Explorando las propiedades del plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP)

La fibra de vidrio tiene baja densidad, excelentes propiedades de aislamiento dieléctrico, aislamiento térmico superior, así como características de absorción y expansión térmica.

I. Densidad

La densidad de la fibra de vidrio oscila entre 1,5 y 2,0, sólo entre un cuarto y un quinto de la del acero al carbono ordinario y aproximadamente dos tercios más ligera que el aluminio ligero. A pesar de su ligereza, su resistencia mecánica es impresionante.

En algunos aspectos, puede incluso acercarse al nivel del acero al carbono ordinario. Por ejemplo, ciertos materiales de fibra de vidrio epoxi alcanzan resistencias a la tracción, flexión y compresión superiores a 400 MPa. Cuando se considera la resistencia relativa, la fibra de vidrio no sólo supera significativamente al acero al carbono ordinario, sino que también puede igualar e incluso superar el nivel de algunas aleaciones de acero especiales.

En la Tabla 1 se presenta una comparación de la densidad, la resistencia a la tracción y la resistencia relativa de la fibra de vidrio y varios metales.

tabla 1

Nombres de materiales Densidad Resistencia a la tracción
(Madre)
Fuerza específica
Acero de aleación avanzado 8.0 1280 160
acero A3 785 400 50
Aleación de aluminio LY12 2.8 420 160
Hierro fundido 7.4 240 32
Fibra de vidrio epoxi 1,73 500 280
Fibra de poliester 1.8 290 160
Fibra de vidrio fenólica 1.8 290 160

Relación resistencia/peso: Se refiere a la resistencia a la tracción por unidad de densidad, es decir, la relación entre la resistencia a la tracción de un material y su densidad, indicando el alcance de sus propiedades de peso ligero y alta resistencia.

II. Propiedades electricas

La fibra de vidrio tiene excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, lo que la hace adecuada como componente aislante en instrumentos, motores y aparatos eléctricos. Mantiene buenas propiedades dieléctricas incluso en condiciones de alta frecuencia. Reemplazar el papel y la tela de algodón con tela de fibra de vidrio en los materiales aislantes puede mejorar el grado de aislamiento de estos materiales.

Usar la misma resina puede mejorar al menos un grado. La fibra de vidrio constituye entre un tercio y la mitad de la cantidad total de materiales aislantes. En algunos motores grandes, como los de 125.000 KW, se utilizan cientos de kilogramos de fibra de vidrio como material aislante.

Además, la fibra de vidrio no se ve afectada por el electromagnetismo y tiene buena transparencia en las microondas. La Tabla 2 presenta las propiedades dieléctricas de algunos tipos de fibra de vidrio.

Tabla 2

Tipos de fibra de vidrio Constante dieléctrica Tangente de pérdida dieléctrica
Fibra de vidrio de estireno butadieno 3,5 ~ 4,0 (3,5~5,0)*10 -3
fibra de vidrio 4,0 ~ 4,8 (0,9~105)* 10-2
Fibra de vidrio de polibutadieno 3.54.0 (4,5~5,5)* 10-3
Acetato de polivinilo 307 Fibra de vidrio 4,0 ~ 4,8 (0,9~1,5)* 10-3
Fibra de vidrio epoxi 6101 4.7~5.2 (1,7~2,5)* 10-2

III. Propiedades termales

La fibra de vidrio tiene excelentes características térmicas, con una capacidad calorífica específica de 2 a 3 veces mayor que la de los metales, y una conductividad térmica menor, que es sólo de 1/100 a 1/1000 que la de los materiales metálicos.

Además, determinadas variedades de fibra de vidrio tienen una notable resistencia a las altas temperaturas instantáneas. Por ejemplo, la fibra de vidrio con alto contenido de sílice a base de fenólicos forma una capa carbonizada bajo temperaturas extremadamente altas, protegiendo eficazmente a los cohetes, misiles y naves espaciales de las altas temperaturas de 5.000 a 10.000 K y de los flujos de aire de alta velocidad que crean al pasar. a través de la atmósfera. La Tabla 3 describe las propiedades térmicas de algunos materiales.

Tabla 3

Materiales Calor especifico
(KJ (Kg·K))
Conductividad térmica
(w/(m·k))
Coeficiente de expansión lineal
ɑ10 -5 /°C
Piezas fundidas de polivinilo 0,17 0,17 6~13
Hierro 0,46 75,6 1.2
Aluminio 0,92 222 2.4
Madera 1.38 0,09 ~ 0,19 0,08 ~ 0,16
Fibra de vidrio 1.26 0,40 0,7 ~ 6

Como se ilustra en la Tabla 3, la fibra de vidrio tiene propiedades excepcionales de aislamiento térmico, una ventaja con la que los materiales metálicos simplemente no pueden competir.

