Resistencia a la Tracción de las Fibras: Una Comparación Clara de los Diferentes Tipos de Fibra

Este artículo le ayudará a comprender la resistencia a la tracción de las diferentes fibras. Le resultará útil para elegir materiales de fibra con la resistencia a la tracción adecuada según sus propias necesidades, evitando el desperdicio de material, ahorrando costes y garantizando un uso seguro.

¿Qué es la resistencia a la tracción de las fibras?

La resistencia a la tracción de las fibras es la capacidad de la fibra para resistir la rotura bajo una carga de tracción. Es un indicador clave para medir las propiedades mecánicas de las fibras y también una base importante para la selección de materiales en diversas industrias. Las unidades para medir la resistencia a la tracción de las fibras incluyen cN/dtex, MPa, GPa, psi, etc.

La resistencia a la tracción de las fibras se puede clasificar según los grados de resistencia como baja resistencia (< 500 MPa), resistencia media (500 – 1000 MPa) y alta resistencia (> 1500 MPa).

Concepto erróneo: si una fibra no se rompe, cuanto más se estira, mayor es su resistencia a la tracción.

 

Incorrecto. La resistencia a la tracción se refiere a la fuerza necesaria para romper la fibra, no a cuánto se puede estirar. Algunas fibras se pueden estirar durante mucho tiempo antes de romperse, pero esto no significa que su resistencia a la tracción sea alta. Un ejemplo típico son las fibras de aramida. Las fibras de aramida apenas se estiran y tienen muy poca deformación, pero se rompen solo con una fuerza muy grande. Esto demuestra que su resistencia a la tracción es muy alta.

Ensayo de resistencia a la tracción de fibras

Método de ensayo de resistencia a la tracción de fibras

El ensayo de resistencia a la tracción de fibras se realiza principalmente mediante el método de elongación constante de una fibra individual (CRE). Los métodos específicos son los siguientes:

Sujete las fibras individuales en la máquina de ensayo de tracción a intervalos especificados y estírelas continuamente a una velocidad determinada hasta que se rompan. Registre la fuerza máxima y el alargamiento en la rotura, y luego conviértalos en resistencia a la rotura o resistencia específica a la rotura.

Las normas internacionales más utilizadas para el ensayo de resistencia a la tracción de fibras incluyen principalmente ISO 5079, ASTM C1557 y ASTM D3822, entre otras. Diferentes fibras requieren diferentes normas. Puede consultar la tabla a continuación:

Sin embargo, para fibras cortas, medir una por una requiere mucho tiempo. Por lo tanto, el método de elongación constante de fibra individual (CRE) mencionado anteriormente no es aplicable. En este caso, se puede utilizar el ensayo de resistencia a la tracción de fibras en haz. Este método de ensayo mide una gran cantidad de fibras a la vez y luego utiliza un modelo matemático para calcular la resistencia media a la tracción de la fibra individual.

Además, existen otros métodos de ensayo:

1. Ensayo de tracción de filamento compuesto / hilo: Este es para fibras con múltiples filamentos o hilos. La muestra se estira para obtener la resistencia a la tracción del hilo.

2. Ensayo de resistencia al enganche: Este es adecuado para fibras naturales y fibras sintéticas. Se enganchan dos fibras y se estiran hasta que se rompen, midiendo la resistencia a la tracción al enganche. Refleja la capacidad de carga de la fibra después de la flexión.

3. Ensayo de resistencia al nudo: La fibra se anuda y se estira para medir la tenacidad de la fibra individual después de anudarse y doblarse.

Precauciones en el ensayo de resistencia a la tracción de fibras

1. La longitud calibrada de la muestra (longitud de sujeción) tiene un impacto significativo en los resultados del ensayo: cuanto más corta sea la longitud calibrada, mayor será la resistencia medida. Por lo tanto, al realizar el ensayo, la longitud calibrada debe fijarse estrictamente según la norma y no puede cambiarse arbitrariamente.

2. Las fibras vegetales naturales (residuo de caña de azúcar, fibras de plátano) tienen muchos defectos y los datos fluctúan considerablemente. La norma requiere ensayar un gran número de muestras para obtener estadísticas.

3. Para la misma muestra, el uso de dos conjuntos de normas para ensayar la resistencia a la tracción de la fibra, como ISO 5079 y ASTM D3822, dará resultados ligeramente diferentes debido a los distintos requisitos de ensayo.

Resistencia a la tracción de diferentes fibras

Las fibras están compuestas por millones de cadenas macromoleculares. Diferentes fibras tienen diferentes resistencias a la tracción. Por ejemplo, la resistencia a la tracción de las fibras de carbono de alto rendimiento puede alcanzar más de 4500 MPa, y la de las fibras largas de aramida III puede alcanzar más de 28,5 cN/dtex.

Los factores que influyen en la resistencia a la tracción de las fibras incluyen: la disposición de las cadenas moleculares, la fuerza de los enlaces químicos en las propias moléculas, la longitud de las cadenas moleculares y la fuerza de unión entre las cadenas. Entre ellos, la disposición de las cadenas moleculares es un factor de influencia significativo.

Cuando las cadenas moleculares están dispuestas de manera relativamente ordenada, más cadenas compartirán la fuerza de tracción juntas y la resistencia a la tracción de la fibra será mayor; cuando las cadenas moleculares están dispuestas de manera caótica, al ser sometidas a fuerza, solo unas pocas cadenas soportarán la fuerza de tracción y la resistencia disminuirá.

