Vidrio
Definición
El vidrio es un sólido amorfo no cristalino que a menudo es transparente y tiene un amplio uso práctico, tecnológico y decorativo en, por ejemplo, paneles de ventanas, artículos de mesa y optoelectrónica. Los tipos de vidrio más familiares e históricamente los más antiguos son los "vidrios de silicato" basados en el compuesto químico de sílice (dióxido de silicio o cuarzo), el constituyente principal de la arena. El término vidrio , en el uso popular, se usa a menudo para referirse solo a este tipo de material, que resulta familiar a partir del uso como vidrio de ventana y botellas de vidrio. De los muchos vidrios a base de sílice que existen, el vidrio ordinario y el vidrio contenedor se forman a partir de un tipo específico de vidrio de cal sodada, compuesto de aproximadamente 75% de dióxido de silicio (SiO 2 ), óxido de sodio (Na 2O) a partir de carbonato de sodio (Na 2 CO 3 ), óxido de calcio (CaO), también llamado cal, y varios aditivos menores.
Muchas aplicaciones de vidrios de silicato derivan de su transparencia óptica, dando lugar a su uso principal como cristales de ventanas. El vidrio transmitirá, reflejará y refractará la luz; estas cualidades se pueden mejorar cortando y puliendo para hacer lentes ópticas, prismas, cristalería fina y fibras ópticas para transmisión de datos de alta velocidad por luz. El vidrio se puede colorear mediante la adición de sales metálicas, y también se puede pintar e imprimir con esmaltes vítreos. Estas cualidades han llevado al uso extensivo de vidrio en la fabricación de objetos de arte y, en particular, ventanas de vidrios de colores. Aunque es frágil, el vidrio de silicato es extremadamente durable, y existen muchos ejemplos de fragmentos de vidrio de los primeros cultivos de fabricación de vidrio. Debido a que el vidrio se puede formar o moldear en cualquier forma, se ha utilizado tradicionalmente para recipientes: cuencos, jarrones, botellas, jarras y vasos. En sus formas más sólidas, también se ha utilizado para pisapapeles, mármoles y cuentas. Cuando se extruye como fibra de vidrio y se enmaraña como lana de vidrio para atrapar el aire, se convierte en un material aislante térmico, y cuando estas fibras de vidrio se incrustan en un polímero orgánico de plástico, son una parte clave de refuerzo estructural del material compuesto de fibra de vidrio. Históricamente, algunos objetos estaban hechos de vidrio de silicato que simplemente se llaman por el nombre del material, como vasos y anteojos. son una parte clave del refuerzo estructural del material compuesto de fibra de vidrio. Históricamente, algunos objetos estaban hechos de vidrio de silicato que simplemente se llaman por el nombre del material, como vasos y anteojos. son una parte clave del refuerzo estructural del material compuesto de fibra de vidrio. Históricamente, algunos objetos estaban hechos de vidrio de silicato que simplemente se llaman por el nombre del material, como vasos y anteojos.
Científicamente, el término "vidrio" a menudo se define en un sentido más amplio, que abarca a cada sólido que posee una estructura no cristalina (es decir, amoría) a escala atómica y que exhibe una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido. Las porcelanas y muchos termoplásticos poliméricos familiares del uso diario son los vidrios. Este tipo de gafas puede fabricarse con diferentes tipos de materiales distintos de la sílice: aleaciones metálicas, masas fundidas iónicas, soluciones acuosas, líquidos moleculares y polímeros. Para muchas aplicaciones, como botellas de vidrio o gafas, los vidrios de polímero (vidrio acrílico, policarbonato o tereftalato de polietileno) son una alternativa más ligera que el vidrio tradicional.
Vidrio de silicato
Ingredientes
Sílice (SiO 2 ) es un constituyente fundamental común de vidrio. En la naturaleza, la vitrificación del cuarzo ocurre cuando un rayo golpea la arena, formando estructuras de raíz huecas y ramificadas llamadas fulguritas.
El cuarzo fundido es un vidrio hecho de sílice químicamente pura. Tiene una excelente resistencia al choque térmico, pudiendo sobrevivir a la inmersión en agua mientras está al rojo vivo. Sin embargo, su alta temperatura de fusión (1723 ° C) y la viscosidad dificultan el trabajo. Normalmente, se agregan otras sustancias para simplificar el procesamiento. Uno es carbonato de sodio (Na 2 CO 3 , "soda"), lo que disminuye la temperatura de transición vítrea. La soda hace que el vidrio sea soluble en agua, lo que generalmente es indeseable, por lo que la cal (CaO, óxido de calcio, generalmente obtenida de la piedra caliza), algo de óxido de magnesio (MgO) y óxido de aluminio (Al 2 O 3)) se agregan para proporcionar una mejor durabilidad química. El vidrio resultante contiene aproximadamente 70 a 74% de sílice en peso y se denomina vidrio de sosa y cal. Los vidrios de soda y lima representan aproximadamente el 90% del vidrio fabricado.
El vidrio más común contiene otros ingredientes para cambiar sus propiedades. El vidrio con plomo o el vidrio de sílex es más "brillante" porque el índice de refracción aumentado provoca una reflexión notablemente más especular y una mayor dispersión óptica. Agregar bario también aumenta el índice de refracción. El óxido de torio proporciona al vidrio un alto índice de refracción y baja dispersión, y anteriormente se usaba para producir lentes de alta calidad, pero debido a su radioactividad ha sido reemplazado por óxido de lantano en anteojos modernos. El hierro se puede incorporar al vidrio para absorber la radiación infrarroja, por ejemplo, en filtros que absorben calor para proyectores de películas, mientras que el óxido de cerio (IV) se puede usar para vidrio que absorbe las longitudes de onda ultravioleta.