4. Resistencia al envejecimiento

Todos los materiales enfrentan el problema del envejecimiento y la fibra de vidrio no es una excepción; simplemente varía en tasa y gravedad. Bajo la exposición a condiciones atmosféricas, calor húmedo, inmersión en agua y medios corrosivos, el rendimiento de la fibra de vidrio disminuye. El uso prolongado puede provocar disminución del brillo, cambios de color, desprendimiento de resina, exposición de fibras y delaminación, entre otros fenómenos.

Sin embargo, con los avances de la ciencia y la tecnología se pueden tomar las medidas antienvejecimiento necesarias para mejorar su rendimiento y alargar la vida útil del producto.

Por ejemplo, cuando la fibra de vidrio fue sometida a pruebas de envejecimiento natural en Harbin, se observó la menor disminución en la resistencia a la tracción del panel, menos del 20%; seguida de la resistencia a la flexión, generalmente no más del 30%; la mayor disminución se observó en la resistencia a la compresión, que también mostró una mayor fluctuación, generalmente entre 25% y 30%. Consulte la Tabla 4 a continuación.

Tabla 4

Propiedades mecánicas Tipos de fibra de vidrio Fuerza inicial
(MPa)
Fuerza después de 10 años. Fuerza después de 10 años.
Fuerza residual
(MPa)
Tasa de disminución de fuerza
(%)
Resistencia a la tracción Epoxy 290,77 244.22 dieciséis
Poliéster 293.21 228,73 22
resistencia a la flexión Epoxy 330.06 260,68 21
Poliéster 292.04 224,91 23
Fuerza compresiva Epoxy 216,58 160.23 26
Poliéster 199,43 139,65 30
Módulo de curvatura Epoxy 1,73*10 4 1.11*10 4 36
Poliéster 1,59*10 4 1,02*10 4 36

Además, la exposición a elementos externos como el viento, la lluvia y la luz solar pueden provocar el desprendimiento de la capa de resina en las superficies de fibra de vidrio. Es necesario un mantenimiento regular para evitar esto.

V. Resistencia al calor a largo plazo y resistencia a las llamas.

La resistencia al calor y a las llamas de la fibra de vidrio depende del tipo de resina utilizada. La temperatura de funcionamiento continuo no puede exceder la temperatura de distorsión térmica de la resina. La fibra de vidrio epoxi y poliéster de uso común son inflamables. Para estructuras que requieran resistencia al fuego se deben utilizar resinas o retardantes de fuego. Por lo tanto, se requiere precaución al utilizar fibra de vidrio.

Normalmente, la fibra de vidrio no se puede utilizar durante períodos prolongados a altas temperaturas. Por ejemplo, la resistencia de la fibra de vidrio de poliéster comienza a disminuir a temperaturas superiores a 40°C y 45°C, y la de la fibra de vidrio epoxi comienza a disminuir por encima de 60°C.

En los últimos años, han surgido variedades de fibra de vidrio resistentes a altas temperaturas, como la fibra de vidrio epoxi cicloalifática y la fibra de vidrio de poliimida. Sin embargo, su temperatura de funcionamiento a largo plazo es sólo entre 200 y 300 °C, que es significativamente más baja que la temperatura de funcionamiento a largo plazo de los metales.

Teniendo en cuenta estos cinco aspectos de las propiedades físicas, está claro que la fibra de vidrio se diferencia de materiales como los metales y la cerámica. Por tanto, para maximizar sus ventajas es necesario utilizarlo correctamente. Por ejemplo, la fibra de vidrio tiene un excelente comportamiento a bajas temperaturas ya que su resistencia no disminuye.

Por eso, incluso cuando las temperaturas exteriores bajan de -45 °C a -50 °C en los inviernos del norte, la fibra de vidrio no se vuelve quebradiza. Las estructuras al aire libre, como torres de refrigeración y refugios contra la lluvia, siguen siendo seguras para su uso en los inviernos del norte.

Por otro lado, en ambientes de alta temperatura se requieren resinas y fórmulas específicas para fibra de vidrio. Para uso continuo a 100°C, se requiere una fórmula resistente a altas temperaturas y condiciones específicas del proceso de moldeo. De lo contrario, la fibra de vidrio podría dañarse durante el funcionamiento continuo a temperaturas superiores a 100 °C.

SIERRA. Propiedades químicas de la fibra de vidrio

La principal propiedad química de la fibra de vidrio es su excelente resistencia a la corrosión. No se oxida ni corroe como los materiales metálicos ni se pudre como la madera. Es casi inmune a la erosión por medios como el agua y el petróleo. Puede sustituir al acero inoxidable en plantas químicas para la fabricación de tanques, tuberías, bombas, válvulas, etc.

