QUÍMICA DE LOS MATERIALES

7. MADERA Y VIDRIO

Julián Eduardo Monje GarcíaSender Nicolás Moreno SánchezDavid Leonardo Palacios Méndez

Jorge Luis Poveda Camargo

MADERA

MARCO REFERENCIAL

La madera ha formado parte, total o parcialmente, de las edificaciones construidas por el hombre desde el mismo neolítico; antes de que el hombre empezó a contar con herramientas con suficiente capacidad de corte como para trabajar la madera, es muy probable que ya empleara la madera como material de construcción de sus primeros refugios.

Las casas de troncos representan el estilo de construcción más antigua. Estas eran las casa típicas de escandinavos, rusos y pobladores de otras zonas del norte de Europa.

Los colonizadores que emigraron al nuevo continente, a Sudáfrica, Nueva Zelanda y Australia, construyeron sus casas con este método. Allí donde había madera, se utilizaba para construir. Y donde no, como en algunas zonas de Asia, se sustituía por el bambú.

Tipo de construcción

• El entramado ligero

Las casas prefabricadas de entramado ligero tienen sus orígenes en el siglo XIX. Esta técnica es el fruto de la necesidad de construir rápidamente edificios nuevos, y de la disponibilidad de materiales de construcción industrializados y normalizados.

Estructuras antiguas

Los dos métodos principales de construcción utilizados mundialmente hoy en día son: las casas de troncos y las casas prefabricadas de madera de entramado ligero. Al llegar la industrialización, se utiliza la estructura metálica de acero, combinando los materiales de madera, acero y hormigón o mortero.

Tipos de construcción actuales • Casas de Madera - Prefabricadas de troncos naturales: el método más

antiguo, pero tan valorizado como un muro de piedras.

• Casas de Madera - Prefabricadas de troncos cepillados: incluye numerosas formas y dimensiones.

• Casas de Madera - Prefabricadas de troncos torneados: versión moderna de las casas de troncos naturales. Pueden ser troncos con torneado recto o torneado cónico.

• Casas de Madera - Prefabricadas de troncos y métodos varios: Troncos verticales, imitaciones de troncos y métodos mixtos.

CARACTERÍSTICAS

• Material que proviene del tronco de los árboles.

• Es muy resistente ya que las plantas la utilizancon fines estructurales.

• Abundante por naturaleza.• Es utilizada por los humanos desde tiempos

remotos.

PARTES DE LA MADERA• Duramen

Parte de la madera localizada en la zona central del tronco. Representa la parte más antigua del árbol, tiende a ser de color oscuro y de mayor durabilidad natural.Es la madera dura que constituye la columna del árbol. Es la antigua albura que se ha lignificado (células muertas).

• AlburaParte joven de la madera, corresponde a los últimos ciclos de crecimiento del árbol, suele ser de un color más claro.

• Proceso de la maderaLa formación de la nueva madera en el tronco del árbol se lleva a cabo por una capa de células denominadas cambium, que está situada entre la corteza interna y la albura.En la madera de más reciente formación (albura) tienen lugar dos importantes funciones, la conducción de la savia (desde la raíz a las hojas) y el almacenamiento.Desde el punto de vista industrial, los materiales que interesan son el duramen y la albura, que adquieren el mismo color tras talar y dejar secar el árbol.

PROPIEDADES MECÁNICAS• Anisotropía: No se comporta igual es todas las direcciones de las fibras.

Se consideran tres direcciones principales con características propias:- Dirección axial: Paralela a las fibras y por tanto al eje del árbol. En esta dirección es donde la madera presenta mejores propiedades.- Dirección radial: Perpendicular al axial, corta el eje del árbol en el plano transversal y es normal a los anillos de crecimiento aparecidos en la sección recta.- Dirección tangencial: Localizada también en la sección transversal pero tangente a los anillos de crecimiento o también, normal a la dirección radial.

• Higroscopia: Es la capacidad de absorber o ceder humedad al medioambiente• Flexibilidad:Se dobla con más facilidad la madera joven que la vieja, la madera

verde que la seca.• Dureza: Está relacionada directamente con la densidad, a mayor densidad mayor

dureza• Conductividad Térmica: . La madera contiene células diminutas de burbujas de

aire, por lo que se comporta como aislante calorífico.• Resistencia: A tracción paralela a la fibra es elevada.

PROPIEDADES QUÍMICAS

• De forma general la madera se compone de C, O y H y a su vez de dos grupos de sustancias: las extraíbles y los componentes de la pared celular estos últimos son la lignina, la celulosa y la hemicelulosa.

