Compreender vidro – Tipos, Propriedades e Fabricação
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Desde pyrex resistente ao calor até para-brisas laminados PVB, o vidro está disponível em várias formas. Alguns dos materiais vulgarmente referidos como copos são na verdade misturas de plástico ou de vidro de plástico, embora o termo vidro não indique explicitamente uma composição química específica. O termo pode descrever qualquer número de sólidos duros, amorfos, inorgânicos e uniformes produzidos quando materiais fundidos são arrefecidos rapidamente o suficiente para evitar a cristalização. No entanto, as substâncias típicas utilizadas na fabricação de vidro são silicatos, boratos e fosfatos.
O vidro é um material inflexível que é formado pelo aquecimento de uma mistura de materiais sólidos secos até atingir um estado semissólido, arrefecendo a mistura rapidamente para evitar que ele forme a estrutura cristalina que a maioria dos materiais sólidos têm. À medida que o vidro arrefece, os átomos ficam presos num estado desordenado semelhante ao de um líquido antes de poderem formar o estado cristalino de um sólido. Como o vidro não é um líquido nem um sólido, mas tem as qualidades de ambos, o vidro existe como um tipo separado de matéria.
Devido à sua força e versatilidade, o vidro tem aplicações quase ilimitadas. É utilizado extensivamente na construção, proporcionando frente para a maioria dos edifícios modernos e características de vidro arquitetónico regular para a maioria das outras estruturas habitáveis. Encontra diversos usos em casa, seja como utensílios de cozinha, telas de televisão ou lâmpadas. É provavelmente o material mais importante da astronomia, que foi originalmente possível pelo uso de diferentes lentes de vidro. Além das suas utilizações óbvias em laboratórios biológicos, químicos e médicos (tubos de ensaio, copos, microscópios), o vidro também fornece parte do invólucro para a maior parte da instrumentação. Embora as lentes de policarbonato tenham substituído em grande parte o vidro nos óculos, as lentes de vidro foram, historicamente, o único meio para melhorar a visão. Até a arte deve muito ao vidro, pois vitrais e muitos objetos de vidro decorativos da antiguidade sobreviveram e deram inspiração aos artistas por mais de mil anos.
Na indústria moderna, o vidro serve muitas funções biomédicas e óticas. É também um componente necessário em numerosos dispositivos aeroespaciais e aviónicos, bem como uma substância útil na tecnologia de semicondutores e electrónica. Devido às suas propriedades únicas, certos tipos de vidro são utilizados em circuitos integrados. Também fornece um material de reforço para plásticos laminados. As contas de vidro são usadas em jato de areia, e as folhas de vidro são um pré-requisito da maioria dos fabricantes de espelhos.
Este artigo dá uma compreensão das propriedades únicas do vidro, explicando os diferentes tipos de vidro e suas maquilhadoras. Além disso, a forma como o vidro é explorado, juntamente com algumas das várias formas de o vidro pode ser tratado ou terminado após a fabricação.
Propriedades
Embora existam muitos tipos diferentes de vidro, e as suas propriedades variam com as suas composições químicas, existem algumas características, a maioria dos tipos de vidro têm em comum. Apesar da sua frágil reputação, o vidro é mecanicamente forte. As imperfeições superficiais enfraquecem o vidro, mas há processos para minimizar falhas e fortalecê-lo. O vidro é um material duro que resiste a arranhões e escoriações a algum nível. O vidro é geralmente quimicamente resistente à maioria dos ácidos industriais e alimentares, e a sua resistência a outros produtos químicos varia. É elástico e cede sob stress antes de se dobrar de volta à sua forma original. Claro, o vidro tem um ponto de rutura que varia por tipo.
O vidro é resistente a choques térmicos, o que significa que pode resistir a mudanças súbitas de temperatura, e é capaz de suportar calor intenso e frio, a vários graus. É absorvente de calor, retendo calor em vez de conduzi-lo, e absorve o calor melhor do que o metal. O vidro pode refletir, dobrar, transmitir e absorver a luz com grande precisão, e é altamente valorizado pelas suas propriedades óticas. Resiste fortemente à corrente elétrica e armazena bem a eletricidade.
Tipos de Vidro
O vidro é dividido em tipo com base na sua composição química. Estes são alguns dos tipos mais comuns.
Copo de soda-lima
O copo de soda-lima, também conhecido como vidro de soda-lima ou vidro de janela, é o tipo de vidro mais comum e menos caro. Contém cerca de 70% de sílica, juntamente com refrigerante, lima e pequenas quantidades de outros compostos. O refrigerante reduz a temperatura a que a sílica derrete, enquanto o limão estabiliza a sílica. Cerca de 90% do vidro fabricado é de soda-lima. É quimicamente estável, muitas vezes barato, e é muito viável porque pode ser remolecido várias vezes durante a fabricação de um produto. É um vidro mais macio, que é uma mais-valia para a fabricação através do corte, mas isso significa que é menos resistente ao risco do que outros tipos de vidro, como borosilicato e quartzo fundido.
