Vaso
El vidrio es un sólido amorfo no cristalino, a menudo transparente, que tiene un uso práctico, tecnológico y decorativo generalizado, por ejemplo, en cristales de ventanas, vajillas y óptica. El vidrio se forma con mayor frecuencia por enfriamiento rápido (apagado) de la forma fundida; algunos vidrios, como el vidrio volcánico, se producen de forma natural. Los tipos de vidrio fabricado más familiares e históricamente más antiguos son los "vidrios de silicato" basado en el compuesto químico sílice (dióxido de silicio o cuarzo), el constituyente principal de la arena. El vidrio de sosa y cal, que contiene alrededor del 70 % de sílice, representa alrededor del 90 % del vidrio fabricado. El término vidrio, en el uso popular, se usa a menudo para referirse solo a este tipo de material, aunque los vidrios sin sílice a menudo tienen propiedades deseables para aplicaciones en la tecnología de comunicaciones moderna. Algunos objetos, como vasos para beber y anteojos, están tan comúnmente hechos de vidrio a base de silicato que simplemente se les llama por el nombre del material.
A pesar de ser quebradizo, el vidrio de silicato enterrado sobrevivirá durante mucho tiempo si no se lo altera, y existen muchos ejemplos de fragmentos de vidrio de las primeras culturas vidrieras. La evidencia arqueológica sugiere que la fabricación de vidrio se remonta al menos al 3600 a. C. en Mesopotamia, Egipto o Siria. Los primeros objetos de vidrio conocidos fueron cuentas, quizás creadas accidentalmente durante el trabajo del metal o la producción de loza. Debido a su facilidad para moldearse en cualquier forma, el vidrio se ha utilizado tradicionalmente para recipientes, como tazones, jarrones, botellas, jarras y vasos para beber. En sus formas más sólidas, también se ha utilizado para pisapapeles y canicas. El vidrio puede colorearse agregando sales metálicas o pintarse e imprimirse como vidrio esmaltado. Las propiedades de refracción, reflexión y transmisión del vidrio lo hacen adecuado para la fabricación de lentes ópticos, prismas y materiales optoelectrónicos. Las fibras de vidrio extruidas tienen aplicación como fibras ópticas en redes de comunicaciones, material de aislamiento térmico cuando se enmarañan como lana de vidrio para atrapar el aire, o en plástico reforzado con fibra de vidrio (fibra de vidrio).
Estructura microscópica
La definición estándar de un vidrio (o sólido vítreo) es un sólido formado por enfriamiento rápido por fusión. Sin embargo, el término "vidrio" a menudo se define en un sentido más amplio, para describir cualquier sólido no cristalino (amorfo) que exhibe una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido.
El vidrio es un sólido amorfo. Aunque la estructura a escala atómica del vidrio comparte características de la estructura de un líquido sobreenfriado, el vidrio exhibe todas las propiedades mecánicas de un sólido. Como en otros sólidos amorfos, la estructura atómica de un vidrio carece de la periodicidad de largo alcance que se observa en los sólidos cristalinos. Debido a las limitaciones de los enlaces químicos, los vidrios poseen un alto grado de orden de corto alcance con respecto a los poliedros atómicos locales. La noción de que el vidrio fluye en una medida apreciable durante largos períodos de tiempo no está respaldada por investigaciones empíricas o análisis teóricos (ver viscosidad en sólidos). Aunque se puede medir una viscosidad del material del orden de 1017–1018 Pa·s en el vidrio, un valor tan alto refuerza el hecho de que el vidrio no cambiaría de forma apreciablemente con el paso del tiempo. incluso largos periodos de tiempo.
Formación a partir de un líquido sobreenfriado
¿Cuál es la naturaleza de la transición entre un fluido o un sólido regular y una fase cristalina? "El problema más profundo e interesante sin resolver en la teoría del estado sólido es probablemente la teoría de la naturaleza del vidrio y la transición del vidrio." —P.W. Anderson
Para el templado por fusión, si el enfriamiento es lo suficientemente rápido (en relación con el tiempo de cristalización característico), se evita la cristalización y, en cambio, la configuración atómica desordenada del líquido sobreenfriado se congela en estado sólido en Tg. La tendencia de un material a formar un vidrio mientras está templado se denomina capacidad de formación de vidrio. Esta capacidad se puede predecir mediante la teoría de la rigidez. Generalmente, un vidrio existe en un estado estructuralmente metaestable con respecto a su forma cristalina, aunque en ciertas circunstancias, por ejemplo en polímeros atácticos, no existe un análogo cristalino de la fase amorfa.
