Comprender el vidrio: tipos, propiedades y fabricación

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Desde Pyrex resistente al calor hasta parabrisas de seguridad laminados con PVB, el vidrio está disponible en muchas formas. Algunos de los materiales comúnmente denominados vidrios son en realidad plástico o mezclas de plástico y vidrio, aunque el término vidrio no indica explícitamente una composición química particular. El término puede describir cualquier cantidad de sólidos duros, amorfos, inorgánicos y uniformes producidos cuando los materiales fundidos se enfrían lo suficientemente rápido como para evitar la cristalización. Sin embargo, las sustancias típicas utilizadas en la fabricación de vidrio son silicatos, boratos y fosfatos.

El vidrio es un material inflexible que se forma calentando una mezcla de materiales sólidos secos hasta que alcanza un estado semisólido y luego enfriando la mezcla rápidamente para evitar que forme la estructura cristalina que tienen la mayoría de los materiales sólidos. A medida que el vidrio se enfría, los átomos quedan bloqueados en un estado desordenado similar al de un líquido antes de que puedan formar el estado cristalino de un sólido. Como el vidrio no es líquido ni sólido, sino que tiene las cualidades de ambos, el vidrio existe como un tipo de materia separada.

Debido a su resistencia y versatilidad, el vidrio tiene aplicaciones casi ilimitadas. Se utiliza ampliamente en la construcción, brindando revestimiento para la mayoría de los edificios modernos y elementos arquitectónicos regulares de vidrio para la mayoría de las otras estructuras habitables. Encuentra diversos usos en el hogar, ya sea como utensilios de cocina, pantallas de televisión o bombillas. Es probablemente el material más importante en astronomía, que originalmente fue posible gracias al uso de diferentes lentes de vidrio. Además de sus usos obvios en laboratorios biológicos, químicos y médicos (tubos de ensayo, vasos de precipitados, microscopios), el vidrio también forma parte de la carcasa de la mayoría de los instrumentos. Aunque los lentes de policarbonato han reemplazado en gran medida al vidrio en los anteojos, los lentes de vidrio fueron, históricamente, el único medio para mejorar la visión. Incluso el arte le debe mucho al vidrio, ya que las vidrieras y muchos objetos decorativos de vidrio de la antigüedad han sobrevivido y han servido de inspiración a los artistas durante más de mil años.

En la industria moderna, el vidrio cumple muchas funciones biomédicas y relacionadas con la óptica. También es un componente necesario en numerosos dispositivos aeroespaciales y de aviónica, así como una sustancia útil en tecnología de semiconductores y electrónica. Debido a sus propiedades únicas, ciertos tipos de vidrio se utilizan en circuitos integrados. También proporciona un material de refuerzo para plásticos laminados. Las perlas de vidrio se utilizan en el pulido con chorro de arena y las láminas de vidrio son un requisito previo para la mayoría de los fabricantes de espejos.

Este artículo brinda una comprensión de las propiedades únicas del vidrio, explicando los diferentes tipos de vidrio y sus composiciones. Además, se explora la forma en que se fabrica el vidrio, junto con algunas de las diversas formas en que se puede tratar o terminar el vidrio después de la fabricación.

Propiedades

Si bien hay muchos tipos diferentes de vidrio, y sus propiedades varían con sus composiciones químicas, hay algunas características que la mayoría de los tipos de vidrio tienen en común. A pesar de su frágil reputación, el vidrio es mecánicamente fuerte. Las imperfecciones de la superficie debilitan el vidrio, pero existen procesos para minimizar los defectos y fortalecerlo. El vidrio es un material duro que resiste rayones y abrasiones hasta cierto punto. El vidrio es generalmente químicamente resistente a la mayoría de los ácidos industriales y alimentarios, y su resistencia a otros productos químicos varía. Es elástico y cede bajo estrés antes de volver a doblarse a su forma original. Por supuesto, el vidrio tiene un punto de ruptura que varía según el tipo.

El vidrio es resistente a los choques térmicos, lo que significa que puede soportar bien los cambios bruscos de temperatura y puede soportar el calor y el frío intensos, en diversos grados. Absorbe el calor, retiene el calor en lugar de conducirlo y absorbe el calor mejor que el metal. El vidrio puede reflejar, doblar, transmitir y absorber la luz con gran precisión y es muy apreciado por sus propiedades ópticas. Resiste fuertemente la corriente eléctrica y almacena bien la electricidad.

tipos de vidrio

El vidrio se divide en tipos según su composición química. Estos son algunos de los tipos más comunes.