La siguiente es una lista de los tipos más comunes de vidrios de silicato y sus ingredientes, propiedades y aplicaciones:
- Cuarzo fundido , también llamado vidrio de sílice fundida , vítreo-sílice de vidrio : sílice (SiO 2) en vítreo, o de vidrio, forma (es decir, sus moléculas están desordenados y al azar, sin estructura cristalina). Tiene una expansión térmica muy baja, es muy dura y resiste altas temperaturas (1000-1500 ° C). También es el más resistente contra la intemperie (causado en otros vidrios por iones alcalinos que se filtran del vidrio, mientras lo manchan). El cuarzo fundido se utiliza para aplicaciones de alta temperatura, como tubos de hornos, tubos de iluminación, crisoles de fusión, etc.
- Sosa-cal-sílice de vidrio , vidrio de ventana : sílice + óxido de sodio (Na 2 O) + cal (CaO) + magnesia (MgO) + alúmina (Al 2 O 3 ). Es transparente, se forma fácilmente y es más adecuado para vidrios de ventana (ver vidrio plano). Tiene una alta expansión térmica y baja resistencia al calor (500-600 ° C). Se usa para ventanas, algunas bombillas incandescentes de baja temperatura y vajillas. El envase de vidrio es un vidrio de sosa-cal que es una ligera variación del vidrio plano, que usa más alúmina y calcio, y menos sodio y magnesio, que son más solubles en agua. Esto lo hace menos susceptible a la erosión hídrica.
- Vidrio de borosilicato sódico , Pyrex : sílice + trióxido de boro (B 2 O 3 ) + soda (Na 2 O) + alúmina (Al 2 O 3 ). Soporta la expansión de calor mucho mejor que el vidrio de ventana. Utilizado para cristalería química, vidrio de cocina, lámparas de cabeza de automóvil, etc. Los vidrios de borosilicato (por ejemplo, Pyrex, Duran) tienen como constituyentes principales sílice y trióxido de boro. Tienen coeficientes de expansión térmica bastante bajos (7740 Pyrex CTE es 3.25 × 10 / ° C en comparación con aproximadamente 9 ×10 / ° C para un vidrio de cal sodada típico), haciéndolos más estable dimensionalmente. El menor coeficiente de expansión térmica (CTE) también los hace menos sujetos al estrés causado por la expansión térmica, por lo tanto, son menos vulnerables a las grietas por choque térmico. Se usan comúnmente para botellas de reactivos, componentes ópticos y utensilios de cocina para el hogar.
- Plomo-óxido de vidrio , vidrio de cristal , plomo vidrio : sílice + óxido de plomo (PbO) + óxido de potasio (K 2 O) + de sodio (Na 2 O) + óxido de zinc (ZnO) + alúmina. Debido a su alta densidad (que resulta en una alta densidad de electrones), tiene un alto índice de refracción, lo que hace que el aspecto de la cristalería sea más brillante (llamado "cristal", aunque por supuesto es un cristal y no un cristal). También tiene una alta elasticidad, lo que hace que el "anillo" de cristalería. También es más viable en la fábrica, pero no soporta la calefacción muy bien. Este tipo de vidrio también es más frágil que otras gafas y es más fácil de cortar.
- Vidrio de aluminosilicato : sílice + alúmina + cal + magnesia + óxido de bario (BaO) + óxido bórico (B 2 O 3 ). Ampliamente utilizado para fibra de vidrio, utilizado para fabricar plásticos reforzados con vidrio (barcos, cañas de pescar, etc.) y para vidrio con bombilla halógena. Los vidrios de aluminosilicato también son resistentes a la intemperie y la erosión hídrica.
- Vidrio de óxido de germanio: alúmina + dióxido de germanio (GeO 2 ). Vidrio extremadamente transparente, utilizado para guías de onda de fibra óptica en redes de comunicación. La luz pierde solo el 5% de su intensidad a través de 1 km de fibra de vidrio.
Otro ingrediente de vidrio común es el vidrio alcalino triturado o 'cullet' listo para vidrio reciclado. El vidrio reciclado ahorra materias primas y energía. Las impurezas en el vidrio de desecho pueden provocar fallas en el producto y el equipo. Se pueden agregar agentes de relleno tales como sulfato de sodio, cloruro de sodio u óxido de antimonio para reducir el número de burbujas de aire en la mezcla de vidrio. El cálculo del lote de vidrio es el método por el cual se determina la mezcla de materia prima correcta para lograr la composición de vidrio deseada.
Moldavita, un vidrio natural formado por impacto de meteorito, de Besednice, Bohemia
Tubo fulguritas
La arena de cuarzo (sílice) es la principal materia prima en la producción comercial de vidrio
Trinitita, un vaso hecho por la prueba de armas nucleares de la Trinidad
Vidrio de plomo un vaso hecho al agregar óxido de plomo al vidrio
Una diapositiva de guante de vidrio borosilicato
Propiedades físicas
Propiedades ópticas
El vidrio se utiliza ampliamente, en gran parte debido a la producción de composiciones de vidrio que son transparentes a la luz visible. Por el contrario, los materiales policristalinos generalmente no transmiten luz visible. Los cristalitos individuales pueden ser transparentes, pero sus facetas (límites de grano) reflejan o dispersan la luz dando como resultado una reflexión difusa. El vidrio no contiene las subdivisiones internas asociadas con los límites de grano en policristales y, por lo tanto, no dispersa la luz de la misma manera que un material policristalino. La superficie de un vidrio suele ser lisa ya que durante la formación del vidrio las moléculas del líquido sobreenfriado no se ven obligadas a eliminar en geometrías de cristal rígidas y pueden seguir la tensión superficial, lo que impone una superficie microscópicamente lisa. Estas propiedades, que le dan al vidrio su claridad,
El vidrio tiene la capacidad de refractar, reflejar y transmitir luz siguiendo la óptica geométrica, sin dispersarla (debido a la ausencia de límites de grano). Se usa en la fabricación de lentes y ventanas. El vidrio común tiene un índice de refracción alrededor de 1.5. Esto puede modificarse agregando materiales de baja densidad como el boro, lo que reduce el índice de refracción (vea el cristal de la corona) o aumenta (hasta 1.8) con materiales de alta densidad, como (clásicamente) el óxido de plomo (vea pedernal). vidrio y vidrio de plomo), o en usos modernos, menos tóxicos óxidos de zirconio, titanio o bario. Estos vidrios de alto índice (erróneamente conocidos como "cristal" cuando se usan en recipientes de vidrio) causan una mayor dispersión cromática de la luz y son apreciados por sus propiedades ópticas similares a las del diamante.