A veces se considera que el vidrio es un líquido debido a la falta de una transición de fase de primer orden. donde ciertas variables termodinámicas como el volumen, la entropía y la entalpía son discontinuas a lo largo del rango de transición vítrea. La transición vítrea puede describirse como análoga a una transición de fase de segundo orden donde las variables termodinámicas intensivas, como la expansión térmica y la capacidad calorífica, son discontinuas; sin embargo, esto es incorrecto. La teoría del equilibrio de las transformaciones de fase no se cumple para el vidrio y, por lo tanto, la transición vítrea no puede clasificarse como una de las transformaciones de fase de equilibrio clásicas en sólidos. Además, no describe la dependencia de la temperatura de Tg con la velocidad de calentamiento, como se encuentra en la calorimetría diferencial de barrido.
Ocurrencia en la naturaleza
El vidrio se puede formar naturalmente a partir del magma volcánico. La obsidiana es un vidrio volcánico común con un alto contenido de sílice (SiO2) que se forma cuando la lava félsica expulsada de un volcán se enfría rápidamente. La impactita es una forma de vidrio formada por el impacto de un meteorito, donde la moldavita (que se encuentra en el centro y este de Europa) y el vidrio del desierto de Libia (que se encuentra en áreas del este del Sáhara, los desiertos del este de Libia y el oeste de Egipto) son ejemplos notables.. La vitrificación del cuarzo también puede ocurrir cuando un rayo golpea la arena, formando estructuras ramificadas huecas parecidas a raíces llamadas fulguritas. La trinitita es un residuo vítreo formado a partir de la arena del suelo del desierto en el sitio de prueba de la bomba nuclear Trinity. Se propone que el vidrio de Edeowie, que se encuentra en el sur de Australia, se originó a partir de incendios de pastizales del Pleistoceno, rayos o impactos a hipervelocidad de uno o varios asteroides o cometas.
Un trozo de vidrio volcánico obsidiano
Moldavite, un cristal natural formado por impacto meteorito, de Besednice, Bohemia
Tube fulgurites
Trinitita, un vaso hecho por la prueba de armas nucleares de la Trinidad
Vidrio del desierto libio
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Historia
Las sociedades de la Edad de Piedra usaban vidrio de obsidiana natural, ya que se fractura a lo largo de bordes muy afilados, lo que lo hace ideal para cortar herramientas y armas. La fabricación de vidrio se remonta al menos a 6000 años, mucho antes de que los humanos descubrieran cómo fundir el hierro. La evidencia arqueológica sugiere que el primer vidrio sintético verdadero se fabricó en el Líbano y en la costa norte de Siria, Mesopotamia o el antiguo Egipto. Los primeros objetos de vidrio conocidos, de mediados del tercer milenio a. C., eran cuentas, quizás creadas inicialmente como subproductos accidentales de la metalurgia (escorias) o durante la producción de loza, un material vítreo previo al vidrio hecho por un proceso similar al vidriado.. El vidrio primitivo rara vez era transparente y, a menudo, contenía impurezas e imperfecciones, y técnicamente es loza en lugar de vidrio verdadero, que no apareció hasta el siglo XV a. Sin embargo, las cuentas de vidrio de color rojo anaranjado excavadas en la civilización del valle del Indo que datan de antes del 1700 a. C. (posiblemente del 1900 a. C.) son anteriores a la producción sostenida de vidrio, que apareció alrededor del 1600 a. C. en Mesopotamia y el 1500 a. C. en Egipto. Durante la Edad del Bronce Final hubo un rápido crecimiento en la tecnología de fabricación de vidrio en Egipto y Asia Occidental. Los hallazgos arqueológicos de este período incluyen lingotes de vidrio coloreado, vasijas y cuentas. Gran parte de la producción de vidrio temprana se basó en técnicas de pulido tomadas del trabajo de la piedra, como el pulido y tallado del vidrio en estado frío.
El término vidrio se desarrolló a finales del Imperio Romano. Fue en el centro romano de fabricación de vidrio en Trier (ubicado en la actual Alemania) donde se originó el término latino tardío glesum, probablemente de una palabra germánica para una sustancia transparente y brillante. Se han recuperado objetos de vidrio en todo el Imperio Romano en contextos domésticos, funerarios e industriales, así como artículos comerciales en mercados de provincias distantes. Se han encontrado ejemplos de vidrio romano fuera del antiguo Imperio Romano en China, el Báltico, el Medio Oriente y la India. Los romanos perfeccionaron el vidrio camafeo, que producían grabando y tallando a través de capas fusionadas de diferentes colores para producir un diseño en relieve sobre el objeto de vidrio.
