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TIPOS DE VIDRIO

COMO acabamos de leer en el capítulo anterior, la materia prima básica para hacer un vidrio son las arcillas. Cuando a esta materia se le agregan distintos compuestos químicos se obtienen diferentes tipos de vidrio. Con base en su composición química se puede hacer una clasificación como la que aparece en la tabla II.1, donde se resumen los compuestos y elementos que poseen los vidrios comerciales más comunes.

 

TABLA II.1. Composición de los vidrios comerciales (los números indican el porcentaje)


Elementos

Sódico-cálcico

Plomo

Borosilicato

Sílice


Sílice

70-75

53-68

73-68

96

Sodio

12-18

5-10

3-10

Potasio

0-1

1-10

0.4-1

Calcio

5-14

0-6

0-1

Plomo

15-40

0-10

Boro

 

5-20

3-4

Aluminio

0.5-3

0-2

2-3

Magnesio

0-4


 

Para hablar detalladamente de cada uno de ellos sigamos el mismo orden de la tabla.

EL VIDRIO SÓDICO-CÁLCICO

Está formado por sílice, sodio y calcio principalmente. La sílice es parte de la materia prima básica, el sodio le da cierta facilidad de fusión y el calcio la provee de estabilidad química. Sin el calcio el vidrio sería soluble hasta en agua y prácticamente no serviría para nada. ¿Te imaginas un vaso que se deshiciera con el agua?

Este tipo de vidrio es el que se funde con mayor facilidad y el más barato. Por eso la mayor parte del vidrio incoloro y transparente tiene esta composición. Las ventanas de los edificios, desde la más grande hasta la más pequeña están hechas con este vidrio. Lo único que cambia de una diminuta ventana a un ventanal de enormes dimensiones es el espesor. Está tan estudiado el grosor en relación con el tamaño, que hay una clasificación y una reglamentación para el tipo de vidrio que se debe usar en cada construcción. En la figura 19 se ilustra el espesor necesario del vidrio, según el tamaño de la ventana. Por ejemplo, un ventanal de 200 cm de altura tiene que tener entre 75 y 100 mm de espesor.

 

 

 

 

La resistencia química del vidrio sódico-cálcico se ha mejorado en años recientes al aumentar la proporción del sílice, porque ésta es poco reactiva. También se aumenta la fortaleza a lo que se conoce como choque térmico. ¿Sabes lo que es el choque térmico? Quizá alguna vez hayas visto cómo se rompe un refractario (no de los especiales) que, después de sacarlo del horno y estando aún caliente, se pone debajo del agua fría. Esto es lo que se conoce como un choque térmico. La explicación de por qué se produce es muy sencilla. Imaginémonos que las moléculas están formadas por pelotas unidas con resortes que se estiran y contraen (las pelotas son los átomos y los resortes los enlaces). Al aumentar la temperatura, lo que estamos haciendo es aumentar la energía térmica que se traduce en que los resortes de las moléculas se contraigan y se estiren más y a mayor velocidad. Al hacerlo necesitan un lugar más amplio, como se puede ver en la figura 20(a), y el material se expande. Si ahora lo ponemos en agua fría, la energía térmica disminuye y los resortes vuelven a tener su movimiento original, por lo que ya no necesitan más espacio para moverse. Si el vidrio se enfría poco a poco, paulatinamente llega a sus dimensiones originales y no se produce ningún rompimiento. Cuando el material regresa rápidamente al tamaño inicial se rompe. Se llama choque térmico porque se están enfrentando dos temperaturas diferentes, lo cual provoca que el material se destruya.

 

 

 

 

Los átomos también se mueven de arriba hacia abajo, como se muestra en la figura 20(b), y en este caso los resortes casi no se estiran ni contraen. Cuando se aumenta la temperatura este movimiento se hace más pronunciado, pero como los resortes se estiran menos, no se necesita un espacio mucho mayor y el material no se expande tanto. Así, aun cuando rápidamente regrese a su tamaño inicial al enfriarse, no se produce ninguna rotura porque no hay gran diferencia entre la dimensión original y la expandida.