PROPORCION DE SUSTANCIA/ TIPO DE MADERA

MADERAS DURAS MADERRAS BLANDAS

LIGNINA 17% a 25% 25% a 35%

CELULOSA 40% a 45% 40% a 45%

HEMICELULOSA 15% a 35% 20%

PROPIEDADES FÍSICAS• Humedad: Es la presencia de agua en la madera, varia de

acuerdo a la especie, el tipo de madera y la edad. La albura contiene mas agua que el duramen generalmente. Igual sucede con la madera joven, tiene mas agua de la adulta.

• El contenido de humedad se puede definir como la masa de agua contenida en una pieza de madera expresada como porcentaje de masa de la pieza contenida en estado anhidro

• Se calcula:• CH= masa agua / masa anhidra• Donde masa de agua = • madera inicial de la madera – masa de madera anhidra• Es decir CH = Pg – Po/Po X 100 %

Especie CH Max (%) PSF (%)

Pino Radiata 171 28,0

Renoval Canelo 196 28,8

Renoval Raulí 113 27,5

Aromo Australiano 101 26,6

Eucalipto Juvenil 149 31,6

Álamo 219 27,6

Coigue 133 23,8

Tepa 166 25,2

La madera al ser cortada se encuentra con sus lúmenes celulares y paredes celulares saturados de agua. A esta condición se le conoce como CH Max.

Cuando la madera ha iniciado el proceso de pérdida de humedad, la madera entrega al ambiente el agua libre contenida en sus lúmenes celulares hasta alcanzar el punto de saturación de las fibras (PSF), que corresponde al contenido de humedad en el cual se ha eliminado toda el agua libre del interior de los lúmenes celulares y las paredes celulares se mantienen completamente cubiertas de agua.

• Por debajo del PSF y al continuar el proceso de pérdida de humedad, la madera comienza a perder agua contenida en sus paredes celulares, hasta alcanzar un contenido de humedad en el cual el proceso se detiene. Este estado se designa como contenido de humedad de equilibrio (CHE). El contenido de humedad de equilibrio de la madera depende fundamentalmente de la especie, la temperatura y la humedad relativa del ambiente en que se encuentre la madera. La pérdida de humedad por debajo del contenido de humedad de equilibrio solo puede lograrse mediante secado artificial, el que permite extraer, si se desea, toda el agua contenida en la madera, (estado anhidro).

• Densidad: La densidad de la madera expresa la relación entre la masa de los distintos tipos de elementos que forman la madera y el volumen que ellos ocupan. Como la madera es un material poroso, debe considerarse al referirse a la densidad de la madera el volumen interno de espacios vacíos existentes.

• La densidad básica considera masa anhidra y volumen de la madera saturada con agua, lo que se expresa como:

• S0G= P0/VG

• Donde:• S0G =densidad básica y tiene como unidad g/cm3.• P0 = masa madera anhidra y tiene como unidad g.• VG = volumen madera saturada de agua y tiene como unidad

cm3.

La densidad de referencia considera masa y volumen en las mismas condiciones de humedad. La densidad de referencia a 12% de contenido de humedad, es de uso frecuente y se le conoce como densidad normal. La densidad normal se expresa como:

S1212= P12/V12

• S1212 = densidad normal (g/cm3)• P12= masa al 12% de humedad (gramos)• V12= volumen al 12% de humedad (cm3)

• Se puede usar como estimador de la facilidad con que se deja trabajar la madera (cortar, cepillar, moldurar, etc.). O como indicador de la facilidad para tratar la madera (secar e impregnar).

• Normalmente las maderas de mayor densidad presentan una mejor resistencia mecánica y una mayor cantidad de material leñoso, pero se dejan trabajar y tratar con mayor dificultad.

• De acuerdo a la densidad normal las maderas pueden• clasificarse técnicamente en maderas livianas, semi-

pesadas y pesadas

• Contracción: Como la madera tiene un comportamiento anisotrópico, los cambios dimensionales normales de la madera son de magnitud diferentes en las direcciones tangenciales, radiales y longitudinales. La contracción tangencial es 1,5 a 3 veces mayor que la contracción radial y la contracción longitudinal es normalmente despreciable en la madera. Las diferencias entre contracción tangencial y radial son debidas por una parte al potencial favorecimiento de la contracción en el sentido tangencial que hacen las bandas de madera de verano, particularmente en coníferas, y por otra a la restricción a los cambios dimensionales que ejercen los radios leñosos en la dirección radial de la madera. La limitada contracción longitudinal es debida a la orientación longitudinal de los principales tejidos constituyentes de la madera.

