¿Conoce las aplicaciones y técnicas de preparación de la fibra de vidrio?

Con el avance continuo de la tecnología, las personas tienen requisitos cada vez más altos en cuanto al rendimiento de los materiales.fibra de vidrio, como importante refuerzo de material compuesto, se ha utilizado ampliamente en-campos de fabricación de equipos de alta gama, como el aeroespacial, el automotriz, la construcción y la electrónica, debido a sus excelentes propiedades, como alto módulo, peso ligero y resistencia a la radiación. Comprender la tecnología de preparación y las aplicaciones de la fibra de vidrio es de gran importancia para promover el desarrollo de industrias relacionadas.

 

1. Materias primas de fibra de vidrio

 

La fibra de vidrio es un material inorgánico no-metálico de alto-rendimiento, compuesto principalmente de SiO2, Al2O3, CaO y MgO, y representa aproximadamente el 90 % de la composición de la fibra. Se compone principalmente de materias primas minerales naturales como pirofilita, caolín, arena de cuarzo, piedra caliza, dolomita, borocalcita y boromagnesita. Estas materias primas minerales se muelen hasta obtener polvo de mineral según una fórmula específica, se mezclan con materias primas químicas como ácido bórico y carbonato de sodio, y luego se fabrican mediante procesos como la fusión a alta-temperatura en un horno de tanque y el estirado de fibras.

 

Desde la perspectiva de la composición de los costos de producción de fibra de vidrio, la pirofilita, la arena de cuarzo, la piedra caliza y otras materias primas minerales representan aproximadamente el 21,7% del costo, mientras que la pirofilita representa aproximadamente un-tercio, y la arena de cuarzo y la piedra caliza juntas también representan una cierta proporción.

 

1.1 Pirofilita

La pirofilita es un mineral arcilloso de aluminosilicato en capas con una estructura cristalina 2:1 y la fórmula química Al2[Si4O10](OH)2. El objetivo principal del uso de pirofilita en fibra de vidrio es introducir Al2O3 para reemplazar el polvo de aluminio, reduciendo costos y mejorando la resistencia mecánica de la fibra de vidrio. Se prefiere una pirofilita de aluminio -mediana con una fracción en masa de Al2O3 del 16 % al 22 %; fracciones de masa de Al2O3 excesivamente altas o bajas afectan significativamente el proceso de producción.

 

1.2 Caolín

Kaolin proporciona principalmente SiO2 y Al2O3 en la producción de fibra de vidrio. Las empresas de fibra de vidrio en Europa y América utilizan principalmente caolín seleccionado o de alta-calidad en lugar de pirofilita como materia prima de fibra de vidrio. En mi país, el caolín se divide principalmente en caolín de la serie del carbón-y caolín de la serie sin carbón-. El caolín duro, cuyo contenido de SiO2 y Al2O3 cumple con los requisitos de las materias primas de fibra de vidrio, se puede utilizar como materia prima estable y de alta-calidad para la producción de fibra de vidrio al reducir el contenido de Fe2O3 y TiO2 mediante tecnologías de beneficio como la separación magnética y la flotación, y al reducir el valor de DQO mediante la calcinación.

 

1.3 Arena de cuarzo

La arena de cuarzo, también conocida como arena de sílice, está compuesta principalmente de dióxido de silicio y es una materia prima importante para casi un centenar de productos industriales, incluidos vidrio, electrónica y aparatos eléctricos. Mi país tiene abundantes recursos de cuarzo, que incluyen cristal natural, arenisca de cuarzo, cuarcita, cuarzo en polvo, cuarzo veteado, arena de cuarzo natural y cuarzo pegmatita de granito.

 

La arena de cuarzo se distribuye en la mayoría de las provincias y regiones, pero sus recursos están dispersos y se producen principalmente en áreas pequeñas y medianas-. Las principales áreas productoras de arena de cuarzo a nivel nacional incluyen: Donghai y Xinyi en la provincia de Jiangsu; Qichun en la provincia de Hubei; Fengyang y Bengbu en la provincia de Anhui; Heyuan en la provincia de Guangdong; Zhundong en la provincia de Xinjiang; Yinan en la provincia de Shandong; y Lingshou en la provincia de Hebei.