Además de tener una larga vida útil, tampoco requiere medidas de protección contra la corrosión, óxido o insectos, reduciendo los costes de mantenimiento. La fibra de vidrio se utiliza mucho por su resistencia a la corrosión. En algunos de los principales países industrializados, más del 13% de los productos resistentes a la corrosión están hechos de fibra de vidrio, y su uso aumenta anualmente. También es muy utilizado en nuestro país, principalmente para recubrir equipos metálicos para proteger el metal.

La resistencia a la corrosión de la fibra de vidrio depende principalmente de la resina utilizada. Aunque la resina utilizada para la fibra de vidrio es resistente a la corrosión, si se aplica directamente a superficies metálicas puede provocar grietas graves y no evitará fugas ni protegerá el metal.

Agregar una cierta cantidad de fibra de vidrio a la resina puede transformar posibles grietas graves en numerosas grietas más pequeñas. La posibilidad de que estas pequeñas grietas formen una grieta continua es mínima y también puede servir para prevenir nuevas grietas. Esto ayuda a prevenir la penetración y corrosión de soluciones químicas.

La fibra de vidrio no sólo es estable frente a una variedad de ácidos, álcalis, sales y disolventes de baja concentración, sino que también es resistente a los efectos atmosféricos, del agua de mar y microbianos.

Sin embargo, para diferentes medios corrosivos, se debe seleccionar la resina, la fibra de vidrio y sus productos adecuados. El uso de fibra de vidrio para la lucha contra la corrosión se ha vuelto cada vez más popular en los últimos años, lo que demuestra las ventajas de una baja inversión en anticorrosión, una larga vida útil y ahorros sustanciales en materiales de acero inoxidable, lo que genera importantes beneficios económicos.

Normalmente, la resistencia a la corrosión de la fibra de vidrio se evalúa midiendo su cambio de masa cuando se coloca en diferentes medios corrosivos. Un cambio de masa menor indica una mejor resistencia a la corrosión y un cambio de masa mayor indica una menor resistencia a la corrosión.

La Tabla 5 enumera las proporciones de masa de varios tipos de fibra de vidrio en diferentes concentraciones de soluciones ácidas y alcalinas, mientras que la Tabla 6 muestra la tasa de retención de la resistencia a la flexión de la fibra de vidrio de poliéster en ácidos, álcalis y otros medios.

Tabla 5

Promedio Concentración promedio Edad 307 fibra de vidrio poliéster Fibra de vidrio de estireno Fibra de vidrio furano-epoxi 634 epoxi poliéster fibra de vidrio 193 fibra de vidrio 197 fibra de vidrio poliéster Fibra de vidrio de polibutadieno
Hidróxido de sódio 5,2% 366 -5,426 +0.5091 +0.7122 +10.85 +1,023 +9744 +0.531
Hidróxido de sódio 29,2% 366 -17.21 +0.103 -0,49 +12.07 +2,301 +0.522 +0.174
Hidróxido de sódio 48,3% 386 -8,85 -1,432 -1,28 -0.604 +8.34 -1,84 -1,78
Ácido sulfúrico 5,6% 365 +0.472 -0,155 +4.74 -0.0371 -0.012 -0.212
Ácido sulfúrico 28,8% 365 +5,855 +1,199 +17.38 +0.032 +1,795 +1,217 +4,338
Ácido sulfúrico 48,3% 365 +1,565 +0.115 +6,193 +0.321 +0.434 +0.339 +0.428
Ácido clorhídrico 4,7% 365 -0.6762 -3.350 +3,987 +0.044 -0.7414 -2.083
Ácido clorhídrico 15,2% 365 -6.254 -6,74 +0.7428 +3,878 -8,371 -7,211

Tabla 6

Grado de resina 191# 189# 196# 197# 198# 199#
Resistencia original (MPa) 259 267 278 295 337 290
Hidróxido de acero 5% 8.75 5,96 12:10 8:30 pm. 6.24 27.10
Hidróxido de acero 30% 22:60 horas
Ácido sulfúrico 5% 50,6 55,5 45,5 43.4 47.0 69,8
Ácido sulfúrico 30% 58,5 45.1 38,6 40.0 64,5
Ácido clorhídrico 5% 70,5 55.3 68,5 46,8 49.2 69,8
Ácido clorhídrico 30% 50,6 45.2 45.0 39,7 28.1 71.0
Ácido nítrico 5% 69,8 50.3 59,5 56.2 52.2 75.0
Ácido clorhídrico 30% 50,6 45.2 45.0 39,7 28.1 71.0
Ácido nítrico 5% 69,8 50.3 59,5 56.2 52.2 75.0
Ácido nítrico 30% 57 40.2 53 39,6 36,6 64,6
Benceno 21.9 24.4 21 28.8 55.2 88
Aceite del transformador 81,5 74 75.1 66,5 69,4 84,8
Gasolina 85,5 75,7 74,8 79,6 74.0 89,6

*El tiempo de inmersión es de un año.

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