchine utensili più fini. Nel 1893, Edward Drummond Libbey espose un abito alla World’s Columbian Exposition che incorporava fibre di vetro con il diametro e la consistenza delle fibre di seta. Ciò che è comunemente noto come” fibra di vetro ” oggi, tuttavia, è stato inventato nel 1938 da Russell Games Slayter di Owens-Corning come materiale da utilizzare come isolante. È commercializzato con il nome commerciale Fiberglas (sic), che è diventato un marchio genericizzato.,
Formazione
La fibra di vetro si forma quando sottili fili di vetro a base di silice o di altra formulazione vengono estrusi in molte fibre con piccoli diametri adatti alla lavorazione tessile. Il vetro è diverso da altri polimeri in quanto, anche come fibra, ha poca struttura cristallina (vedi solido amorfo). Le proprietà della struttura del vetro nella sua fase ammorbidita sono molto simili alle sue proprietà quando filate in fibra., Una definizione di vetro è ” una sostanza inorganica in una condizione che è continua con, e analogo allo stato liquido di tale sostanza, ma che, a seguito di un cambiamento reversibile della viscosità durante il raffreddamento, ha raggiunto un grado di viscosità così elevato da essere per tutti gli scopi pratici rigida.”
La tecnica del riscaldamento e del disegno del vetro in fibre fini è nota da migliaia di anni; tuttavia, il concetto di utilizzo di queste fibre per applicazioni tessili è più recente. La prima produzione commerciale di vetroresina risale al 1936., Nel 1938, Owens-Illinois Glass Company e Corning Glass Works si unirono per formare la Owens-Corning Fiberglas Corporation. Fino a quel momento tutta la fibra di vetro era stata prodotta come fiocco. Quando le due aziende si sono unite per produrre e promuovere la fibra di vetro, hanno introdotto fibre di vetro a filamento continuo. Owens-Corning è ancora oggi il principale produttore di vetroresina sul mercato.
Chimica
La base delle fibre di vetro tessili è la silice, SiO2. Nella sua forma pura esiste come polimero, (SiO2)n. Non ha un vero punto di fusione ma si ammorbidisce fino a 2000°C, dove inizia a degradarsi., A 1713°C, la maggior parte delle molecole può muoversi liberamente. Se il vetro viene quindi raffreddato rapidamente, non saranno in grado di formare una struttura ordinata. Nel polimero forma gruppi SiO4 che sono configurati come un tetraedro con l’atomo di silicio al centro e quattro atomi di ossigeno agli angoli. Questi atomi quindi formano una rete legata agli angoli condividendo gli atomi di ossigeno.
Gli stati vetrosi e cristallini della silice (vetro e quarzo) hanno livelli di energia simili su base molecolare, implicando anche che la forma vetrosa è estremamente stabile., Per indurre la cristallizzazione, deve essere riscaldato a temperature superiori a 1200°C per lunghi periodi di tempo.
Sebbene la silice pura sia un vetro e una fibra di vetro perfettamente vitali, deve essere lavorata a temperature molto elevate, il che è un inconveniente a meno che non siano necessarie le sue proprietà chimiche specifiche. È usuale introdurre impurità nel vetro sotto forma di altri materiali, per abbassare la sua temperatura di lavoro., Questi materiali conferiscono anche varie altre proprietà al vetro che possono essere utili in diverse applicazioni. Il primo tipo di vetro utilizzato per la fibra era il vetro soda-lime o un bicchiere. Non era molto resistente agli alcali. Un nuovo tipo, E-glass è stato formato che è privo di alcali (< 2%) ed è un vetro alumino-borosilicato . Questa è stata la prima formulazione di vetro utilizzata per la formazione continua di filamenti. E-glass costituisce ancora la maggior parte della produzione di vetroresina nel mondo. I suoi componenti particolari possono differire leggermente in percentuale, ma devono rientrare in un intervallo specifico., La lettera E è usata perché era originariamente per applicazioni elettriche. S-glass è una formulazione ad alta resistenza per l’uso quando la resistenza alla trazione è la proprietà più importante. C-glass è stato sviluppato per resistere all’attacco di sostanze chimiche, per lo più acidi che distruggono E-glass. T-glass è una variante nordamericana di C-glass. A-glass è un termine industriale per il vetro di scarto, spesso bottiglie, trasformate in fibra. AR-glass è un vetro resistente agli alcali. La maggior parte delle fibre di vetro ha una solubilità limitata in acqua, ma dipende molto dal pH. Lo Chloride cloruro attaccherà e dissolverà anche le superfici di E-glass., Una tendenza recente nel settore è quella di ridurre o eliminare il contenuto di boro nelle fibre di vetro.
Poiché E-glass non si scioglie ma si ammorbidisce, il punto di rammollimento è definito come “la temperatura alla quale una fibra di diametro 0,55 – 0,77 mm lunga 9,25 pollici, si allunga sotto il proprio peso a 1 mm / min quando sospesa verticalmente e riscaldata alla velocità di 5°C al minuto”. Il punto di deformazione viene raggiunto quando il vetro ha una viscosità di 1014,5 equilibrio., Il punto di ricottura, che è la temperatura in cui le sollecitazioni interne sono ridotte a un limite commerciale accettabile in 15 minuti, è contrassegnato da una viscosità di equilibrio 1013.
Proprietà
Le fibre di vetro sono utili a causa del loro elevato rapporto tra superficie e peso. Tuttavia, l’aumento della superficie li rende molto più suscettibili agli attacchi chimici.
