Omar

jueves, 10 de mayo de 2012

EL VIDRIO

El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza aunque también puede ser producido por el hombre. El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es un tipo de material cerámico amorfo.
El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice (SiO₂), carbonato de sodio (Na₂CO₃) y caliza (CaCO₃).
El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto en el ámbito científico debido a que el vidrio es un sólido amorfo (sus moléculas no están dispuestas de forma regular) y no un sólido cristalino.

Botella de vidrio coloreado.

Historia del vidrio

La obsidiana es un vidrio natural. Origina de minerales fundidos que no se recristalizaron al enfriarse luego de su erupción.

Vasija de vidrio egipcio.

Nuestros antepasados usaban la obsidiana, un vidrio natural, desde hace más de 75.000 años para elaborar cuchillos y puntas de flecha.

El vidrio en la antigüedad

Plinio el Viejo (siglo I), en su Historia Natural, cuenta que unos mercaderes que se dirigían hacia Egipto para vender natrón (carbonato de sodio), se detuvieron para cenar a orillas del río Belus, en Fenicia. Como no había piedras para colocar sus ollas, decidieron utilizar algunos trozos de natrón. Calentaron sus alimentos, comieron y se dispusieron a dormir. A la mañana siguiente vieron asombrados que las piedras se habían fundido y habían reaccionado con la arena para producir un material duro y brillante, el vidrio.
En realidad, el hombre aprendió a fabricar el vidrio muchísimo tiempo antes en forma de esmaltes vitrificados, la fayenza. Hay cuentas de collares y restos de cerámica elaborados con fayenza en tumbas del periodo predinástico de Egipto, en las culturas Naqada (3500-3200 begin_of_the_skype_highlighting 3500-3200 end_of_the_skype_highlighting a. C.)
Los primeros objetos de vidrio que se fabricaron fueron cuentas de collar o abalorios. Es probable que fueran artesanos asiáticos los que establecieron la manufactura del vidrio en Egipto, de donde proceden las primeras vasijas producidas durante el reinado de Tutmosis III (1504-1450 begin_of_the_skype_highlighting 1504-1450 end_of_the_skype_highlighting a. C.) La fabricación del vidrio floreció en Egipto y Mesopotamia hasta el 1200 a. C. y posteriormente cesó casi por completo durante varios siglos. Egipto produjo un vidrio claro, que contenía sílice pura; lo coloreaban de azul y verde. Durante la época helenística Egipto se convirtió en el principal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales. Sin embargo, fue en las costas fenicias donde se desarrolló el importante descubrimiento del vidrio soplado en el siglo I a.C. Durante la época romana la manufactura del vidrio se extendió por el Imperio, desde Roma hasta Alemania.En esta época se descubrió que añadiendo óxido de manganeso se podía aclarar el vidrio.

El vidrio en la Edad Media

En el norte de Europa y Gran Bretaña continuaron produciendo objetos utilitarios de vidrio. El vidrio común tipo Waldglas (del alemán, ‘vidrio del bosque’) continuó fabricándose en Europa hasta la era moderna. Sin embargo, la producción más importante en este material durante la edad media fueron los mosaicos de vidrio en la Europa mediterránea y las vidrieras en la zona del norte. Los mosaicos se hacían con teselas de vidrio, que se cortaban de bloques de vidrio. En documentos del siglo VI se hace referencia a vidrieras en las iglesias, aunque los primeros ejemplares conservados datan del siglo XI. Las más apreciadas se elaboraron durante los siglos XIII y XIV, principalmente en Francia e Inglaterra. El vidrio se coloreaba o se laminaba ya coloreado añadiendo óxidos metálicos a la mezcla, y después se cortaba. Los detalles se pintaban sobre el cristal con un esmalte. Las piezas se sujetaban con varillas de plomo en una estructura de hierro. El arte de la fabricación de vidrieras decayó a finales del renacimiento aunque volvió a recuperarse en el siglo XIX.
El vidrio en los países islámicos, entre los siglos VIII y XIV, tuvo su auge en el Oriente Próximo. La antigua tradición Sasánida de tallado del vidrio fue continuada por los artesanos musulmanes que realizaron vasijas decoradas en altorrelieve, muchas con motivos animales, y con vidrio incoloro de gran calidad con diseños tallados a la rueda. La técnica de esmaltado al fuego y la del dorado incrementaron las posibilidades decorativas, destacando los artesanos vidrieros de Alepo y Damasco. De Egipto proviene el descubrimiento de coloraciones vidriadas con brillantes efectos metálicos, tanto en cerámica como en vidrio. Las lámparas de las mezquitas y otras vasijas de uso cotidiano se pintaron con motivos geométricos propios del islam. Sus formas y decoraciones influyeron en la producción occidental posterior, destacando las de Venecia y España.