De acuerdo con las ecuaciones de Fresnel, la reflectividad de una hoja de vidrio es de aproximadamente 4% por superficie (a incidencia normal en el aire), y la transmisividad de un elemento (dos superficies) es de aproximadamente 90%. El vidrio con alto contenido de óxido de germanio también encuentra aplicación en optoelectrónica, por ejemplo, para fibras ópticas transmisoras de luz.
Dispositivo óptico simple: la lupa
Filamento de fibra óptica de vidrio
Otras propiedades
En el proceso de fabricación, el vidrio de silicato puede verterse, formarse, extruirse y moldearse en formas que van desde láminas planas hasta formas muy intrincadas. El producto terminado es quebradizo y se fracturará, a menos que esté laminado o tratado especialmente, pero es extremadamente duradero en la mayoría de las condiciones. Se erosiona muy lentamente y puede resistir la acción del agua. Es principalmente resistente al ataque químico, no reacciona con los alimentos, y es un material ideal para la fabricación de envases para productos alimenticios y la mayoría de los productos químicos. El vidrio es también una sustancia bastante inerte.
Corrosión
Aunque el vidrio es generalmente resistente a la corrosión y más resistente a la corrosión que otros materiales, aún puede corroerse. Los materiales que componen una composición de vidrio particular tienen un efecto sobre la rapidez con la que se corroe el vidrio. Un vidrio que contiene una alta proporción de álcalis o tierras alcalinas es menos resistente a la corrosión que otros tipos de vidrios.
Los copos de vidrio tienen aplicaciones como revestimiento anticorrosivo.
Fuerza
El vidrio generalmente tiene una resistencia a la tracción de 7 megapascales (1,000 psi), pero teóricamente puede tener una resistencia de 17 gigapascales (2,500,000 psi) debido a los fuertes enlaces químicos del vidrio. Varios factores como imperfecciones como arañazos y burbujas y la composición química del vidrio afectan la resistencia a la tracción del vidrio. Varios procesos como el endurecimiento pueden aumentar la resistencia del vidrio.
Producción contemporánea
Después de la preparación y mezcla del lote de vidrio, las materias primas se transportan al horno. El vidrio de soda y lima para la producción en masa se derrite en unidades de gas. Los hornos de escala más pequeña para vidrios especiales incluyen fundidores eléctricos, hornos y tanques de día. Después de la fusión, la homogeneización y el refinado (eliminación de burbujas), se forma el vidrio. El vidrio plano para ventanas y aplicaciones similares está formado por el proceso de vidrio flotado, desarrollado entre 1953 y 1957 por Sir Alastair Pilkington y Kenneth Bickerstaff de Pilkington Brothers del Reino Unido, que creó una cinta continua de vidrio utilizando un baño de estaño fundido sobre el que se fundió el vidrio fluye sin obstáculos bajo la influencia de la gravedad. La superficie superior del vidrio se somete a nitrógeno bajo presión para obtener un acabado pulido. El envase de vidrio para botellas y frascos comunes se forma mediante métodos de soplado y prensado. Este vidrio a menudo se modifica ligeramente químicamente (con más alúmina y óxido de calcio) para una mayor resistencia al agua. Otras técnicas de formación de vidrio se resumen en la tabla Técnicas de formación de vidrio.
Una vez que se obtiene la forma deseada, el vidrio generalmente es recocido para eliminar las tensiones y aumentar la dureza y durabilidad del vidrio. Los tratamientos superficiales, recubrimientos o laminación pueden seguir para mejorar la durabilidad química (revestimientos de recipientes de vidrio, tratamiento interno de recipientes de vidrio), resistencia (vidrio templado, vidrio a prueba de balas, parabrisas) o propiedades ópticas (acristalamiento aislado, revestimiento antirreflectante).
Las impurezas dan color al vidrio
Ejemplos transparentes y opacos
El vidrio puede ser soplado en infinitas formas
Color
El color en el vidrio puede obtenerse mediante la adición de iones cargados eléctricamente (o centros de color) que se distribuyen homogéneamente, y mediante la precipitación de partículas finamente dispersas (como en los vidrios fotocromáticos). El vidrio sodocálcico ordinario parece incoloro a simple vista cuando es delgado, aunque las impurezas de óxido de hierro (II) (FeO) de hasta 0,1% en peso producen un tinte verde, que se puede ver en trozos gruesos o con la ayuda de científicos instrumentos. Más FeO y óxido de cromo (III) (Cr 2 O 3)) las adiciones se pueden usar para la producción de botellas verdes. El azufre, junto con el carbono y las sales de hierro, se usa para formar polisulfuros de hierro y producir vidrio ámbar que varía de amarillento a casi negro. Un vidrio fundido también puede adquirir un color ámbar a partir de una atmósfera de combustión reducida. El dióxido de manganeso se puede agregar en pequeñas cantidades para eliminar el tinte verde dado por el óxido de hierro (II). Las piezas de vidrio de estudio de arte y vidrio se colorean utilizando recetas estrechamente protegidas que implican combinaciones específicas de óxidos de metal, temperaturas de fusión y tiempos de "cocción". La mayoría de los vidrios de colores utilizados en el mercado del arte son fabricados en volumen por los vendedores que sirven en este mercado, aunque hay algunos fabricantes de vidrio con la capacidad de hacer su propio color a partir de las materias primas.
