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LECCION 9.- VIDRIO / TIPOS DE VIDRIOS.

1.- Introducción.

Una carga de vidrio comercial puede llegar a constar de una mezcla de siete a doce materias primas

diferentes, pero en general esta formada por cuatro a seis , elegidos de materiales como la arena, la piedra

caliza, la dolomita, la ceniza de sosa, el ácido bórico, el bórax, materiales feldespáticos y compuestos de

plomo y bario. Además de estos, en la mayor parte de las cargas comerciales, es común que se incluya vidrio

de desecho en la cantidad de 15 – 30 %. El vidrio de desecho se compra o se obtiene de la práctica de producción normal.

La lista que se va a dar refleja las composiciones aproximadas y propiedades más significativas de los tipos

principales de vidrio. Se dan los porcentajes en peso de los óxidos y elementos principales. Las

propiedades detalladas dependen de la composición exacta y pueden ser sensibles a cambios pequeños en

las materias primas secundarias.

2.- Composición de los vidrios.

La constitución química de los vidrios puede representarse por la formula general:

Anhidrido + MO + M'20

El anhidrido es el SiO2, que puede reemplazarse en mayor o menor grado por B2O3, TiO2, P2O5 o As2O3. Los

metales monovalentes ( M´) son generalmente el Na y K, y los divalentes ( M) Ca, Ba, Mg, Pb, Zn, Cu o

Zr.

El vidrio no puede expresarse correctamente por medio de fórmulas, por variar sus componentes entre

límites más o menos amplios El vidrio ordinario puede responder a una formula aproximada:

2.5SiO2 . 1

2

CaO. 5Na2O

El vidrio de ventanas se representa por la fórmula: 5SiO2 .CaO .Na2O

y el cristal por la siguiente: 6SiO2 .PbO .K 2O

A continuación se da la relación de los distintos tipos de vidrios.

3.- Vidrio de sílice pura.

SiO2: 99.5% +

Utilizado principalmente por su baja expansión térmica, alta temperatura de servicio y, cuando es muy puro,

por su transparencia a un amplio rango de longitudes de onda en el espectro electromagnético y a las ondas

sonoras (Alta transmisión espectral). También tiene buena resistencia química, eléctrica y dieléctrica. Su

desventaja es la muy elevada temperatura necesaria para su fabricación, aun cuando se puede producir por

hidrólisis del SiCl4, pero en cualquiera de los dos casos es caro.

Se usa para los espejos ligeros para los telescopios transportados por satélites, reflectores de rayos láser,

crisoles especiales para la fabricación de cristales sencillos puros de sílice para transistores y como un tamiz

molecular que deja pasar el hidrogeno y el helio.



4.- Vidrio de 96 % de sílice.

SiO2 : 96%

B2O3 : 3%

Producido al formar un articulo, mas grande que del tamaño requerido, a partir de un vidrio especial de

borosilicato, lixiviando los ingredientes que no son silicato con ácido y dando un tratamiento a alta

temperatura para contraer el articulo y cerrar los poros. Buenas propiedades térmicas; temperatura deservicio mas elevada y coeficiente de expansión mas bajo que los de cualquier otro vidrio, excepto el de sílice

pura. Es más caro que el vidrio de borosilicato.

Se usa para los conos de nariz de los misiles, lunas de las ventanas de los vehículos espaciales y de túneles

aerodinámicos y algunos artículos de vidrio para laboratorio en donde se necesita una resistencia especial al

calor ( sistemas ópticos en dispositivos espectrofotométricos).

5.- Vidrio de sosa, cal y sílice.

SiO2

: 70 %

Na2O: 15 %

CaO: 10 %

La adición de sosa (Na2O) y, a veces, potasa (K 2O) y de CaO a la sílice baja el punto de ablandamiento en

800-900 °C (desde 1600 °C hasta alrededor de 730 °C ), por lo que es más fácil su fabricación. A este tipo

de vidrios se les adiciona entre 1 y 4 % de MgO para prevenir la desvitrificación y también se les incorpora

de 0.5 a 1.5 % de alúmina para aumentar su duración aumentando su resistencia química. Las propiedades

eléctricas pueden variar ampliamente con la composición.