Del renacimiento al siglo XVIII

El cristal veneciano

El «cristal veneciano» más antiguo conocido data del siglo XV, aunque el vidrio ya se fabricaba en Venecia desde el siglo X. Con centro en la isla de Murano, los venecianos dominaron el mercado europeo hasta el año 1700. La contribución más importante fue la elaboración de un vidrio sódico duro y refinado muy dúctil. Conocido como «cristallo», era incoloro, de gran transparencia, muy semejante al cristal de roca. También se hacían en cristal coloreado y opaco. Hacia finales del siglo XVI los vasijas se hicieron más ligeras y delicadas. Desarrollaron un tipo de filigrana de vidrio que sería muy imitada. Consistía en incorporar hebras de vidrio blanco opaco dentro de un cristal transparente, que producía el efecto de un encaje.
También en Murano surgieron muchos estilos diferentes para lámparas de cristal, aunque fue la factoría de Nevers, en Francia, la que adquirió mayor fama durante el siglo XVII. La práctica del grabado al diamante, técnica de los artesanos holandeses del siglo XVII, lograba elaborados diseños.
Los fabricantes de vidrio de Europa intentaron copiar las técnicas y decoraciones de los venecianos. La información se difundió con el libro El arte del vidrio (1612) de Antonio Neri, y también por los sopladores de vidrio venecianos, pues aunque una ley prohibía a los artesanos vidrieros abandonar Venecia y divulgar los secretos de su arte, muchos se instalaron en otros países europeos. Cada país desarrolló sus imitaciones. La influencia italiana declinó en el siglo XVII, al surgir en Alemania e Inglaterra nuevos métodos para la fabricación de vidrio.

Estado vítreo

Tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas: la sólida, la líquida y la gaseosa. Nuevos medios de investigación de su estructura íntima –particularmente durante el siglo XX– han puesto al descubierto otras formas o estados en los que la materia puede presentarse. Por ejemplo el estado mesomorfo (una forma líquida con sus fases esmécticas, nemáticas y colestéricas), el estado de plasma (o estado plasmático, propio de gases ionizados a muy altas temperaturas) o el estado vítreo, entre otros.
Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótopos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyendo paulatinamente –como la mayor parte de los líquidos- hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o "punto de fusión".
Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido subenfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo. Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado metaestable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.

Figura 1: Cristal organizado de SiO₂.

En apoyo de esta hipótesis se aduce el hecho experimental de que, calentado un cuerpo en estado vítreo hasta obtener un comportamiento claramente líquido (a una temperatura suficientemente elevada para que su viscosidad sea inferior a los 500 poises, por ejemplo), si se enfría lenta y cuidadosamente, aportándole a la vez la energía de activación necesaria para la formación de los primeros corpúsculos sólidos (siembra de microcristales, presencia de superficies activadoras, catalizadores de nucleación, etc.) suele solidificarse dando lugar a la formación de conjuntos de verdaderos cristales sólidos.
Todo parece indicar que los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos. Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.
Esto ha conducido a diferentes investigadores a plantear diversas teorías sobre la estructura interna del estado vítreo, tanto de tipo geométrico, basadas tanto en las teorías atómicas como en las de tipo energético.

Figura 2: SiO₂ en estado vítreo.

Según la teoría atómica geométrica, en el sílice sólido cristalizado el átomo de silicio se halla rodeado de cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices de un tetraedro cada uno de los cuales le une a los átomos de silicio vecinos. Una vista en planta de este ordenamiento se esquematiza en la figura 1, en la que el cuarto oxígeno estaría encima del plano de la página. Cuando este sílice pasa al estado vítreo, la ordenación tetraédrica se sigue manteniendo a nivel individual de cada átomo de silicio, aunque los enlaces entre átomos de oxígeno y silicio se realizan en un aparente desorden, que sin embargo mantiene una organización unitaria inicial (véase la figura 2).
No obstante, ninguna de estas teorías es suficiente para explicar el comportamiento completo de los cuerpos vítreos aunque pueden servir para responder, en casos concretos y bien determinados, a algunas de las preguntas que se plantean.
Las sustancias susceptibles de presentar un estado vítreo pueden ser tanto de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras:

Elementos químicos: Si, Se, Au-Si, Pt-Pd, Cu-Au.
Óxidos: SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, y algunas de sus combinaciones.
Compuestos: As₂S₃, GeSe₂, P₂S₃, BeF₂, PbCl₂, AgI, Ca(NO₃)₂.
Siliconas (sustancias consideradas como semiorgánicas)
Polímeros orgánicos: tales como glicoles, azúcares, poliamidas, poliestirenos o polietilenos, etc.

Vidrios comunes

Sílice vítrea

Se denomina sílice a un óxido de silicio de fórmula química SiO₂. Se presenta en estado sólido cristalino bajo diferentes formas enanciotrópicas. Las más conocidas son el cuarzo (la más frecuente y estable a temperatura ambiente), la cristobalita y las tridimitas. Además de estas formas, se han llegado a identificar hasta veintidós fases diferentes, cada una de ellas estable a partir de una temperatura perfectamente determinada.
Cuando se calienta el cuarzo lentamente, este va pasando por distintas formas enanciotrópicas hasta alcanzar su punto de fusión a 1.723 °C. A esta temperatura se obtiene un líquido incoloro y muy viscoso que si se enfría con relativa rapidez, se convierte en una sustancia de naturaleza vítrea a la que se suele denominar vidrio de cuarzo.
Este vidrio de cuarzo presenta un conjunto de propiedades de gran utilidad y de aplicación en múltiples disciplinas: en la investigación científica, tecnológica, en la vida doméstica y en general en todo tipo de industria. Se destacan como más relevantes las siguientes:

Gran resistencia al ataque por agentes químicos, por lo que es muy utilizado como material de laboratorio. Sólo es atacado, de manera importante a temperatura ambiente, por el ácido fluorhídrico en sus diferentes formas (gaseosa o disolución). A temperaturas superiores a 800 °C reacciona a velocidades apreciables con sales alcalinas o alcalinotérreas, en particular con sales sódicas, tales como el carbonato o el sulfato sódicos.
Si bien su densidad a temperatura ambiente es relativamente alta (2,2 g/cm³) su coeficiente de dilatación lineal medio a temperaturas inferiores a los 1.000 °C es extremadamente pequeño: se sitúa en 5,1•10^-7 K^-1, lo que permite, por ejemplo, calentarlo al rojo y sumergirlo bruscamente en agua, sin que se fracture. El número de aplicaciones que esta propiedad suscita es elevado.
Su índice de refracción a la radiación electromagnética visible es 1,4589, lo que le hace apto para instrumentos ópticos en general.
Su resistividad eléctrica es del orden de los 10²⁰ ohm·cm en condiciones normales lo que le convierte en uno de los mejores aislantes eléctricos conocidos, con todas las aplicaciones que de ello se derivan en la industria moderna.
La absorción de la radiación electromagnética del vidrio de cuarzo muestra una gran transparencia a la luz visible así como en las bandas correspondientes al espectro ultravioleta, lo que le hace especialmente apto para la fabricación de lámparas y otros instrumentos generadores de este tipo de radiación.

Otras propiedades, sin embargo, dificultan su elaboración y utilización. En particular, las siguientes:

**Viscosidades**
Temperatura	Viscosidad
°C	μ (poises)
1.800	10^7,21
2.000	10^6,10
2.200	10^5,21
2.400	10^4,50
2.600	10^3,90
2.800	10^3,40

El punto de fusión de la sílice cristalizada depende de la variedad enanciotrópica que se trate. Para la variedad estable a partir de los 1.470 °C (la α-cristobalita) este es de 1.723 °C. Estas son temperaturas que no pueden alcanzarse fácilmente, salvo en instalaciones muy especializadas. Por esta razón, la fabricación del vidrio de cuarzo ha sido siempre rara y cara. Industrialmente, su producción es bastante limitada si se la compara con otros tipos de vidrio.
Su viscosidad en estado vítreo presenta una gran variación con la temperatura, pasando de valores superiores a 10⁷ poises (aspecto totalmente sólido) por debajo de los 1.800 °C, a 10^3,5 poises a 2.758 °C (aspecto pastoso y moldeable).
Las viscosidades toman valores tan sumamente elevados que deben expresarse como potencias de diez. En general, las viscosidades de los vidrios suelen darse bajo la forma de su logaritmo decimal. Para obtener el vidrio de cuarzo es necesario partir de un cuarzo cristalizado de gran pureza, finamente molido, que se somete a altas temperaturas. El líquido que se obtiene presenta gran cantidad de burbujas diminutas de aire ocluido entre los granos del cuarzo, que le dan un aspecto lechoso, traslúcido, al que se suele denominar gres de cuarzo y cuyas aplicaciones como recipiente resistente al ataque químico o a los cambios bruscos de temperatura son frecuentes. Sin embargo, resulta totalmente inútil para aplicaciones en las que se precise una gran transparencia (lámparas de rayos UVA, lámparas de cuarzo y óptica en general). Para estas últimas es necesario que durante el proceso de fusión se puedan desprender esas burbujas gaseosas ocluidas. Para que ese desprendimiento fuera efectivo bajo la presión atmosférica y a una velocidad aplicable industrialmente, se precisaría que el líquido presentara una viscosidad por debajo de los 200 poises, lo que en el caso de la sílice líquida implicaría temperaturas del orden de los 3.600 °C. En la práctica para poder desgasificar el vidrio de sílice se funde el cuarzo a temperaturas próximas a los 2.000 °C en recipientes donde se hace el vacío, complicando mucho la tecnología de su producción y, por consiguiente, encareciendo el producto.
La resistencia a la tracción en estado puro, en condiciones normales y con una superficie perfectamente libre de toda fisura, es de unos 60 kbar. Esta gran resistencia (superior a la del acero) se ve fuertemente disminuida por imperfecciones en la superficie del objeto, por pequeñas que estas sean.
Su módulo de Young a 25 °C es de 720 kbar y el de torsión 290 kbar. Cuando se le somete a un esfuerzo de tracción mecánica a temperaturas próximas a la ambiente, se comporta como un cuerpo perfectamente elástico con una función alargamiento/esfuerzo lineal, pero sin prácticamente zona plástica cercana a su límite de rotura. Esta propiedad, unida a la resistencia mecánica a la tracción anteriormente citada, lo convierten en un producto frágil. Al golpearlo, o se deforma elásticamente y su forma no se altera o, si se sobrepasa su límite de elasticidad, se fractura.

Silicato sódico

Las sales más comunes de sodio tienen puntos de fusión por debajo de los 900 °C. Cuando se calienta una mezcla íntima de cuarzo finamente dividido con una sal de estos metales alcalinos, por ejemplo Na₂CO₃, a una temperatura superior a los 800 °C se obtiene inicialmente una fusión de la sal alcalina, cuyo líquido rodea a los granos de cuarzo, produciéndose una serie de reacciones que pueden englobarse en la resultante siguiente:
SiO_{2 (s)} + Na₂CO_{3 (s)} $\rightarrow$ Na₂SiO_{3 (s)} + CO_{2 (g)} $\Delta$ H = -5,12 kcal/mol
Esta reacción, levemente exotérmica, desprende anhídrido carbónico gaseoso -que burbujea entre la masa en fusión- y conduce a un primer silicato sódico, de punto de fusión 1.087 °C.
De acuerdo con la termodinámica, la mezcla de dos sustancias de puntos de fusión diferentes presenta un “Punto de Liquidus”que se sitúa entre los de las dos sustancias en contacto. De esta forma la mezcla de la sílice y el silicato sódico formado da lugar a un producto de SiO₂ y silicatos, ya en estado líquido a temperaturas que no sobrepasan los 1.200 °C, lejos de los más de 2.000 °C necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.
Al producto así obtenido se le da corrientemente el nombre genérico de silicato sódico, si bien con esta denominación se identifica a un conjunto de productos derivados de la fusión del cuarzo con sales sódicas (generalmente carbonatos) en diferentes proporciones de uno y otro componente. Industrialmente se preparan silicatos sódicos con proporciones molares de cada componente situadas entre:

3,90 moles de SiO₂ / 1 mol de Na₂O y 1,69 moles de SiO₂ / 1 mol de Na₂O

Nota: La proporción estequiométrica de un metasilicato sódico puro sería de 1 mol de SiO₂ / 1 mol de Na₂O

Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vítreo, transparente y muy quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del orden de los 1.000 poises (necesaria para su moldeado) se precisan temperaturas que, en función de su composición, oscilan entre los 1.220 °C para el silicato más rico en SiO₂, y los 900 °C para el más pobre. Son muy solubles en agua: entre un 35% y un 50% en peso de silicato, según el contenido en SiO₂. Su falta de rigidez mecánica y su solubilidad en agua les hacen inútiles como sustitutos del vidrio de cuarzo en ninguna de sus aplicaciones.
Raramente se presentan en la industria en forma sólida, sino bajo la forma de disolución acuosa. Su solución en agua se utiliza como pegamento cerámico muy eficaz o como materia prima para la producción mediante hidrólisis de gel de sílice, sustancia usada como absorbente de la humedad (torres de secado de gases, etc.) o como componente de ciertos productos tales como neumáticos para vehículos y otras aplicaciones en la industria química.
Su producción se realiza en hornos continuos de balsa calentados mediante la combustión de derivados del petróleo y frecuentemente también con energía eléctrica, a temperaturas lo más elevadas posibles (dentro de una cierta rentabilidad) con el fin de aumentar la productividad del horno. Estas temperaturas suelen situarse entre los 1.400 °C y los 1.500 °C.

Vidrios de silicato sódico

Con el fin de obtener un producto con propiedades similares a las del vidrio de cuarzo a temperaturas alcanzables por medios técnicamente rentables, se produce un vidrio de silicato sódico al que se le añaden otros componentes que le hagan más resistente mecánicamente, inerte a los agentes químicos a temperatura ambiente -muy particularmente al agua- y que guarden su transparencia a la luz, al menos en el espectro visible.
Estos componentes son metales alcalinotérreos, en particular magnesio, calcio o bario, además de aluminio y otros elementos en menores cantidades, algunos de los cuales aparecen aportados como impurezas por las materias primas (caso del hierro, el azufre u otros). Las materias primas que se utilizan para la elaboración de vidrios de este tipo se escogen entre aquellas que presenten un menor costo:

Para el cuarzo:
- Arenas feldespáticas, de pureza en SiO₂ superior al 95% y con el menor contenido en componentes férricos posible (entre un 0,15% y 0,01% en términos de Fe₂O₃)
- Cuarcitas molidas
Para el sodio:
- Carbonatos sódicos naturales (yacimientos de EE.UU. y África).
- Carbonato sódico sintético, el más utilizado en Europa.
- Sulfato sódico sintético, subproducto de la industria química.
- Nitrato sódico natural (nitrato de Chile).
- Cloruro sódico o sal común.
  - Estos tres últimos, utilizados en pequeñas proporciones, debido al desprendimiento de gases contaminantes durante la elaboración del vidrio: SO_X, NO_X, Cl₂.
Para el Calcio:
- Calizas naturales.
Para el Magnesio:
- Dolomitas naturales.
Para el Bario:
- Sulfato bárico natural (baritina).
Para el Aluminio:
- Feldespatos naturales (caolines).

La producción industrial de este tipo de vidrios se realiza, al igual que en el caso de los silicatos sódicos, en hornos para vidrio, generalmente de balsa, calentados mediante la combustión de derivados del petróleo con apoyo, en muchos casos, de energía eléctrica a temperaturas que oscilan entre los 1.450 °C y los 1.600 °C. En estos hornos se introduce una mezcla en polvo ligeramente humedecida ( $\sim$ 5% de agua) y previamente dosificada de las materias primas ya citadas. Esta mezcla de materias minerales reacciona (a velocidades apreciables y, evidentemente, cuanto mayores mejor) para formar el conjunto de silicatos que, combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se denomina vidrio común.

Propiedades del vidrio común

Las propiedades del vidrio común, son una función tanto de la naturaleza como de las materias primas como de la composición química del producto obtenido. Esta composición química se suele representar en forma de porcentajes en peso de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos químicos que lo forman. Las composiciones de los vidrios silicato sódicos más utilizados se sitúan dentro de los límites que se establecen en la tabla adjunta.