Historia del vidrio de silicato
El vidrio de origen natural, especialmente la obsidiana de vidrio volcánico, fue utilizado por muchas sociedades de la Edad de Piedra en todo el mundo para la producción de herramientas de corte afiladas y, debido a sus áreas de origen limitado, se comercializó ampliamente. Pero en general, la evidencia arqueológica sugiere que el primer vidrio verdadero fue hecho en el norte de la costa de Siria, Mesopotamia o el antiguo Egipto. Los primeros objetos de vidrio conocidos, de mediados del tercer milenio a. C., eran perlas, tal vez inicialmente creadas como subproductos accidentales de la metalurgia (escorias) o durante la producción de loza, un material vítreo previo al vidrio fabricado mediante un proceso similar al acristalamiento.
El vidrio siguió siendo un material de lujo, y los desastres que sobrepasaron las civilizaciones de la Edad del Bronce Final parecen haber frenado la fabricación de vidrio. El desarrollo indígena de la tecnología del vidrio en el sur de Asia puede haber comenzado en 1730 a. En la China antigua, sin embargo, la fabricación de vidrio parece tener un inicio tardío, en comparación con la cerámica y el trabajo con metales. El término vidrio se desarrolló en el Imperio Romano tardío. Fue en el centro romano de fabricación de vidrio de Trier, ahora en la Alemania moderna, donde se originó el término latín tardío glesum , probablemente de una palabra germánica para una sustancia transparente y lustrosa. Los objetos de vidrio han sido recuperados en todo el Imperio Romano en contextos domésticos, funerarios e industriales. Se han encontrado ejemplos de vidrio romano fuera del antiguo Imperio Romano en China, los países bálticos, el Medio Oriente y la India.
El vidrio fue utilizado ampliamente durante la Edad Media. El vidrio anglosajón se ha encontrado en toda Inglaterra durante las excavaciones arqueológicas de sitios de asentamientos y cementerios. El vidrio en el período anglosajón se usó en la fabricación de una variedad de objetos que incluyen vasijas, ventanas, cuentas y también se utilizó en joyería. Desde el siglo X en adelante, el vidrio se empleó en vitrales de iglesias y catedrales, con ejemplos famosos en la Catedral de Chartres y la Basílica de Saint Denis. En el siglo XIV, los arquitectos estaban diseñando edificios con paredes de vidrieras como Sainte-Chapelle, París (1203-1248) y el extremo este de la catedral de Gloucester. Las vidrieras tuvieron un gran resurgimiento con la arquitectura del Renacimiento gótico en el siglo XIX. Con el Renacimiento, y un cambio en el estilo arquitectónico, el uso de grandes vidrieras se hizo menos frecuente. El uso de vidrieras domésticas aumentó hasta que las casas más importantes tenían ventanas de vidrio. Inicialmente, estos eran pequeños paneles unidos, pero con los cambios en la tecnología, el vidrio podría fabricarse de forma relativamente económica en hojas cada vez más grandes. Esto dio lugar a paneles de ventanas más grandes y, en el siglo XX, a ventanas mucho más grandes en edificios domésticos y comerciales comunes.
En el siglo XX, los nuevos tipos de vidrio como el vidrio laminado, el vidrio reforzado y los ladrillos de vidrio aumentaron el uso del vidrio como material de construcción y dieron como resultado nuevas aplicaciones de vidrio. Los edificios de varios pisos se construyen frecuentemente con muros cortina hechos casi en su totalidad de vidrio. Del mismo modo, el vidrio laminado se ha aplicado ampliamente a vehículos para parabrisas. El vidrio óptico para gafas se ha utilizado desde la Edad Media. La producción de lentes se ha vuelto cada vez más competente, ayudando a los astrónomos además de tener otras aplicaciones en medicina y ciencia. El vidrio también se emplea como tapa de apertura en muchos colectores de energía solar.
Desde el siglo XIX, hubo un renacimiento en muchas técnicas antiguas de fabricación de vidrio, incluido el cristal de camafeo, logrado por primera vez desde el Imperio Romano e inicialmente utilizado principalmente para piezas de estilo neoclásico. El movimiento Art Nouveau hizo un gran uso del vidrio, con René Lalique, Émile Gallé y Daum de Nancy produciendo jarrones de colores y piezas similares, a menudo en vidrio camafeo, y también utilizando técnicas de brillo. Louis Comfort Tiffany en América se especializó en vidrieras, tanto seculares como religiosas, y sus famosas lámparas. A principios del siglo XX, empresas como Waterford y Lalique fabricaron obras de arte en vidrio a gran escala. Desde aproximadamente 1960 en adelante, ha habido un número cada vez mayor de pequeños estudios de obras de arte de vidrio produciendo a mano, y los artistas de vidrio comenzaron a clasificarse como escultores que trabajan en vidrio,
En el siglo XXI, los científicos observan las propiedades de las vidrieras antiguas, en las que las nanopartículas suspendidas evitan que la luz ultravioleta provoque reacciones químicas que cambian los colores de las imágenes, desarrollan técnicas fotográficas que usan vidrios coloreados similares para capturar imágenes de Marte realistas en el 2019 Misión ESA Mars Rover.
Cronología de avances en vidrio arquitectónico
- 1226: "Hoja ancha" primero producido en Sussex.
- 1330: "Copa de cristal" para obras de arte y vasos producidos por primera vez en Rouen, Francia. También se produjo "Hoja ancha". Ambos fueron también suministrados para la exportación.
