thumb|220px|right|Manojo de fibra de vidrio.
La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos cerámicos basados en dióxido de silicio (SiO2) extremadamente finos.
A lo largo de la historia los vidrieros han ensayado con la fibra de vidrio, pero la manufactura masiva de este material solo fue posible con la invención de máquinas y herramienta más refinadas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en la Exposición Mundial Colombina 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 las conoce como cabellos de Pele.
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 empresa Owens-Corning, 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.
Formación de la fibra
La fibra de vidrio se conforma de hebras delgadas hechas a base de sílice o de formulaciones especiales de vidrio, extruidas a modo de filamentos de diámetro diminuto y aptas para procesos de tejeduría. La técnica de calentar y elaborar fibras finas a partir de vidrio se conoce desde hace milenios; sin embargo, el uso de estas fibras para aplicaciones textiles es mucho más reciente: solo hasta ahora es posible fabricar hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y estandarizadas. La primera producción comercial de fibra de vidrio ocurrió en 1936; en 1938 Owens-Illinois Glass Company y Corning Glass Works se unieron para formar la Owens-Corning Fiberglas Corporation. Cuando ambas compañías se unieron para producir y promover la fibra de vidrio, introdujeron al mercado filamentos continuos de fibra de vidrio. Owens-Corning continúa siendo el mayor productor de fibra de vidrio en el mercado actual.
Los tipos de fibra de vidrio usados más comúnmente son las de vidrio clase E (E-glass: vidrio de alumino-borosilicato con menos de 1% peso de óxidos alcalinos, principalmente usada para Plástico reforzado con vidrio,pero también se usan las clases A (A-glass: vidrio álcali-cal con pocos o ningún óxido de boro), clase E-CR (E-CR glass: de silicato álcali-cal con menos de 1% peso/peso de óxidos alcalinos, con alta resistencia a los ácidos), clase C (C-glass: vidrio álcali-cal con alto contenido de óxido de boro, usadas por ejemplo en fibras de vidrio con filamentos cortos), clase D (D-glass: vidrio de borosilicato con una constante dieléctrica alta), clase R (R-glass: vidrio de aluminosilicatos sin MgO ni CaO con altas prestaciones mecánicas) y la clase S (S-glass: vidrio de aluminosilicatos sin CaO pero con alto contenido de MgO con alta resistencia a la tracción).
Química de la fibra de vidrio thumb|right|200px|Estructura molecular teórica del vidrio
La fibra de vidrio útil para tejido tiene como base el compuesto sílice, SiO2. En su forma pura el dióxido de silicio se comporta como polímero (SiO2)n. Es decir, no tiene un punto de fusión verdadero pero se suaviza a 1200 °C, punto en el que comienza a descomponerse y a 1713 °C la mayoría de las moléculas presentan libertad de movimiento. Si el vidrio ha sido extruido y enfriado de forma rápida desde esta temperatura, es imposible obtener una estructura ordenada. En su estado de polímero se forman grupos de SiO4 que están configurados con estructura tetrahédrica con el átomo de silicio en el centro, y cuatro átomos de oxígeno en las puntas. Estos átomos luego forman una red de enlaces en las esquinas que comparten los átomos de oxígeno.
Los estados vítreos y cristalinos de la sílice (vidrio y cuarzo) tienen niveles energéticos similares en sus bases moleculares, lo que implica que en su forma vidriosa es extremadamente estable; en orden de reducir la cristalización, debe ser calentado a temperaturas superiores a los 1200 °C por períodos prolongados de tiempo.
Aunque la sílice pura es perfectamente viable para hacer vidrio y fibra de vidrio, debe ser procesada a temperaturas muy altas, lo cual es un inconveniente a menos que sus propiedades químicas específicas sean necesarias. Parecería inusual introducir impurezas al vidrio, sin embargo añadir algunos materiales contribuye a bajar su temperatura de trabajo; estos materiales también añaden otras propiedades al vidrio que pueden ser benéficas en aplicaciones diferentes. El primer tipo de vidrio usado para hacer fibra fue el vidrio de cal sodada o el vidrio Clase A, que no es muy resistente a compuestos alcalinos; para corregir esto, un nuevo tipo conocido como Clase E, se desarrolló como un vidrio de alumino-borosilicato que es libre de elementos alcalinos (<2%); esta fue la primera formulación de vidrio usada para la formación de filamentos. El vidrio de clase E constituye aún la principal forma de producción de fibra de vidrio y sus compuestos particulares pueden tener ligeras variaciones que deben permanecer bajo cierto rango. La letra E es usada debido a que se desarrolló principalmente para aplicaciones eléctricas. El vidrio Clase S es una formulación cuya característica principal es la alta resistencia a la tracción y por lo mismo recibe su letra (de tensile strength). El vidrio clase C fue desarrollado para resistir el ataque químico, principalmente de ácidos que destruirían un vidrio clase E (su letra proviene entonces de chemical resistance). El vidrio de Clase T, es una variante comercial de North American Fiberglass del vidrio de Clase C. El vidrio Clase A es una referencia industrial para denominar al vidrio reciclado, muchas veces de botellas, que se usa para hacer lana de vidrio. La clase AR es un vidrio resistente a compuestos alcalinos (AR de alkali-resistant). La mayoría de las fibras de vidrio tienen una solubilidad limitada en agua pero esto cambia en relación con el pH. Los iones de cloruro también pueden atacar y disolver superficies de vidrio Clase E.