A estos movimientos entre los átomos se les conoce como vibraciones, y en general se producen los dos tipos en la mayoría de los materiales. Cuando las vibraciones son de arriba hacia abajo, como las de la figura 20(b), la expansión será más reducida que cuando son de la otra forma y el material tendrá más resistencia al choque térmico. Esta característica es medible y se conoce como coeficiente de dilatación calorífico. Ahora ya podemos dar una explicación al hecho de que el vidrio con mayor proporción de sílice sea más resistente al choque térmico. La sílice tiende a mantener sus dimensiones cuando se calienta. Está formada por un átomo de oxígeno entre dos átomos de silicio, y la mayor parte de sus vibraciones son como las de la figura 20(b), moviendo al átomo de oxígeno de lado a lado. La distancia entre las moléculas de sílice es suficiente para acomodar este movimiento y por esta razón la distancia entre los átomos de silicio crece muy poco cuando se aumenta la temperatura, la expansión es pequeña y, por lo tanto, la resistencia al choque térmico es grande. Cuando se añaden otros elementos, como en la figura 20(c), se rompe el puente Si-O-Si, y entonces pueden predominar vibraciones como la de la figura 20(a). Si esto pasa, el material tiene que expandirse para poder moverse longitudinalmente, aumentando con esto la probabilidad de un choque térmico. Sin importar cuál sea la composición del vidrio de que se trate, su resistencia al choque térmico siempre será mayor mientras más cantidad de sílice tenga.

EL VIDRIO DE PLOMO

El siguiente tipo de vidrio que aparece en la tabla es el de plomo, en el cual se sustituye el óxido de calcio por óxido de plomo. Es igual de transparente que el vidrio sódico-cálcico, pero mucho más denso, con lo cual tiene mayor poder de refracción y de dispersión. Se puede trabajar mejor que aquél porque funde a temperaturas más bajas. Su coeficiente de dilatación calorífica es muy elevado, lo cual quiere decir que se expande mucho cuando se aumenta la temperatura y por lo tanto no tiene gran resistencia al choque térmico. Posee excelentes propiedades aislantes, que se aprovechan cuando se emplea en la construcción de los radares y en el radio. Absorbe considerablemente los rayos ultravioletas y los rayos X, y por eso se utiliza en forma de láminas para ventanas o escudos protectores.

Es un vidrio blando a baja temperatura que permanece con cierta plasticidad en un rango de temperatura, lo cual permite trabajarlo y grabarlo con facilidad. Las piezas del material conocido como cristal cortado están hechas con este vidrio. Asimismo, se utiliza en la elaboración de vidrios ópticos, para lo cual se añade óxido de lantano y tono. Estos vidrios dispersan la luz de todos los colores. Son excelentes lentes para cámaras fotográficas porque con una corrección mínima dan luz de todos los colores y la enfocan de manera uniforme en el plano de la película. Si no fuera así, unos colores serían más intensos que otros en una fotografía, y no se lograrían imágenes tan reales.

Si volvemos a revisar la tabla II.1, vemos que el vidrio de plomo también tiene una proporción de potasio. El potasio hace que el material sea más quebradizo, pero el plomo resuelve el problema. Este tipo de vidrio, con estas propiedades tan peculiares, fue inventado cuando se trataba de resolver el problema de la fragilidad del vidrio con potasio. Como te podrás imaginar, es más caro que el anterior.

