AntecedentesMxico En 1535 don Antonio Mendoza el primer virrey de la Nueva Espaa, trajo consigo artesanos expertos en el arte de soplar vidrio. En 1542 nacio la primera fabrica de vidrio mexicano en Puebla. La fabricacion de vidrios planos que eran de pequeas dimensiones se realizaban con bastante calidad. Se unian por medio de emplomado y se empleaban para cubrir ventanas de templos y palacios coloniales, para farolas y proteger imagenes religiosas en nichos. En la segunda mitad del siglo XVIII, la produccion de cristal comenzo a experimentar un repentino auge, basado en la copia de piezas peninsulares procedentes la Real Fabrica de Cristales de la Granja de San Ildefonso. Dichos objetos, eran decorados con finos diseos geometricos y guirnaldas doradas; tambien existian los opalinos conocidos como "de leche", que solian estar decorados con flores de colores y alguna leyenda.

Modernizacin de la industria No obstante los adelantos en la diversificacion de los tipos de vidrio durante veinte siglos, los procesos de fabricacion no fueron modificados en forma relevante desde la invencion de la caa de soplar. Es hasta el siglo XIX cuando la industria vidriera se moderniza, gracias a la invencion de la maquina automatica de soplo-prensa para fabricar botellas realizada por Michel Owens, para Libbey Glass Co., de Toledo, Ohio#46; El proceso de industrializacion en la ciudad de Monterrey desde la ultima decada del siglo XIX, se determino por la Cerveceria Cuauhtemoc, fundada en 1890, que demando muchas botellas de vidrio. Por lo que, en 1909 se creo la Vidriera Monterrey.I

. V I D R I O S

P R O P I E D A D E S

D E

L O S

Propiedades del vidrio

GENERALMENTE, cuando pensamos en el vidrio nos imaginamos un slido con

una rigidez y elasticidad comparables a las del acero, pero con ciertas propiedades mecnicas que limitan sus aplicaciones; como por ejemplo que no tiene ductibilidad, ya que no se deforma a temperatura ambiente, y que si tratamos de cambiar su forma aplicando una fuerza, lo nico que logramos es que se rompa. En realidad es un material duro pero frgil al mismo tiempo, y algo que refuerza esa debilidad es la presencia de imperfecciones superficiales, como astilladuras o ranuras. El xito en la manufactura del vidrio radica en controlar la temperatura del proceso, para regular las fuerzas internas que lo hacen quebradizo. Estas fuerzas internas tambin se aprovechan para producir vidrio de extrema dureza y resistencia si se emplea la tcnica del templado. Templar un vidrio es someterlo a un calentamiento controlado y despus enfriarlo rpidamente. La superficie queda en un estado permanente de compresin, de modo que las fuerzas que se apliquen al objeto tendrn que vencer primero las tensiones de comprensin. El efecto del templado se puede demostrar con las conocidas gotas de Prince Rupert, como se ve en la figura 26. En este experimento se dejan caer unas gotas de

vidrio fundido en agua fra. Aquellas gotas que sobreviven son muy resistentes, tanto, que puedes golpearlas con un martillo y no se rompen, pero si despus de golpear una de ellas la presionas ligeramente con los dedos, la gota entera explota en fragmentos diminutos. De alguna manera la presin de los dedos acta como una imperfeccin que se propaga a travs de la pieza entera en respuesta del impresionante esfuerzo interno.

Figura 26. La gota de Rupert.

Por diversos experimentos se ha comprobado que la tensin en un vidrio puede ser menor cuando ste ha sido templado dentro de cierto rango de temperatura. En la figura 27 se muestra la temperatura de templado de un vidrio pyrex contra el tiempo. Cuando la temperatura y el tiempo son bajos, en la figura se indica con puntos, y cuando tienen valores mayores, aparecen crculos cada vez ms grandes. Esto quiere decir que, para el vidrio pyrex, cuando la temperatura de templado es alta y el tiempo largo, la diferencia entre el lmite superior y el inferior es grande. El lmite superior est determinado por la temperatura a la cual el vidrio es un lquido que fluye con facilidad. El lmite inferior, tambin llamado punto de tensin, no est completamente definido, aunque lo han descrito como la temperatura a la que una pieza puede ser rpidamente enfriada sin que tenga una tensin permanente. As, mientras ms separados estn estos lmites es mejor, porque el rango en el que podemos trabajar es mayor.