O vidro de soda-lima é frequentemente reforçado quimicamente para aumentar a sua força, ou pode ser temperado para aumentar a sua resistência e resistência de choque térmico. Como o seu apelido sugere, é comumente usado em janelas. Também é usado para recipientes de vidro doméstico. Soda-lima tem uma ampla gama de aplicações.
Vidro de chumbo
O vidro de chumbo, também chamado de vidro de chumbo ou cristal de chumbo, é pelo menos 20% de óxido de chumbo. Também é chamado de vidro de pedra desde a fórmula original de 1600 usado sílex calcinado como fonte de sílica, mas agora a pedra já não é usada na sua criação. É um vidro mais macio, tornando mais fácil cortar em desenhos que mostram o seu alto índice refrativo. Não pode suportar temperaturas elevadas ou mudanças repentinas de temperatura.
Como o vidro de chumbo é refrativo e mais caro do que o vidro de lima de soda, costumava ser comumente usado para louças de vidro decorativas. No entanto, uma vez que os perigos de ingestão de chumbo são agora conhecidos, hoje o vidro de chumbo é usado principalmente para aplicações elétricas devido às suas propriedades de isolamento elétrico e menor temperatura de fusão. A baixa temperatura de fusão é desejável para a vedação do calor, de modo a que possa ser selada em torno de electrónica sensível a temperaturas mais elevadas. Também é usado para proteger aplicações para proteger contra raios-X e raios gama em trabalhos médicos, técnicos e de pesquisa, e para óculos óticos devido ao seu índice refrativo.
Borosilicato
O vidro borossilicato é composto por pelo menos 5% de óxido bórico. Duradouro e resistente ao calor, o vidro borossilicato é o material de eleição para uma ampla gama de aplicações, desde panelas até uso laboratorial.
A criação de vidro borossilicato requer temperaturas mais altas do que as necessárias para a produção de vidro regular, embora isso também represente a sua maior resistência ao calor. Também enfrenta muito menos stress material do que o vidro normal devido ao seu coeficiente de expansão térmica mais baixo, o que também aumenta o seu desempenho excecional a altas temperaturas. Além disso, o vidro borossilicato é muito mais durável do que o vidro tradicional e pode resistir a acidentes que quebrariam outros vidros. Mesmo quando racha, normalmente funciona melhor, pois raramente se despedaça.
O vidro borossilicato é frequentemente usado para laboratórios científicos e médicos, uma vez que oferece uma excelente resistência química para além das suas outras qualidades úteis. Tudo, desde tubos de ensaio, varas e copos até garrafas graduadas, pipetas e acessórios de rolha são produzidos a partir de borossilicato e usados em laboratórios de todo o mundo. Embora o vidro borossilicato ofereça uma resistência ácida excecional, é menos resistente a uma gama de alcalinos, e ocasionalmente outros materiais devem ser considerados. O vidro borossilicato também é usado em certas óticas, como espelhos, porque mantém a forma bem durante as mudanças de temperatura. Outros usos incluem o fortalecimento de vários compostos plásticos e em várias mordaças e superfícies de vidro protetor.
A principal distinção do vidro borossilicato do vidro tradicional é a substituição do óxido de boro por soda e lima no processo de fabrico. O vidro borossilicato deve conter pelo menos 5% de óxido de boro, o que ajuda a ligar o óxido de silicato e o óxido de alumínio e o óxido de sódio.
Aluminossilicato
O vidro de alumínio contém óxido de alumínio. Varia em composição, mas geralmente tem entre 20% e 40% de óxido de alumínio. Tem propriedades comparáveis ao vidro borossilicato, mas é mais resistente ao calor, tolerando temperaturas até 800o Celsius, e tem uma melhor resistência química. Devido a esta resistência ao calor, é muito mais difícil derreter e, portanto, fabricar do que o vidro borossilicato. Os dois principais tipos de vidro aluminossilicato são o vidro alcalino de aluminossilicato e o vidro alcalino de aluminossilicato. Os copos de aluminossilicato de terra alcalina têm um ponto de amolecimento muito elevado e são normalmente utilizados para lâmpadas de vidro para lâmpadas de halogéneo, termómetros de alta temperatura, e podem ser revestidos numa película eletricamente condutora e utilizados para resistências em circuitos eletrónicos. O alto teor alcalino dos copos de aluminossilicato alcalino melhora a sua resistência compressiva superficial. Também são muito resistentes ao risco e resistentes ao risco. São comumente usados para ecrãs tácteis, como ecrãs de smartphones, e para células solares cobrem vidro e vidro de segurança laminado.