EL VIDRIO DE BOROSILICATO

Nació en 1912. Después de la sílice, su principal componente es el óxido de boro. Es prácticamente inerte, más difícil de fundir y de trabajar. Los átomos de boro se incorporan a la estructura como Si-O-B, y su forma de vibrar es como la que se preseñta en la figura 20 (b). Tiene alta resistencia a cambios bruscos de temperatura, pero no tan alta como la del vidrio de sílice puro, pues aun cuando presenta el mismo tipo de vibración, la longitud de los enlaces varía más cuando está presente el boro y el material tiene un coeficiente de dilatación mayor. El valor de este coeficiente es 0.000 005 centímetros por grado centígrado. Esto quiere decir que por cada grado centígrado que aumenta la temperatura, el vidrio se agranda 0.000 005 centímetros. Muy poco, ¿verdad? Por eso se utiliza en la elaboración de utensilios de cocina para el horno y de material de laboratorio, pues es muy resistente al calor y a los cambios bruscos de temperatura. Estos objetos no se hacen de vidrio de sílice puro porque su manufactura es complicada, ya que tienen que alcanzar temperaturas de 1650ºC para hacerlo.

EL VIDRIO DE SÍLICE

Formado con 96% de sílice es el más duro y el más dificil de trabajar, pues es necesario emplear una costosa técnica al vacío para obtener un producto para usos especiales, que transmite energía radiante del ultravioleta y del infrarrojo con la menor pérdida de energía. También existe otra novedosa técnica en cuya primera etapa se utiliza vidrio de borosilicato que se funde y se forma, pero con dimensiones mayores a las que se desea que tenga el producto final. Este artículo se somete después a un tratamiento térmico, con lo cual se transforma en dos fases vítreas entremezcladas, es decir, en dos tipos de vidrios diferentes entremetidos uno en el otro. Uno de ellos es rico en álcali y óxido de boro, además de ser soluble en ácidos fuertes (clorhídrico y fluorhídrico) calientes. El otro contiene 96% de sílice, 3% de óxido de boro y no es soluble. Esta última es la composición final del vidrio de sílice.

En la segunda etapa de fabricación el artículo se sumerge en un ácido caliente, para diluir y quitar la fase soluble. El vidrio que tiene grandes cantidades de sílice, y que no se disuelve, forma una estructura con pequeños agujeros, llamados poros. Posteriormente se lava el vidrio para eliminar el ácido bórico y las sales que se forman, concluyendo con un secado.

En lá tercera y última etapa el artículo se calienta a 1 200º C, y se observa una contracción de aproximadamente 14%, Esto quiere decir que su tamaño disminuye en ese porcentaje. Los poros desaparecen. Su estructura se consolida sin que se produzca ninguna deformación. Los gases contenidos en el interior son desorbidos y el vidrio adquiere una apariencia perfectamente transparente y hermética.

Los vidrios que contienen 96% de sílice tienen una estabilidad tan grande y una temperatura de reblandecimiento tan elevada (1 500ºC) que soportan temperaturas hasta de 900ºC durante largo tiempo. A temperaturas más altas que éstas puede producirse una desvitrificación y la superficie se ve turbia. Por todas estas propiedades se utilizan en la fabricación de material de laboratorio, que requiere una resistencia excepcional al calor, como sucede con los crisoles, los tubos de protección para termopares, los revestimientos de hornos, las lámparas germicidas y los filtros ultravioletas (figura 21).

 

 

 

La sílice es un material elástico casi perfecto. Cuando se deforma debido a una fuerza externa, rápidamente regresa a su forma original. No pierde su estructura química ni siquiera con el calor, razón por la cual este tipo de vidrio es el más cotizado.

CÓMO DARLE COLOR AL VIDRIO

Los cuatro tipos de vidrio químicamente diferentes que hemos descrito pueden adquirir color fácilmente si se les añaden impurezas de metales de transición a las mezclas utilizadas. Esto no afecta ninguna de las demás propiedades. En la antigüedad, el vidrio estaba inevitablemente coloreado por las impurezas que de manera natural contienen las arcillas y por la contaminación en los crisoles de fusión. El primer vidrio relativamente incoloro se obtuvo a principios de la era cristiana, en Roma, pero el primero que realmente no tuvo color no se logró sino hasta el siglo X en Venecia.