- 1500: un método para hacer espejos en un cristal de placa fue desarrollado por fabricantes de vidrio venecianos en la isla de Murano, que cubrieron la parte posterior del vidrio con una amalgama de mercurio y estaño, obteniendo un reflejo casi perfecto y sin distorsiones.
- 1620s: "Blown plate" producido por primera vez en Londres. Utilizado para espejos y placas de autocar.
- 1678: "Corona de vidrio" primero producido en Londres. Este proceso predominó hasta el siglo XIX.
- 1843: Una forma primitiva de "vidrio flotado" inventada por Henry Bessemer, vertiendo vidrio sobre estaño líquido. Caro y no un éxito comercial.
- 1874: el vidrio templado es desarrollado por Francois Barthelemy Alfred Royer de la Bastie (1830-1901) de París, Francia apagando casi el vidrio fundido en un baño caliente de aceite o grasa.
- 1888: se introduce el vidrio laminado a máquina, permitiendo patrones.
- 1898: vidrio alámbrico primero producido comercialmente por Pilkington para su uso donde la seguridad era un problema.
- 1959: lanzamiento de vidrio flotado en el Reino Unido. Inventado por Sir Alastair Pilkington.
Vidrios de ventana soplados en Suecia Kosta Glasbruk, (1742) con una marca pontil del tubo de soplador de vidrio
Un edificio en Canterbury, Inglaterra, que muestra su larga historia en diferentes estilos de construcción y acristalamiento de cada siglo desde el 16 hasta el 20 incluidos.
Windows en el coro de la Basílica de Saint Denis, uno de los primeros usos de extensas áreas de vidrio. (Arquitectura de principios del siglo XIII con vidrio restaurado del siglo XIX)
"Hardwick Hall, más vidrio que pared" . (finales del siglo XVI)
Windows en Österreichische Postsparkasse, Viena (principios del siglo XX)
Westin Bonaventure Hotel, EE. UU., Muestra el uso extensivo del vidrio como material de construcción en los siglos XX-XXI
Otros tipos
Nuevas composiciones químicas de vidrio o nuevas técnicas de tratamiento pueden investigarse inicialmente en experimentos de laboratorio a pequeña escala. Las materias primas para fundir vidrio a escala de laboratorio a menudo son diferentes de las utilizadas en la producción en masa porque el factor costo tiene baja prioridad. En el laboratorio se usan principalmente productos químicos puros. Se debe tener cuidado de que las materias primas no hayan reaccionado con la humedad u otras sustancias químicas en el ambiente (como óxidos e hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos u óxido de boro), o que las impurezas estén cuantificadas (pérdida de ignición). Deben considerarse las pérdidas por evaporación durante la fusión del vidrio durante la selección de las materias primas; por ejemplo, se prefiere el selenito sódico antes que la evaporación fácil de SeO
2.. También, más fácilmente que reaccionan materias primas pueden ser preferibles a los relativamente inertes, tales como Al (OH)
3 sobre Al
2 O
3 . Normalmente, las coladas se llevan a cabo en crisoles de platino para reducir la contaminación del material del crisol. La homogeneidad del vidrio se logra homogeneizando la mezcla de materias primas (lote de vidrio), agitando la masa fundida, y triturando y refundiendo la primera masa fundida. El vidrio obtenido suele recocerse para evitar roturas durante el procesamiento.
2.. También, más fácilmente que reaccionan materias primas pueden ser preferibles a los relativamente inertes, tales como Al (OH)
3 sobre Al
2 O
3 . Normalmente, las coladas se llevan a cabo en crisoles de platino para reducir la contaminación del material del crisol. La homogeneidad del vidrio se logra homogeneizando la mezcla de materias primas (lote de vidrio), agitando la masa fundida, y triturando y refundiendo la primera masa fundida. El vidrio obtenido suele recocerse para evitar roturas durante el procesamiento.
Para fabricar vidrio a partir de materiales con pobres tendencias de formación de vidrio, se utilizan técnicas novedosas para aumentar la velocidad de enfriamiento o reducir los desencadenantes de la nucleación de los cristales. Ejemplos de estas técnicas incluyen la levitación aerodinámica (enfriamiento de la masa fundida mientras flota en una corriente de gas), enfriamiento lento (presionando la masa fundida entre dos yunques metálicos) y enfriamiento rápido (vertido de la masa fundida a través de rodillos).
Fibra de vidrio
Fibra de vidrio (también llamado plástico reforzado con vidrio) es un material compuesto hecho de fibras de vidrio (también llamado fibra de vidrio o frutilla de vidrio) incrustado en una resina plástica. Está hecho al derretir vidrio y estirar el vidrio en fibras. Estas fibras se tejen juntas en una tela y se dejan en una resina plástica.
Los filamentos de fibra de vidrio se hacen a través de un proceso de pultrusión en el que las materias primas (arena, piedra caliza, caolín, fluorita, colemanita, dolomita y otros minerales) se funden en un horno grande en un líquido que se extruye a través de orificios muy pequeños (5-25 micras de diámetro si el vidrio es E-vidrio y 9 micrómetros si el vidrio es S-vidrio).
La fibra de vidrio tiene las propiedades de ser liviana y resistente a la corrosión. La fibra de vidrio también es un buen aislante, lo que permite su uso para aislar edificios. La mayoría de las fibras de vidrio no son resistentes a los álcalis. La fibra de vidrio también tiene la propiedad de volverse más fuerte a medida que el vidrio envejece.
Gafas de red
Algunos tipos de vidrio que no incluyen sílice como constituyente principal pueden tener propiedades fisicoquímicas útiles para su aplicación en fibra óptica y otras aplicaciones técnicas especializadas. Estos incluyen vidrio flúor, aluminato y aluminosilicato de vidrio, vidrio de fosfato, vidrio de borato y vidrio de calcogenuro.