Son los vidrios de fabricación más corrientes y constituyen alrededor del 90% de todo el vidrio producido.

Se utilizan para vidrios planos, objetos prensados y soplados y productos ligeros para los que no se preciseuna alta resistencia química y una alta resistencia al calor, como ventanas, frascos, bombillas eléctricas, etc.

El "crownglass" es de este tipo, aun cuando el crownglass óptico moderno suele contener oxido de bario, en

lugar de cal.

6.-Vidrio de plomo, álcali y silicato.

SiO2: 30 – 70 %

PbO: 18 – 65 %

Na2O y/o K 2O: 5 - 20 %

El oxido de plomo es normalmente un modificador de la red de sílice, pero puede actuar además como unformador de red. Los vidrios al plomo con alto contenido en oxido de plomo, son de baja fusión y se utilizan

para soldar vidrios de cierre hermético. El óxido de plomo además de reducir el punto de ablandamiento,

incluso más que la cal, también incrementa el índice de refracción y el poder dispersor.

Las composiciones varían dentro de un amplio rango, así un vidrio de alta resistencia eléctrica contiene

alrededor de 25 % de PbO y 6 o 7 %, tanto de Na2O como de K 2O, sin embargo para que tengan un

elevado índice de refracción, el contenido de PbO puede ser del 65 %.

El vidrio flint, para fines ópticos y el vidrio "cristalino", para las vajillas, son vidrios al plomo. También

se utilizan para tubos de termómetros, piezas de lámparas eléctricas y tubos de anuncios de neón. Tienen gran

densidad y se utilizan para proteger de la radiación de alta energía y para ventanas de radiación -absorbenlos rayos X-, carcasas de lámparas fluorescentes y lámparas de televisión. El principal inconveniente que

presentan estos vidrios es el de ser más blandos que los de sodio y calcio.



Por sus altos índices de refracción, los vidrios al plomo se emplean para algunos vidrios ópticos y para

vidrios decorativos, ya que dan lugar a vidrios brillantes y con buena sonoridad. Cuando el contenido en

oxido de plomo es superior al 24 %, reciben, de forma inadecuada, el nombre de cristal.

7.-Vidrio de borosilicato.

SiO2: 60 – 80 %

B2O3: 10 – 25 %

Al 2O3: 1 – 4 %

La sustitución de óxidos alcalinos por oxido de boro en la red vítrea de la sílice da lugar a vidrios de más

baja expansión térmica. Cuando el B2O3 entra en la red de la sílice, debilita su estructura y reduce

considerablemente el punto de reblandecimiento de los vidrios de sílice. El efecto de debilitamiento se

atribuye a la presencia de boros tricoordinados planares.

Tiene baja expansión térmica, alrededor de un tercio de la del vidrio a la sosa y cal, se puede hacer con buena

resistencia química y una elevada resistencia dieléctrica y se usa en donde se necesitan combinaciones de

estas dos propiedades. Su elevada temperatura de ablandamiento lo hace más difícil de trabajar que los

vidrios a la sosa y cal y al plomo. Se utiliza para utensilios de vidrio para laboratorios, tubería industrial,

termómetros para temperaturas elevadas, espejos de telescopios grandes, utensilios domésticos para cocina,

como los "Pyrex", bulbos para lámparas muy calientes y tubos electrónicos de alto wattiaje.

Los vidrios borosilicatados (vidrios Pyrex) tienen buena resistencia al choque térmico (pequeños

coeficientes de dilatación térmica) y buena estabilidad química y se usan ampliamente en la industria

química para equipos de laboratorio, tuberías, hornos y faros de lámparas reflectoras.

8.- Vidrio de aluminosilicato.