• C= Cambio Dimensional/ Dimensión Inicial• C= di - df / di x 100

• Permeabilidad:Otra propiedad de la madera de la que depende el movimiento interno de agua es la permeabilidad. La permeabilidad de la madera es representada por la ley de Darcy.

• F= (k/n) x (ΔP/L)

DondeF= flujo volumétrico de líquido que tiene como unidad c3/cm . At .s.k= permeabilidad especifica de la madera que tiene como unidad darcy.η= viscosidad del fluido cp.ΔP= gradiente de presión que tiene como unidad at.L= largo de la madera en la dirección del flujo en cm.

La permeabilidad, juega un rol importante para el movimiento de agua capilar, en cambio no lo es tanto para el movimiento difusional. En particular el mecanismo de permeabilidad es relevante cuando se somete la madera a alta temperatura o bajo vacío.

PROCESO DE PRODUCCIÓN

• Fuentes: Bosques naturales y reforestados o plantaciones.

• Para que la madera sea aprovechable técnicamente debe pasar por cuatro procesos básicos: tala, transporte, aserrado y secado.

Tala

• Es el corte de los árboles por su base, puede ser manual o mecanizada.

• La mecanizada emplea sierras manuales y maquinas como las cosechadoras, los tractores de arrastre de cable o pinza, autocargadores y empacadora

• Actualmente la madera suele desramarse y descortezarse in situ.

Transporte

• Una vez cortado el tronco se lleva al aserradero en vehículos especializados (camiones, trenes, barcos) o directamente por río si es posible.

Aserrado• Se corta el tronco dependiendo de las

necesidades.

Secado

• Elimina el exceso de humedad del agua. Puede ser natural, en cámara o mixto.

• Duración promedio del secado natural:

• Secado en cámara:

Maderas sintéticas

• Derivados de la madera que unen de diferentes maneras fibras, partículas y láminas de madera para modificar sus propiedades.

• La más representativas son:• Triplex

• Tabla de chapa laminada(LVL)

• Tablero de virutas orientadas(OSB)

• Aglomerado (con y sin chapa)

• MDF y HDF

• Compuesto de madera y plástico

QUIMICA DEL PROCESO• La madera es afectada por los elementos

como los demás materiales, pero también es susceptible al ataque organismos. Para protegerla hay que someterla a diversos tratamientos químicos.

• Arseniato de cobre cromatado(CCA):Conservante de madera que la protege del ataque de hongos, bacterias e insectos

• Creosota:Subproducto oleoso del coquizado. Protege a la madera de hongos, bacterias y los elementos.

De Havilland DH.98 Mosquito

Fucke-Wolf Ta-154Moskito

Heinkel He-162Spatz

ESTRUCTURA Y COMPOSICION QUIMICA DE LA MADERA

La madera esta compuesta de forma general por 3 tipos de sustancias

1. Las que conforman la pared celular.2. Las sustancias extraíbles o de baja masa

molar. 3. Las sustancias minerales.

Las que conforman la pared celular

• Es donde se encuentran las principales macromoléculas, celulosa, poliosas (hemicelulosas) y ligninas, que están presente en todas las maderas

Las extraíbles o de baja masa molar

• Grupo que lo conforman las sustancias de baja masa molar conocidas también como sustancias extraíbles que son las que se encuentran en menor cantidad.

Las sustancias minerales

• La proporción y composición química de la lignina y las poliosas difiere para las maderas de coníferas y latifolias, mientras que la celulosa es uniforme en composición en todas las maderas.

La madera está formada por componentes estructurales y no estructurales, los estructurales son los que componen la pared celular y los no estructurales son denominados como sustancias extraíbles.

La proporción de estos componentes varía con la especie, entre la madera de árboles de la misma especie y en diferentes partes del propio árbol, en la madera de la albura y duramen, en dirección radial y longitudinal.

Los parámetros edafoclimáticos influyen en la composición química, así, se presentan diferencias entre maderas que provienen de zonas templadas con las que provienen de zonas tropicales.

COMPONENTES DE LA PARED CELULAR DE LA MADERA

La celulosa • La celulosa es el homopolisacárido que se encuentra en

mayor proporción en la madera, es una estructura básica de las células de las plantas y la sustancia más importante producida por este organismo vivo.