**Intervalos de composición frecuentes en los vidrios comunes**
Componente	Desde ... %	... hasta %
SiO₂	68,0	74,5
Al₂O₃	0,0	4,0
Fe₂O₃	0,0	0,45
CaO	9,0	14,0
MgO	0,0	4,0
Na₂O	10,0	16,0
K₂O	0,0	4,0
SO₃	0,0	0,3

Muchos estudios –particularmente en la primera mitad del siglo XX– han intentado establecer correlaciones entre lo que se denominó la estructura interna del vidrio –generalmente basada en teorías atómicas– y las propiedades observadas en los vidrios. Producto de estos estudios fueron un conjunto de relaciones, de naturaleza absolutamente empírica, que representan de manera sorprendentemente precisa muchas de esas propiedades mediante relaciones lineales entre el contenido de los elementos químicos que forman un vidrio determinado (expresado bajo la forma del contenido porcentual en peso de sus óxidos más estables) y la magnitud representando dicha propiedad. Curiosamente, las correlaciones con las composiciones expresadas en forma molar o atómica son mucho menos fiables.

**Composición "tipo" de vidrio de**
SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃
73,20	1,51	0,10	10,62	0,03	13,22	1,12	0,20

Los contenidos en MgO, Fe₂O₃ y SO₃ son consecuencia de las impurezas de la caliza, arena y el sulfato sódico, respectivamente.

Fuente: Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio

**Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio**
Propiedad	Valor	Unidades	Fuente
Densidad a 25 °C⁽¹⁾	2,49	g/cm³	Gilard & Dubrul
Coeficiente de dilatación lineal a 25 °C⁽²⁾	8,72•10^-6	°C^-1	Wilkelman & Schott
Conductividad térmica a 25 °C	0,002	cal/cm.s.°C	Russ
Tensión superficial a 1200 °C	319	dinas/cm	Rubenstein
Índice de refracción (a 589,3 nm)⁽³⁾	1,52	-	Gilard & Dubrul
Módulo de elasticidad a 25 °C	719	kbar	Appen
Módulo de Poisson a 25 °C	0,22	-	Wilkelman & Schott
Resistencia a la tracción a 25 °C⁽⁴⁾	$\sim$ (900)	bar	Wilkelman & Schott
Constante dieléctrica (4.5.18⁸ Hz)	7,3	-	Appen & Bresker
Resistencia eléctrica a 1100 °C	1,06	Ώ.cm
Resistencia eléctrica a 1500 °C	0,51	Ώ.cm
Calor específico a 25 °C	0,20	cal/g/°C	Sharp & Ginter
Atacabilidad química DIN 12111⁽⁵⁾	13,52	ml de HCl 0,01N	R. Cuartas

Nota: La viscosidad se expresa en la figura 3⁽⁶⁾.
Fuente: Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio (cuadro)

Figura 3: Logaritmo de la viscosidad según temperaturas (según R. Cuartas).

La absorción (o transparencia)⁽⁷⁾ a la luz de los vidrios de silicato sódico en la zona del espectro visible (0,40 μ a 0,70 μ) depende de su contenido en elementos de transición (Ni y Fe en el ejemplo). Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un objeto casi opaco, independientemente de cualquiera de estos elementos.

Notas

(1) La densidad es algo más elevada que en el cuarzo fundido 2,5 frente a 2,2 g/cm³).
(2) El coeficiente de dilatación térmica lineal a temperatura ambiente, es notablemente más alto que el de la sílice fundida (unas 20 veces más), por lo que los objetos de vidrios de silicato sódico son menos resistentes al "choque térmico".
(3) Su índice de refracción es ligeramente mayor que el del vidrio de cuarzo y puede aumentarse mediante el uso de aditivos.
(4) La resistencia a la tracción en cualquier tipo de vidrio es una magnitud que depende extraordinariamente del estado de la superficie del objeto en cuestión, por lo que su cuantificación es compleja y poco fiable.
(5) La resistencia al ataque químico o físico (disolución) de los vidrios comunes es una función de su composición química fundamentalmente. No obstante, en todos ellos esta resistencia es elevada. Se suele medir mediante una serie de pruebas tipificadas internacionalmente. Entre las más usadas:
- DIN 12116
- DIN 52322
- DIN 12111
- La atacabilidad de los vidrios también se modifica mediante tratamientos superficiales: con SO₂, Sn, Ti, y otros.
(6) Para moldear un vidrio es necesaria una viscosidad que se sitúa entre 1.000 poises y 5.000 poises. En el caso de la sílice son necesarias temperaturas de más de 2.600 °C, en tanto que para los vidrios comunes basta con 1.200 °C, aproximadamente.
(7) La absorción de la luz se ve influenciada por la estructura íntima de estas materias transparentes. En el caso de una estructura Si-O la absorción de fotones es baja, incluso para longitudes pequeñas de onda (transparencia a los rayos UVA). No es así cuando a esta sencilla estructura se le añaden otros elementos (Na, Mg, Ca, etc.) que inciden decisivamente en la absorción a las longitudes de onda pequeñas (menores de 200 nm) y en las infrarrojas (superiores a 700 nm). Por otra parte, la presencia en la red vítrea de elementos de transición (ver Tabla periódica de los elementos) produce absorciones selectivas de radiación visible, lo que permite, entre otras cosas, colorear los vidrios con una amplia gama de matices.

Reciclaje del vidrio.

Depósito público para reciclaje de vidrio. En éste, existen tres divisiones para separar el vidrio según su color: transparente, verde y ámbar.