SiO2: 5 - 60 %

Al2O3: 20- 40 %CaO: 5 - 50 %

B2O3: 0 - 10 %

Otro vidrio de baja expansión y químicamente resistente que tiene una temperatura de servicio mas elevada

que el vidrio de borosilicato pero que, de manera correspondiente, es mas difícil de fabricar. Se usa para tubos

de alto rendimiento de aplicación militar, tubos para ondas viajeras y para muchas aplicaciones semejantes

a las del vidrio de borosilicato.

El vidrio de aluminosilicato sin boro es especialmente resistente a los álcalis. Casi lodos los utensilios de

vidrio para laboratorio se fabrican de vidrio de borosilicato, de vidrio de aluminosilicato o de un vidrio

conocido como de aluminoborosilicato, que contiene cantidades muy aproximadamente iguales de Al2O3 yde B2O3. La elección depende de la aplicación, de este modo, el de aluminosilicato se usa para aplicaciones a

temperaturas elevadas o cuando se necesita un vidrio resistente a los álcalis. El de aluminoborosilicalo es lige-

ramente mejor que el de borosilicato respecto a la resistencia química pero tiene una expansión térmica un

poco mayor.



9.- Vidrios ópticos.

En la tabla 9.1 se dan las composiciones aproximadas en porcentaje en peso de unos cuantos vidrios ópticos.

También se dan el índice de refracción, nD, y la constringencia, V. Los valores V se dan en orden descendente

porque, para un tipo particular de vidrio, suelen disminuir a medida que nD crece.

Tabla 9.1.- Tipos de vidrios ópticos.

TIPO VIDRIO SiO2

(%)

B2O3

(%)

Na2O

(%)

K 2O

(%)

BaO

(%)

ZnO

(%)

PbO

(%)

Al2O3

(%)

Crownglass ligero al bario

(nD = 1.54 - 1.55 , V = 63 - 59)

45 - 50 3 - 5 1 7 20 - 30 10 - 15 0 - 5

Crownglass denso al bario

(nD = 1.58 - .66 , V = 60 - 50)

30 - 40 10 - 15 10 - 15 0 - 10 10

Vidrio flint muy ligero

(n D = 1.54 - 1.55 , V = 47 - 45)

60 8 27

Vidrio flint muy denso

(nD = 1.6 - 1.9 , V = 34 - 20)

20 - 40 0 - 10 50 - 80

10.- Vidrios especiales.

En la tabla 10.1 se dan las composiciones aproximadas en porcentaje en peso de algunos vidrios inorgánicos

menos comunes. Algunos han sido desarrollados para aplicaciones especiales; otros resultan interesantesdebido a sus ingredientes desacostumbrados.



Tabla 10.1.- Tipos de vidrios especiales.

TIPO

VIDRIO

S i O 2

(%)

B2O3

(%)

Na2O

(%)

K 2O

(%)

BaO

(%)

ZnO

(%)

PbO

(%)

Al2O3

(%)

MgO

(%)

P2O5

(%)

BeO

(%)

Li2O

(%)

CdO

(%)

CaF2

(%)

Te O 2

(%)

V2O5

(%)

La2O3

(%)

Tm2O3

(%)

Vidrio sin sodio para

lámparas

de descarga de vaporde sodio

36 27 27 10

Vidrio de fosfatocon alta

resistencia al HF

10 18 72

Vidrio "soldadurasuave" con

temperatura de

transformación pordebajo de 400 ºC.

5 15 16 64

Vidrio "Lindemann"

con baja absorción de

rayos X. Todos losátomos metálicos

tienen

números atómicos bajos

83 2 15

Vidrio absorbente de

neutronescon alto contenido de

cadmio.

26 2 64 8

Vidrio de altocontenido de plomo

para la absorción de

rayos gamma o derayos X.

Asimismo, un vidrioflint muy denso.

20 80

Vidrio de telurita de

índice de refracción

(alrededor de 2.2) yconstante dieléctrica

(valor estático

alrededor de 25) muyelevados

6 14 80

Vidrio óptico con

elevada refraccióny baja dispersión

(nD = 1.68 , V = 58).