• La molécula de celulosa tiene una forma lineal y su cristalinidad se encuentra en función de la gran cantidad de puentes de hidrógeno, hecho que además explica por qué la celulosa no es soluble en los sistemas de solventes usuales.

Funcion y composición de la celulosa

• Ella es la responsable de determinadas propiedades físicas y mecánicas de las maderas por constituir el material de sostén del árbol, dándole resistencia y tenacidad. En ellas las moléculas de celulosa están orientadas longitudinalmente formando un agregado cristalino fuertemente ordenado.

• En estos agregados las moléculas de celulosa no están

unidas covalentemente, estabilizándose su estructura solamente por puentes de hidrógeno que aunque muy débiles individualmente, su elevado número hace de la fibra de celulosa una estructura muy firme y poco sensible a la degradación.

Estructura supramolecular de la celulosa

• Los análisis de Difractografía de rayos x han demostrado que las fibras de celulosa están constituidas de regiones cristalinas (altamente ordenadas) y de regiones amorfas (desordenadas).

• Estas regiones no poseen fronteras bien definidas, pero parece existir una transición de una zona ordenada de las cadenas de celulosa a un estado desordenado o amorfo, en la cual estas cadenas presentan una orientación menor.

• En las regiones cristalinas las cadenas de celulosa se ordenan en forma de microcristalitas y cristalitas que forman las mícelas. la fibra posee mayor resistencia a la tracción, al alargamiento y a la solvatación (absorción de solvente)en las regiones cristalinas.

• La celulosa en forma nativa, conforma un sistema ordenado, debido a las interacciones por puentes de hidrógeno, con propiedades similares al cristal.

• Hoy día se asume la celulosa como que presenta una estructura cristalina monoclínica.

Estructura cristalina monoclínica

• En la figura existen tres ejes de diferente longitud y ángulo de 90º. Solo las esquinas del cristal están ocupadas por unidades de glucosa y las cadenas son ordenadas alrededor del eje longitudinal de 180º.

• Una vez que las cadenas se ordenan en la cristalita, ellas se unen entre sí formando las micelas las cuales originan la formación de las microfibrillas, macrofibrillas y fibras que forman la pared celular.

• En dependencia de la estructura cristalina existen diferentes tipos de celulosa que se denominan: celulosa I, celulosa II, celulosa III y celulosa IV, dentro de las cuales la más importante es la celulosa II.

• La celulosa II puede ser obtenida a través del tratamiento de la celulosa con solución acuosa alcalina conocida como celulosa mercerizada, o a través de la disolución de celulosa (en forma de derivado o complejo) y su posterior regeneración. La celulosa II posee célula unitaria de dimensiones diferentes a la mostrada en la figura, debido al hecho de la reducción y alteración del empaquetamiento molecular y a la distribución de los puentes de hidrógeno.

Hemicelulosa

• Las poliosas o hemicelulosas son heteropolisacáridos de alta masa molar, que se encuentran constituidos por diferentes unidades de monosacáridos: pentosas, hexosas y ácidos urónicos, enlazados entre sí por enlaces glicosídicos, formando estructuras ramificadas y en general amorfas.

• Las maderas están conformadas por azúcares neutros de

seis átomos de carbono: – Glucosa, manosa, galactosa y de cinco átomos de carbono:

la xilosa y arabinosa. Algunas poliosas contienen adicionalmente ácido urónico

Características de la hemicelulosa

• Las hemicelulosas se encuentran asociadas con la celulosa mediante fuertes interacciones polisacárido – polisacárido.

• El contenido de poliosas varía radialmente en la madera aumentando hacia el centro y variado en su composición de azúcares. El tipo y contenido de hemicelulosas presentes en la madera varía con la especie, la edad, parte del árbol, y en muchas especies su regularidad está relacionada con criterios taxonómicos.

Función de la hemicelulosa

• La función de las hemicelulosas en la madera parece ser de intermediario entre la celulosa y la lignina, tal vez facilitando la incrustación de las microfibrillas.

Microfibrillas: son cilindros rectos que se hallan en muchas células y están constituidos por proteínas y comunican cierta rigidez a las partes de la célula en las cuales se hallan localizados.

La Lignina

• La palabra lignina proviene del término latino lignum, que significa madera; así, a las plantas que contienen gran cantidad de lignina se las denomina leñosas.

• La lignina está formada por la extracción irreversible del agua de los azúcares, creando compuestos aromáticos. Los polímeros de lignina son estructuras transconectadas con un peso molecular de 10.000 uma.