 

1.4 Materias primas químicas

Las principales materias primas químicas utilizadas en la producción de fibra de vidrio incluyen el ácido bórico y la carbonato de sodio, que se utilizan para preparar agentes de apresto. En la producción de fibra de vidrio, los agentes de apresto unen eficazmente los monofilamentos de fibra en filamentos y evitan la adhesión entre-filamentos durante el desenrollado. También protegen las fibras del desgaste durante las distintas etapas de fabricación. Dependiendo de los diferentes requisitos del proceso de los productos formados, los agentes de apresto imparten ciertas propiedades especiales a las fibras, como capacidad de agrupamiento, capacidad de corte y dispersabilidad, y pueden mejorar la compatibilidad y adhesión entre las fibras y la matriz de resina.

 

2. Tecnología de preparación de fibra de vidrio

 

2.1 Método de dibujo del horno de tanque

El método de trefilado en horno de tanque es actualmente el método principal para la producción de fibra de vidrio. Este método funde materias primas de vidrio para obtener vidrio fundido en un horno de alta-temperatura y luego extrae el vidrio fundido en finos filamentos a través de una placa perforada porosa. El método de trefilado en horno de tanque tiene ventajas como alta eficiencia de producción, calidad estable del producto y bajo costo, y es la principal tecnología de preparación de fibra de vidrio en mi país.

2.1.1 Preparación de Materia Prima

Las principales materias primas para la fibra de vidrio incluyen pirofilita, tierras raras, arena de cuarzo, piedra caliza, dolomita, borocalcita y boromagnesia. Estas materias primas requieren un control y procesamiento estrictos para garantizar su pureza y calidad.

2.1.2 Proceso de fusión

Las materias primas se mezclan en una determinada proporción y luego se añaden a un horno para fundirlas. La temperatura del horno generalmente está entre 1500 grados y 1600 grados. Se requiere agitación continua durante el proceso de fusión para garantizar la uniformidad del vidrio fundido.

2.1.3 Proceso de trefilado de fibra

El proceso de estirado de la fibra es un paso crucial en la producción de fibra de vidrio, que afecta directamente las propiedades físicas, las propiedades mecánicas y la eficiencia de producción de la fibra final. Después de que el vidrio fundido sale del horno, se estira en finos filamentos a través de una plantilla perforada. La apertura y el número de agujeros en la plantilla se seleccionan de acuerdo con el diámetro requerido y la salida de fibra de vidrio. La temperatura, la velocidad y otros parámetros deben controlarse cuidadosamente durante el proceso de estirado de la fibra para garantizar la calidad de la fibra de vidrio. La velocidad de rotación durante el procesamiento tiene el mayor impacto en la longitud de la fibra de vidrio, seguida por la fracción de masa de la suspensión y el tiempo de procesamiento, siendo su influencia relativamente cercana.

2.1.4 Proceso de torsión

El proceso de torsión en la producción de fibra de vidrio afecta directamente las propiedades mecánicas y la estabilidad del proceso del producto de fibra final. El filamento en bruto, después de ser procesado por el retorcido inicial, debe lograr una característica de baja-torsión en una sola hebra para facilitar los procesos de tejido posteriores. Por lo tanto, se requiere un control preciso de los parámetros iniciales de la torsión, incluida la torsión, la tensión y la velocidad de bobinado, para garantizar que el hilo acabado obtenido tenga las características de baja-torsión requeridas.

2.2 Método de extracción del crisol

El método de estirado en crisol es un método tradicional para preparar fibras de vidrio. Este método implica colocar la materia prima de vidrio en un crisol, fundirla hasta obtener vidrio fundido a alta temperatura y luego extraer el vidrio fundido en finos filamentos de forma manual o mecánica. El método de estirado en crisol tiene ventajas como equipo simple y baja inversión, pero su baja eficiencia de producción y la calidad inestable del producto han llevado a su eliminación gradual por parte de los fabricantes de fibra de vidrio a gran-escala.