Figura 27. Curva de templado de un vidrio pyrex.

La viscosidad en un vidrio es otra propiedad de importancia prctica en todas las etapas de preparacin porque de sta depende la velocidad de fusin. Podramos definir la viscosidad como la resistencia que presenta un lquido a fluir, pero si el vidrio parece un slido, por qu medimos su viscosidad? Lo hacemos porque los vidrios, en realidad, son lquidos sobreenfriados. Un lquido sobreenfriado es aquel que permanece como lquido a temperaturas ms bajas que la de solidificacin. Esto se logra llevando a cabo el enfriamiento en condiciones extremas de cuidado y pureza. La viscosidad de algunos lquidos sobreenfriados comienza a aumentar violentamente a medida que la temperatura disminuye y alcanzan una consistencia tal que su endurecimiento los hace aparecer como slidos, pero en realidad tienen la misma estructura atmica que un lquido. Esto mismo le ocurre al vidrio. Una forma de determinar la viscosidad es midiendo el tiempo que tarda en pasar una cantidad determinada de lquido a travs de un tubo de dimetro pequeo a una presin dada. La resistencia a fluir se debe a la atraccin entre las molculas, por lo que es una medida de su fuerza. En general, a medida que aumenta la temperatura, las fuerzas de cohesin estn ms incapacitadas para competir con el creciente movimiento molecular, y por lo mismo la viscosidad disminuye. Para tener un material con cierta resistencia es necesario que las molculas estn unidas con una firmeza relativamente constante, lo que se traduce en tener una viscosidad invariable. Si medimos el tiempo requerido para que esto ocurra, observamos que la temperatura de templado es importante. En la figura 28(a) la temperatura de templado es menor que en la 28(b), y lo que vemos es que la primera tarda ms en llegar a ser una lnea horizontal que

la segunda, y por lo tanto necesita ms tiempo para que su viscosidad sea constante. Por otro lado, es evidente que tambin vara en funcin de la composicin. En la figura 29 cada raya de la grfica representa un valor diferente de x en la frmula qumica que aparece en el pie de la figura. Es normal que al variar la cantidad de sodio y calcio cambien las propiedades del vidrio. Por otro lado, mientras mayor sea la proporcin de xido de aluminio, magnesio o calcio con respecto al xido de sodio, mayor ser la viscosidad, como puede verse en la figura 30, donde tambin se aprecia que la presencia de xido de magnesio es la que aumenta ms rpidamente esta caracterstica.

Figura 28. Curva de viscosidad de un vidrio tratado a 477 C (a) y a 486 (b).

Figura 29. Cambio de la viscosidad (en poises) de algunos vidrios con frmula (2x)Na2O xCaO 6SiO2.

Dentro de las propiedades trmicas podemos definir cuatro temperaturas de referencia en funcin de la viscosidad del vidrio. El punto de trabajo, donde la viscosidad del vidrio caliente es lo suficientemente baja como para poder darle forma utilizando mtodos ordinarios. El punto de reblandecimiento, temperatura a la cual el vidrio empieza a deformarse de manera visible. El punto de recocido, que es cuando las tensiones internas existentes son desvanecidas, y que corresponde a la temperatura ms alta de recocido. Por ltimo el punto de deformacin, donde el vidrio es un slido rgido y puede enfriarse rpidamente sin introducir ningn tipo de tensiones externas. La densidad, definida como el resultado de la masa entre el volumen, es otra propiedad de los vidrios que ha sido muy estudiada. Depende de factores como la temperatura, la presin a la que est sometido y la composicin. En la figura 31 se observa que en un vidrio la densidad aumenta al incrementar la concentracin de xido de calcio (CaO) y de titanio (TiO 2), mientras que cuando se eleva la cantidad de alumina (A12O3) o de magnesia (MgO) la densidad disminuye. Por otro lado, comparando un vidrio con frmula Na2O-PbO-SiO2 con otro que contenga K2O-PbO-SiO2, vemos que se intensifica notablemente la densidad cuando el porcentaje de PbO es alto (figura 32), que con sodio (Na) es ms alta que con potasio (K), y que cuando llegan alrededor de 40% de contenido de xido de plomo prcticamente se igualan. En general, la densidad de un vidrio vara muy poco si cambiamos la presin.

