vidrio materiales vitreos - frh.cvg.utn.edu.ar
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UNIDAD Nº6
VIDRIO Y MATERIALES VÍTREOS
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Unidad 6: Vidrios y materiales vítreos
• Vidrio
– Solido no cristalino
– Material amorfo
– Mezcla de óxidos metálicos fundidos
dispuestos en forma aleatoria
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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
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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
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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
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Sílice
• Estructura
– Sílice cristalino
– Sílice amorfo: vidrio
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Estructura de los vidrios
• Óxidos formadores de vidrio
(SiO2); (B2O3)
• Óxidos modificadores de vidrios
(Na2O) ; (K2O) ; (MgO) ; (CaO)
• Óxidos intermediarios de vidrios
(Al2O3) ; (PbO)
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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
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Sílice
• Estructura vidrio de sodio
Na2SiO3
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• 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
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• 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
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• Arena
– Es la variedad más abundante de sílice
– Debe su color a la presencia de Fe2O3
Materias Primas para la fabricación de vidrio
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• 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
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• 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
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• El mismo vidrio: reciclado
– Reutilización: lavado y llenado
– Reprocesamiento: separación por
color, molienda, fundición (resagos)
Materias Primas para la fabricación de vidrio
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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.
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Fabricación del material vítreo
Horno de vidrio de 2 vías
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• 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
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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.
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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.
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Procesos de conformación de objetos vítreos
Fabricación de botellas. Proceso discontinuo o “batch”
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Procesos de conformación de objetos vítreosFabricación de botellas. Proceso discontinuo o “batch”
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Procesos de conformación de objetos vítreos
Fabricación de vidrio plano. Proceso continuo
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Procesos de conformación de objetos vítreosFabricación de vidrio plano. Proceso continuo
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Fabricación de vidrio por prensado
Bloques para la construcción
Procesos de conformación de objetos vítreos
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Procesos de conformación de objetos vítreos
Fabricación de vidrio por prensado
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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).
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Procesos de conformación de objetos vítreos
Fabricación de fibra de vidrio. Proceso continuo
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Procesos de conformación de objetos vítreos
Fabricación de fibra de vidrio. Proceso continuo
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Tratamiento térmico
• Recocido
– Calentamiento hasta una temperatura por debajo del
reblandecimiento
– Enfriamiento lento controlado
– Evita tensiones de conformado
– Disminuye la rotura
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Tratamiento térmico
• Templado
– Calentamiento hasta punto de recocido
– Enfriamiento brusco controlado
– Fortalece la superficie
– Aumenta resistencia
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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
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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
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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%
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Tipos de vidrio
• Vidrio borosilicatos
– Variedad: Jena
• Pyrex con agregado de 12 % de ZnO
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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
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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
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Tipos de vidrio
• Vidrios de seguridad
– Sirven para paliar la fragilidad del vidrio (sometido a carga
se rompe repentinamente sin deformarse mucho)
– Vidrio multilaminar
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Tipos de vidrio
• Vidrios de seguridad
– Templado: aumenta la resistencia mecánica ante tensión
y ante impacto
– Usos: ind. automotriz, vigilancia, construcción
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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
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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
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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
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Fibra de vidrio (fibra óptica)
• Telecomunicaciones
– Principio de funcionamiento
Refracción
n2 > n1
Reflexión
n1 > n2
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Fibra de vidrio (fibra óptica)
• Telecomunicaciones
– Principio de funcionamiento
n` > n
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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)
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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
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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
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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
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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
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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