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UNIDAD Nº6

VIDRIO Y MATERIALES VÍTREOS

Unidad 6: Vidrios y materiales vítreos

• Vidrio

– Solido no cristalino

– Material amorfo

– Mezcla de óxidos metálicos fundidos

dispuestos en forma aleatoria

Unidad 6: Vidrios y materiales vítreos

Propiedades Físicas

• Elevada temperatura de fusión (> 1.200ºC).

• Elevada aislación eléctrica; sin embargo al estado

líquido conducen la corriente eléctrica.

• Conduce moderadamente el calor.

• Muy bajo coeficiente de dilatación térmica.

• Transparencia; se generan fenómenos de refracción y

dispersión de la luz

Unidad 6: Vidrios y materiales vítreos

Propiedades químicas

• Excelente inercia química, no sufren los procesos

de corrosión y deterioro superficial excepto por la

acción del ácido fluorhídrico y las soluciones

alcalinas concentradas.

• No se ve afectado por solventes

Unidad 6: Vidrios y materiales vítreos

Propiedades mecánicas

• Elevada resistencia a la compresión y en menor

grado a la tracción.

• Puede ser recocido y templado.

• Baja tenacidad, presenta fractura frágil

• Elástico

• Friable

• Dureza y resistencia al desgaste

Sílice

• Estructura

– Sílice cristalino

– Sílice amorfo: vidrio

Estructura de los vidrios

• Óxidos formadores de vidrio

(SiO2); (B2O3)

• Óxidos modificadores de vidrios

(Na2O) ; (K2O) ; (MgO) ; (CaO)

• Óxidos intermediarios de vidrios

(Al2O3) ; (PbO)

Sílice

• Componente mayoritario del vidrio

• Óxido de silicio: SiO2

• Estructura piramidal (≈ C)

• Forma silicatos:

– óxido ácido de sílicio + óxido básico metálico

– Ej: silicato de sodio

Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2

– Notación específica: Na2SiO3 = Na2O.SiO2

Sílice

• Estructura vidrio de sodio

Na2SiO3

• Cuarzo

– Mineral con alta pureza de sílice

– Estructura cristalina

– Color blanquecino

– Aplicaciones de alta temperatura

– Aplicaciones en joyería: piedra semipreciosa

Cristal de roca Amatista Agua marina Topacio

Materias Primas para la fabricación de vidrio

• Cuarzo

– Aplicaciones de alta temperatura: escaso coeficiente de

dilatación térmica.

– Silice de alto grado de pureza, blanquecina.

– Fe2O3 < 0,045 % vidrio incoloro

Materias Primas para la fabricación de vidrio

• Arena

– Es la variedad más abundante de sílice

– Debe su color a la presencia de Fe2O3

Materias Primas para la fabricación de vidrio

• Feldespato: origen mineral

6SiO2. R2O.Al2O3 (R= Na; Ca ó K)

• Bórax: origen mineral. (B4O7Na2 . 10H2O)

– Aumenta resistencia química y térmica

– Derivado: ácido bórico

• Ácido Bórico: (H3BO3)

Materias Primas para la fabricación de vidrio

• Carbonato de sodio (soda solvay):

– Na2CO3 → aporta Na2O

– Excelente fundente

– Después de la arena es la materia prima de mayor uso en

vidrio común (vidrio de soda-cal)

– Variedad: NaHCO3 (trona)

• Carbonato de calcio

– CaCO3 → aporta CaO

– Piedra caliza ≈ sarro (Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 +

H2O)

Materias Primas para la fabricación de vidrio

• El mismo vidrio: reciclado

– Reutilización: lavado y llenado

– Reprocesamiento: separación por

color, molienda, fundición (resagos)

Materias Primas para la fabricación de vidrio

Fabricación del material vítreo

Sistema continúo

Responde a regímenes de alta producción

• Envases: botellas, frascos.

• Vidrios planos: construcción, automotores.

• Iluminación: lámparas, tubos.

• Fibras de vidrio: comunicaciones o como refuerzo en materiales

compuestos.

