FIBRAS DE VIDRIO TERMICAMENTE ESTABLES.

Fibras de vidrio térmicamente estables caracterizadas porque éstas contienen al menos



en las que la suma de todos los constituyentes de la fibra de vidrio da el 100% en masa

Fibras de vidrio térmicamente estables.

Para las resistencias de materiales compuestos como, por ejemplo, componentes de sándwich de alta tecnología, GFK, la calidad del vidrio y, por tanto, de las fibras de vidrio que se utilizan para reforzar el material compuesto es muy importante. Las fibras de vidrio se diferencian seriamente entre sí en sus características fisicoquímicas. Para materiales compuestos de alta calidad sólo se utilizan fibras de vidrio que presentan propiedades fisicoquímicas muy buenas. La composición química de las fibras de vidrio puede verse en la Tabla 1.

TABLA 1 Composición de las fibras de vidrio

El vidrio E (E = Eléctrico) es un vidrio de borosilicato de aluminio con una baja proporción de óxidos alcalinos (< 2% en masa) y buenas propiedades electroaislantes.

Las fibras de vidrio E son especialmente muy adecuadas para la fabricación de circuitos impresos y para el refuerzo de plásticos. La estabilidad térmica de un vidrio E (se define por la temperatura de transformación) es insatisfactoria y se encuentra por debajo de 680ºC.

Una gran desventaja de los vidrios E es su baja resistencia a ácidos (resistencia a ácidos de clase 4). Estos vidrios E se han descrito, entre otras, en las memorias de patente US 3 876 481; US 3 847 627; US 2 334 961; US 2 571 074; US 4 026 715; US 3 929 497; US 5 702 498; EP 0761 619 A1; US 4 199 364 y en US 3 095 311.

El vidrio R (R = Resistencia) es un vidrio de silicato alcalino de aluminio. La temperatura de transformación y el punto de reblandecimiento de este vidrio ascienden correspondientemente a aproximadamente 730ºC o aproximadamente 950ºC. Los vidrios similares como, por ejemplo, el vidrio "Supremax", se utilizan como vidrio para termómetros debido a su bajo coeficiente de dilatación.

Las fibras de vidrio R se utilizan en campos de aplicación con altos requisitos mecánicos y térmicos. Las fibras de vidrio R también presentan a temperatura elevada una resistencia a la tracción bastante alta.

Un vidrio ECR (ECR = E-Glass Corrosion Resistance, resistencia a la corrosión de vidrio E) descrito, por ejemplo, en el documento DE 69607614 T2, es un vidrio de silicato calcáreo de aluminio sin boro con una baja proporción de óxidos alcalinos. Las fibras de vidrio ECR presentan alta resistencia a ácidos y buenas propiedades mecánicas y eléctricas.

Se utilizan para el refuerzo exigente de plásticos.

El vidrio Advantex®, descrito en el documento US 5 789 329, representa una modificación del vidrio ECR con una proporción muy baja de óxidos alcalinos y propiedades fisicoquímicas mejoradas. La estabilidad a la temperatura a largo plazo de este tipo de fibra se encuentra a aproximadamente 740ºC.

El vidrio S (S = Strength, resistencia) es un vidrio de silicato de magnesio y aluminio. Se desarrolló como vidrio especial para altos requisitos mecánicos, especialmente a temperatura elevada (entre otros, el documento WO 02/042233 A3) y contiene más del 10% en moles de Al₂O₃. Otros vidrios para altas temperaturas se describieron, entre otros, en el documento US 2 571 074, en el documento US 3 847 627 y en el documento US 4 542 106.

Las propiedades de los mejores tipos de fibra de vidrio en comparación con el vidrio E pueden verse en la Tabla 2.

TABLA 2 Propiedades de fibras de vidrio seleccionadas

Como se deduce de la Tabla 2, las fibras de vidrio S presentan comparativamente las mejores propiedades mecánicas. La estabilidad química y térmica de estas fibras también es muy buena.