El vidrio es un material totalmente reciclable y no hay límite en la cantidad de veces que puede ser reprocesado. Al reciclarlo no se pierden las propiedades y se ahorra una cantidad de energía de alrededor del 30% con respecto al vidrio nuevo.
Para su adecuado reciclaje el vidrio es separado y clasificado según su tipo el cual por lo común está asociado a su color, una clasificación general es la que divide a los vidrios en tres grupos: verde, ámbar o café y transparente.

Contenedor de recogida de botellas de vidrio en España.

El proceso de reciclado después de la clasificación del vidrio requiere que todo material ajeno sea separado como son tapas metálicas y etiquetas, luego el vidrio es triturado y fundido junto con arena, hidróxido de sodio y caliza para fabricar nuevos productos que tendrán idénticas propiedades con respecto al vidrio fabricado directamente de los recursos naturales.
En algunas ciudades del mundo se han implementado programas de reciclaje de vidrio, en ellas pueden encontrarse contenedores especiales para vidrio en lugares públicos.
En ciertos casos el vidrio es reutilizado, antes que reciclado. No se funde, sino que se vuelve a utilizar únicamente lavándolo (en el caso de los recipientes). En acristalamientos, también se puede aprovechar el vidrio cortándolo nuevamente (siempre que se necesite una unidad más pequeña).

viernes, 27 de abril de 2012

REPARACIÓN DE PLÁSTICOS

Introducción

En la construcción de los automóviles modernos se emplea cadavez mayor diversidad de materiales.

Uno de los que ha tenido mayor auge en los últimos años es elplástico.

Se usa no sólo para la fabricación de pequeñas piezas, sino,también para para-golpes, portones, paneles, aletas.

Los tipos de materiales plásticos usados son muy diferentes, perohay un reducido grupo que ocupa un 70% del uso total.

De hecho, en el mundo de la automoción el peso de elementosrealizados en plástico esta alrededor de unos 120 kilos de peso, en unvehículo medio.

Así cuando se tiene la opción de reparar una pieza de tal material,al igual que en otros casos ha de tenerse en cuenta el coste de lareparación, para asegurarse de su viabilidad económica, o si por elcontrario es más recomendable cambiar la totalidad de la pieza.

Tipos que existen

Termoplásticos

• Se pueden soldar mediante calor y conformar. Además vuelven atener la dureza inicial tras enfriarse, y pueden conformarse tantasveces como se precise.• Sólo en algunos casos no se pueden soldar mediante el calor y seusan otro tipo de medios para su reparación.

Resinas epoxy (EP)

• Estructura rígida o elástica, en función de las modificaciones y agentes de curado. • Excelente adherencia en cualquier plástico, excepto los olefínicos (PP,PE). • Se puede reforzar con cargas. • Presenta baja contracción de curado y alta estabilidad dimensional. • Tiene buen comportamiento a temperaturas elevadas, hasta 180°. • Posee buena resistencia a los agentes químicos. • Su manipulación exige la protección del operario.

PUR (poliuretano)

Se puede presentar como termoestable, termoplástico o incluso elastómetro.
Estructura rígida, semirrígida y flexible.
Resistente a los ácidos y disolventes.
Soporta bien el calor.
Las deformaciones existentes en elementos de espuma flexible pueden corregirse fácilmente aplicando calor.
Las reparaciones pueden efectuarse con adhesivos de PUR, y con resinas epoxy.
Se pueden reforzar mediante la adicción de cargas.

Plásticos reforzados con fibras de vidrio (GFK)

Nombre genérico con el que se asigna, en general, a los plásticos reforzados con fibras de vidrio.
Pueden ser rígidos o elásticos.
Al tener adicionadas cargas de fibra de vidrio, presentan una resistencia mayor.
Si son termoplásticos, su soldadura es más delicada, debido a las cargas de refuerzo, por lo que es necesario en muchas ocasiones recurrir al empleo de adhesivos.

Resina de poliéster insaturado (UP)

Buenas propiedades eléctricas y físicas.
Buena resistencia a los agentes químicos.
Buena estabilidad dimensional.
Gran resistencia mecánica.
Elevada rigidez, por lo que resulta muy frágil.
Para dotarlo de rigidez y tenacidad, se le añaden cargas reforzantes, generalmente fibras de vidrio.

Los diversos materiales se pueden diferenciar de distintas maneras:

Puede venir identificado en la propia pieza.
O hay que identificarlo por el proceso pertinente.

Termofusibles

No responden al calor, sólo a elevadas temperaturasdesintegrándose. Además, son duros y fibrosos, y rompen porastillamiento del propio material. Son en gran cantidad de los casos, unacombinación de resina termoestable y fibras naturales o sintéticas.

Los distintos materiales termofusibles son:

Poliamida (PA)

• Se alea fácilmente con otros tipos de plásticos y admite cargas derefuerzo.• Se fabrican en varias densidades, desde flexibles, como la goma,hasta rígido, como el nylon.• Presenta buenas propiedades mecánicas y facilidad de mecanizado.• Buena resistencia al impacto y al desgaste.• Se suelda con facilidad.

Policarbonato (PC)

Presenta muy buena resistencia al choque entre –30° y 80°.
Muy resistente al impacto, fácil de soldar y pintar. Soportatemperaturas en horno hasta 120°.
Al soldar se deforma con facilidad y produce hervidos.
En estado puro se distingue por su gran transparencia.

Polietileno (PE)

Estructura muy elástica, con buena recuperación al impacto.Aspecto y tacto ceroso.
Resistente a la mayor parte de los disolventes y ácidosEl período elástico y plástico es mayor que en otros plásticos.
Poca resistencia al cizallamiento.A partir de 87° tiende a deformarse.
Muy buenas cualidades de moldeo.
En el desbarbado de la soldadura, se embaza con facilidad.