40 20 20 20

Vidrio semiconductorde vanadato

5 10 85

Vidrio de calcogenurosemiconductor

transparente al

infrarrojo.

As : 44% Te : 24% I : 32%

Vidrio de

calcogenuro bidielectrico

transparente al

infrarrojo.

(1) As 2S3 : 100% ; (2) As : 40% , Ti : 20% , S : 40%

Vidrio elemental

(consistente en un

elemento puro)

S : 100 %

Vidrio fotosensible al

rubi-oroSiO2: 72 % , Na 2O : 17 % , CaO : 11 % , Au: 0.02 % , Se : 0.04 %

Vidrio fotocrómico SiO 2: 60 % , Na2O: 10 % , Al 2O3 : 10% , B2O3: 20 % , Ag : 0.6 % , Cl : 0.3 % , Li2O : 0.9 %



11.- Composición y propiedades de algunos vidrios comerciales.

En la tabla 11.1 se recoge la composición de algunos tipos de vidrios más importantes.

Tabla 11.1.- Composición y característica de algunos vidrios comerciales comunes.

En la tabla 11.2 se recoge un conjunto de propiedades de dos tipos de vidrios. En ella se puede ver que un

vidrio común de ventanas, que tiene 70 % de sílice, por lo que esta muy modificado, es sencillo trabajar con

el a 700 °C. Sin embargo el vidrio Pyrex, con 80 % de sílice, tiene menor cantidad de modificadores, mejor

resistencia al choque térmico (ya que su expansión térmica es menor), pero es más difícil trabajar con el, ya

que requiere una temperatura superior a los 800 °C.

Tabla 11.2.- Algunas propiedades de los vidrios más característicos.

Como curiosidad, en la figura 11.1 puede verse un vidrio con cristales líquidos, en la que se da su

composición, su funcionamiento y uno de sus posibles usos.



Composición de base

films intercalarios

vidrio

film con cristaleslíquidos

VIDRIOS CON CRISTALES LIQUIDOSVIDRIOS CON CRISTALES LIQUIDOS

OFF ON

Funcionamiento

capa ITO

CRISTALES LIQUIDOS

film PET

matriz polímero

TRASLUCIDO TRANSPARENTE

ON

? ? ?

OFF

Figura 11.1.- Vidrio con cristales líquidos. Principio de funcionamiento.Usos.

Finalmente, en la tabla 11.3 se dan los vidrios no convencionales, con sus propiedades y usos.



Tabla 11.3.- Vidrios no convencionales. Propiedades y usos.

COMPONENTES PROPIEDADES DENOMINACION ESPECIFICOS DESTACABLES U T I L I Z A C I O N

- Calcogenuros - Resistencia química y mecánica - INDUSTRIA ESPACIALVITRO-CERAMICOS - TiO2, ZrO2 - Bajo coef. dilatación - USO DOMESTICO y de LABORATO.

- Fluoruros alcalinos - Indice de refracción - LENTES ASTRONOMIAVITRO-CRISTALINOS - ZnO, Al2O3 - Conductiv. eléctrica - SEMI-CONDUCTORES

- Comp. de Plata - DPTO. ELECTRONICA

- Pb O - Aislamiento eléctrico - TUBOS DE TV y ORDENADORESVIDRIOS PARA LA - Ba O - Bajas pérdidas dieléctricas - EQUIPOS de RAYOS X

ELECTRONICA - Sr O - Impermeabilidad a los gases - TUBOS y LAMPARAS A.T.- Alto coeficiente de dilatación

- Exentos de impurezas de- Tansparencia en el IR - VISION NOCTURNAV. TRANSPARENTES H 2O, C, S H2 - EQUIPOS de TELEDIRECCION

al IR - Se, As, Ge

- Mo, Si O2

- Halogenuros de Ag, Cu,

Cd, otros

- Cambio de transmision en el VIS - VIDRIOS OFTALMICOSV. FOTOCROMICOS por la acción del UV ó NIR. - PANTALLAS de PROTECCION

- Reversibilidad - CONSTRUCCION ?