Intrappolando l’aria al loro interno, i blocchi di fibra di vetro rendono un buon isolamento termico, con una conducibilità termica di 0,04 W / mK.,
I punti di forza del vetro sono provati solitamente e segnalati per le fibre “vergini” che appena sono state fabbricate. Le fibre più fresche e sottili sono le più forti e si pensa che siano dovute al fatto che è più facile per le fibre più sottili piegarsi. Più la superficie è graffiata, minore è la tenacia risultante. Poiché il vetro ha una struttura amorfa, le sue proprietà sono le stesse lungo la fibra e attraverso la fibra. L’umidità è un fattore importante nella resistenza alla trazione. L’umidità è facilmente adsorbita e può peggiorare crepe microscopiche e difetti superficiali e ridurre la tenacità.,
A differenza della fibra di carbonio, il vetro può subire un allungamento maggiore prima che si rompa.
La viscosità del vetro fuso è molto importante per il successo della produzione. Durante il disegno (trazione del vetro per ridurre la circonferenza della fibra) la viscosità dovrebbe essere relativamente bassa. Se è troppo alta la fibra si romperà durante il disegno, tuttavia se è troppo bassa il vetro formerà goccioline piuttosto che tirare fuori in fibra.
Processi di produzione
Esistono due tipi principali di produzione di fibre di vetro e due tipi principali di prodotti in fibra di vetro., In primo luogo, la fibra è costituita da un processo di fusione diretta o da un processo di rifusione del marmo. Entrambi iniziano con le materie prime in forma solida. I materiali sono mescolati insieme e fusi in una fornace. Quindi, per il processo di marmo, il materiale fuso viene tranciato e arrotolato in biglie che vengono raffreddate e confezionate. I marmi vengono portati all’impianto di produzione di fibre dove vengono inseriti in una lattina e rifusi. Il vetro fuso viene estruso alla boccola per essere formato in fibra. Nel processo di fusione diretta, il vetro fuso nel forno va direttamente alla boccola per la formazione.,
La piastra boccola è la parte più importante del macchinario. Si tratta di un piccolo forno metallico contenente ugelli per la fibra da formare attraverso. È quasi sempre fatto di platino legato con rodio per una maggiore durata. Il platino è usato perché il vetro fuso ha un’affinità naturale per bagnarlo. Quando le boccole sono state utilizzate per la prima volta erano 100% platino e il vetro ha bagnato la boccola così facilmente che correva sotto la piastra dopo l’uscita dall’ugello e si accumulava sul lato inferiore. Inoltre, a causa del suo costo e della tendenza all’usura, il platino era legato al rodio., Nel processo di fusione diretta, la boccola funge da collettore per il vetro fuso. Viene riscaldato leggermente per mantenere il vetro alla temperatura corretta per la formazione di fibre. Nel processo di fusione del marmo, la boccola agisce più come una fornace in quanto scioglie più materiale.
Le boccole sono ciò che rende costoso l’investimento di capitale nella produzione di fibra di vetro. Anche il design dell’ugello è fondamentale. Il numero di ugelli varia da 200 a 4000 in multipli di 200. La parte importante dell’ugello nella produzione di filamenti continui è lo spessore delle sue pareti nella regione di uscita., Si è constatato che l’inserimento di una svasatura qui ridotto bagnatura. Oggi gli ugelli sono progettati per avere uno spessore minimo all’uscita. La ragione di questo è che come vetro scorre attraverso l’ugello forma una goccia che è sospeso dalla fine. Mentre cade, lascia un filo attaccato dal menisco all’ugello finché la viscosità è nell’intervallo corretto per la formazione di fibre. Più piccolo è l’anello anulare dell’ugello o più sottile è il muro all’uscita, più velocemente la goccia si formerà e cadrà, e minore è la sua tendenza a bagnare la parte verticale dell’ugello., La tensione superficiale del vetro è ciò che influenza la formazione del menisco. Per E-glass dovrebbe essere di circa 400 mN per m.
La velocità di attenuazione (disegno) è importante nella progettazione dell’ugello. Sebbene rallentare questa velocità possa rendere la fibra più grossolana, è antieconomico correre a velocità per le quali gli ugelli non sono stati progettati.
Nel processo continuo del filamento, dopo che la fibra è disegnata, una dimensione è applicata. Questa dimensione aiuta a proteggere la fibra come è avvolto su una bobina. La dimensione particolare applicata riguarda l’uso finale., Mentre alcune dimensioni sono coadiuvanti tecnologici, altri rendono la fibra hanno un’affinità per una certa resina, se la fibra deve essere utilizzata in un composito. La dimensione viene solitamente aggiunta allo 0,5-2,0% in peso. L’avvolgimento avviene quindi a circa 1000 m / min.
Nella produzione di fibre in fiocco, ci sono un certo numero di modi per fabbricare la fibra. Il vetro può essere soffiato o sabbiato con calore o vapore dopo l’uscita dalla macchina di formazione. Di solito queste fibre vengono trasformate in una sorta di tappetino. Il processo più comune utilizzato è il processo rotativo., Qui, il vetro entra in uno spinner rotante e, a causa della forza centrifuga, viene espulso orizzontalmente. I getti d’aria spinge verso il basso verticalmente e legante viene applicato. Quindi il tappetino viene aspirato su uno schermo e il legante viene curato nel forno.
Gli usi finali per la normale fibra di vetro sono stuoie, isolamento, rinforzo, tessuti resistenti al calore, tessuti resistenti alla corrosione e tessuti ad alta resistenza.