Además, la fuerza de los enlaces químicos en las propias moléculas, la longitud de las cadenas moleculares, la fuerza de unión entre las cadenas, así como las pequeñas grietas y defectos dentro de la fibra, también pueden cambiar la resistencia a la tracción. La siguiente tabla muestra el rango de resistencia a la tracción de cada tipo de fibra.

¿Por qué la resistencia a la tracción de la fibra es un rango y no un único valor fijo?

El mismo tipo de fibra también se puede dividir en diferentes modelos, como tipo estándar, tipo de alta resistencia y tipo de resistencia ultraalta. Además, los fabricantes también pueden ajustar artificialmente la resistencia a la tracción de las fibras mediante procesos, por lo que solo modelos específicos tendrán un valor fijo de resistencia a la tracción.

*La tabla utiliza el valor medio del rango de resistencia a la tracción para cada tipo de fibra.

Comparación de la resistencia a la tracción de diferentes fibras

La resistencia de las diferentes fibras varía significativamente. Sus diferencias las hacen adecuadas para diferentes aplicaciones.

Las siguientes comparaciones examinan la resistencia a la tracción y las características clave de varios tipos de fibras comunes. Le ayudarán a elegir el material adecuado para su aplicación.

1. Resistencia a la tracción de fibra de carbono vs fibra de vidrio

2. Resistencia a la tracción de fibra de basalto vs fibra de carbono

3. Resistencia a la tracción de poliéster (PET) vs polipropileno (PP)

La fibra con mayor resistencia a la tracción

¿Qué fibra tiene la mayor resistencia a la tracción?

El PBO (poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol)) es actualmente la fibra orgánica más resistente en términos de resistencia a la tracción entre las fibras orgánicas de alto rendimiento. Su resistencia a la tracción típica de monofilamento es de aproximadamente 5,8 GPa. Le siguen la fibra de carbono de grado T800 y el UHMWPE (Dyneema).

El PBO es una superfibra orgánica sintética. Un solo filamento fino de PBO puede soportar cargas extremadamente pesadas. Sus ventajas incluyen:

1. Excepcional resistencia a la tracción y alta resistencia al calor. Es difícil de quemar cuando se expone al fuego;
2. Extremadamente ligero, significativamente más ligero que el acero;
3. Amplia gama de aplicaciones, incluidos chalecos antibalas, cuerdas resistentes a explosiones, aeroespacial y deportes de motor.

Sin embargo, también tiene desventajas:

1. Sensible a la luz y a la radiación ultravioleta. La exposición prolongada a la luz solar directa daña la estructura molecular interna, reduciendo drásticamente la resistencia y causando fragilidad. Por lo tanto, no se puede usar expuesto al aire libre y debe protegerse con recubrimientos o encapsulación en resina.
2. Muy caro. Se utiliza principalmente en equipos de protección de alta gama y aplicaciones aeroespaciales.

¿Una mayor resistencia a la tracción significa un mejor rendimiento de la fibra?

Incorrecto.

La resistencia a la tracción es solo una propiedad mecánica individual. Solo indica la capacidad de una fibra para resistir la rotura bajo tensión o tracción. Debe comprender que no puede determinar el rendimiento general de una fibra. Tampoco se puede equiparar directamente con un rendimiento integral superior.

La alta resistencia a la tracción es una ventaja significativa de las fibras. Sin embargo, al usarla en la práctica, no se base únicamente en la resistencia a la tracción. El valor real de una fibra se determina con múltiples factores, incluidos la tenacidad, la resistencia a la intemperie, la resistencia a la corrosión, la resistencia al calor, la estabilidad y la idoneidad para aplicaciones específicas. Incluso las fibras de alta resistencia pueden tener deficiencias notables.

Considere un ejemplo típico: en aplicaciones de hormigón, las fibras de poliéster (PET) exhiben una mayor resistencia a la tracción que las fibras de polipropileno (PP). Puede dar por sentado el mayor rendimiento del PET. Sin embargo, pasa por alto la excelente resistencia alcalina de las fibras de PP. De hecho, las fibras de PP son mucho más estables que las fibras de PET, que son propensas a la hidrólisis alcalina. Esto las hace más valiosas como aditivo de fibra para hormigón.

Por lo tanto, cuando compre fibras, no evalúe su rendimiento basándose únicamente en una métrica de resistencia. En su lugar, considere una combinación de resistencia a la tracción, resistencia alcalina, capacidad de unión interfacial y durabilidad a largo plazo. Solo las fibras adecuadas para su aplicación específica son las mejores.

¿Cómo elegir la fibra adecuada para su aplicación?

Elegir una fibra basándose únicamente en la resistencia a la tracción puede ser engañoso. La forma correcta es considerar la aplicación específica y su combinación requerida de resistencia a la tracción, resistencia alcalina, rendimiento de unión, durabilidad, resistencia química y otras propiedades.

En WOTAIchem, ofrecemos diferentes tipos de materiales de fibra para refuerzo de hormigón y otras aplicaciones, incluidos fibra de PP, fibra de PET, fibra de PVA, fibra de PAN, fibra de celulosa de madera y otras soluciones de fibra personalizadas. Nuestras fibras de PVA premium son utilizadas por Sika y otras empresas líderes de materiales de construcción.

Para evitar pagar por un rendimiento innecesario, debe hacer coincidir el tipo de fibra y los requisitos de rendimiento con la aplicación real. De esta manera, se puede garantizar el refuerzo y la durabilidad requeridos.

La mejor fibra no es necesariamente la que tiene la mayor resistencia a la tracción; es la que proporciona el equilibrio adecuado de rendimiento, durabilidad y coste para su aplicación.

Si tiene dificultades para seleccionar la fibra adecuada, póngase en contacto con nosotros y nuestro equipo estará encantado de ayudarle.