Fabricación del material vítreo

Horno de vidrio de 2 vías

• Proceso: sistema de dos vías

– Calentamiento por combustión

– Temperatura ≈ 1600 ºC

– Hornos con sistemas de refrigeración

– Materiales refractarios templados: Al2O3, ZrO2, SiO2

Fabricación del material vítreo

Fabricación del material vítreo

Sistema Discontinuo o batch

Se utilizan para producciones no seriadas o de escaso volumen de

producción tal como la fabricación de vidrios para óptica o vidrios

técnicos; la fusión se realiza en crisoles cerámicos.

Procesos de conformación de objetos vítreos

• Soplado: envases en general y objetos de iluminación.

• Gravedad: vidrios planos.

• Moldeo: aislantes eléctricos y artículos industriales.

• Prensado: vajilla para cocina, ladrillos para la construcción

y artículos industriales.

• Extrusión: fibras de vidrio.

Procesos de conformación de objetos vítreos

Fabricación de botellas. Proceso discontinuo o “batch”

Procesos de conformación de objetos vítreosFabricación de botellas. Proceso discontinuo o “batch”

Procesos de conformación de objetos vítreos

Fabricación de vidrio plano. Proceso continuo

Procesos de conformación de objetos vítreosFabricación de vidrio plano. Proceso continuo

Fabricación de vidrio por prensado

Bloques para la construcción

Procesos de conformación de objetos vítreos

Procesos de conformación de objetos vítreos

Fabricación de vidrio por prensado

Fibras de vidrio

• Propiedades

– Resistencia a la tracción moderada 150-250 kg/mm2

– Elasticidad

– Buena resistencia química; no se biodegrada.

Aplicaciones

Aislante térmico, acústico y como refuerzo de materiales

poliméricos (PRFV).

Procesos de conformación de objetos vítreos

Fabricación de fibra de vidrio. Proceso continuo

Procesos de conformación de objetos vítreos

Fabricación de fibra de vidrio. Proceso continuo

Tratamiento térmico

• Recocido

– Calentamiento hasta una temperatura por debajo del

reblandecimiento

– Enfriamiento lento controlado

– Evita tensiones de conformado

– Disminuye la rotura

Tratamiento térmico

• Templado

– Calentamiento hasta punto de recocido

– Enfriamiento brusco controlado

– Fortalece la superficie

– Aumenta resistencia

Tipos de vidrio

• Vidrios de cuarzo

– Mínima dilatación térmica.

– Equipos eléctricos para calefacción; equipos de

laboratorio

– Tienen elevada resistencia química

– Funden a temperaturas superiores a 1700 ºC

Tubos de cuarzo para calefacción Material para laboratorio

Tipos de vidrio

• Vidrios de soda-cal

– Mayor volumen de producción

– Composición: SiO2: 75%, CaO: 12,5 %, Na2O: 12,5%

– Se busca una composición

que permita

• Baja temperatura de trabajo

• Insolubilidad en productos

contenidos

Tipos de vidrio

• Vidrio borosilicatos

– Se conocen por su nombre comercial Pyrex

– Fabricación de elementos para cocina “térmicos”;

– Bajo coeficiente de dilatación; Alta resistencia al choque

térmico

– Elevada inercia química

– Alta resistencia eléctrica

– Composición: SiO2: 81%,

B2O3: 13%, Na2O: 4%, Al2O3: 2%

Tipos de vidrio

• Vidrio borosilicatos

– Variedad: Jena

• Pyrex con agregado de 12 % de ZnO

Tipos de vidrio

• Vidrios ópticos

– Vidrios de plomo

• Composición aprox.: SiO2: 68%, PbO: 14%, Na2O: 10%,

K2O: 8%

– Características:

• Elevada transparencia

• Elevada resistencia a condiciones atmosféricas

• Elevado índice de refracción

– Jerga: “cristalinidad: grado de transparencia”

El “cristal” no es estructuralmente cristalino, sino amorfo, por

muy transparente que sea

Tipos de vidrio

• Vidrios ópticos

– Uso: lentes para instrumentos ópticos y visión

– También es utilizado para la fabricación de cristalería e

iluminación

– Adicionales: óxidos de bario, boro y bismuto

Tipos de vidrio

• Vidrios de seguridad

– Sirven para paliar la fragilidad del vidrio (sometido a carga

se rompe repentinamente sin deformarse mucho)