Características de la lignina

• Se caracteriza por ser un complejo aromático (no carbohidrato) del que existen muchos polímeros estructurales (ligninas). Resulta conveniente utilizar el término lignina en un sentido colectivo para señalar la fracción lignina de la fibra.

• Después de los polisacáridos, la lignina es el polímero orgánico más abundante en el mundo vegetal. Es importante destacar que es la única fibra no polisacárido que se conoce.

Funciones de la lignina

• Este componente de la madera realiza múltiples funciones que son esenciales para la vida de las plantas. Por ejemplo, proporciona rigidez a la pared celular.

• Realmente, los tejidos lignificados resisten el ataque de los microorganismos, impidiendo la penetración de las enzimas destructivas en la pared celular.

Componentes extraíbles de la madera

• Existen numerosos compuestos que pueden tener gran influencia en las propiedades y calidad de la madera. A este grupo de compuestos se les denomina comúnmente sustancias extraíbles de la madera.

• Los componentes químicos aquí presentes son de diferentes clases y pueden ser divididos a su vez, y de forma más simple en componentes orgánicos y componentes inorgánicos, siendo estos últimos en los que se puede encontrar ciertos iones metálicos que son esenciales para el normal desarrollo del árbol.

• Entre los compuestos orgánicos se pueden encontrar hidrocarburos alifáticos y aromáticos, alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, ácidos alifáticos, ceras, glicéridos, y compuestos nitrogenados

Componentes inorgánicos de la madera

• Los componentes inorgánicos o sustancias minerales, varían en el árbol en dependencia de la parte que se estudie:

Altos contenidos pueden encontrarse en las hojas, ramas, corteza, raíces, por lo que es común encontrar diferencias entre las maderas de latifolias y las de coníferas; diferencias existen entre la madera joven y la tardía.

• Las condiciones del suelo y la edad influyen en los contenidos de sustancias minerales.

Composición química de la madera de Eucalipto.

• El género eucalyptus tan representado en la naturaleza por especies y subespecies (más de 670) y si a esto le agregamos variaciones en su composición química, si a esto se y el grado de expansión geográfica que ha alcanzado, entonces aumentarán considerablemente las variaciones que se puedan encontrar

Componentes de la pared celular de la madera de eucalipto

• Los contenidos de celulosa, hemicelulosa y lignina en los eucaliptos varían en rangos apreciables, así, la celulosa se puede encontrar entre 40 y 60%; las hemicelulosas entre 12 y 22 % y entre 15 y 22% las ligninas. No obstante, algunas especies de eucalipto manifiestan variaciones considerables con respecto a los datos anteriores.

Componentes extraíbles de las maderas de eucalipto

• El contenido de extraíbles y su composición en las maderas de eucaliptos varía grandemente entre especies y también dentro de las diferentes partes del propio árbol.

• Las sustancias extraíbles están formadas principalmente por compuestos alifáticos (grasas y ceras), terpenos, terpenoides y compuestos fenólicos.

• Los contenidos de extraíbles en los eucaliptos son relativamente superiores comparados con otros géneros de árboles y son considerables las variaciones existentes dentro de la misma especie.

• Los contenidos de sustancias extraíbles en estas especies presentan diferentes valores, en la dirección radial y longitudinal, mostrando variaciones con la edad, la altura del árbol, la especie que se estudie y las condiciones de sitio en que se han desarrollado.

Componentes minerales de la madera de eucalipto

• Los componentes minerales generalmente son expresados como cenizas.

• Para el caso de las maderas de eucalipto, estos valores pueden alcanzar desde 0,1% hasta 1,9%, señala, que las variaciones en las sustancias minerales se pueden deber a la humedad no detectada en la madera y la fertilidad del suelo donde se desarrolla la planta.

Comportamiento químico de la madera

La degradación química• En casos aislados, la presencia de fuertes ácidos o bases pueden causar

daño substancial a la madera. Las bases fuertes atacan la hemicelulosa y la lignina, saliendo de la madera un color blanco descolorado.

• Los fuertes ácidos atacan la celulosa y la hemicelulosa, causando pérdidas de peso y de resistencia. La madera dañada por el ácido es de color oscuro y su aspecto es similar a la de la madera dañada por el fuego.

• Los fuertes productos químicos no entrarán en contacto normalmente con un puente de madera a menos que ocurran derrames accidentales.

INDUSTRIA COLOMBIANA

El sector de la industria de la madera y sus productosrepresentan 0.5% de la producción bruta de la industria manufacturera nacional.