- Sistema MULTICAPA - Cambio de transmisión en el VIS - ESPEJOS de REFLEXION VARIABLEV. ELECTROCROMICOS VIDRIO/ITO/WO /electr.3 por acción eléctrica. - CONSTRUCCION / AUTOMOVIL

- Reversibilidad - DISPLAYS

- PbO - Absorción de radiaciones X y Y - EQUIPOS de RAYOS XV. para TECNOLOGIA - CeO2 - Estabilidad térmica, mecánica, - VENTANAS de REACT. NUCLEARES

NUCLEAR - 2B O3, CdO óptica y química - ENCAPSULACION de DESECHOS

RADIOACTIVOS - P2 O5 - Estabilidad química - IMPLANTACIONES OSEAS

BIO-VIDRIOS - Resistividad mecánica - PROTESIS- Compatibilidad con tejidos

- K 2 O - Reactividad química controlada - V. NUTRITIVOS PARA LA AGRICULT.V. DEGRADABLES - P2 O5 - Solubilidad lenta (ABONOS de LARGA DURACION)

- FRIBRAS INOCUAS

- Zr F4 - Baja atenuación óptica - GUIAS de ONDAS

FIBRAS OPTICAS - Hf F4 (< 0,2 dB/Km) - TELECOMUNICACIONES- Ba F2 - Gran pureza - EQUIPOS (MEDIC., INDUSTRIA, etc.)- M F3 (M = Al, La,) - OPTOELECTRONICA

- Oxidos de Er, Yb, Nd, ,.. - Emisión a baja frecuencia - AMPLIFICACION LUMINOSAVIDRIOS PARA LASERS - Pureza - FUENTES LASER (MEDIC., INDUST.)

- Ef. de Luminiscencia - TELECOMUNICACIONES- DEFENSA

- V 2 O 5 - Baja resistencia eléct. - EQUIPOS ELECTRONICOS

VIDR. CONDUCTORES - P2 O 5 (10 4 Ωcm a tª normal)

de ELECTRONES - Cambio de conductividad paraciertos valores de V.

- Oxidos metálicos - Flexibilidad - INDUSTRIAVIDRIOS METALICOS (Pb, Fe, Ni, Cr) - Alta resist. mecánica

- Metales - Conductividad eléctrica

- Separación de fases en - Microporos de dimensión - MEMBRANAS MICROPOROSAS INER

VIDRIOS POROSOSvidrios de P2 O ,5SiO 2

, B2O 3 controlada - INDUSTRIA QUIMICA

- Lixiviación - DESALINIZACION AGUA del MAR- MEDICINA

- V. microporosos como - Alta conductividad - INVESTIGACION NUCLEARVIDRIOS

SUPERCONDUCTORESsoporte de Aleaciones - Magnetismo remanente - INDUSTRIA ELECTRICA

superconductoras

(Bi-Pb)

(TRANSFORM., REGUL.)

- ELECTRONICA

- Calcogenuros - Alta conductividad - BATERIAS

V. ELECTROLITOS

SOLIDOS- Fluoruros con Ag

+, Li

+- ELECTRODOS de IONES

- B 2 O3, P2O 5

V. para CONVERSION - Si amorfo dopado - Transform. energía luminosa - CONVERSION de ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA en eléctrica

VIDRIOS SIALON - Si3 N 4 - SiO 2 - Dureza - APLICACIONES DIVERSAS

OXI-NITRUROS

(Al2O3 - Li2 O - La 2O )3 - Resist. mecánica

- Resist. química

VIDRIOS obtenidos - Alcóxidos metálicos - Vidrios diversos - RECUBRIMIENTOS, CAPAS

por SOL-GEL(+ const. vidrio) (a baja temperatura) - VIDRIOS PUROS

Obtenc.. de compos. no fusibles - TODAS APLICACIONES

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