Vidro de Sílica Alta
O vidro de sílica alta é criado por vidro derretido para remover quase todos os elementos não silicatos dele. Este processo pode resultar numa composição de 95 a 99% de sílica. Devido à falta de agentes de fluxo, o vidro de sílica alta é extremamente difícil de derreter, com uma temperatura de deformação tão alta como 1.700ºC, o que significa que pode ser usado a temperaturas tão altas como cerca de 1.000o C. O vidro de sílica alta tem uma expansão térmica muito baixa, uma durabilidade química muito boa, propriedades óticas e propriedades mecânicas, mas as temperaturas de processamento extremamente elevadas são um fator limitativo na produção e aplicação em maior escala.
À medida que a tecnologia melhora, a capacidade de alcançar uma maior pureza de vidro de sílica alta melhorou, tornando possível fabricar qualidades de vidro mais altas e mais elevadas. O vidro de sílica alta é frequentemente usado na indústria de semicondutores, uma vez que a sílica não contamina as bolachas de silício, e para fibra ótica, tubos de lâmpada uv-transmissivo, ótica de precisão, tubos refratários, e como um reforço de fibra em compósitos.
Quartzo Fundido
O vidro de quartzo fundido, também chamado de vidro fundido-sílica ou vidro vítreo-sílica, é fabricado purificando e derretendo sílica cristalina natural, encontrada em areia ou cristal de rocha, quer com fusão elétrica ou de chama. O vidro resultante é altamente transparente, mesmo à luz ultravioleta e infravermelha, e às condições meteorológicas e resistentes aos choques. É muito difícil de fabricar, uma vez que a fusão ocorre a aproximadamente 1650o C, por isso é muito caro. No entanto, esta alta temperatura de fusão também significa que pode lidar com temperaturas de até 1400° C por curtos períodos, tornando-o capaz de suportar as temperaturas mais altas de qualquer vidro. Devido a esta resistência, o vidro de quartzo fundido é frequentemente usado para aplicações aeroespaciais, especificamente as janelas de naves espaciais tripuladas.
Fabricação de vidro e acabamento
Embora existam algumas variações de fabricação na criação de diferentes tipos de vidro, o seguinte descreve o processo básico usado para criar os tipos mais comuns de vidro, como o sumo-cal.
Fabricação
Os ingredientes que compõem o vidro variam dependendo do tipo de vidro. O principal componente do vidro, chamado anterior, deve ser aquecido a uma temperatura muito alta para se tornar viscoso. O primeiro mais comum é o dióxido de silício, encontrado na areia. O primeiro é misturado com um fluxo, o que o ajuda a derreter a uma temperatura mais baixa. Os fluxos comuns são cinzas de refrigerante e potassa. Um estabilizador também é usado para evitar que o vidro dissolva ou forme impurezas cristalinas indesejadas. Um estabilizador comum é o óxido de cálcio, do calcário. Estes ingredientes secos são misturados num lote. Um forno derrete o lote para formar um composto líquido. Cullet, que é composto por vidro quebrado, é adicionado ao lote para ajudá-lo a derreter.
Se o vidro colorido estiver a ser fabricado, é adicionado um óxido metálico ao lote. Cores de ferro verde vidro, cobre torna-o azul claro, cobalto um azul escuro, ouro um vermelho profundo. Recomenda-se vidro de ferro baixo quando colorir vidro qualquer cor além de verde. Em pequenas quantidades, o dióxido de manganésio é usado para descolorizar o vidro, mas em grandes quantidades, colore o vidro roxo, ou com uma quantidade maior, preto.
Depois de derretido, o vidro viscoso é então derramado num banho de estanho fundido, depois formado numa fita e arrefecido. O processo de arrefecimento lento e até mesmo de arrefecimento chama-se annealing. O vidro deve ser arrefecido uniformemente, porque se uma área ficar mais quente por mais tempo torna-se mais espessa, e os diferentes níveis de espessura resultam em stress no pedaço de vidro. Um pedaço de vidro mal-enlaçado é mais propenso a rachar.