Vidrio de cal sodada

El vidrio sodocálcico, también conocido como vidrio sodocálcico-sílice o vidrio para ventanas, es el tipo de vidrio más común y menos costoso. Contiene aproximadamente un 70 % de sílice, junto con soda, cal y pequeñas cantidades de otros compuestos. La soda reduce la temperatura a la que se funde la sílice, mientras que la cal estabiliza la sílice. Alrededor del 90% del vidrio fabricado es cal sodada. Es químicamente estable, a menudo económico y es muy manejable porque se puede volver a ablandar varias veces durante la fabricación de un producto. Es un vidrio más blando, lo cual es una ventaja para la fabricación mediante corte, pero esto significa que es menos resistente a los arañazos que otros tipos de vidrio, como el borosilicato y el cuarzo fundido.

El vidrio de soda y cal a menudo se fortalece químicamente para aumentar su resistencia, o se puede templar para aumentar su resistencia y resistencia al choque térmico. Como sugiere su apodo, se usa comúnmente en Windows. También se utiliza para envases de vidrio domésticos. La cal sodada tiene una amplia gama de aplicaciones.

vidrio de plomo

El vidrio de plomo, también llamado vidrio de óxido de plomo o cristal de plomo, tiene al menos un 20 % de óxido de plomo. También se le ha llamado vidrio de pedernal ya que la fórmula original de la década de 1600 usaba pedernal calcinado como fuente de sílice, pero ahora ya no se usa pedernal en su creación. Es un vidrio más blando, lo que facilita su corte en diseños que muestran su alto índice de refracción. No soporta altas temperaturas ni cambios bruscos de temperatura.

Debido a que el vidrio de plomo es refractivo y más costoso que el vidrio de cal sodada, solía usarse comúnmente para vajillas de vidrio decorativas. Sin embargo, dado que los peligros de ingerir plomo ahora son bien conocidos, hoy en día el vidrio de plomo se usa principalmente para aplicaciones eléctricas debido a sus propiedades de aislamiento eléctrico y su temperatura de fusión más baja. La baja temperatura de fusión es deseable para el termosellado, de modo que pueda sellarse alrededor de componentes electrónicos sensibles a temperaturas más altas. También se utiliza para aplicaciones de blindaje para proteger contra rayos X y rayos gamma en trabajos médicos, técnicos y de investigación, y para lentes ópticos debido a su índice de refracción.

borosilicato

El vidrio de borosilicato se compone de al menos un 5 % de óxido bórico. Duradero y resistente al calor, el vidrio de borosilicato es el material elegido para una amplia gama de aplicaciones, desde utensilios de cocina hasta uso en laboratorio.

La creación de vidrio de borosilicato requiere temperaturas más altas que las necesarias para la producción de vidrio normal, aunque esto también explica su mayor resistencia al calor. También enfrenta mucho menos estrés material que el vidrio normal debido a su menor coeficiente de expansión térmica, lo que también se suma a su rendimiento excepcional a altas temperaturas. Además, el vidrio de borosilicato es mucho más duradero que el vidrio tradicional y puede soportar accidentes que romperían otras piezas de vidrio. Incluso cuando se agrieta, por lo general funciona mejor, ya que rara vez se rompe.

El vidrio de borosilicato se usa a menudo para laboratorios científicos y médicos, ya que ofrece una excelente resistencia química además de sus otras cualidades útiles. Todo, desde tubos de ensayo, varillas y vasos de precipitados hasta cilindros graduados, pipetas y accesorios de tapón, se produce a partir de borosilicato y se utiliza en laboratorios de todo el mundo. Aunque el vidrio de borosilicato ofrece una excepcional resistencia a los ácidos, es menos resistente a una variedad de álcalis y, ocasionalmente, se deben considerar otros materiales. El vidrio de borosilicato también se usa en ciertas ópticas, como los espejos, porque conserva bien la forma a través de los cambios de temperatura. Otros usos incluyen el fortalecimiento de varios compuestos plásticos y en varios calibres y superficies protectoras de vidrio.

La principal diferencia entre el vidrio de borosilicato y el vidrio tradicional es la sustitución del óxido de boro por sosa y cal en el proceso de fabricación. El vidrio de borosilicato debe contener al menos un cinco por ciento de óxido de boro, que ayuda a unir el silicato y el óxido de aluminio y el óxido de sodio.

