Propiedades básicas de la fibra de vidrio

Este artículo estudia las propiedades básicas de la fibra de vidrio, incluyendo características de apariencia, densidad, resistencia a la tracción, la razón de la alta resistencia de la fibra de vidrio y los factores que afectan su resistencia.

(1) Características de apariencia
Generalmente, las fibras orgánicas naturales o artificiales tienen arrugas profundas en su superficie. La superficie de la fibra de vidrio es un cilindro suave, y su sección transversal es casi un círculo completo. Desde un punto de vista macro, la superficie es lisa, lo que hace que la fuerza de sujeción entre las fibras sea muy pequeña, lo que no es propicio para la unión con la resina. Debido a que es un cilindro, el espacio es más denso cuando las fibras de vidrio están cerca unas de otras. Es beneficioso aumentar el contenido de vidrio en los productos de PRFV.

(2) Densidad
La densidad de la fibra de vidrio es mayor que la de otras fibras orgánicas, pero es menor que la de los metales en general, casi la misma que la del aluminio. Por lo tanto, es posible reemplazar aleaciones de aluminio y titanio con plástico reforzado con fibra de vidrio en la industria de la aviación. La densidad de la fibra de vidrio está estrechamente relacionada con la composición, generalmente alrededor de 2.5-2.7 g/cm3. Sin embargo, la densidad densa de la fibra de vidrio de alta elasticidad que contiene una gran cantidad de metales pesados puede alcanzar 2.9 g/cm3. En general, la densidad de la fibra no alcalina es mayor que la de la fibra alcalina. Consulte la siguiente tabla:

FibraLana Seda AlgodónRayónNailonFibra de carbonoFibra de vidrioFibra de vidrio
La densidadg/cm31.28~1.331.3~1.451.50~1.601.50~1.601.141.4con álcalisin álcali
2.6~2.72.4~2.6

(3) Resistencia a la tracción La resistencia a la tracción de la fibra de vidrio es varias veces mayor que la del vidrio con la misma composición. Por ejemplo, la resistencia a la tracción del vidrio con álcali es solo de 40-100 MPa, mientras que la resistencia de la fibra de vidrio producida a partir de él puede alcanzar los 2000 MPa, lo que representa un aumento de fuerza de 20-50 veces. Como se puede ver en la siguiente tabla, la resistencia a la tracción de la fibra de vidrio es mayor que la del acero de aleación de alta resistencia.

 LanaLinoAlgodónSedaNailonAleación de aceroAleación de aluminioVidrioFibra de vidrio
Diámetro de la fibra(μm)1516~5010~2018blockyblockyblockyblocky5~8
Resistencia a la tracción(MPa)160~300350300~700440300~600160040~46040~1201000~3000
  1. La razón de la alta resistencia de la fibra de vidrio Muchos expertos y académicos han propuesto varias hipótesis sobre las razones de la alta resistencia de la fibra de vidrio. (1) Hipótesis de microfisuras La hipótesis de microfisuras sostiene que la resistencia teórica del vidrio depende de la atracción gravitacional entre moléculas o átomos, y su resistencia teórica es muy alta, hasta 2000-12000 MPa. Sin embargo, la resistencia medida es muy baja, porque hay microfisuras de diferentes números y tamaños en el vidrio o la fibra de vidrio, lo que reduce en gran medida la resistencia. Las microfisuras están distribuidas en todo el volumen del vidrio o la fibra de vidrio, pero las microfisuras superficiales son las más perjudiciales. Debido a la existencia de microfisuras, el vidrio se estresa de manera desigual bajo la acción de fuerzas externas, y se genera una concentración de esfuerzos en las microfisuras más perjudiciales, lo que reduce la resistencia. La resistencia de la fibra de vidrio es mucho mayor que la del vidrio, porque la moldeado a alta temperatura de la fibra de vidrio reduce la heterogeneidad de la solución de vidrio, de modo que se reduce la probabilidad de microfisuras. Además, la sección transversal de la fibra de vidrio es pequeña, y con la disminución del área superficial, también se reduce la probabilidad de existencia de microfisuras, lo que aumenta la resistencia de la fibra. Se ha propuesto explícitamente que la razón por la cual la resistencia de las fibras de vidrio con diámetros finos es mayor que la de las fibras con diámetros gruesos es que el tamaño y el número de microfisuras en la superficie son más pequeños, lo que reduce la concentración de esfuerzos y hace que las fibras tengan una resistencia más alta. (2) Hipótesis de orientación molecular La hipótesis de orientación molecular sostiene que en el proceso de moldeado de la fibra de vidrio, las moléculas de fibra de vidrio se orientan debido al efecto de tracción de la máquina de dibujo de alambre, mejorando así la resistencia de la fibra de vidrio.
  2. Factores que afectan la resistencia de la fibra de vidrio (1) Influencia del diámetro y longitud de la fibra en la resistencia a la tracción En general, cuanto más fino sea el diámetro de la fibra de vidrio, mayor será la resistencia a la tracción, consulte la tabla a continuación, pero la resistencia de la fibra de igual diámetro extraída a diferentes temperaturas de extracción también puede ser diferente. (2) Influencia de la calidad del líquido de vidrio en la resistencia de la fibra de vidrio
 457911
Resistencia a la tracción(MPa)3000~38002400~29001750~21501250~17001050~1250