2.2.1 Preparación de Materia Prima

De manera similar al método de trefilado en horno de tanque, las materias primas para el método de trefilado en crisol también requieren un cribado y procesamiento estrictos. Para preparar un lote, es necesario mezclar pirofilita, arena de cuarzo, piedra caliza, borosilicato, carbonato de sodio y otras materias primas minerales en una determinada proporción.

2.2.2 Proceso de fusión

Las materias primas anteriores se colocan en un crisol y se funden en un horno de alta-temperatura. Se requiere agitación continua durante la fusión para evitar que el vidrio fundido se separe.

2.2.3 Proceso de dibujo

El proceso de dibujo se puede realizar de forma manual o mecánica. El vidrio fundido estirado mecánicamente se extrae de un perforador inferior, formando gotas. Estas gotas se guían hacia abajo, se dejan solidificar y luego se agrupan y se enrollan en un tambor de bobinado que gira uniformemente para obtener fibras agrupadas. La velocidad de rotación del tambor de bobinado determina el diámetro de la fibra de vidrio; si se utiliza un perforador de un solo orificio, se pueden obtener fibras monofilamento. La temperatura, la velocidad y otros parámetros deben controlarse cuidadosamente durante el proceso de estirado para garantizar la calidad de las fibras de vidrio.

3. Características de la Fibra de Vidrio

3.1 Alta resistencia

La fibra de vidrio tiene una resistencia muy superior a la del vidrio ordinario, con una resistencia a la tracción que supera los 1000 MPa. Es un excelente material estructural, superando a muchos metales. Esto permite que la fibra de vidrio resista una mayor tensión en materiales compuestos reforzados, mejorando tanto la resistencia como la rigidez. Por ejemplo, en la fabricación de automóviles, los plásticos reforzados con fibra de vidrio pueden reemplazar algunas piezas metálicas, reduciendo el peso del vehículo y manteniendo la resistencia estructural.

3.2 Resistencia a la corrosión

La fibra de vidrio posee una excelente resistencia a la corrosión, lo que permite un uso prolongado-en entornos hostiles como ácidos, álcalis y sales. Esto le permite mantener un rendimiento estable incluso en condiciones difíciles, extendiendo la vida útil del producto. En los campos químico y ambiental, los productos de fibra de vidrio, como tuberías y tanques de almacenamiento, pueden resistir diversos medios corrosivos, lo que garantiza la seguridad y estabilidad de los procesos de producción.

3.3 Buen aislamiento

La fibra de vidrio es un excelente material aislante con alta resistividad y rigidez dieléctrica. Esto la hace ampliamente utilizada en los campos eléctrico y electrónico, como en la fabricación de capas aislantes para alambres y cables, y como materiales de encapsulación para componentes electrónicos.. 3.4 Resistencia al calor: la fibra de vidrio posee una alta resistencia al calor, manteniendo un rendimiento estable dentro de un cierto rango de temperatura. Generalmente, su temperatura de funcionamiento-a largo plazo puede alcanzar los 200-300 grados, y su temperatura de funcionamiento a corto plazo puede ser incluso mayor.

En entornos de alta-temperatura, como motores de avión-y hornos industriales, los compuestos reforzados con fibra de vidrio pueden reemplazar algunos materiales metálicos, cumpliendo con los requisitos de las condiciones de trabajo de alta-temperatura.

3.5 Ligero

La fibra de vidrio tiene una densidad baja, aproximadamente 2,5-2,7 g/cm³, mucho más ligera que el acero. Esto hace que la fibra de vidrio sea más liviana para el mismo volumen, lo que ayuda a reducir el peso del producto y mejora la portabilidad y la eficiencia del transporte.

Por ejemplo, en el campo aeroespacial, el uso de compuestos reforzados con fibra de vidrio puede reducir significativamente el peso de las aeronaves, mejorar la eficiencia del combustible y mejorar el rendimiento del vuelo.