Informe

Vidrios

Sustancia amorfa fabricada sobre todo a partir de sílice (SiO2) fundida a altas temperaturas con boratos o fosfatos. También se encuentra en la naturaleza, por ejemplo en la obsidiana, un material volcánico, o en los enigmáticos objetos conocidos como tectitas. El vidrio es una sustancia amorfa porque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se halla en un estado vítreo en el que las unidades moleculares, aunque están dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica. El vidrio se enfría hasta solidificarse sin que se produzca cristalización; el calentamiento puede devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los ingredientes empleados en su fabricación.

Tiene múltiples usos como es en el empleo como producto para acabados de construcción.

FABRICACIÓN

Preparación:

Se trituran las materias primas, se mezclan hasta homogeneizar y se vigilan las proporciones para obtener el vidrio deseado.

Fusión.

Se trata de convertir estas materias primas en un vidrio homogéneo y de proporciones uniformes. Primero los compuestos alcalinos, luego la cal y la sílice. A medida que se funden, pierde viscosidad la masa. Si existieran carbonatos, sulfatos, etc. Desprenden gases y borbotea la masa, lo que con­tribuye a su homogeneización.


Tipos de hornos:


Intermitentes: Son una serie de crisoles, en cada uno se puede fabricar un tipo diferente de vidrio. Son para pe­queñas producciones. Se llaman de balsa si el material se calienta sólo en la superficie.


Continuos: Son parecidos a los de balsa. Se mantiene el nivel constante por alimentación continua por un extremo, y se extrae por el otro. Son para grandes producciones. Revestidos con material refractario. Se controla la tem­peratura. Llevan cámaras recuperadoras y los combusti­bles pueden ser líquidos o gaseosos.


Moldeo.

Por soplado: Se hace en dos fases: Primero, una vez fundido el vidrio, tomamos una gota y formamos un globo de vidrio sobre un molde insuflando aire a presión, consiguiendo que se adhiera a las paredes. Esto puede hacerse mecánicamente. En la segunda fase se le da la forma definitiva y se obtienen botellas, frascos . . . Para vidrios planos, hacemos una gran ampolla o un cilindro que se rasga por una generatriz y se aplana.

Por colado: Se vierte el vidrio en moldes. Debido a su gran viscosidad, puede no rellenar os detalles del molde. Esto se evita sometiendo a presión, con un rodillo por ejemplo, que fuerza a ocupar las irregularidades.

Por laminación: Se alimenta el horno hasta que la masa de vi­drio desborda la salida y se provoca una evacuación continua que, al pasar entre los rodillos de una máquina laminadora, toma forma de hoja continua. Se somete a un enfriamiento controlado, o sea, un recocido, que elimina tensiones. Final­mente se efectúa el desbastado, el corte y el pulido. Este método sirve para obtener vidrios impresos, armados o sin armar. Pueden ser translúcidos, llevando un grabado en la máquina (normalmente en el rodillo inferior) que se reprodu­ce.


Los vidrios impresos pueden ser armados o sin armar. Los vidrios armados llevan en su masa una malla metálica de re­tícula cuadrada que se introduce en la masa de vidrio durante la laminación.

Por flotado: La masa sale del horno por un canal y se vierte sobre un baño de estaño líquido. La entrada de la pasta ví­trea se controla con registros refractarios verticales, que determinan el caudal. Al caer sobre el baño de estaño, se ex­tiende por la superficie y cuando tiene el espesor deseado se detiene la entrada. El vidrio flota sobre el estaño y se va en­friando lentamente, para igualar la temperatura la cara su­perior se calienta con unos mecheros. La lámina obtenida es totalmente uniforme en su espesor y tiene un paralelismo to­tal entre las caras. Se somete a un tratamiento de recocido para eliminar tensiones y se corta. Este método se utiliza para el vidrio transparente.

Por prensado: Se suele denominar moldeados (o paveas) a piezas destinados en la construcción y se obtienen prensando una masa fundida en moldes especiales. Hay dos grupos:

1. Moldeados dobles: Formados por dos elementos in­dependientes soldados entre si al fabricarse origi­nando una sola pieza.
   