La resistencia a la tracción de la fibra de vidrio está relacionada con su longitud. Con el aumento de la longitud de la fibra, la resistencia a la tracción disminuye significativamente, como se muestra en la siguiente tabla:

Longitud de la fibra de vidrio (μm)Diámetro de la fibra (μm)Resistencia a la tracción media (MPa)
5131500
2012.51210
9012.7360
156013720

La influencia del diámetro y la longitud en la resistencia a la tracción de la fibra de vidrio puede explicarse mediante la hipótesis de microfisuras. Debido a que con la disminución del diámetro y la longitud de la fibra, las microfisuras en la fibra se reducirán correspondientemente, mejorando así la resistencia de la fibra.

(3) La influencia de la composición química en la resistencia

Generalmente, cuanto mayor sea el contenido de álcali, menor será la resistencia. La resistencia a la tracción de la fibra no alcalina es un 20% mayor que la de la fibra alcalina, como se muestra en la siguiente tabla:

Longitud de la fibra de vidrio (μm)Diámetro de la fibra (μm)Resistencia a la tracción media (MPa)
5131500
2012.51210
9012.7360
156013720

La influencia de las impurezas cristalinas: cuando la composición del vidrio fluctúa o la temperatura de la placa de fuga fluctúa o disminuye, puede provocar la aparición de cristalización en la fibra. Se ha demostrado que la resistencia de las fibras cristalizadas es menor que la de las fibras no cristalizadas.

Las pequeñas burbujas en el líquido de vidrio también reducirán la resistencia de la fibra. Se ha probado que la resistencia de la fibra de vidrio con un diámetro de 5.7μm y tirada por el líquido de vidrio que contiene pequeñas burbujas es un 20% menor que la de la fibra tirada por el líquido de vidrio puro.

(4) La influencia de las condiciones de moldeo en la fibra de vidrio

Se ha demostrado en la práctica que la resistencia de la fibra de vidrio tirada por la placa de fuga es mayor que la de la fibra tirada por la barra de vidrio. En el método de la barra de vidrio, la fibra producida por calentamiento a gas es más fuerte que la producida por alambre de calentamiento eléctrico. Por ejemplo, la resistencia de la fibra de vidrio de 10μm fabricada con una placa de fuga es de 1700MPa, mientras que la resistencia de la fibra de vidrio con el mismo diámetro es solo de 1100MPa. Esto se debe a que la barra de vidrio solo se calienta para ablandarse, la viscosidad sigue siendo muy grande y la fibra está sometida a grandes tensiones al estirarla. Además, el método de la barra de vidrio se estira a una temperatura más baja, y su velocidad de enfriamiento es menor que el método de la placa de fuga.

(5) La influencia del tratamiento superficial en la resistencia

En el estiramiento continuo, es necesario aplicar un agente infiltrante en una sola fibra o haz de fibras, que forma una película protectora en la superficie de la fibra para evitar la fricción entre las fibras durante el procesamiento textil y dañar la fibra para reducir la resistencia. Después del tratamiento térmico para eliminar el agente infiltrante, la resistencia del paño de vidrio disminuye mucho, pero después del tratamiento con un aglutinante intermedio, la resistencia generalmente puede recuperarse, porque el revestimiento de aglutinante intermedio, por un lado, protege la fibra, y por otro lado, compensa los defectos superficiales de la fibra.

(6) Influencia del tiempo de almacenamiento en la resistencia

La fibra de vidrio almacenada durante un tiempo verá reducida su resistencia, este fenómeno se conoce como envejecimiento de la fibra. Es principalmente el resultado de la erosión de las fibras por la humedad en el aire. Por lo tanto, la resistencia de la fibra con alta estabilidad química es pequeña, como la resistencia de la fibra alcalina que también se almacena durante 2 años y se reduce en un 33%, y la fibra no alcalina se reduce muy poco.