El vidrio S convencional es un vidrio de silicato de magnesio y aluminio que se desarrolló como vidrio especial para altos requisitos mecánicos, especialmente a temperatura elevada.

Aunque los vidrios del sistema ternario de MgO-Al₂O₃-SiO₂ solidifican de forma ligeramente vítrea, sin embargo éstos tienden a la cristalización y a la separación de fases durante un tratamiento térmico posterior.

Si los vidrios S se someten a una acción térmica, se produce la segregación de una fase de gotitas de vidrio de silicato rico en MgO y Al₃O₃ y la cristalización. Esto representa una gran desventaja del vidrio S convencional y de los productos preparados a partir de él.

En el sistema ternario de MgO-Al₂O₃-SiO₂ pueden cristalizar, entre otros, mullita 3Al₂O₃•2SiO₂, forsterita 2MgO•SiO₂, espinela MgO•Al₂O₃, cordierita 2MgO•2Al₂O₃•5SiO₂ y periclasa MgO.

La separación de fases y los procesos de cristalización conducen a una fuerte reducción de la resistencia de las fibras, a la fragilización y a la destrucción de las fibras (fragmentación transversal). La estabilidad al cambio de temperatura de las fibras de vidrio S tampoco es satisfactoria. Otra gran desventaja de las fibras de vidrio S es el precio relativamente alto. Además, esta clase de fibra se utiliza apropiadamente sólo en pocos sectores.

Otro tipo de fibra que se utiliza para el refuerzo exigente de plásticos es una fibra de vidrio del vidrio Advantex® sin boro.

Aunque las fibras de vidrio de Advantex® presentan en comparación con el vidrio S resistencias más bajas y una estabilidad térmica más baja, sin embargo su tendencia a la cristalización es comparativamente muy baja.

Para fabricar fibras de vidrio, el vidrio según la composición de mezcla fijada se funde en hornos de fusión. El vidrio fundido se suministra a las toberas por un paso y un canal alimentador (alimentador).

Una tobera, que normalmente se fabrica de un aleación de metales nobles (por lo general aleación de Pt/Rh), representa una unidad de desfibrado en la que tiene lugar el verdadero proceso de hilado. Una tobera está provista de numerosas boquillas (orificios) de las que se extruyen filamentos individuales y posiblemente se agrupan.

La calidad del vidrio fundido es en principio de importancia decisiva para el proceso de hilado. En el proceso de extrusión de fibras sólo puede procesarse una masa fundida completamente homogénea sin defectos de fabricación referentes a la técnica del vidrio. La presencia de inclusiones cristalinas, yesos, entre otros, en la masa fundida influye negativamente en el proceso de hilado o lo impide por completo debido numerosas roturas en caliente de los hilos.

El proceso de hilado sólo puede realizarse en un intervalo de temperatura determinado (entre el denominado límite de temperatura inferior y superior) alcanzándose la estabilidad óptima del proceso de hilado a log ? approx 3,0 (? en dPas).

En el límite de temperatura inferior del proceso de extrusión de fibras, el flujo másico disminuye en las boquillas al aumentar la viscosidad. Las tensiones en el bulbo de extrusión que se originan por la alta fuerza de extrusión aumentan fuertemente. A causa de la alta tensión de tracción durante la extrusión de fibras en el límite de temperatura inferior, en los filamentos se "fraguan" determinadas deformaciones y puntos débiles en la red. Esto conduce especialmente a una fuerte disminución de la resistencia de las fibras y a un perjuicio del proceso de hilado. La alta fuerza de extrusión de hilos en un vidrio fundido altamente viscoso y la presión hidráulica de la masa fundida en la tobera pueden provocar una deformación del plato de boquillas. Durante la extrusión de fibras en el límite de temperatura inferior, el proceso de rehilado dura más después de una rotura en caliente, lo que repercute negativamente sobre la eficacia de la fabricación de fibras de vidrio.