||| Cuando una pieza de vidrio es estirada por la accin de una fuerza, puede regresar a su tamao y forma original en el momento que se elimina el esfuerzo que lo deforma, siempre que nos movamos dentro de ciertos lmites de temperatura. A esta propiedad se le llama elasticidad y si despus de eliminar la fuerza deformante el material no recupera sus dimensiones originales, se dice que excedi el lmite elstico. Mientras no se alcance ese lmite podemos decir que la tensin es directamente proporcional al esfuerzo. Para calcular la deformacin se usa una constante elstica, determinada experimentalmente, llamada mdulo de Young, que mide la relacin del esfuerzo de alargamiento con la tensin que se produce. Matemticamente se expresa como:Y = (F/A) / (e/L)

F = (AY/L)e

k = (AY/L)

donde Y es el mdulo de Young, F es la fuerza aplicada para producir el alargamiento, Aes el rea, L es la longitud del vidrio, e es el alargamiento y k es la constante elstica. La fuerza elstica en un vidrio se debe a las atracciones moleculares dentro del material cuando ste se solidifica. Si las capas de vidrio se separan ligeramente por la aplicacin de una fuerza deformadora, las fuerzas moleculares se ponen en actividad para atraerlas a sus posiciones originales. Pero en el lmite elstico las fuerzas moleculares dejan de ser tan efectivas a causa de las imperfecciones y de la falta de cristalinidad del material. En la figura 33 se presenta la variacin del mdulo de Young en un vidrio formado por 18% de Na2O y 82% de SiO2, al cual se le agregan pequesimas cantidades de diferentes xidos metlicos para cambiar su composicin. Con la incorporacin de xidos de sodio y potasio el mdulo de Young disminuye, mientras que con xidos de magnesio, hierro y calcio, aumenta. Sin embargo, al adicionar xidos de bario, aluminio, cinc y plomo casi permanece constante. Un efecto diferente ocurre cuando el xido es un borato

(B2O3), porque en este caso el mdulo de Young primero aumenta hasta llegar a un mximo, y despus disminuye por el exceso de boro. Desde el punto de vista prctico, la composicin ideal para que un vidrio tenga mayor elasticidad es con silicio, sodio, calcio y boro.

Figura 33. Variacin del mdulo de Young por adicin de xidos en el vidrio que contiene 18% de Na2O y 82% de SiO2.

Como se observa en la figura 34, la temperatura es un factor muy importante debido a los altos valores de compresibilidad y la rapidez con la que cambia, que concuerdan con la concepcin de la naturaleza lquida del estado vtreo. La compresibilidad es la accin de reducir el volumen de un material. En los slidos y lquidos el volumen se comprime muy poco por efecto de la presin. En el vidrio sucede lo mismo, pero esta propiedad es importante porque de ella dependen las aplicaciones que se le puedan dar. En la figura 34 se aprecia que la compresibilidad del vidrio de Na y K aumenta linealmente con la temperatura, el que contiene borosilicato de cinc siempre decrece, mientras que el de slice y el pyrex decaen para volver a crecer aproximadamente despus de los 250C.

Figura 34. Porcentaje de compresibilidad por efecto de la temperatura en varios vidrios.

La resistencia que ofrece el vidrio al ponerlo en contacto con el agua o con agentes atmosfricos, as como con soluciones acuosas de cidos, bases y sales, es una propiedad de gran importancia llamada durabilidad qumica, que lo hace tomar ventaja sobre otro tipo de materiales, como los plsticos, por ejemplo. Los vidrios comunes parecen ser qumicamente inertes, pero en realidad reaccionan con muchas sustancias, lo que sucede es que lo hacen lentamente y por eso se pueden utilizar. Cuando se habla de altas resistencia a reactivos qumicos se quiere decir que para que las reacciones ocurran tiene que pasar un tiempo muy largo, por lo que prcticamente no reaccionan. El vidrio tiene una resistencia excelente a los cidos, excepto al fluorhdrico, y a las soluciones alcalinas fras. Por eso es muy til como envase de reactivos qumicos. Tambin es particularmente adecuado para tuberas transparentes. Por supuesto que tiene el gran inconveniente de su fragilidad y de la poca resistencia a los cambios bruscos de temperatura, pero en ese caso se puede usar vidrio blindado con fibra de vidrio de polister para evitar roturas, teniendo as la ventaja de la resistencia a la corrosin del vidrio y la fuerza estructural del acero. Los recubrimientos de vidrio son resistentes a todas las concentraciones de cido clorhdrico a temperaturas menores de 200 C; a todas las concentraciones de cido ntrico hasta el punto de ebullicin; al cido sulfrico diluido hasta el punto de ebullicin y