2. Moldeados sencillos: De un solo elemento. Desapa­rece la fase de soldado.
   Por estirado: Se consiguen vidrios planos de espesor unifor­me y superficies planas. Se trata de conseguir extraer ver­ticalmente, a partir de un baño fundido de vidrio contenido en un horno de balsa, obteniendo una lámina rectangular con­tinua. Al emerger enfriarla cuidadosamente. Hay varios ti­pos:

• Sistema FORCAULT: Tiene como elemento principal una distribuidora de material refractario que se encuentra flotando en la superficie de la masa. Una vez formada la lámina es arrastrada verticalmente por unos rodillos y, a la salida, se corta a las medi­das deseadas.
  
• Sistema PITTSBURG: Varía del anterior en que la distribuidora está sumergida unos 7 cm bajo la su­perficie de la masa vítrea. El ancho de la lámina de vidrio se mantiene mediante unos rodillos estriados actuando sobre los bordes.
  
• Sistema COLBURN - LIBBEY OWENS: Desaparece la distribuidora. Se mantiene el ancho de la lámina igual que en el sistema anterior. Elevamos vertical­mente el vidrio unos 60 cm. Allí se recalienta y se curva sobre un rodillo para continuar horizontal­mente en un largo túnel de enfriamiento. La veloci­dad de estirado se hace variar inversamente pro­porcional al exterior. Finalmente se corta.

Tipos de Vidrios

-EL VIDRIO SÓDICO-CÁLCICO

Está formado por sílice, sodio y calcio principalmente. La sílice es parte de la materia prima básica, el sodio le da cierta facilidad de fusión y el calcio la provee de estabilidad química. Este tipo de vidrio es el que se funde con mayor facilidad y el más barato. Por eso la mayor parte del vidrio incoloro y transparente tiene esta composición. Las ventanas de los edificios, desde la más grande hasta la más pequeña están hechas con este vidrio. Lo único que cambia de una diminuta ventana a un ventanal de enormes dimensiones es el espesor. Está tan estudiado el grosor en relación con el tamaño, que hay una clasificación y una reglamentación para el tipo de vidrio que se debe usar en cada construcción. En la figura se ilustra el espesor necesario del vidrio, según el tamaño de la ventana. Por ejemplo, un ventanal de 200 cm de altura tiene que tener entre 75 y 100 mm de espesor.

Los vidrios sódico-cálcicos están permitidos para la fabricación de envases y equipamientos para cualquier condición de contacto con los alimentos, incluyendo pasteurización y esterilización industrial.

-VIDRIO DE PLOMO

En este tipo de vidrio se sustituye el óxido de calcio por óxido de plomo. Es igual de transparente que el vidrio sódico-cálcico, pero mucho más denso, con lo cual tiene mayor poder de refracción y de dispersión. Se puede trabajar mejor que aquél porque funde a temperaturas más bajas. Su coeficiente de dilatación calorífica es muy elevado, lo cual quiere decir que se expande mucho cuando se aumenta la temperatura y por lo tanto no tiene gran resistencia al choque térmico.

Posee excelentes propiedades aislantes, que se aprovechan cuando se emplea en la construcción de los radares y en el radio. Absorbe considerablemente los rayos ultravioletas y los rayos X, y por eso se utiliza en forma de láminas para ventanas o escudos protectores.




EL VIDRIO DE BOROSILICATO

Nació en 1912. Después de la sílice, su principal componente es el óxido de boro. Es prácticamente inerte, más difícil de fundir y de trabajar. Los átomos de boro se incorporan a la estructura como Si-O-B. Tiene alta resistencia a cambios bruscos de temperatura, pero no tan alta como la del vidrio de sílice puro, pues aun cuando presenta el mismo tipo de vibración, la longitud de los enlaces varía más cuando está presente el boro y el material tiene un coeficiente de dilatación mayor. El valor de este coeficiente es 0.000005 centímetros por grado centígrado. Esto quiere decir que por cada grado centígrado que aumenta la temperatura, el vidrio se agranda 0.000005 centímetros.