En el año 2000 la Encuesta Anual Manufacturera (EAM)del DANE registró la existencia de 129 establecimientosdedicados a la elaboración de madera y susproductos, que ocupaban a 5.080 empleados en formapermanente o temporal.

Productos que se destacan por su mayor venta

Madera aserrada Madera chapada y contrachapada Madera desinfectada (tablas tiras o perfiles) Madera perfilada lingitudinalmente Manufacturas en madera Marcos de madera Muebles de madera Piezas de carpintería para construcciones

Muebles de madera

En Colombia es difícil hablarde Industria del mueble, pues con

excepción de siete empresas con entre 350 y 500 empleadoscada una, el subsector lo

conforman pequeños talleres de menos

de cinco empleados de carácter semi-industrial o artesanal.

PRODUCCIÓN Y EXPORTACIONES DETABLEROS DE MADERA (m3)

PRODUCCIÓN Y EXPORTACIONES DEMADERA ASERRADA (m3)

PRODUCCIÓN Y EXPORTACIONES DE MADERA ENROLLO INDUSTRIAL EN (m3)

IMPACTO AMBIENTAL

• El consumo de materias primas El consumo de madera de una manera indiscrimina puede contraer

consigo la deforestación. • Consumo energéticoEl consumo energético es un aspecto generalmente no muysignificativo ya que el proceso productivo no exige grandesconsumos de energía, salvo en ciertas etapas puntuales delproceso.

Consumo de agua El consumo de agua en el sector es un aspecto de importanciamenor ya que el agua se utiliza en pocas operaciones delproceso y algunas industrias de la madera utilizan elagua exclusivamente para el aseo personal de los trabajadores.

Emisiones a la atmosfera El aspecto medioambiental referido a las emisiones atmosféricasproducidas en el sector del mueble es muy significativo. Las emisiones están muy relacionadas no sólo con los tipos deproductos químicos que se aplican, sino también con el métodode aplicación.

Generación de aguas residuales El vertido de aguas residuales industriales en el sector de lamadera y el mueble posee una importancia media-baja ya queel caudal generado es muy bajo con respecto a otros sectoresindustriales.

Generación de residuos La generación de residuos tanto peligrosos como no peligrosos,son el aspecto medioambiental más importante en el sector. Estos residuos pueden identificarse como urbanos, tanto nopeligros como peligrosos.

VIDRIO

MARCO REFERENCIALLos primeros objetos de vidrio que se fabricaron fueron cuentas de collar o abalorios, pero las vasijas huecas no aparecieron hasta el 1500 a.C. 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 a.C.).

En el siglo IX a.C. Siria y Mesopotamia fueron centrosproductores de vidrio, y la industria se difundió por toda laregión del Mediterráneo. Durante la época helenística Egipto se convirtió, gracias al vidrio manufacturado en Alejandría, en elprincipal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales. Sinembargo, 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 extendiópor el Imperio, desde Roma hasta Alemania.

Técnicas en la antigüedad

Antes del descubrimiento del vidrio soplado se utilizaban diferentes métodos para moldear y ornamentar los objetos de vidrio coloreado, tanto traslucidos como opacos.

Se realizaban diseños de gran complejidad mediante la técnica del mosaico, en la que se fundían los elementos en secciones transversales que, una vez fundidos, podían cortarse en láminas.

Siglos XIX y XX El desarrollo del vidrio durante el siglo XIX se caracteriza por los rápidos avances tecnológicos de esta industria y por el redescubrimiento y adaptación de métodos antiguos.

A finales del siglo XVIII se volvieron a utilizar algunas técnicas romanas adaptadas al gusto neoclásico. En Europa se fabricó un tipo de vidrio laminado con panes de oro que se llamó Zwischengoldglas.

A partir de 1845 lograron gran popularidad los pisapapeles condecoración millefiori (mil flores) semejante al vidrio de mosaicoantiguo, y a finales del siglo XIX el cristal de roca delrenacimiento sirvió de inspiración para una técnica de grabado ypulido.

los artesanos vidrieros comenzaron a crear hacia1880 nuevosestilos artesanales que se denominaron vidrio artístico. Solíanser piezas nuevas con fines decorativos, producto de la reaccióncontra los objetos producidos en serie.

Después de la I Guerra Mundial surgieron nuevos intereses enlas texturas y formas decorativas, como queda reflejado en losdiseños de Maurice Marinot.

Los artesanos empezaron a experimentar con el vidrio comomedio artístico en pequeños hornos instalados en sus estudios, y en la actualidad se desarrollan técnicas decorativas y formas deescultura innovadoras en talleres de artistas de todo el mundo.