Las investigaciones en los últimos 50 años acerca de cómo colorear el vidrio han sido muy importantes, ya que no se han perseguido sólo fines artísticos y ornamentales, sino también científicos, como por ejemplo, la elaboración de filtros y lentes de color para los sistemas de señales de transportes, que exigen un control muy riguroso de la transmisión de la luz a través del vidrio en todo el espectro.

Existen principalmente tres formas de darle color al vidrio. Una es por medio de los colores de solución, donde el color se produce porque el óxido metálico presente, absorbe la luz de la región visible del espectro, y deja pasar la que corresponde a algunos colores, que son los que se ven. De esta forma el cobre absorbe la luz con longitudes de onda que pertenecen a todos los colores, menos la vinculada al color rojo rubí, cuando está en estado de oxidación +1, o al verde, cuando su estado de oxidación es +2. Por eso un vidrio que contenga Cu+1 se verá rojo rubí, y con Cu+2 será verde. El cobalto siempre absorbe la luz con todas las longitudes de onda menos la que produce el color azul, y así, de la misma manera, el vanadio, el manganeso, el titanio, el cromo, el hierro y el níquel producen sus propios colores. En la figura 22 a) y b), se localizan en un mapa de la República mexicana los diferentes yacimientos de estos metales.

 

 

 

 

 

 

La segunda forma de darle color es por medio de una dispersión coloidal. Esta consiste en partículas submicroscópicas suspendidas en el vidrio, que reflectan o dispersan selectivamente los rayos de luz de un color. Por ejemplo, el selenio combinado con sulfuro de cadmio produce partículas en el vidrio que dispersan toda la luz, menos la de color rojo. Aquí el color depende de la concentración y el tamaño de las partículas, no tanto del elemento por el que están formadas. El color rubí se puede producir con oro y cobre en su estado elemental, o por seleniuros y sulfuros en solución.

Cuando el cobre se calienta con la sílice a temperaturas muy altas se deposita en forma de escamas y produce también el color rubí, pero ahora por medio de partículas macroscópicas, que es la tercera forma de darle color al vidrio. Con esta misma técnica se puede producir el vidrio opaco, porque las escamas que se forman dentro provocan que la luz se difracte en el interior del vidrio, quitándole transparencia. También se forma un tipo de vidrio alabastro, que es como un mármol translúcido, generalmente con visos de colores. Las estructuras internas que se forman para producir estos efectos son poco conocidas, pero esto no impide que se utilicen en aparatos de alumbrado de luz difusa y en artículos de ornato.

Según reza el proverbio: "En este mundo traidor nada es verdad, nada es mentira, todo es según el color del cristal con que se mira", pero, ¿qué le pasa a la luz cuando atraviesa un vidrio rojo? La luz que vemos salir es del mismo color que el vidrio, pero ¿por qué? Todos sabemos que la luz blanca está formada por todos los colores del arcoiris. ¿Dónde quedaron los otros colores en la luz que atravesó el vidrio? Aunque no lo creas, se quedaron en él. El vidrio rojo absorbe todos los colores y sólo deja pasar al rojo. En cambio si mandas un rayo de luz blanca a través de un vidrio transparente de suficiente espesor, lo que observarás es la separación de todos los colores del arcoiris. Como puedes ver, el vidrio tiene propiedades de dispersión óptica muy especiales, ¿no crees?

 

Cada tipo de vidrio que encontramos a nuestro paso es el producto de una composición determinada y de la forma en que ésta fue trabajada. A pesar de que los reactivos principales de los diversos vidrios están, como ya vimos, en la tabla II.1, se pueden obtener vidrios de diferentes características manejando la temperatura, el tiempo de enfriado y todas las variantes que existen alrededor de la manufactura del vidrio. Una segunda clasificación se basa en su función más que en su composición. De esta forma podemos tener los siguientes ejemplares.