Hay tres clases de componentes para el vidrio de óxido: formadores de red, intermedios y modificadores. Los formadores de redes (silicio, boro, germanio) forman una red altamente reticulada de enlaces químicos. Los compuestos intermedios (titanio, aluminio, circonio, berilio, magnesio, zinc) pueden actuar tanto como formadores de red como modificadores, de acuerdo con la composición del vidrio. Los modificadores (calcio, plomo, litio, sodio, potasio) alteran la estructura de la red; generalmente están presentes en forma de iones, compensados por átomos de oxígeno cercanos que no forman puentes, unidos por un enlace covalente a la red de vidrio y que tienen una carga negativa para compensar el ion positivo cercano. Algunos elementos pueden jugar múltiples roles; por ejemplo, el plomo puede actuar como un formador de red (Pb que reemplaza al Si), o como un modificador.
La presencia de oxígenos que no forman puentes reduce el número relativo de enlaces fuertes en el material e interrumpe la red, disminuyendo la viscosidad de la masa fundida y disminuyendo la temperatura de fusión.
Los iones de metal alcalino son pequeños y móviles; su presencia en el vidrio permite un grado de conductividad eléctrica, especialmente en estado fundido o a alta temperatura. Su movilidad disminuye la resistencia química del vidrio, permitiendo la lixiviación por agua y facilitando la corrosión. Los iones de la tierra alcalina, con sus dos cargas positivas y el requerimiento de dos iones de oxígeno no puente para compensar su carga, son mucho menos móviles y también dificultan la difusión de otros iones, especialmente los álcalis. Los tipos de vidrio comerciales más comunes contienen iones alcalinos y alcalinotérreos (generalmente sodio y calcio), para facilitar el procesamiento y satisfacer la resistencia a la corrosión. La resistencia a la corrosión del vidrio puede aumentarse mediante la desalcalinización, la eliminación de los iones alcalinos de la superficie del vidrio por reacción con compuestos de azufre o flúor. La presencia de iones de metales alcalinos también tiene un efecto perjudicial en la tangente de pérdida del vidrio y en su resistencia eléctrica; el vidrio fabricado para electrónica (sellado, tubos de vacío, lámparas ...) debe tener esto en cuenta.
La adición de óxido de plomo (II) reduce el punto de fusión, disminuye la viscosidad de la masa fundida y aumenta el índice de refracción. El óxido de plomo también facilita la solubilidad de otros óxidos metálicos y se usa en vidrios de colores. La disminución de la viscosidad del vidrio fundido de plomo es muy significativa (aproximadamente 100 veces en comparación con el vidrio de soda); esto permite una eliminación más fácil de burbujas y trabaja a temperaturas más bajas, de ahí su uso frecuente como aditivo en esmaltes vítreos y soldaduras de vidrio. El alto radio iónico del ion Pb lo vuelve altamente inmóvil en la matriz y dificulta el movimiento de otros iones; Por lo tanto, los vidrios de plomo tienen una alta resistencia eléctrica, aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que el vidrio de sosa-cal (10 frente a 10 Ω⋅cm, DC a 250 ° C). Para más detalles, vea vidrio con plomo.
La adición de flúor reduce la constante dieléctrica del vidrio. El flúor es altamente electronegativo y atrae a los electrones en el enrejado, lo que reduce la capacidad de polarización del material. Tal dióxido de silicio-fluoruro se usa en la fabricación de circuitos integrados como aislante. Los altos niveles de dopado con flúor conducen a la formación de SiF 2 O volátil y dicho vidrio es térmicamente inestable. Se lograron capas estables con constante dieléctrica de hasta aproximadamente 3,5-3,7.
Metales amorfos
En el pasado, se han producido pequeños lotes de metales amorfos con altas configuraciones de área superficial (cintas, alambres, películas, etc.) mediante la implementación de velocidades de enfriamiento extremadamente rápidas. El estudiante de doctorado W. Klement en Caltech lo denominó inicialmente "enfriamiento splat", y demostró que las velocidades de enfriamiento del orden de millones de grados por segundo son suficientes para impedir la formación de cristales, y los átomos metálicos se "bloquean" en una estado vidrioso. Se han producido alambres de metal amorfo por pulverización de metal fundido sobre un disco de metal giratorio. Más recientemente, se han producido varias aleaciones en capas con un espesor superior a 1 milímetro. Estos se conocen como cristales metálicos a granel (BMG). Liquidmetal Technologies vende una cantidad de BMG a base de zirconio.
En 2004, los investigadores del NIST presentaron evidencia de que una fase metálica isotrópica no cristalina (llamada "cristal q") podría crecer a partir de la masa fundida. Esta fase es la primera fase, o "fase primaria", que se forma en el sistema Al-Fe-Si durante el enfriamiento rápido. La evidencia experimental indica que esta fase se forma por una transición de primer orden . Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) muestran que el cristal q se nuclea a partir de la masa fundida como partículas discretas, que crecen esféricamente con una tasa de crecimiento uniforme en todas las direcciones. El patrón de difracción muestra que es una fase vítrea isótropa. Sin embargo, existe una barrera de nucleación, que implica una discontinuidad interfacial (o superficie interna) entre el vidrio y la masa fundida.
Electrolitos
Los electrolitos o sales fundidas son mezclas de diferentes iones. En una mezcla de tres o más especies iónicas de tamaño y forma diferentes, la cristalización puede ser tan difícil que el líquido puede enfriarse fácilmente en un vaso. El ejemplo mejor estudiado es Ca 0.4 K 0.6 (NO 3 ) 1.4 . Los electrolitos de vidrio en forma de vidrio dopado con Ba y vidrio de Na dopado con Ba se han propuesto como soluciones a los problemas identificados con los electrolitos líquidos orgánicos usados en las células modernas de baterías de iones de litio.