concentrado hasta 300 C. Existe tambin un vidrio que aguanta a los cidos con resistencia mejorada a las bases. En la figura 35 se presenta una grfica de la resistencia que tiene un vidrio comercial a la accin de diferentes cidos y lcalis. El material fue expuesto a los reactivos durante seis horas. De estas grficas se deduce que el vidriopyrex es el ms inerte y el nico que no es afectado por las bases. Los otros vidrios tienen como frmula qumica general wNa2O-xCaO-SiO2. Nuevamente, lo que cambia son los valores de w y x, dando distintas composiciones. Mientras ms grande sea el valor dew, ms Na2O tendr y ser ms resistente.

Figura 35. Comparacin de la accin de diferentes soluciones cidas, H2O y bsicas en seis vidrios. Los nmeros del 1 al 5 son sdico-clcicos y el 6 es pyrex.

En la misma figura se puede observar que todos, menos el pyrex, reaccionan con el agua caliente. En contacto con medio acuoso lo que ocurre es un intercambio de iones sodio [Na+] por iones hidronio [H3O+]. Los iones hidronio estn presentes en el agua en equilibrio con los iones [OH]. Este intercambio va disolviendo el material. Por el contrario, cuando el vidrio se mezcla con una base, el intercambio inico sucede entre los aniones (los que tienen carga negativa) de la estructura [A1(OH) 4] y los grupos hidroxilo [OH] de la base. Como resultado tendremos una mayor cantidad de [OH] dentro de la estructura del vidrio. Tener un material qumicamente inerte ha sido una preocupacin por muchos aos. Desde que en 1868 Stas obtuvo por primera vez un vidrio resistente a los cidos, a las bases y a diferentes agentes corrosivos qumicos, se han sucedido muchos adelantos hasta llegar al vidrio pyrex, conocido por su alta durabilidad qumica a altas temperaturas, con una composicin de 81% de SIO2, 13% de B2O3,

3.6% de Na2O, 0.2% de K2O y 2.2% de A12O3, que hasta la fecha no ha cambiado ni ha podido ser sustituido por otro. Con respecto a las propiedades elctricas, la conductividad de un vidrio depende de su composicin, de su temperatura y de las condiciones atmosfricas que rodean al material. A bajas temperaturas los vidrios multicomponentes son aislantes. A todas las temperaturas son conductores electrolticos, y de 25 a 1,200C la resistividad, o resistencia a conducir la electricidad, es variable. La resistividad del vidrio disminuye rpidamente a medida que aumenta la temperatura, y por consiguiente se dice que es un semiconductor. La conduccin en este caso no se debe a que los electrones se muevan, sino a iones que emigran a travs de la red vtrea. En la figura 36 se observa que al aumentar la temperatura aumenta la conductividad elctrica, y a pesar de que es semejante el comportamiento de los vidrios que aparecen en la figura, se puede ver que los que contienen bario (4) y plomo (5) necesitan una temperatura mayor, de 244 y 248C respectivamente, para comportarse como conductores. Si nos referimos a la capacidad calorfica del vidrio, sabemos que es mucho ms pequea que la de los metales, pero que puede usarse con xito en ciertas aplicaciones de transmisin de calor, como en los moldes para cocinar en hornos caseros. La conductividad de diversos vidrios a temperatura ambiente vara mucho, y los valores ms altos se encuentran en aquellos que tienen un mayor contenido de slice.

Figura 36. Cambio de la conductividad elctrica con la temperatura en varios vidrios.

De esta forma quedan descritas las propiedades ms importantes del protagonista de nuestro libro. Conocindolas es posible que tengas una idea ms clara de por qu los reactivos qumicos se guardan en frascos de vidrio, y de por qu los focos tambin estn hechos con este material.