(7) Influencia del tiempo de carga en la resistencia

La resistencia de la fibra de vidrio disminuye con el aumento del tiempo de carga. Esto es especialmente cierto cuando la temperatura ambiente es alta. Puede ser que la humedad adsorbida en la microfisura, bajo la acción de una fuerza externa, acelere la propagación de la microfisura.

(4) La elongación elástica de la fibra de vidrio La elongación de la fibra se refiere al porcentaje de elongación de la fibra bajo la acción de fuerzas externas hasta que se rompe. La elongación de la fibra de vidrio es menor que la de otras fibras orgánicas, generalmente alrededor de, y el grado de elongación es proporcional a la fuerza aplicada hasta que la fibra se rompe, y no hay punto de cedencia. Después de quitar la carga, la longitud original puede restaurarse, por lo que la fibra de vidrio es completamente elástica. (5) Resistencia al desgaste y resistencia al doblado de la fibra de vidrio La resistencia al desgaste de la fibra de vidrio se refiere a la capacidad de la fibra para resistir la fricción; La resistencia al doblado de la fibra de vidrio se refiere a la capacidad de la fibra para resistir la rotura. El fibra de vidrio tiene un rendimiento deficiente en ambos casos. Cuando la superficie de la fibra absorbe agua, la propagación de microfisuras puede acelerarse y la resistencia al desgaste y la resistencia al doblado de la fibra pueden reducirse. Para mejorar la flexibilidad de la fibra de vidrio para cumplir con los requisitos del proceso textil, se puede utilizar un tratamiento superficial adecuado. Por ejemplo, después de ser tratada con una solución acuosa de surfactante catiónico al 0,2%, la resistencia al desgaste de la fibra de vidrio es 200 veces mayor que la no tratada, y la flexibilidad de la fibra se expresa generalmente por el tamaño del radio de flexión antes de romperse. Cuanto más pequeño sea el radio de flexión, mejor será la flexibilidad. Por ejemplo, cuando el diámetro de la fibra de vidrio es de 9 μm, su radio de flexión es de 0,094 mm, y cuando el diámetro de la microfibra es de 3,6 μm, su radio de flexión es de 0,038 mm. (6) Propiedades eléctricas de la fibra de vidrio Debido a que la fibra de vidrio tiene buena propiedad dieléctrica, buena resistencia al calor, pequeña absorción de humedad, y no arde, los productos de fibra de vidrio libres de álcali se han utilizado amplia y eficazmente en la industria eléctrica y de motores. (7) Propiedades térmicas de la fibra de vidrio La conductividad térmica de la fibra de vidrio es baja, especialmente la densidad de los productos de lana de vidrio es pequeña, tienen una larga vida útil y resistencia a altas temperaturas, se utilizan ampliamente en la construcción y la industria para aislamiento térmico, aislamiento térmico y aislamiento frío, siendo un excelente material de aislamiento térmico. La conductividad térmica del vidrio (es decir, el calor que pasa a través del área de transferencia de calor unitario de 13 con un gradiente de temperatura de 1℃/m y un tiempo de 1h) es de 0,7-1,28W(m.K), pero después de estirar la fibra de vidrio, la conductividad térmica es solo de 0,035W(m.K). La razón principal de este fenómeno es que el espacio entre las fibras es grande y la densidad es pequeña. Cuanto menor es la densidad, menor es la conductividad térmica, principalmente debido a la baja conductividad térmica del aire. Cuanto menor es la conductividad térmica, mejor es el rendimiento del aislamiento térmico. Cuando la fibra de vidrio está mojada, la conductividad térmica aumenta y el rendimiento del aislamiento térmico disminuye. (8) Rendimiento de absorción de sonido La fibra de vidrio también tiene excelentes propiedades de absorción de sonido y aislamiento acústico, y se utiliza ampliamente en la construcción, la maquinaria y el transporte. El coeficiente de absorción de sonido es la relación entre la energía sonora absorbida por la superficie del objeto cuando la onda sonora alcanza la superficie y la energía sonora total que cae sobre la superficie. El coeficiente de absorción de sonido de los materiales en general está relacionado con la frecuencia de vibración del objeto fuente de sonido. Por ejemplo, el material aislante acústico hecho de algodón, cuando el audio se cambia de 200HZ a 1200HZ, el coeficiente de absorción de sonido puede cambiar de 0,09 a 0,92, por lo que el coeficiente de absorción de sonido de varios materiales tiene ciertas características de audio. El coeficiente de absorción de sonido y las características de frecuencia de la lana de vidrio están estrechamente relacionados con la densidad volumétrica, el grosor y el diámetro de la fibra de vidrio. La regla general es: con el aumento de la densidad, el coeficiente de absorción continúa aumentando.

高硅铝发动机缸体

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