Durante la realización del proceso de hilado en el límite de temperatura superior, el borde de la boquilla (superficie frontal de la boquilla) se moja mucho. De esta manera, en el bulbo de extrusión se forma una cierta "zona muerta" de la corriente con un tiempo de permanencia más largo del vidrio fundido y existe el riesgo de una nucleación. Al aumentar la temperatura del proceso de extrusión, el bulbo de extrusión se engrosa y el tiempo de enfriamiento se alarga. Como consecuencia de esto...

1. Fibras de vidrio térmicamente estables caracterizadas porque éstas contienen al menos

en las que la suma de todos los constituyentes de la fibra de vidrio da el 100% en masa.

2. Fibras de vidrio según la reivindicación 1, caracterizadas porque éstas contienen menos del 16,5% en moles de Al₂O₃.

3. Fibras de vidrio según la reivindicación 1, caracterizadas porque éstas están constituidas por

4. Fibras de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizadas porque la relación en masa de CeO₂ respecto a TeO₂+HfO₂+La₂O₃ asciende a 1:1.

5. Fibras de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizadas porque la relación en masa de ZnO respecto a CeO₂ se encuentra en el intervalo de 2 : 1 a 6 : 1 (ZnO:CeO₂ = 2:1 a 6:1).

6. Fibras de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizadas porque la proporción de Li₂O se encuentra por debajo del 0,25% en masa.

7. Fibras de vidrio según la reivindicación 1, caracterizadas porque éstas presentan al menos la siguiente estabilidad química:

estabilidad hidrolítica K1,1 (< 0, cm³ de HCl 0,01 N) resistencia a ácidos K1,1 (< 0,7 mg/dm²) resistencia a álcalis =q K1,2 (< 175 mg/dm²).

8. Fibras de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizadas porque éstas pueden aprestarse con un ensimaje acuoso que contiene una proporción de sólidos del 2,0 al 3,0% en masa constituido por:

a) 2,0-4,0% en masa de copolímero de poli(acetato de vinilo)-etileno
b) 0,3-0,7% en masa de poliamidoamida
c) 0,1-0,3% en masa de mezcla de poli(alcohol vinílico)-poliéter
d) 0,1-0,3% en masa de cera de poliolefina
e) 0,4-0,7% en masa de agente de adhesión y
f) el resto agua hasta el 100% en masa.

9. Procedimiento para aprestar una fibra de vidrio según una de las reivindicaciones 1 a 7, y posterior tratamiento térmico, caracterizado porque la fibra de vidrio se apresta con un ensimaje acuoso que contiene una proporción de sólidos del 2,0 al 3,0% en masa constituido por:

a) 2,0-4,0% en masa de copolímero de poli(acetato de vinilo)-etileno
b) 0,3-0,7% en masa de poliamidoamida
c) 0,1-0,3% en masa de mezcla de poli(alcohol vinílico)-poliéter
d) 0,1-0,3% en masa de cera de poliolefina
e) 0,4-0,7% en masa de agente de adhesión y
f) el resto agua hasta el 100% en masa.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el ensimaje acuoso se aplica mediante un aplicador, especialmente una polea de cristal o un aplicador de almohadilla, sobre la superficie del vidrio y el posterior tratamiento térmico se realiza después de un tiempo de relajación de al menos 24 horas en un secador de cámara o en un secador de alta frecuencia.

11. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el tratamiento térmico se realiza en un secador de cámara o en un secador de alta frecuencia a temperaturas en el intervalo de entre 100 y 180ºC.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 bis 10, caracterizado porque éstas presentan una pérdida por calentamiento (LOI) del 0,2 al 0,8% en masa después del tratamiento térmico.

13. Fibras de vidrio aprestadas fabricadas según un procedimiento según las reivindicaciones 9 a 12.

14. Uso de las fibras de vidrio aprestadas según la reivindicación 13 como mecha o hebra o hilo retorcido.