aluminosilicato

El vidrio de aluminosilicato contiene óxido de aluminio. Su composición varía pero suele tener entre un 20% y un 40% de óxido de aluminio. Tiene propiedades comparables al vidrio de borosilicato pero es más resistente al calor, tolera temperaturas de hasta 800 ^o Celsius y tiene una mejor resistencia química. Debido a esta resistencia al calor, es mucho más difícil de fundir y, por lo tanto, de fabricar que el vidrio de borosilicato. Los dos tipos principales de vidrio de aluminosilicato son el vidrio de aluminosilicato alcalinotérreo y el vidrio de aluminosilicato alcalino. Los vidrios de aluminosilicato alcalinotérreos tienen un punto de reblandecimiento muy alto y se usan típicamente para bombillas de vidrio para lámparas halógenas, termómetros de alta temperatura, y se pueden recubrir con una película eléctricamente conductora y se usan para resistencias en circuitos electrónicos. El alto contenido de álcali de los vidrios de aluminosilicato alcalino mejora la resistencia a la compresión de su superficie. También son muy duros y resistentes a los arañazos. Se utilizan comúnmente para pantallas táctiles, como pantallas de teléfonos inteligentes, y para vidrio de cubierta de células solares y vidrio de seguridad laminado.

Vidrio de sílice alto

El vidrio con alto contenido de sílice se crea fundiendo el vidrio para eliminar casi todos los elementos que no son silicatos. Este proceso puede resultar en una composición de 95 a 99 % de sílice. Debido a la falta de fundentes, el vidrio con alto contenido de sílice es extremadamente difícil de fundir, con una temperatura de deformación de hasta 1.700 ºC, lo que significa que puede usarse a temperaturas tan altas como alrededor de 1.000^o C. El vidrio con alto contenido de sílice tiene una expansión térmica muy baja, muy buena durabilidad química, propiedades ópticas y propiedades mecánicas, pero las temperaturas de procesamiento extremadamente altas son un factor limitante en la producción y aplicación a mayor escala.

A medida que avanza la tecnología, ha mejorado la capacidad de alcanzar una mayor pureza del vidrio con alto contenido de sílice, lo que hace posible fabricar vidrios de calidad cada vez más alta. El vidrio con alto contenido de sílice se usa a menudo en la industria de los semiconductores, ya que la sílice no contamina las obleas de silicio, y para fibra óptica, tubos de lámparas de transmisión UV, óptica de precisión, tubos refractarios y como refuerzo de fibra en compuestos.

Cuarzo fundido

El vidrio de cuarzo fundido, también llamado vidrio de sílice fundido o vidrio de sílice vítreo, se fabrica purificando y derritiendo sílice cristalina natural, que se encuentra en la arena o el cristal de roca, ya sea por fusión eléctrica o por llama. El vidrio resultante es altamente transparente, incluso a la luz ultravioleta e infrarroja, y resistente a la intemperie ya los golpes. Es muy difícil de fabricar, ya que la fusión se produce aproximadamente a 1650 ^o C, por lo que es muy caro. Sin embargo, esta alta temperatura de fusión también significa que puede soportar temperaturas de hasta 1400 °C durante períodos cortos, lo que le permite soportar las temperaturas más altas de cualquier vidrio. Debido a esta resistencia, el vidrio de cuarzo fundido se usa a menudo para aplicaciones aeroespaciales, específicamente en las ventanas de las naves espaciales tripuladas.

Fabricación y acabado de vidrio

Si bien existen algunas variaciones de fabricación en la creación de diferentes tipos de vidrio, a continuación se describe el proceso básico utilizado para crear los tipos de vidrio más comunes, como la cal sodada.

Fabricación

Los ingredientes que componen el vidrio varían según el tipo de vidrio. El componente principal del vidrio, llamado formador, debe calentarse a una temperatura muy alta para volverse viscoso. El primero más común es el dióxido de silicio, que se encuentra en la arena. El primero se mezcla con un fundente, lo que ayuda a que se funda a una temperatura más baja. Los fundentes comunes son el carbonato de sodio y la potasa. También se usa un estabilizador para evitar que el vidrio se disuelva o forme impurezas de cristal no deseadas. Un estabilizador común es el óxido de calcio, de piedra caliza. Estos ingredientes secos se mezclan en un lote. Un horno funde el lote para formar un compuesto líquido. El cullet, que se compone de vidrios rotos, se agrega al lote para ayudar a que se derrita.

Si se fabrica vidrio coloreado, se agrega un óxido metálico al lote. El hierro colorea el vidrio verde, el cobre lo vuelve azul claro, el cobalto un azul oscuro, el oro un rojo intenso. Se recomienda vidrio con bajo contenido de hierro cuando se colorea vidrio de cualquier color además del verde. En pequeñas cantidades, el dióxido de manganeso se usa para decolorar el vidrio, pero en grandes cantidades, tiñe el vidrio de color púrpura o, en mayor cantidad, de negro.