En el África occidental posclásica, Benin era un fabricante de vidrio y cuentas de vidrio. El vidrio se utilizó ampliamente en Europa durante la Edad Media. Se ha encontrado vidrio anglosajón en toda Inglaterra durante excavaciones arqueológicas tanto en asentamientos como en cementerios. Desde el siglo X en adelante, el vidrio se empleó en vidrieras de iglesias y catedrales, con ejemplos famosos en la Catedral de Chartres y la Basílica de Saint-Denis. En el siglo XIV, los arquitectos diseñaban edificios con paredes de vidrieras como Sainte-Chapelle, París (1203-1248) y el extremo este de la catedral de Gloucester. Con el cambio en el estilo arquitectónico durante el período del Renacimiento en Europa, el uso de grandes vidrieras se volvió mucho menos frecuente, aunque las vidrieras tuvieron un renacimiento importante con la arquitectura del Renacimiento gótico en el siglo XIX.
Durante el siglo XIII, la isla de Murano, Venecia, se convirtió en un centro de fabricación de vidrio, basándose en técnicas medievales para producir coloridas piezas ornamentales en grandes cantidades. Los fabricantes de vidrio de Murano desarrollaron el excepcionalmente claro cristal incoloro cristallo, llamado así por su parecido con el cristal natural, que se usaba ampliamente para ventanas, espejos, barcos y ' linternas y lentes. En los siglos XIII, XIV y XV se perfeccionó el esmaltado y dorado de vasijas de vidrio en Egipto y Siria. Hacia fines del siglo XVII, Bohemia se convirtió en una región importante para la producción de vidrio, y permaneció así hasta principios del siglo XX. En el siglo XVII, el vidrio en la tradición veneciana también se producía en Inglaterra. Aproximadamente en 1675, George Ravenscroft inventó el cristal de plomo, y el cristal tallado se puso de moda en el siglo XVIII. Los objetos de vidrio ornamentales se convirtieron en un importante medio artístico durante el período Art Nouveau a fines del siglo XIX.
A lo largo del siglo XX, las nuevas técnicas de producción en masa condujeron a la disponibilidad generalizada de vidrio en cantidades mucho mayores, lo que lo hizo práctico como material de construcción y permitió nuevas aplicaciones del vidrio. En la década de 1920 se desarrolló un proceso de grabado en molde, en el que el arte se grababa directamente en el molde, de modo que cada pieza fundida salía del molde con la imagen ya en la superficie del vidrio. Esto redujo los costos de fabricación y, combinado con un uso más amplio de vidrio coloreado, dio lugar a cristalería barata en la década de 1930, que luego se conoció como vidrio de la Depresión. En la década de 1950, Pilkington Bros., Inglaterra, desarrolló el proceso de vidrio flotado, produciendo láminas planas de vidrio de alta calidad sin distorsiones al flotar sobre estaño fundido. Los edificios modernos de varios pisos se construyen con frecuencia con muros cortina hechos casi en su totalidad de vidrio. El vidrio laminado se ha aplicado ampliamente a vehículos para parabrisas. El vidrio óptico para gafas se ha utilizado desde la Edad Media. La producción de lentes se ha vuelto cada vez más competente, lo que ayuda a los astrónomos y tiene otras aplicaciones en la medicina y la ciencia. El vidrio también se emplea como cubierta de apertura en muchos colectores de energía solar.
En el siglo XXI, los fabricantes de vidrio han desarrollado diferentes marcas de vidrio reforzado químicamente para aplicaciones generalizadas en pantallas táctiles de teléfonos inteligentes, tabletas y muchos otros tipos de dispositivos de información. Estos incluyen Gorilla Glass, desarrollado y fabricado por Corning, Dragontrail de AGC Inc. y Xensation de Schott AG.