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS

• Densidad: La densidad del vidrio es de 2,5, lo cual representa una masa de 2,5 kilos por metro cuadrado y milímetro de espesor en el vidrio plano.

• Resistencia a la Compresión: La resistencia del vidrio a la compresión es muy elevada (1000 N/mm2 = 1000 Mpa).

• Resistencia a la Flexión: Un vidrio sometido a la flexión tiene una de sus caras en compresión y la otra en extensión. La resistencia a la ruptura en flexión es del orden de:40 Mpa para un vidrio pulido recocido, 120 a 220 Mpa para un vidrio templado (en función del espesor, la manufactura y el tipo de mecanizado).La elevada resistencia del vidrio templado se debe a que, durante este tratamiento, las caras del vidrio son sometidas a una fuerte compresión.

• Elasticidad: El vidrio es un material perfectamente elástico: nunca presenta una deformación permanente.Sin embargo, es frágil. Esto significa que, sometido a una flexión creciente, se rompe sin presentar signos precursores.

• Viscosidad: La viscosidad en un vidrio es otra propiedad de importancia práctica en todas las etapas de preparación porque de ésta depende la velocidad de fusión. Podríamos definir la viscosidad como la resistencia que presenta un líquido a fluir, pero si el vidrio parece un sólido, ¿por qué medimos su viscosidad? Lo hacemos porque los vidrios, en realidad, son líquidos sobreenfriados. Un líquido sobreenfriado es aquel que permanece como líquido a temperaturas más bajas que la de solidificación.

• Conductividad: A bajas temperaturas los vidrios multicomponentes son aislantes. A todas las temperaturas son conductores electrolíticos, y de 25 a 1,200ºC la resistividad, o resistencia a conducir la electricidad, es variable. La resistividad del vidrio disminuye rápidamente a medida que aumenta la temperatura, y por consiguiente se dice que es un semiconductor. La conducción en este caso no se debe a que los electrones se muevan, sino a iones que emigran a través de la red vítrea.

• Ductilidad: No tiene ductilidad ya que no se deforma a temperatura ambiente, y que si tratamos de cambiar su forma aplicando una fuerza, lo único que logramos es que se rompa.

RESISTENCIA QUÍMICA

PROCESO DE PRODUCCIÓN

Refinantes del vidrio

Colorantes del vidrio

Principales vidrios industriales

• Vidrio flotado• Vidrio templado

• Vidrio laminado • Pyrex

• Vidrios metálicosMetales enfriados tan rápidamente (>100K/s) que no forman estructuras cristalinas.

ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL VIDRIO

Estado vítreoTradicionalmente 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, (estado mesomorfo, estado plasma, estado vítreo, entre otros).

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".

Características del estado vitrio

• 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 isótropos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible.

composición del vidrio

• El vidrio es un material duro, frágil y transparente. A pesar de comportarse como sólido, es un líquido sobre enfriado, amorfo (sin estructura cristalina).

• El vidrio ordinario se obtiene por fusión a unos 1.250 ºC de arena de sílice (Si O2), carbonato sódico (Na2 CO3) y caliza (CaCO3). Como éste tiene un elevado punto de fusión y sufre poca contracción y dilatación con los cambios de temperatura, se le agrega Ceniza de Soda para disminuir la temperatura de fusión; adecuado para aparatos de laboratorio y objetos sometidos a choques térmicos (deformaciones debidas a cambios bruscos de temperatura), como los espejos de los telescopios.

• Material sólido de estructura amorfa, es decir, tienen sus partículas desordenadas como los líquidos a diferencia de la estructura interna ordenada, periódica, propia del estado sólido, por lo cual los vidrios pueden considerarse como líquidos subenfriados.

Estructura atómica• Las estructuras vítreas se producen al unirse los tetraedros

de sílice u otros grupos iónicos, para producir una estructura reticular no cristalina, pero sólida (figura 1).

Clases de óxidos en la estructura atómica del vidrio

• Estos se clasifican en 3 clases:

1) ÓXIDOS FORMADORES DE VIDRIOS2) ÓXIDOS MODIFICADORES DE VIDRIOS3) ÓXIDOS INTERMEDIARIOS EN VIDRIOS

Óxidos formadores de vidrios

• Los tetraedros SiO4 se encuentran fusionados compartiendo vértices en una disposición regular produciendo un orden de largo alcance. En un vidrio corriente de sílice los tetraedros están unidos por vértices formando una red dispersa sin orden de largo alcance.