Corte
Em seguida, o vidro annealed é cortado para as dimensões desejadas. Isto é geralmente feito com máquinas de controlo numérico de computador, ou máquinas CNC, que são capazes de operações extremamente precisas. As máquinas CNC funcionam de acordo com programas específicos de software CAM e CAD, que lhes permitem a máquinar qualquer número de peças de trabalho com precisão idêntica. Eles também são capazes de executar uma ampla gama de tarefas de maquinação normalmente realizadas por equipamentos especializados: eles podem cortar curvas e linhas retas, furos e ranhuras de moagem. As máquinas CNC utilizadas na fabricação de vidro utilizam ferramentas distintas, incluindo ferramentas abrasivas de diamante, pontos de diamante e rodas de carboneto, para obter uma maior precisão e capacidade de trabalho em vidro.
Depois de o vidro ser cortado e moldado, os fabricantes geralmente realizam alguns serviços de polimento de vidro, plastificação e outros serviços de acabamento. Espelhos e lentes polidos constituem uma parte significativa do mercado da fabricação de vidro. Estes itens geralmente exigem extrema precisão, e as tolerâncias à superfície devem ser exatas para que os componentes funcionem como desejado. Estes componentes de precisão são usados em telescópios, prismas, lentes laser e espelhos, e outras óticas, todas muito afetadas por imperfeições e imprecisões.
Tempero
Temperar é um tratamento térmico que fortalece o vidro para cerca de quatro vezes a força do vidro não temperado. Se o vidro temperado se partir, fratura-se em pequenos pedaços arredondados em vez de fragmentos irregulares.
O processo de temperamento começa com vidro cortado e lavado viajando através de um forno temperado, seja em um lote ou um alimento contínuo. O vidro é aquecido a mais de 600o Celsius antes de passar por saciação, o processo de arrefecimento. Durante a saciação, o ar de alta pressão rebenta com o vidro dos bicos em muitas posições diferentes. A superfície exterior do vidro arrefece muito mais rapidamente do que o centro, o que leva ao centro do vidro tentando recuar da superfície exterior. O resultado é que o centro permanece em tensão, e o exterior entra em compressão, dando ao vidro temperado a sua força.
O vidro também pode ser temperado quimicamente. O vidro é submerso num banho de sal de potássio fundido que faz com que os iões de sódio no vidro sejam substituídos por iões de potássio maiores. Os iões de potássio maiores preenchem as lacunas deixadas pelos iões de sódio, o que cria um estado de compressão na superfície externa do vidro. Este método é mais caro do que usar um forno temperador, por isso não é tão amplamente utilizado.
Uma desvantagem do vidro temperado é que não pode ser re-trabalhado uma vez temperado, por isso deve ser moldado completamente antes do processo. Além disso, devido ao stress equilibrado do vidro temperado, se alguma parte do mesmo estiver danificada, é provável que todo o pedaço de vidro se parta.
O vidro temperado é um tipo de vidro de segurança, usado para janelas de carros, portas de entrada e outras aplicações onde o vidro estilhaçar pode pôr em perigo os seres humanos.
Laminação
Laminar é outra forma de criar vidro de segurança. A laminação envolve o fortalecimento do vidro com um intercalar de material plástico. O intercalar não só fortalece o vidro como também mantém as peças de vidro juntas se quebradas, impedindo-a de se partir.
Há alguns procedimentos de plastificação. Duas ou mais peças de vidro são coladas, utilizando calor e pressão, entre uma ou mais camadas de adesivos, geralmente polivinil butyral (PVB) ou acetato de etileno-vinil (EVA). Outro método é ligar dois ou mais pedaços de vidro com um uretano alifático ou intercamada EVA, usando calor e pressão. O vidro também pode ser interposto com uma resina curada ou com EVA.
O vidro laminado é difícil de cortar devido às suas camadas de plástico, mas não é impossível. Quando o vidro laminado é danificado, geralmente quebra-se num padrão de teia de aranha em vez de se partir em várias peças perigosas.
Resumo
Este artigo apresentou uma compreensão do vidro, das suas propriedades, como é feito, e dos diferentes tipos de vidro. Para mais informações sobre produtos relacionados, consulte os nossos outros guias ou visite a Plataforma de Descoberta de Fornecedores thomas para localizar potenciais fontes de fornecimento ou ver detalhes sobre produtos específicos.
Fontes:
- https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/lead-glass
- https://www.glennklockwood.com/materials-science/overview-glasses.html
- https://www.tosoheurope.com/our-products/silica-glass/silica-glass-characteristics
- https://rayotek.com/tech-specs/material-comparisons.htm#q2
- https://www.heraeus.com
- https://abrisatechnologies.com/2015/04/understanding-the-physical-properties-of-glass/
- https://www.dillmeierglass.com/news/how-is-glass-made#
- https://www.scientificamerican.com/article/how-is-tempered-glass-mad/
- https://abrisatechnologies.com/docs/Guide%20to%20Glass%20Final%20April%202011.pdf
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