Polipropileno (PP)

Posee características muy similares a las del polietileno y superaen muchos casos sus propiedades mecánicas.
Rígido, con buena elasticidad.
Aspecto y tacto agradables.
Resiste temperaturas hasta 130°.
Admite fácilmente cargas reforzantes (fibras de vidrio, talcos, etc)que dan lugar a materiales con posibilidades de mecanizado muyinteresantes.
Es uno de los materiales más usados en la automoción.

Polipropileno/etileno-propileno-dieno (PP/EPDM)

Estructura elástica, con buena recuperación de la deformación porimpacto.
Su aspecto tacto es ceroso.
Se suelda con facilidad.
Resistente a la mayoría de los disolventes.
Se daña fácilmente al cizallamiento.
A partir de 90° tiende a eformarse.
En el desbarbado de la soldadura tiende a embazarse con facilidad.
Presenta una mayor elasticidad y resistencia al impacto que el PPpuro.

Policloruro de vinilo (PVC)

Admite cantidad de aditivos, que dan lugar a materialesaparentemente distintos.
Alta resistencia al desgaste.
Estructuras desde rígidas a flexibles.

Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS)

Al calentar en la zona agrietada, se libera la tensión y suelenaparecer otras grietas que con anterioridad no se apreciaban.
Estructura rígida.
A temperatura de fusión, produce hervidos en la superficie y esmuy deformable.
Con temperaturas inferiores a 10° se agrietan los contornos de lasoldadura, por lo que es preciso calentar previamente la pieza.
En el desbarbado de la soldadura, se embaza con facilidad.Permite se recubrimiento con una capa metálica.

Acrilonitrilo Butadieno Estireno/policarbonato (ABS-PC o PCALPHA)

Estructura más rígida que el ABS.
Buena resistencia al choque.
A temperatura de fusión, produce hervidos en la superficie y esdeformable.

Policarbonato /politereftalato de butileno (PC/PBTP o PCXENOY)

Estructura muy rígida.
Buena resistencia al choque entre 30° y 80°.
A temperatura de fusión, produce hervidos en la superficie y es fácilmente deformable.

Tratamiento de deformaciones

Puede ser una reparación en si misma o servir de ayuda paraposteriores reparaciones de mayor envergadura.
Consiste básicamente en devolver la forma y configuraciónoriginales.
Para ello se usan dos efectos importantes: calor y presión.
Con el calor aplicado en la zona dañada lleva al material a unestado pastoso fácilmente maleable, para ello hay que aplicar elcalor por toda la superficie.
Siempre de forma que no se sobrepase temperaturas entre 300° y400°.
Se deja de aplicar calor en el momento en el que la superficieadquiera brillo.
A continuación se aplica una conformación para recuperar la formaoriginal mediante la conformación por presión. Esta presión serealiza en el sentido contrario a la deformación.
Para tal efecto se necesitaran diversas herramientas, como porejemplo un soplete de aire caliente o lamparilla de fontanero,botadores o útiles necesarios para recuperar las formas (tases,botadores).
Y para mantener una presión constante también se utilizansargentos y mordazas.
Por último, una esponja o bayeta para enfriar rápidamente la zonacalentada.
Es entonces cuando se procede a la detección de posiblesirregularidades que hayan podido pasar desapercibidas.
Se pasará luego una lija para ver sobre qué puntos no incide suacción, siendo estos por tanto, los que están aún hundidos.
Se aplicará calor con una lámpara de fontanero sobre esos puntospara mejorar la adherencia, y con la ayuda de una espátula serellenarán los puntos de interés con una resina bicomponenteepoxy.
Luego, se dejará secar y se procederá al lijado final de la pieza,dando por concluida la reparación.

Soldadura

Si la pieza está deformada deberá conformarse previamente,y más tarde aplicar la soldadura.
Se debe aplicar sobre una superficie desprotegida, y libre depinturas y grasas.
La aplicación de la soldadura se hace taladrando con unabroca de 2-3 mm, para evitar que progrese la soldadura.
Limpiar la zona con un disolvente no muy agresivo. Y biselar
la fisura con una fresa frontal o una rasqueta.
La soldadura es autógena, es decir, se utiliza el propiomaterial de la pieza.
A continuación se agrega material con una varilla deaportación y calor, para recuperar el espesor y el cuerpo dela pieza.
Durante la soldadura se dará calor tanto a la pieza como a lavarilla de aportación.
Si queda una pequeña rebaba en los borde se garantiza unabuena unión.
Esta soldadura se puede reforzar con malla metálica u otromaterial que de fuerza a la pieza nueva.
Durante esta operación se hará uso tanto de radiales,lijadoras taladro, una rasqueta y tacos de lijado manual paradar el acabado correcto a la pieza reparada.

A continuación se incluye una tabla con las temperaturas de soldaduraadmitidas:

PP.....................................................300°C
PE.....................................................280°C
PP/EPDM..............................................300°C
PA.....................................................400°C
PC.....................................................350°C
PC-XENOY..........................................350°C
PC-ALPHA..........................................350°C
ABS...................................................350°C
PVC...................................................280°C

Pero también existe la soldadura química, cuyo proceso esbastante sencillo y fiable.