– Vidrio multilaminar

Tipos de vidrio

• Vidrios de seguridad

– Templado: aumenta la resistencia mecánica ante tensión

y ante impacto

– Usos: ind. automotriz, vigilancia, construcción

Tipos de vidrio

• Vidrios coloreados - incoloros

– Desarrollos previos al siglo XX empíricos

– La coloración surge del agregado de óxidos o sales

– Vidrio transparente:

• Baja concentración de impurezas; Fe2O3

• El uso de MnO2 (jabón de los vidrieros) neutraliza el efecto del

Fe2O3

• En la actualidad se usan óxidos de cobalto y selenio

Arena (amarillenta) + jabón (violeta) = vidrio incoloro

Tipos de vidrio

• Vidrios coloreados

COLOR AGREGADO

Verde Cr2 O3, Au2O, FeO

Amarillo Sb2S3, U3 O8

Violeta MnO 2

rubí Cu2O, Au, Se

Azul CoO

Fluorescente UO2 (OH)2

Opacos SnO2 ó Ca 3(PO4)2

Blanquecino SnO2 ó CaF2

COLOR AGREGADO

Verde Cr2 O3, Au2O, FeO

Amarillo Sb2S3, U3 O8

Violeta MnO 2

rubí Cu2O, Au, Se

Azul CoO

Fluorescente UO2 (OH)2

Opacos SnO2 ó Ca 3(PO4)2

Blanquecino SnO2 ó CaF2

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Aplicaciones en telefonía, televisión e informática. Usos

en medicina (cámaras en miniatura)

– Elementos:

• núcleo cilíndrico central transparente de vidrio que transmite la

luz; (Ø 2 mm - 1 mm)

• Tubo concéntrico externo translúcido llamado “cladding”,

puede ser vidrio o plástico

– La relación Ø [mm] núcleo -“cladding” especifica tipo de

fibra, por ej: 65/130

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Principio de funcionamiento

Refracción

n2 > n1

Reflexión

n1 > n2

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Principio de funcionamiento

n` > n

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Ventajas respecto de cable de cobre:

• Volumen de información muy importante

• No es afectado por radiación electromagnética

• No hay cortocircuitos eléctricos (incendios)

• Los recubrimientos no son afectados por rayos UV

• Baja atenuación lumínica (menos estaciones repetidoras)

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Características necesarias/deseables

• Poseer un núcleo y una cubierta con índices diferentes

• Tener un núcleo y una cubierta concéntricas

• Tener un diámetro del núcleo constante en toda su longitud

• Tener un perfil del índice optimizado

• Tener una atenuación muy baja

• Tener la mayor resistencia mecánica posible

• Ser lo más barata posible

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Materias primas:

• mezclas de sílice (SiO2),

• dióxido de germanio (GeO2) (aumenta n)

• pentóxido de fósforo (P2O5) (aumenta n)

• óxido de boro (B2O3) (disminuye n)

• fundentes: óxidos de sodio, calcio, bario y potasio

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Índice de refracción gradual

– Fabricación

• Origen en semiconductores de electrónica

• Más complicado tecnológicamente

• Recubrimiento por reacciones químicas: vapodeposición de

óxidos metálicos sobre proforma de sílice puro y posterior

trefilado

• Deposición en el exterior o en la cara interior de proforma hueca

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Índice de refracción gradual

– Fabricación

• Reacciones químicas

SiCl4 + O2 → SiO2 + 2 Cl2

GeCl4 + O2 → GeO2 + 2 Cl2

4 POCl3 + 3 O2 → 2 P2O5 + 6 Cl2

4 BBr3 + 3 O2 → 2 B2O3 + 6 Br2

• Procedimiento

- Generación de óxidos en fase vapor en etapas sucesivas

- Variación de composición → variación de n (50-60 “capas”)

- Elevación hasta T = 2000 ºC con sopletes de hidrógeno

- Trefilado de proforma de composición variable y contínua

Fibra de vidrio (fibra óptica)

• Telecomunicaciones

– Índice de refracción gradual

Una barra de vidrio de una

longitud de 1 m y de un

diámetro de 10 cm, permite

obtener por estiramiento una

fibra monomodo de una longitud

de alrededor de 150 km