Después de que se funde, el vidrio viscoso se vierte en un baño de estaño fundido, luego se forma una cinta y se enfría. El proceso de enfriamiento lento y uniforme se llama recocido. El vidrio debe enfriarse de manera uniforme, porque si un área permanece más caliente por más tiempo, se vuelve más gruesa y los diferentes niveles de espesor provocan tensión en la pieza de vidrio. Una pieza de vidrio recocida incorrectamente tiene más probabilidades de agrietarse.

Corte

A continuación, el vidrio recocido se corta a las dimensiones deseadas. Esto generalmente se hace con máquinas de control numérico por computadora, o máquinas CNC, que son capaces de realizar operaciones extremadamente precisas. Las máquinas CNC funcionan de acuerdo con programas de software CAM y CAD específicos, lo que les permite mecanizar cualquier número de piezas con la misma precisión. También pueden realizar una amplia gama de tareas de mecanizado que normalmente se realizan con equipos especializados: pueden cortar curvas y líneas rectas, taladrar orificios y rectificar ranuras. Las máquinas CNC utilizadas en la fabricación de vidrio utilizan herramientas distintivas, que incluyen herramientas abrasivas de diamante, puntas de diamante y ruedas de carburo, para lograr una mejor precisión y capacidades de trabajo en vidrio.

Después de cortar y dar forma al vidrio, los fabricantes suelen realizar algunos servicios de pulido, laminado y otros acabados. Los espejos y lentes pulidos constituyen una parte importante del mercado de fabricación de vidrio. Estos artículos generalmente exigen una precisión extrema y las tolerancias de la superficie deben ser exactas para que los componentes funcionen como se desea. Estos componentes de precisión se utilizan en telescopios, prismas, lentes y espejos láser y otros elementos ópticos, todos los cuales se ven muy afectados por las imperfecciones y las imprecisiones.

templado

El templado es un tratamiento térmico que fortalece el vidrio hasta aproximadamente cuatro veces la resistencia del vidrio no templado. Si el vidrio templado se rompe, se fractura en pedazos pequeños y redondeados en lugar de fragmentos irregulares.

El proceso de templado comienza con el vidrio cortado y lavado que pasa por un horno de templado, ya sea por lotes o con alimentación continua. El vidrio se calienta a más de 600 ^o Celsius antes de pasar por el proceso de enfriamiento. Durante el enfriamiento, el aire a alta presión lanza el vidrio desde las boquillas en muchas posiciones diferentes. La superficie exterior del vidrio se enfría mucho más rápido que el centro, lo que hace que el centro del vidrio intente retirarse de la superficie exterior. El resultado es que el centro permanece en tensión y el exterior se comprime, dando al vidrio templado su fuerza.

El vidrio también se puede templar químicamente. El vidrio se sumerge en un baño de sal de potasio fundido que hace que los iones de sodio del vidrio se reemplacen con iones de potasio más grandes. Los iones de potasio más grandes llenan los huecos que dejan los iones de sodio, lo que crea un estado de compresión en la superficie exterior del vidrio. Este método es más costoso que usar un horno templado, por lo que no se usa tanto.

Una desventaja del vidrio templado es que no se puede volver a trabajar una vez templado, por lo que debe moldearse completamente antes del proceso. Además, debido a la tensión equilibrada del vidrio templado, si se daña alguna parte, es probable que se rompa toda la pieza de vidrio.

El vidrio templado es un tipo de vidrio de seguridad que se usa para ventanas de automóviles, puertas de entrada y otras aplicaciones en las que la rotura del vidrio puede poner en peligro a las personas.

Laminación

El laminado es otra forma de crear vidrio de seguridad. El laminado implica fortalecer el vidrio con una capa intermedia de material plástico. La capa intermedia no solo fortalece el vidrio, sino que también mantiene las piezas de vidrio juntas si se rompen, evitando que se rompan.

Hay algunos procedimientos de laminación. Se unen dos o más piezas de vidrio, utilizando calor y presión, entre una o más capas de adhesivos, generalmente polivinilbutiral (PVB) o etileno-acetato de vinilo (EVA). Otro método es unir dos o más piezas de vidrio con una capa intermedia de uretano alifático o EVA, utilizando calor y presión. El vidrio también se puede intercalar con una resina curada o con EVA.

El vidrio laminado es difícil de cortar debido a sus capas de plástico, pero no imposible. Cuando el vidrio laminado se daña, generalmente se agrieta en forma de telaraña en lugar de romperse en múltiples pedazos peligrosos.

Resumen

Este artículo presentó una comprensión del vidrio, sus propiedades, cómo se fabrica y los diferentes tipos de vidrio. Para obtener más información sobre productos relacionados, consulte nuestras otras guías o visite la Plataforma de descubrimiento de proveedores de Thomas para ubicar posibles fuentes de suministro o ver detalles sobre productos específicos.

Fuentes:

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