Propiedades físicas
Óptica
(feminine)El vidrio tiene un uso generalizado en los sistemas ópticos debido a su capacidad para refractar, reflejar y transmitir luz siguiendo la óptica geométrica. Las aplicaciones más comunes y antiguas del vidrio en óptica son lentes, ventanas, espejos y prismas. Las propiedades ópticas clave, el índice de refracción, la dispersión y la transmisión del vidrio dependen en gran medida de la composición química y, en menor grado, de su historial térmico. El vidrio óptico normalmente tiene un índice de refracción de 1,4 a 2,4 y un número de Abbe (que caracteriza la dispersión) de 15 a 100. El índice de refracción puede modificarse con aditivos de alta densidad (aumentos del índice de refracción) o de baja densidad (disminuciones del índice de refracción).
La transparencia del vidrio resulta de la ausencia de límites de grano que dispersan la luz de manera difusa en los materiales policristalinos. La semiopacidad debida a la cristalización puede inducirse en muchos vidrios manteniéndolos durante un período prolongado a una temperatura apenas suficiente para provocar la fusión. De esta forma se produce el material cristalino, desvitrificado, conocido como porcelana vítrea de Réaumur. Aunque generalmente son transparentes a la luz visible, los anteojos pueden ser opacos a otras longitudes de onda de luz. Mientras que los vidrios de silicato son generalmente opacos a longitudes de onda infrarrojas con un corte de transmisión a 4 μm, los vidrios de fluoruro y calcogenuro de metales pesados son transparentes a longitudes de onda infrarrojas de hasta 7 y 18 μm, respectivamente. La adición de óxidos metálicos da como resultado vidrios de diferentes colores, ya que los iones metálicos absorberán longitudes de onda de luz correspondientes a colores específicos.
Otro
En el proceso de fabricación, los vidrios se pueden verter, moldear, extruir y moldear en formas que van desde láminas planas hasta formas muy complejas. El producto terminado es quebradizo y se fracturará, a menos que esté laminado o templado para mejorar la durabilidad. El vidrio suele ser inerte, resistente al ataque químico y, en su mayoría, puede resistir la acción del agua, lo que lo convierte en un material ideal para la fabricación de envases para alimentos y la mayoría de los productos químicos. Sin embargo, aunque por lo general es altamente resistente al ataque químico, el vidrio se corroerá o disolverá bajo ciertas condiciones. Los materiales que componen una composición particular de vidrio tienen un efecto sobre la rapidez con que se corroe el vidrio. Los vidrios que contienen una alta proporción de elementos alcalinos o alcalinotérreos son más susceptibles a la corrosión que otras composiciones de vidrio.
La densidad del vidrio varía según la composición química con valores que van desde 2,2 gramos por centímetro cúbico (2200 kg/m3) para la sílice fundida hasta 7,2 gramos por centímetro cúbico (7200 kg/m3) para vidrio denso de sílex. El vidrio es más fuerte que la mayoría de los metales, con una resistencia a la tracción teórica para el vidrio puro e impecable estimada en 14 gigapascales (2 000 000 psi) a 35 gigapascales (5 100 000 psi) debido a su capacidad para sufrir una compresión reversible sin fracturarse. Sin embargo, la presencia de rayones, burbujas y otros defectos microscópicos conducen a un rango típico de 14 megapascales (2000 psi) a 175 megapascales (25 400 psi) en la mayoría de los vasos comerciales. Varios procesos, como el endurecimiento, pueden aumentar la resistencia del vidrio. Se pueden producir fibras de vidrio impecables cuidadosamente estiradas con una resistencia de hasta 11,5 gigapascales (1 670 000 psi).
Flujo reputado
La observación de que a veces se encuentra que las ventanas antiguas son más gruesas en la parte inferior que en la parte superior se ofrece a menudo como prueba de apoyo para la opinión de que el vidrio fluye a lo largo de una escala de tiempo de siglos, suponiendo que el vidrio ha exhibido la propiedad líquida de fluir de una forma a otra. Esta suposición es incorrecta, ya que una vez solidificado, el vidrio deja de fluir. Las combaduras y ondulaciones que se observan en el vidrio viejo ya estaban allí el día que se fabricó; Los procesos de fabricación utilizados en el pasado producían láminas con superficies imperfectas y espesor no uniforme. (El vidrio flotado casi perfecto que se usa hoy en día solo se generalizó en la década de 1960).
La tasa de flujo de vidrio en las ventanas medievales se calculó en 2017. Se descubrió que el vidrio era 16 órdenes de magnitud (1016 veces) menos viscoso (por lo tanto, más fluido) de lo esperado en temperatura ambiente: 16 órdenes de magnitud menos que las estimaciones anteriores basadas en vidrio de silicato de cal y soda. Se estimó que la tasa de flujo no excedería 1nm por mil millones de años.