Soluciones acuosas
Algunas soluciones acuosas se pueden sobreenfriadas en un estado vítreo, por ejemplo LiCl: R H 2 O (una solución de sal de cloruro de litio y las moléculas de agua) en el intervalo de composición 4 < R<8.An solución acuosa que contiene azúcar tiene un estado vítreo y se puede usar como surfactante.
Líquidos moleculares
Un líquido molecular está compuesto de moléculas que no forman una red covalente, sino que interactúan solo a través de fuerzas débiles de Van der Waals oa través de enlaces de hidrógeno transitorios. Muchos líquidos moleculares se pueden enfriar en un vaso; algunos son excelentes formadores de vidrio que normalmente no se cristalizan.
Un ejemplo de esto es el vaso de azúcar.
Bajo condiciones extremas de presión y temperatura, los sólidos pueden exhibir grandes cambios estructurales y físicos que pueden conducir a transiciones de fase poliamórficas. En 2006, los científicos italianos crearon una fase amorfa de dióxido de carbono utilizando una presión extrema. La sustancia se denominó carbonia amorfa (a-CO 2 ) y exhibe una estructura atómica que se asemeja a la de la sílice.
Polímeros
Los vidrios poliméricos importantes incluyen compuestos farmacéuticos vítreos y amorfos. Estos son útiles porque la solubilidad del compuesto aumenta mucho cuando es amorfa en comparación con la misma composición cristalina. Muchos productos farmacéuticos emergentes son prácticamente insolubles en sus formas cristalinas.
Gafas coloidales
Las suspensiones coloidales concentradas pueden exhibir una transición vítrea distinta como función de la concentración o densidad de partículas.
En biología celular, hay evidencia reciente que sugiere que el citoplasma se comporta como un vidrio coloidal que se acerca a la transición de vidrio líquido. Durante los períodos de baja actividad metabólica, como en la latencia, el citoplasma vitrifica y prohíbe el movimiento a partículas citoplásmicas más grandes al tiempo que permite la difusión de partículas más pequeñas a lo largo de la célula.
Vitrocerámica
Los materiales de vitrocerámica comparten muchas propiedades con el vidrio no cristalino y las cerámicas cristalinas. Se forman como un cristal, y luego se cristalizan parcialmente por tratamiento térmico. Por ejemplo, la microestructura de la cerámica blanca contiene con frecuencia fases amorfas y cristalinas. Los granos cristalinos a menudo se incrustan dentro de una fase intergranular no cristalina de los límites de los granos. Cuando se aplica a cerámicas de cerámica blanca, los vítreos significan que el material tiene una permeabilidad extremadamente baja a los líquidos, a menudo, pero no siempre, cuando se determina mediante un régimen de prueba específico.
El término se refiere principalmente a una mezcla de litio y aluminosilicatos que produce una matriz de materiales con interesantes propiedades termomecánicas. Los más comercialmente importantes tienen la distinción de ser impermeables al choque térmico. Por lo tanto, las vitrocerámicas se han vuelto extremadamente útiles para cocinar en encimeras. El coeficiente de expansión térmica negativa (CET) de la fase cerámica cristalina puede equilibrarse con el CET positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~ 70% cristalino) la vitrocerámica tiene un CET neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios repetidos y rápidos de temperatura hasta 1000 ° C.
Estructura
Como en otros sólidos amorfos, la estructura atómica de un vidrio carece de la periodicidad de largo alcance observada en los sólidos cristalinos. Debido a las características de enlace químico, los vidrios poseen un alto grado de orden de corto alcance con respecto a los poliedros atómicos locales.
Formación a partir de un líquido sobreenfriado
En física, la definición estándar de un vidrio (o sólido vítreo) es un sólido formado por temple rápido por fusión, aunque el término vidrio se usa a menudo para describir cualquier sólido amorfo que exhibe una temperatura de transición vítrea Tg . Para el enfriamiento por fusión, si el enfriamiento es suficientemente rápido (con relación al tiempo de cristalización característico), entonces se evita la cristalización y en su lugar la configuración atómica desordenada del líquido superfrío se congela en el estado sólido en Tg. La tendencia de un material a formar un vidrio mientras se apaga se llama habilidad formadora de vidrio. Esta capacidad puede ser predicha por la teoría de la rigidez. Generalmente, existe un vidrio en un estado estructuralmente metaestable con respecto a su forma cristalina, aunque en ciertas circunstancias, por ejemplo en polímeros atácticos, no existe un análogo cristalino de la fase amorfa.
A veces se considera que el vidrio es líquido debido a la falta de una transición de fase de primer orden en la que ciertas variables termodinámicas como el volumen, la entropía y la entalpía son discontinuas a través del intervalo de transición vítrea. La transición vítrea puede describirse como análoga a una transición de fase de segundo orden en la que las variables termodinámicas intensivas, como la expansión térmica y la capacidad térmica, son discontinuas. Sin embargo, la teoría del equilibrio de las transformaciones de fase no es totalmente válida para el vidrio. la transición no se puede clasificar como una de las transformaciones de fase de equilibrio clásica en sólidos.
El vidrio es un sólido amorfo. Exhibe una estructura atómica cercana a la observada en la fase líquida superenfriada pero muestra todas las propiedades mecánicas de un sólido. La noción de que el vidrio fluye en un grado apreciable durante largos períodos de tiempo no está respaldada por la investigación empírica o el análisis teórico (véase la viscosidad de los materiales amorfos). Las mediciones de laboratorio del flujo de vidrio a temperatura ambiente muestran un movimiento consistente con una viscosidad del material del orden de 10-10 Pa s.