Por eso se utiliza en la elaboración de utensilios de cocina para el horno y de material de laboratorio, pues es muy resistente al calor y a los cambios bruscos de temperatura. Estos objetos no se hacen de vidrio de sílice puro porque su manufactura es complicada, ya que tienen que alcanzar temperaturas de 1650ºC para hacerlo.

EL VIDRIO DE SÍLICE

Formado con 96% de sílice es el más duro y el más dificil de trabajar, pues es necesario emplear una costosa técnica al vacío para obtener un producto para usos especiales, que transmite energía radiante del ultravioleta y del infrarrojo con la menor pérdida de energía. También existe otra novedosa técnica en cuya primera etapa se utiliza vidrio de borosilicato que se funde y se forma, pero con dimensiones mayores a las que se desea que tenga el producto final. Este artículo se somete después a un tratamiento térmico, con lo cual se transforma en dos fases vítreas entremezcladas, es decir, en dos tipos de vidrios diferentes entremetidos uno en el otro. Uno de ellos es rico en álcali y óxido de boro, además de ser soluble en ácidos fuertes (clorhídrico y fluorhídrico) calientes. El otro contiene 96% de sílice, 3% de óxido de boro y no es soluble. Esta última es la composición final del vidrio de sílice.


En la segunda etapa de fabricación el artículo se sumerge en un ácido caliente, para diluir y quitar la fase soluble. El vidrio que tiene grandes cantidades de sílice, y que no se disuelve, forma una estructura con pequeños agujeros, llamados poros. Posteriormente se lava el vidrio para eliminar el ácido bórico y las sales que se forman, concluyendo con un secado.

En la tercera y última etapa el artículo se calienta a 1 200º C, y se observa una contracción de aproximadamente 14%. Esto quiere decir que su tamaño disminuye en ese porcentaje. Los poros desaparecen. Su estructura se consolida sin que se produzca ninguna deformación. Los gases contenidos en el interior son desorbidos y el vidrio adquiere una apariencia perfectamente transparente y hermética.

Los vidrios que contienen 96% de sílice tienen una estabilidad tan grande y una temperatura de reblandecimiento tan elevada (1 500ºC) que soportan temperaturas hasta de 900ºC durante largo tiempo. A temperaturas más altas que éstas puede producirse una desvitrificación y la superficie se ve turbia. Por todas estas propiedades se utilizan en la fabricación de material de laboratorio, que requiere una resistencia excepcional al calor, como sucede con los crisoles, los tubos de protección para termopares, los revestimientos de hornos, las lámparas germicidas y los filtros ultravioletas.

La sílice es un material elástico casi perfecto. Cuando se deforma debido a una fuerza externa, rápidamente regresa a su forma original. No pierde su estructura química ni siquiera con el calor, razón por la cual este tipo de vidrio es el más cotizado.

CÓMO DARLE COLOR AL VIDRIO

Los cuatro tipos de vidrio químicamente diferentes que hemos descrito pueden adquirir color fácilmente si se les añaden impurezas de metales de transición a las mezclas utilizadas. Esto no afecta ninguna de las demás propiedades. En la antigüedad, el vidrio estaba inevitablemente coloreado por las impurezas que de manera natural contienen las arcillas y por la contaminación en los crisoles de fusión. El primer vidrio relativamente incoloro se obtuvo a principios de la era cristiana, en Roma, pero el primero que realmente no tuvo color no se logró sino hasta el sigloX en Venecia.
Las investigaciones en los últimos 50 años acerca de cómo colorear el vidrio han sido muy importantes, ya que no se han perseguido sólo fines artísticos y ornamentales, sino también científicos, como por ejemplo, la elaboración de filtros y lentes de color para los sistemas de señales de transportes, que exigen un control muy riguroso de la transmisión de la luz a través del vidrio en todo el espectro.



Existen principalmente tres formas de darle color al vidrio.