El vidrio de clase E no puede derretirse realmente, pero en cambio se suaviza, definiéndose su punto de ablandamiento como "la temperatura a la que una fibra con un diámetro entre 0,55 y 0,77 mm de 235 mm de longitud, se alarga con su propia carga a una ratio de 1 mm/min cuando está suspendida verticalmente y se ha calentado a una tasa de 5 °C por minuto". El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio tiene una viscosidad de 1014,5 poise. El punto de atenuación (enfriamiento), que es la temperatura en la que las tensiones internas se reducen a un límite comercialmente aceptable de 15 minutos, está determinado por una viscosidad de 1013 poise.
Propiedades
Sonoras
Gracias a la composición de la resina y la dirección que tienen las fibras cuando se forma el material compuesto, resulta un gran aislante acústico, ya que es un reflector de ondas sonoras.
Térmicas
Las fibras de vidrio son buenos aislantes térmicos debido a su alto índice de área superficial en relación con su peso. Sin embargo, un área superficial incrementada la hace mucho más vulnerable al ataque químico. Los bloques de fibra de vidrio atrapan aire entre ellos, haciendo que la fibra de vidrio sea un buen aislante térmico, con conductividad térmica del orden de 0,05 W/(m·K)
Tensión
Tipo de Fibra Tensión de rotura (MPa)Esfuerzo de Compresión (MPa) Densidad (g/cm³)Dilatación térmicaµm/(m°C)T de ablandamiento(°C)Preciodólar/kg Vidrio clase E 3445 1080 2,585,4846~2 Vidrio clase S-2 4890 1600 2,462,91056~20
La tensión del vidrio usualmente se comprueba y reporta para fibras "vírgenes" o prístinas (aquellas que se acaban de fabricar). Las fibras recién hechas, más delgadas, son las más fuertes debido a que son más dúctiles. Cuanto más se raye su superficie, menor será la tenacidad resultante. Debido a que el vidrio presenta una estructura amorfa, sus propiedades son isotrópicas, es decir, son las mismas a lo largo y ancho de la fibra (a diferencia de la fibra de carbono, cuya estructura molecular hace que sus propiedades sean diferentes a lo largo y a lo ancho, es decir, son anisotrópicas). La humedad es un factor importante para la tensión de rotura; puede ser adsorbida fácilmente y causar rupturas y defectos superficiales microscópicos, disminuyendo la tenacidad.
A diferencia de la fibra de carbono, la de vidrio puede soportar más alargamiento antes de romperse; existe una relación de proporcionalidad entre el diámetro de doblez del filamento, al diámetro del filamento en sí.Hillermeier KH, Melliand Textilberichte 1/1969, Dortmund-Mengede, pp. 26–28, "Glass fiber—its properties related to the filament fiber diameter". La viscosidad del vidrio fundido es muy importante para el éxito durante la fabricación; durante la conformación (tirando del vidrio para reducir el espesor de la fibra) la viscosidad debe ser relativamente baja; de ser muy alta, la fibra se puede romper mientras se tira. Sin embargo, de ser muy baja, el vidrio puede formar gotas en vez de convertirse en filamentos útiles para hacer fibra.
Procesos de fabricación Fundición Hay dos tipos principales de fabricación de fibra y dos tipos de resultados. La primera, es fibra hecha a partir de un proceso de fundición directo y la segunda un proceso de refundición de canicas. Ambas comienzan con el material en su forma sólida; los materiales se combinan y se funden en un horno. Luego, para el proceso con canicas, el material fundido se separa mediante tensión cortante y se enrolla en canicas que están enfriadas y empacadas. Las canicas se llevan a las instalaciones donde se elabora la fibra donde se insertan dentro de contenedores para refundirse; el vidrio fundido se extruye en espirales roscados (similares a insertos roscados) para conformar la fibra. En el proceso de fundición directo, el vidrio derretido en el horno va directamente a la formación de los insertos.
Formación La placa donde se enroscan los insertos es el componente principal en el maquinado de la fibra. Consiste en una placa de metal caliente en la que están situadas las boquillas mediante las cuales se hará fibra a partir de los insertos introducidos en ellas. Casi siempre esta placa está hecha de una aleación de platino y rodio por motivos de durabilidad. El platino se usa debido a que el vidrio fundido tiene una afinidad natural para humectarlo. Las primeras placas que se usaban para este propósito eran 100% de platino y el vidrio las penetraba tan fácilmente que empapaba la placa y se acumulaba como residuo a la salida de las boquillas. También se usa esta aleación platino-rodio debido al costo del platino y su tendencia a desgastarse con facilidad; en el proceso de fundición directa, las placas también cumplen la función de colectar el vidrio fundido. Se usan ligeramente calientes para mantener el vidrio a una temperatura correcta, adecuada para la formación de la fibra. En el proceso de fundición de canicas, la placa actúa más como un distribuidor de calor, en el sentido en que funde la mayoría del material.