• El óxido de boro B2O3, es un óxido formador de vidrio y forma sub-unidades que son triángulos planos con el átomo de boro ligeramente fuera del plano de los átomos de oxigeno. No obstante, en los vidrios de boro silicato a los que han adicionado óxidos alcalinos y alcalinotérreos, los triángulos de óxido de BO3- pueden pasar a tetraedros BO4-, en los que los cationes alcalinos y alcalinotérreos proporcionan la electro neutralidad necesaria.

• El óxido de boro es un aditivo importante para muchos tipos de vidrios comerciales, como vidrios de boro silicato y aluminio boro silicato. El óxido alumínico también es un óxido formador.

Óxidos modificadores de vidrios

• Los óxidos que rompen la red de vidrio se conocen como modificadores de red.

• Óxidos alcalinos como Na2O y K2O y óxidos alcalinotérreos como CaO y MgO son incorporados a los vidrios de sílice para reducir su viscosidad y así conseguir trabajar y modelar más fácilmente.

• Los átomos de oxígeno de estos óxidos entran en la red de la sílice en los puntos de unión de los tetraedros, rompiendo el entramado y produciendo átomos de oxigeno con un electrón desapareado. Los iones Na+ y K+ del Na2O y K2O no entran en la red pero permanecen como iones metálicos enlazados iónicamente en intersticios de la red. Estos iones promueven la cristalización del vidrio al llenarse algunos de los intersticios.

Óxidos intermediarios en vidrios

• Algunos óxidos no pueden formar vidrios por sí mismos, pero pueden incorporarse a una red existente. Estos óxidos son conocidos como: óxidos intermediarios.

• Los óxidos intermedios son adicionados al vidrio de sílice para obtener propiedades especiales.

• Por ejemplo, los vidrios de aluminio silicato pueden resistir mayores temperaturas que el vidrio común. El óxido de plomo es otro óxido intermediario que se incorpora a algunos vidrios de sílice.

• Dependiendo de la composición del vidrio, hay óxidos intermedios que deben actuar a veces como modificadores de la red, y otras como parte constitutiva de la red del vidrio.

DIFERENCIA ENTRE CRISTAL Y VIDRIO

• Aunque indistintamente se le llama cristal y vidrio a un mismo material existe una diferencia esencial entre ambos.

• El cristal se encuentra en la naturaleza en diferentes formas (quarzo, cristal de roca).

• El vidrio es el resultado de la fusión de ciertos ingredientes como (sílice, sosa y cal).

• Existen, sin embargo, vidrios creados por la naturaleza, como la obsidiana que se forma por el calor generado en el interior de los volcanes.

EL CRISTAL EN COMPARACIÓN AL VIDRIO

CRISTAL VIDRIO

Industria Colombiana

La importancia de la industria de vidrio Colombiana radica en sus varios usos que tiene éste, así como sus aplicaciones en actividades de construcción.

Productos que se destacan por su mayor producción:

Vidrio plano grabado Vidrio liso Envases Cristalería Vidrio para alumbrado Vidrio de seguridad Vidrio de seguridad templado Lana de vidrio

Impacto ambiental

Manejo de residuos: a)Reducción de origen.Desde la década de los 60s’, el peso de los envasesha venido disminuyendo de manera considerable.De hecho, solo en los últimos 15 años se a logrado reducir el peso de la botella en 40% Ej:

b)Reutilización.Actualmente, se estima que las botellas de refrescos, de tamaño personal y familiar (350 a 2000 ml de capacidad), se rellena entre 40 y 80 veces en promedio, antes de romperse o ser descartadas

c)Disposición de relleno sanitario. A pesar de que los contenedores de vidrios contribuyen a ocupar

un volumen importante del espacio en las rellenos sanitarios,estos permanecen químicamente estables.

d) Degradabilidad • Debido a que el vidrio es sumamente inerte, su velocidad de• degradación es excesivamente lenta, por lo que se considera que

es un material ni• biodegradable, ni químicamente degradable.

e) Reciclaje • El vidrio es 100% reciclable. Las compañías que fabrican

botellas y frascos adquieren cualquier cantidad de envases usados, así como de pedacería preseleccionada, que se les ofrezca, con el propósito de reutilizarla en la producción de nuevos envases. El uso de vidrio desechado conduce pues, a importantes ahorros de energía en la operación de los hornos. Las emisiones de gases contaminantes también se reducen y la vida de los relleno sanitarios se incrementa significativamente, cuando el vidrio se recicla en lugar de enterrarlo.