Una es por medio de los colores de solución, donde el color se produce porque el óxido metálico presente absorbe la luz de la región visible del espectro, y deja pasar la que corresponde a algunos colores, que son los que se ven. De esta forma el cobre absorbe la luz con longitudes de onda que pertenecen a todos los colores, menos la vinculada al color rojo rubí, cuando está en estado de oxidación +1, o al verde, cuando su estado de oxidación es +2. Por eso un vidrio que contenga Cu+1 se verá rojo rubí, y con Cu+2 será verde. El cobalto siempre absorbe la luz con todas las longitudes de onda menos la que produce el color azul, y así, de la misma manera, el vanadio, el manganeso, el titanio, el cromo, el hierro y el níquel producen sus propios colores.

La segunda forma de darle color es por medio de una dispersión coloidal. Ésta consiste en partículas submicroscópicas suspendidas en el vidrio, que reflectan o dispersan selectivamente los rayos de luz de un color. Por ejemplo, el selenio combinado con sulfuro de cadmio produce partículas en el vidrio que dispersan toda la luz, menos la de color rojo. Aquí el color depende de la concentración y el tamaño de las partículas, no tanto del elemento por el que están formadas. El color rubí se puede producir con oro y cobre en su estado elemental, o por seleniuros y sulfuros en solución.

La tercera forma de darle color al vidrio es cuando el cobre se calienta con la sílice a temperaturas muy altas se deposita en forma de escamas y produce también el color rubí, pero ahora por medio de partículas macroscópicas. Con esta misma técnica se puede producir el vidrio opaco, porque las escamas que se forman dentro provocan que la luz se difracte en el interior del vidrio, quitándole transparencia. También se forma un tipo de vidrio alabastro, que es como un mármol translúcido, generalmente con visos de colores. Las estructuras internas que se forman para producir estos efectos son poco conocidas, pero esto no impide que se utilicen en aparatos de alumbrado de luz difusa y en artículos de ornato.


Una segunda clasificación se basa en su función más que en su composición. De esta forma podemos tener los siguientes ejemplares:


EL VIDRIO DE SEGURIDAD

Para elaborar un vidrio de seguridad es necesario elegir placas que no tengan distorsiones, pegarlas, cortarlas y agujerarlas hasta que tengan la forma deseada.


Para elaborar el vidrio de seguridad simple, conocido con el nombre de Security, estas placas se tienen que meter al horno para calentarlas a cierta temperatura y después enfriarlas con aire, proceso que se conoce como templado. Esto provoca una serie de tensiones, ya que la superficie queda sometida a fuerzas de compresión, mientras que en el centro existen fuerzas de tensión. En el interior del vidrio, donde las fuerzas de tensión se incrementan por el templado, la fuerza del material es casi ilimitada porque está prácticamente libre de imperfecciones. Esto se debe a que los enlaces entre los átomos tienen la misma fuerza y por lo tanto disminuyen hasta un mínimo las tensiones internas. Ningún átomo jala más que el otro, y esto le da una fortaleza adicional. También se suele poner una placa de plástico transparente entre dos láminas de vidrio, lo cual, además de hacerlo más resistente, lo hace más seguro, porque al romperse se fraccionará en numerosos trozos pequeños, sin producir astillas, evitando con esto que queden pedazos de vidrio cortantes.

Los conocidos vidrios antibalas, ofrecen seguridad contra asaltos o ataques terroristas. Antes de la aparición de las armas de fuego, el blindaje habitual de los combatientes eran el casco, la armadura y el escudo, pero se volvieron inútiles ante las balas. Fue entonces que apareció un blindaje más complicado que tenía al vidrio como la base de su protección. Quizá te resulte difícil imaginar que en verdad existe un vidrio tan resistente que soporte el impacto de las balas, pero sí existe. Se conoce con el nombre de vidrio de seguridad combinado, y está formado por dos o más placas entre las que se colocan láminas de plástico, que actúan como planchas de unión. Todas las capas prensadas se pasan a un autoclave, sometiéndolas a altas presiones y temperaturas. Así se forma una unidad de elevada resistencia que no pierde su transparencia, y que en efecto es a prueba de balas. En general son vidrios muy gruesos. Cada capa intermedia tiene alrededor de 0.40 mm de espesor, y puede tener muchas. A veces se le pone una trama de alambre, que además de darle fortaleza adicional le da un efecto decorativo muy fino, que resulta útil e interesante en el acristalado de puertas.