Con una pieza de ABS se rascan virutas, y se unen en unrecipiente adecuado con acetona.

El resultado es una pasta de ABS que se puede aplicar encualquier tipo de zona con una paleta o incluso un destornillador.

El resultado que se consigue una vez evaporada la acetona es deuna solidez mayor a la de la pieza original.

Reparación con fibra de vidrio

La fibra de vidrio puede encontrarse en distintas presentaciones:

Como mantas, conocidas como mats.
En forma de mecha, recibiendo el nombre de roving.
una mezcla de ambos, que recibe el nombre de tejidos.

Además, también puede encontrarse con hilos cortados dedistintos tamaños para reforzar las masillas de poliéster.

El modo de uso de la fibra de vidrio es siempre similar. Debe partirde una base limpia y libre de impurezas, recurriendo para ello a lalimpieza con la lijadora y el desengrasado mediante acetona.Se tiene en cuenta la cantidad de capas de fibra que va a recibir lapieza y se prepara una mezcla de resina y catalizador al 2%.

Lo primero que se aplica a la zona que desea recuperar es laresina con el catalizador, y a continuación va colocando las capas defibra, siempre intercalando una mano de resina y catalizador entre capay capa.

Para el acabado final se recurrirá a una capa de masilla depoliéster reforzada con la que se consigue dar un acabado mediante lalijadora similar al de la pieza nueva.

Reparación mediante resina epoxy

Es adecuada para materiales como por ejemplo el PUR.
Se procede a la limpieza de la zona mediante la lijadora.
En el caso de que se trate de una grieta, debe colocar una serie detaladros tanto a uno como al otro lado de la grieta, avellanándolospara un acabado final mejor.
Si es necesario reforzar la pieza con fibra de vidrio, nylon o conuna alma metálica se cortará la medida deseada.
A continuación, se procede al desengrasar la zona con disolventeso desengrasantes.
Se prepara en un recipiente la resina epoxy bicomponente,asegurándonse de hacer las medidas correctas, para cadacomponente.
La primera capa de resina deberá darse de forma que penetre bienpor los taladros, a continuación se coloca el refuerzo.
Por el otro lado, utilizará un film termoplástico para laconformación de la pieza.
Cuando la resina se seque se podrá retirar el film sin ningún tipode problema, dándole un acabado de lijadora. Hay que recordarque esta operación se hará siempre que sea posible por la zonamenos visible de la pieza.
Por la parte visible se procederá de nuevo a su limpieza medianteel soplado y el desengrasado. Y se aplicará nuevamente unaresina epoxy con gran facilidad de lijado, mediante una espátula.
El secado de esta resina se puede acelerar con un soplete de airecaliente.
La última fase de la reparación es el lijado de la pieza con la ayudade una lijadora orbital y un taco manual para acabados de perfilesy contornos.

jueves, 26 de abril de 2012

IDENTIFICACIÓN DE PLÁSTICOS

FICHA DE IDENTIFICACIÓN

Criterios para la identificación de los plásticos:Color

Transparente, translúcido, opaco, brillante, mate…

Aspecto

Flexible, semirígido, rígido

Corte

Puede romperse, puede cortarse con un cuchillo

Densidad

Flota en el agua, no flota

Reactividad

Ensayo con una gota de ácido, una base, una cetona…

química

Calor

Cerca de una llama: ¿se reblandece? ¿termoendurecible? ¿termoestable?

Ensayo

¿quema? ¿produce olor? ¿sale humo?

a la llama

CÓMO RECONOCER UN PLÁSTICO

POLIETILENO (PE):

Muy estable, flexible, se puede teñir: bolsas, botellas, aislantes

Translúcido.

Flexible, semirrígido

Se puede cortar, no se rompe

Ácidos y bases no le atacan

Disolventes no le atacan

Baja densidad

TermoplásticoEnsayo a la llama: Brillante, amarilla/azul, forma de gota, olor a cera.

POLIESTIRENO (PS):

Fácil de amoldar, barato, quebradizo. Cajas, envases, yogourt...

Transparente u opaco

Rígido, semi-rígido

Se puede cortar, se rompe

Alta densidad

Los ácidos y bases no lo atacan

Los disolventes sí lo atacan (bastante)

TermoplásticoEnsayo a la llama: Fácil, amarillo con humo y volutas negras, olor desagradable

Policloruro de Vinilo (PVC)

Fácil de amoldar, barato, quebradizo. Cajas, envases, yogourt...

Transparente u opaco

Flexible, semirrígido

Se puede cortar, no se rompe

Alta densidad

Ácidos y bases no lo atacan

Algunos disolvente lo atacan

Termoplástico

Ensayo a la llama: Difícil de mantener, amarilla con poco humo, vapor ácido.

METACRILATO

Rígido y tenaz. Cristales de seguridad, óptica...

Brillante y transparente como un cristal

Puede ser de todos los colores

Duro y rígido

Se rompe

Alta densidad

Disolventes polares lo atacan

TermoplásticoEnsayo a la llama: Quema sin humo, conserva la llama, gotea y crepita, olor afrutado.

RESINAS PF/MF:

PF: oscuro (Bakelita) MF: material eléctrico, vajillas

Brillante o mate

PF son oscuras

Se rompe

Alta densidad

Ácidos y bases fuertes atacan a las PF

Ácidos y bases débiles atacan a las Mf

TermoestableEnsayo a la llama: No se encienden. PF: olor a madera. MF: olor a amoniaco (urea)