EL VIDRIO DE SEGURIDAD

¿Por qué es diferente cuando se rompe el vidrio de la ventana de una casa que cuando se rompe el de un coche? ¿Por qué el de la casa se rompe como un vaso y el otro no? ¿Qué es lo que hace que el del coche quede hecho pedacitos? Indudablemente, la respuesta está en la forma en que se fabricó cada uno de ellos. El vidrio que se utiliza en los coches es de seguridad, y evita que en un accidente se corran mayores riesgos cuando llega a romperse.

Para elaborar un vidrio de seguridad es necesario elegir placas que no tengan distorsiones, pegarlas, cortarlas y agujerarlas hasta que tengan la forma deseada. Para elaborar el vidrio de seguridad simple, conocido con el nombre de Security, estas placas se tienen que meter al horno para calentarlas a cierta temperatura y después enfriarlas con aire, proceso que se conoce como templado. Esto provoca una serie de tensiones, ya que la superficie queda sometida a fuerzas de compresión, mientras que en el centro existen fuerzas de tensión. En el interior del vidrío, donde las fuerzas de tensión se incrementan por el templado, la fuerza del material es casi ilimitada porque está prácticamente libre de imperfecciones. Esto se debe a que los enlaces entre los átomos tienen la misma fuerza y por lo tanto disminuyen hasta un mínimo las tensiones internas. Ningún átomo jala más que el otro, y esto le da una fortaleza adicional. También se suele poner una placa de plástico transparente entre dos láminas de vidrio, lo cual, además de hacerlo más resistente, lo hace más seguro, porque al romperse se fraccionará en numerosos trozos pequeños, sin producir astillas, evitando con esto que queden pedazos de vidrio cortantes.

Los conocidos vidrios antibalas, ofrecen seguridad contra asaltos o ataques terroristas. Antes de la aparición de las armas de fuego, el blindaje habitual de los combatientes eran el casco, la armadura y el escudo, pero se volvieron inútiles ante las balas. Fue entonces que apareció un blindaje más complicado que tenía al vidrio como la base de su protección. Quizá te resulte difícil imaginar que en verdad existe un vidrio tan resistente que soporte el impacto de las balas, pero sí existe. Se conoce con el nombre de vidrio de seguridad combinado, y está formado por dos o más placas entre las que se colocan láminas de plástico, que actúan como planchas de unión. Todas las capas prensadas se pasan a un autoclave, sometiéndolas a altas presiones y temperaturas. Así se forma una unidad de elevada resistencia que no pierde su transparencia, y que en efecto es a prueba de balas. En general son vidrios muy gruesos. Cada capa intermedia tiene alrededor de 0.40 mm de espesor, y puede tener muchas. A veces se le pone una trama de alambre, que además de darle fortaleza adicional le da un efecto decorativo muy fino, que resulta útil e interesante en el acristalado de puertas, como se ve en la figura 23.

 

 

 

 

En 1914 apareció el primer vidrio blindado para algunos automóviles. Estaba fabricado con planchas de acero y vidrios, que formaban dos capas con una red de acero en el centro. En 1920 se fabricaron con materiales cada vez más resistentes y con diseños y espesores adecuados, y empezaron a usarse también en los bancos. Las condiciones que deben reunir los vidrios blindados son: estabilidad y duración, resistencia mecánica y química a la acción del calor y de las radiaciones, facilidad de aplicación y eficacia de protección para un peso y un volumen aceptable. Este tipo de vidrio debe reunir muchas características, pues aunque su principal función es proteger, también es deseable que sea estético, que nos permita ver hacia afuera igual que un vidrio común, que no se deshaga después de estar tres años al Sol y que sea lo suficientemente ligero para ponerlo en una puerta.