En 1914 apareció el primer vidrio blindado para algunos automóviles. Estaba fabricado con planchas de acero y vidrios, que formaban dos capas con una red de acero en el centro. En 1920 se fabricaron con materiales cada vez más resistentes y con diseños y espesores adecuados, y empezaron a usarse también en los bancos. Las condiciones que deben reunir los vidrios blindados son: estabilidad y duración, resistencia mecánica y química a la acción del calor y de las radiaciones, facilidad de aplicación y eficacia de protección para un peso y un volumen aceptable. Este tipo de vidrio debe reunir muchas características, pues aunque su principal función es proteger, también es deseable que sea estético, que nos permita ver hacia afuera igual que un vidrio común, que no se deshaga después de estar tres años al Sol y que sea lo suficientemente ligero para ponerlo en una puerta.

EL VIDRIO AISLANTE

Los acristalados aislantes se fabrican montando dos o más placas separadas entre sí, de forma que los espacios intermedios permanezcan herméticamente cerrados y deshumidificados para que conduzcan lo menos posible el calor. En los bordes del vidrio se colocan nervios distanciadores soldados con estaño, como se muestra en la figura 24. De esta forma tenemos dos placas de vidrio que no se tocan, separadas por aire que no puede transmitir el calor con facilidad, y así se evita que se escape la energía. Al mismo tiempo, una ventana de este tipo amortigua considerablemente los ruidos, lo cual siempre es una ventaja adicional.


También podemos obtener vidrio que sea un aislante eléctrico, sobre todo si lo fabricamos con vidrio sódico-cálcico. Son necesarios para fabricar focos, tubos de radio, aislantes de líneas telefónicas y de transmisión de energía. Para que te des una idea de lo especial de este vidrio, piensa en que cuando enciendes un foco lo que quieres es que la corriente eléctrica se dirija hacia el filamento y no se conduzca por el vidrio hacia afuera. Para equipo más especializado, como los tubos de alto voltaje para rayos X o aceleradores Van de Graaff de corriente continua (figura 25), el vidrio tiene que ser más resistente y entonces se utiliza el que se elabora con 96% de sílice. El acelerador Van de Graaff de corriente continua se utiliza para mover con gran velocidad partículas como los protones. Para hacerlo necesita generar una gran diferencia de potencial, por lo cual precisa una alta eficiencia y un control de la energía. Un vidrio aislante ayuda a conseguir esta eficacia.

EL VIDRIO DIELÉCTRICO


A los materiales que pueden polarizarse en presencia de un campo eléctrico se les conoce como dieléctricos. Polarizar quiere decir que las moléculas o los átomos se convierten en dipolos, acomodando todas sus cargas negativas hacia un lado y las positivas hacia otro. Los dipolos eléctricos se acomodan en la misma dirección que el campo eléctrico local que los produce. Son importantes porque una vez formados son capaces de conducir la electricidad, pero antes no. Un vidrio dieléctrico se obtiene a partir de arcillas ricas en plomo y se utiliza para fabricar cintas para los condensadores electrónicos. Estos materiales necesitan una gran resistencia, por lo que se suele utilizar también vidrio de 96% de sílice y cuarzo fundido.


EL VIDRIO CONDUCTOR



Para que un vidrio tenga una conductividad eléctrica apreciable, en su elaboración se tiene que elevar la temperatura a 500ºC, o recubrirlo con una película conductora de metales, óxidos alcalinos o aleaciones, en cuyo caso el que conduce es el metal que se le pone y no tanto el vidrio.


EL VIDRIO PROTECTOR CONTRA EL SOL

Este vidrio refleja la luz del Sol. La capa de recubrimiento que lleva incorporada, además de reflejar puede presentar diversas tonalidades de color, como plateado, bronce, verde o gris. Se coloca en el espacio intermedio y en la capa interior de la placa externa. De esta forma se hace el vidrio polarizado y el de tipo espejo. Los espejos que se instalan en las ventanas de los edificios modernos son precisamente para proteger contra el Sol.