Tipos
Silicato
El dióxido de silicio (SiO2) es un componente fundamental común del vidrio. El cuarzo fundido es un vidrio hecho de sílice químicamente pura. Tiene una dilatación térmica muy baja y una excelente resistencia al choque térmico, siendo capaz de sobrevivir a la inmersión en agua al rojo vivo, resiste altas temperaturas (1000-1500 °C) y la intemperie química, y es muy duro. También es transparente a un rango espectral más amplio que el vidrio común, que se extiende desde lo visible más allá de los rangos UV e IR, y algunas veces se usa donde es necesaria la transparencia a estas longitudes de onda. El cuarzo fundido se utiliza para aplicaciones de alta temperatura, como tubos de horno, tubos de iluminación, crisoles de fusión, etc. Sin embargo, su alta temperatura de fusión (1723 °C) y su viscosidad dificultan el trabajo. Por lo tanto, normalmente se agregan otras sustancias (fundentes) para bajar la temperatura de fusión y simplificar el procesamiento del vidrio.
Soda-cal
El carbonato de sodio (Na2CO3, "sosa") es un aditivo común y actúa para reducir la temperatura de transición vítrea. Sin embargo, el silicato de sodio es soluble en agua, por lo que la cal (CaO, óxido de calcio, generalmente obtenido de piedra caliza), junto con el óxido de magnesio (MgO) y el óxido de aluminio (Al2O3), se agregan comúnmente para mejorar la durabilidad química. Los vidrios de cal sodada (Na2O) + cal (CaO) + magnesia (MgO) + alúmina (Al2O3) representan más del 75 % de vidrio fabricado, que contiene entre un 70 y un 74 % de sílice en peso. El vidrio de silicato de cal y soda es transparente, se moldea fácilmente y es más adecuado para vidrios de ventanas y vajillas. Sin embargo, tiene una alta expansión térmica y poca resistencia al calor. El vidrio de soda y cal se usa típicamente para ventanas, botellas, bombillas y frascos.
Borosilicato
Los vidrios de borosilicato (p. ej., Pyrex, Duran) suelen contener entre un 5 y un 13 % de trióxido de boro (B2O3). Los vidrios de borosilicato tienen coeficientes de expansión térmica bastante bajos (7740 Pyrex CTE es 3,25×10−6/°C en comparación con aproximadamente 9×10−6/°C para un vaso de cal sodada típico). Por lo tanto, están menos sujetos al estrés causado por la expansión térmica y, por lo tanto, son menos vulnerables al agrietamiento por choque térmico. Se utilizan comúnmente para, p. utensilios de laboratorio, utensilios de cocina para el hogar y lámparas de cabeza de coche de haz sellado.
Plomo
La adición de óxido de plomo (II) al vidrio de silicato reduce el punto de fusión y la viscosidad de la masa fundida. La alta densidad del vidrio de plomo (sílice + óxido de plomo (PbO) + óxido de potasio (K2O) + soda (Na2O) + óxido de zinc (ZnO) + alúmina) da como resultado una alta densidad de electrones y, por lo tanto, un alto índice de refracción, lo que hace que el aspecto de la cristalería sea más brillante y provoca una reflexión notablemente más especular y una mayor dispersión óptica. El vidrio de plomo tiene una gran elasticidad, lo que hace que la cristalería sea más manejable y da lugar a un "anillo" transparente. sonido cuando es golpeado. Sin embargo, el vidrio de plomo no puede soportar bien las altas temperaturas. El óxido de plomo también facilita la solubilidad de otros óxidos metálicos y se utiliza en vidrio coloreado. La disminución de la viscosidad del vidrio de plomo fundido es muy significativa (aproximadamente 100 veces en comparación con el vidrio sódico); esto permite una eliminación más fácil de las burbujas y trabajar a temperaturas más bajas, de ahí su uso frecuente como aditivo en esmaltes vítreos y soldaduras de vidrio. El alto radio iónico del ion Pb2+ lo vuelve altamente inmóvil y dificulta el movimiento de otros iones; por lo tanto, los vidrios de plomo tienen una alta resistencia eléctrica, aproximadamente dos órdenes de magnitud más alta que el vidrio de sosa y cal (108,5 frente a 106,5 Ω⋅cm, CC a 250 °C).