PROPIEDADES GENERALES DEL VIDRIO

DENSIDAD * 2500 Kg/m3, es la densidad del vidrio, lo cual le otorga al vidrio plano un peso de 2,5 Kg/m2 por cada milmetro de espesor. PUNTO DE ABLANDAMIENTO * 730 C, aproximadamente CONDUCTIVIDAD TERMICA * 1.05 W/mK COEFICIENTE DE DILATACION LINEAL Es el alargamiento experimentado por la unidad de longitud al variar l C su temperatura. Para el vidrio entre 20 y 220 C de temperatura, dicho coeficiente es: * 9 x 10 -6 C Por ejemplo un vidrio de 2000 mm de longitud que incremente su temperatura en 30 C, sufrir un alargamiento de 2000 ( 9x 10-6 ) 30 = 0.54 mm.

DUREZA * 6 a 7 en la escala de Mohs .El vidrio templado tiene la misma dureza superficial que el vidrio recocido o crudo.

MODULO DE YOUNG

DUREZA * 720.000 Kg/cm2

COEFICIENTE DE POISSON * Varia entre 0.22 y 0.23

RESISTENCIA A LA INTEMPERIE No presenta cambios

RESISTENCIA QUIMICA El vidrio resiste el ataque de la mayora de los agentes qumicos, excepto el cido hidrofluordrico y, a alta temperatura , el fosfrico. Los lcalis atacan la superficie del vidrio. Cuando se emplean marcos de concreto, los lcalis liberados del cemento, durante una lluvia, pueden opacar la superficie del vidrio. La presencia de humedad entre dos hojas de vidrio estibadas durante un tiempo puede producir el "impresionado" (manchas blanquecinas) de sus superficies que, son muy difciles de remover.

RESISTENCIA mecnica El vidrio siempre rompe por tensiones de traccin en su superficie.

Resistencia a la traccin * Vara segn la duracin de la carga y oscila entre 300 y 700 K/cm2. Para cargas permanentes, la resistencia a la traccin del vidrio disminuye en un 40%. A mayor temperatura menor resistencia a la traccin. Depende del estado de los bordes del vidrio. El borde pulido brillante es el mas resistente, le sigue el borde arenado y por ltimo el borde con un corte neto realizado con una rueda de carburo de tungsteno

Resistencia a la compresin * 10.000 Kg/cm2 aproximadamente es el peso necesario para romper un cubo de vidrio de l cm de lado.

Mdulo de rotura para: * Vidrios recocidos 350 a 550 Kg/cm2 * Vidrios templados 1850 a 2100 Kg/cm2

Mdulo de trabajo para: * Vidrio recocido, carga momentnea 170 Kg/cm2 * Vidrio recocido, carga permanente 60 Kg/cm2 * Vidrio templado 500 Kg/cm2 Varios: Un vidrio con su superficie esmerilada o arenada tiene un 30% menos de resistencia a la traccin. El vidrio laminado simtrico, en condiciones normales de uso en aberturas presenta una resistencia, por lo menos, un 10% menor que un Float monoltico de igual espesor total.

Fractura por tensin trmica Este fenmeno se produce particularmente en los vidrios absorbentes de calor, coloreados en su masa y en los vidrios reflectivos producidos sobre vidrios de color. Cuando estos vidrios son expuestos a la radiacin solar, el rea expuesta absorbe calor, mientras que el rea protegida por el contravidrio permanece fra. Esto produce una tensin diferencial de traccin que, cuando supera la resistencia del borde del vidrio, puede producir su fractura por tensin trmica. Este factor siempre debe ser tenido en cuenta durante las etapas de diseo y especificacin del vidrio. Los factores que mas inciden en la generacin de fracturas por tensin trmica son : El estado de los bordes del vidrio, el borde pulido es el ms resistente. El tamao y espesor del vidrio, cuanto mayores son aumentan las posibilidades de fractura.

Sombras interiores, producidas por cortinados oscuros y pesados, cortinas venecianas muy prximas al vidrio, los antepechos de vidrio, etc. Los difusores de calor o fro orientados hacia el vidrio. Aplicacin de pinturas y autoadhesivos, etc.. Sombras parciales de poca extensin y larga duracin. El vidrio armado con alambre tiene bordes con una resistencia menor, por lo que se recomienda pulirlos.