Aunque la estructura atómica del vidrio comparte características de la estructura en un líquido sobreenfriado, el vidrio tiende a comportarse como un sólido por debajo de su temperatura de transición vítrea. Un líquido sobreenfriado se comporta como un líquido, pero está debajo del punto de congelación del material y, en algunos casos, se cristalizará casi instantáneamente si se agrega un cristal como núcleo. El cambio en la capacidad calorífica en una transición vítrea y una transición de fusión de materiales comparables son típicamente del mismo orden de magnitud, lo que indica que el cambio en los grados de libertad activos también es comparable. Tanto en un cristal como en un cristal, la mayoría de las veces solo son los grados de libertad vibratoria los que permanecen activos, mientras que el movimiento rotacional y de traslación se detiene.
 | Problema sin resolver en física : ¿Cuál es la naturaleza de la transición entre un sólido fluido o regular y una fase vítrea? "El problema sin resolver más profundo e interesante en la teoría del estado sólido es probablemente la teoría de la naturaleza del vidrio y la transición al vidrio". -PW Anderson (más problemas sin resolver en física) |
Comportamiento del vidrio antiguo
La observación de que las ventanas viejas a veces se encuentran más gruesas en la parte inferior que en la superior a menudo se ofrece como evidencia de que el vidrio fluye durante un período de siglos, suponiendo que el vidrio ha exhibido la propiedad líquida de fluir desde una forma a otra. Esta suposición es incorrecta, ya que una vez solidificado, el vidrio deja de fluir. La razón de la observación es que en el pasado, cuando los vidrios se fabricaban comúnmente con sopladores de vidrio, la técnica utilizada era hacer girar el vidrio fundido para crear una placa redonda, generalmente plana y pareja (el proceso de copa de cristal, descrito anteriormente) . Esta placa se cortó para que cupiera en una ventana. Las piezas no eran absolutamente planas; los bordes del disco se volvieron de un grosor diferente a medida que el vidrio giraba. Cuando se instala en un marco de ventana, el vidrio se colocaría con el lado más grueso hacia abajo tanto para mantener la estabilidad como para evitar que se acumule agua en las cámaras de plomo en la parte inferior de la ventana. Ocasionalmente, se ha encontrado que ese vidrio está instalado con el lado más grueso en la parte superior, izquierda o derecha.
La producción masiva de vidrios de ventanas a principios del siglo XX causó un efecto similar. En las fábricas de vidrio, el vidrio fundido se vertió en una gran mesa de enfriamiento y se dejó extender. El vidrio resultante es más grueso en la ubicación del vertido, ubicado en el centro de la hoja grande. Estas hojas se cortaron en paneles de ventanas más pequeños con un grosor no uniforme, generalmente con la ubicación del vertido centrada en uno de los paneles (conocidos como "ojos de buey") para obtener un efecto decorativo. El vidrio moderno destinado a ventanas se produce como vidrio flotado y tiene un grosor muy uniforme.
Se pueden considerar varios otros puntos que contradicen la teoría del "flujo de vidrio de la catedral":
- Escribiendo en American Journal of Physics , el ingeniero de materiales Edgar D. Zanotto afirma que "... el tiempo de relajación previsto para GeO
2 a temperatura ambiente es de 10 años. Por lo tanto, el período de relajación (tiempo de flujo característico) de los vidrios catedralicios sería incluso más." (10 años es mucho más largo que la edad estimada del universo). - Si el vidrio medieval ha fluido perceptiblemente, entonces los antiguos objetos romanos y egipcios deberían haber fluido proporcionalmente más, pero esto no se observa. Del mismo modo, las hojas de obsidiana prehistóricas deberían haber perdido su ventaja; esto tampoco se observa (aunque la obsidiana puede tener una viscosidad diferente a la del vidrio de la ventana).
- Si el vidrio fluye a una velocidad que permite que los cambios se vean a simple vista después de siglos, entonces el efecto debería ser notable en los telescopios antiguos. Cualquier ligera deformación en las lentes telescópicas antiguas conduciría a una disminución dramática en el rendimiento óptico, un fenómeno que no se observa.
Galería
Ear Stud, ca. 1390-1353 aC, 48.66.30, Museo de Brooklyn. Los ejes de estos pernos de colores brillantes se insertaron a través de un orificio en el lóbulo de la oreja para mostrar las cabezas circulares de los pernos.
Collar fenicio de vidrio del siglo V a VI aC
Amphoriskoi de vidrio romano del siglo I al II dC
Matraz de cabeza azul (romano, AD 300-500, vidrio fundido)
Cuerno de beber de vidrio lombardo del siglo VI-VII DC
Dos tazas de vidrio azul cobalto con decoración floral dorada de la India, Mughal, hacia 1700-1775
Base para una tubería de agua, India, Mughal, circa 1700-1775
Copa veneciana hecha en Italia a principios del siglo XIX.
Pulseras con pavos reales, Delhi, incrustaciones de plata esmaltada con piedras preciosas y vidrio, del siglo XIX
Jug, 1876, James Powell & Sons
Botella de sifón para agua de seltzer, 1922
Nueva Martinsville Glass Hostmaster Tea Cup, azul cobalto, 1930
Conjunto de perfumes de la Unión Soviética, ca. 1965
Florero de vidrio millefiori de Murano
Vidrio de ventana
Detalle de una lámpara de cristal
Araña de cristal
La Rotonda, o entrada principal, del Victoria and Albert Museum ahora luce una araña de vidrio soplado de 30 pies de alto por Dale Chihuly
Período de Daoguang Florero de cristal de Pekín. El color se llama "Amarillo Imperial" después de la bandera de la dinastía Qing.
El uso de esferas de vidrio en este "reloj misterioso" crea la ilusión de que las manos se mueven sin movimiento
Prueba de planitud con un plano óptico. La superficie lisa del vidrio se usa para mediciones mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz creando un patrón de franjas claras y oscuras.
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