EL VIDRIO AISLANTE

En México el clima es sumamente bondadoso, por lo que difícilmente pensaríamos en un tipo de vidrio para las ventanas que ayudara a mantener elevada la temperatura de una habitación. Pero en los países en los que la nieve cae durante seis meses este tipo de vidrio sí es muy importante porque ayuda a disminuir la energfa necesaria para calentar el lugar.

Los acristalados aislantes se fabrican montando dos o más placas separadas entre sí, de forma que los espacios intermedios permanezcan herméticamente cerrados y deshumidificados para que conduzcan lo menos posible el calor. En los bordes del vidrio se colocan nervios distanciadores soldados con estaño, como se muestra en la figura 24. De esta forma tenemos dos placas de vidrio que no se tocan, separadas por aire que no puede transmitir el calor con facilidad, y así se evita que se escape la energía. Al mismo tiempo, una ventana de este tipo amortigua considerablemente los ruidos, lo cual siempre es una ventaja adicional.

También podemos obtener vidrio que sea un aislante eléctrico, sobre todo si lo fabricamos con vidrio sódico-cálcico. Son necesarios para fabricar focos, tubos de radio, aislantes de líneas telefónicas y de transmisión de energía. Para que te des una idea de lo especial de este vidrio, piensa en que cuando enciendes un foco lo que quieres es que la corriente eléctrica se dirija hacia el filamento y no se conduzca por el vidrio hacia afuera. Para equipo más especializado, como los tubos de alto voltaje para rayos X o aceleradores Van de Graaff de corriente continua (figura 25), el vidrio tiene que ser más resistente y entonces se utiliza el que se elabora con 96% de sílice. El acelerador Van de Graaff de corriente continua se utiliza para mover con gran velocidad partículas como los protones. Para hacerlo necesita generar una gran diferencia de potencial, por lo cual precisa una alta eficiencia y un control de la energía. Un vidrio aislante ayuda a conseguir esta eficacia.

 

 

 

EL VIDRIO DIELÉCTRICO

A los materiales que pueden polarizarse en presencia de un campo eléctrico se les conoce como dieléctricos. Polarizar quiere decir que las moléculas o los átomos se convierten en dipolos, acomodando todas sus cargas negativas hacia un lado y las positivas hacia otro. Los dipolos eléctricos se acomodan en la misma dirección que el campo eléctrico local que los produce. Son importantes porque una vez formados son capaces de conducir la electricidad, pero antes no. Un vidrio dieléctrico se obtiene a partir de arcillas ricas en plomo y se utiliza para fabricar cintas para los condensadores electrónicos. Estos materiales necesitan una gran resistencia, por lo que se suele utilizar también vidrio de 96% de sílice y cuarzo fundido.

EL VIDRIO CONDUCTOR

Para que un vidrio tenga una conductividad eléctrica apreciable, en su elaboración se tiene que elevar la temperatura a 500ºC, o recubrirlo con una película conductora de metales, óxidos alcalinos o aleaciones, en cuyo caso el que conduce es el metal que se le pone y no tanto el vidrio.

EL VIDRIO PROTECTOR CONTRA EL SOL

Este vidrio refleja la luz del Sol. La capa de recubrimiento que lleva incorporada, además de reflejar puede presentar diversas tonalidades de color, como plateado, bronce, verde o gris. Se coloca en el espacio intermedio y en la capa interior de la placa externa. De esta forma se hace el vidrio polarizado y el de tipo espejo. Los espejos que se instalan en las ventanas de los edificios modernos son precisamente para proteger contra el Sol.

Éstos son algunos ejemplos de los vidrios que existen y de las aplicaciones que se les pueden dar. Desde luego, no esperamos abarcar todos los usos porque éstos dependen de la capacidad imaginativa del hombre, que es ilimitada. Sin embargo, creemos que es una muestra de todo lo que se puede hacer con este caprichoso material.

En el siguiente capítulo hablamos de las propiedades generales del vidrio como compuesto.