Aluminosilicato
El vidrio de aluminosilicato normalmente contiene entre un 5 y un 10 % de alúmina (Al2O3). El vidrio de aluminosilicato tiende a ser más difícil de fundir y moldear en comparación con las composiciones de borosilicato, pero tiene una excelente resistencia térmica y durabilidad. El vidrio de aluminosilicato se usa ampliamente para la fibra de vidrio, se usa para fabricar plásticos reforzados con vidrio (botes, cañas de pescar, etc.), utensilios de cocina para la parte superior de la estufa y vidrio para bombillas halógenas.
Otros aditivos de óxido
La adición de bario también aumenta el índice de refracción. El óxido de torio le da al vidrio un alto índice de refracción y baja dispersión y anteriormente se usaba para producir lentes de alta calidad, pero debido a su radiactividad ha sido reemplazado por el óxido de lantano en los anteojos modernos. El hierro se puede incorporar al vidrio para absorber la radiación infrarroja, por ejemplo, en filtros absorbentes de calor para proyectores de películas, mientras que el óxido de cerio (IV) se puede usar para vidrio que absorbe longitudes de onda ultravioleta. El flúor reduce la constante dieléctrica del vidrio. El flúor es altamente electronegativo y reduce la polarizabilidad del material. Los vidrios de silicato de fluoruro se utilizan en la fabricación de circuitos integrados como aislante.
Vidriocerámica
Los materiales vitrocerámicos contienen fases tanto de vidrio no cristalino como de cerámica cristalina. Se forman por nucleación controlada y cristalización parcial de un vidrio base por tratamiento térmico. Los granos cristalinos a menudo están incrustados dentro de una fase intergranular no cristalina de límites de grano. Las vitrocerámicas exhiben propiedades térmicas, químicas, biológicas y dieléctricas ventajosas en comparación con los metales o los polímeros orgánicos.
La propiedad comercialmente más importante de la vitrocerámica es su impermeabilidad al choque térmico. Así, las vitrocerámicas se han vuelto extremadamente útiles para la cocción en encimera y procesos industriales. El coeficiente de expansión térmica (CTE) negativo de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el CTE positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~70% cristalino) la vitrocerámica tiene un CET neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura repetidos y rápidos de hasta 1000 °C.
Fibra de vidrio
La fibra de vidrio (también llamada plástico reforzado con fibra de vidrio, PRFV) es un material compuesto fabricado mediante el refuerzo de una resina plástica con fibras de vidrio. Se hace fundiendo vidrio y estirando el vidrio en fibras. Estas fibras se tejen juntas en una tela y se dejan secar en una resina plástica. La fibra de vidrio tiene la propiedad de ser liviana y resistente a la corrosión, y es un buen aislante que permite su uso como material aislante para la construcción y para carcasas electrónicas de productos de consumo. La fibra de vidrio se usó originalmente en el Reino Unido y los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial para fabricar radomos. Los usos de la fibra de vidrio incluyen materiales de construcción y construcción, cascos de barcos, partes de carrocerías de automóviles y materiales compuestos aeroespaciales.
La lana de fibra de vidrio es un excelente material de aislamiento térmico y acústico, comúnmente utilizado en edificios (p. ej., aislamiento de áticos y paredes huecas), fontanería (p. ej., aislamiento de tuberías) e insonorización. Se produce forzando el vidrio fundido a través de una malla fina mediante la fuerza centrípeta y rompiendo las fibras de vidrio extruidas en trozos cortos utilizando una corriente de aire a alta velocidad. Las fibras se unen con un spray adhesivo y la estera de lana resultante se corta y empaqueta en rollos o paneles.
Sin silicato
Además de los vidrios comunes a base de sílice, muchos otros materiales inorgánicos y orgánicos también pueden formar vidrios, incluidos metales, aluminatos, fosfatos, boratos, calcogenuros, fluoruros, germanatos (vidrios basados en GeO2), teluritos (vidrios basados en TeO 2), antimonatos (vidrios a base de Sb2O3), arsenatos (vidrios a base de As2O 3), titanatos (vidrios a base de TiO2), tantalatos (vidrios a base de Ta2O5), nitratos, carbonatos, plásticos, acrílicos y muchas otras sustancias. Algunos de estos vidrios (p. ej., dióxido de germanio (GeO2, Germania), en muchos aspectos un análogo estructural de los vidrios de sílice, fluoruro, aluminato, fosfato, borato y calcogenuro) tienen propiedades fisicoquímicas útiles para su aplicación en guías de ondas de fibra óptica en redes de comunicación y otras aplicaciones tecnológicas especializadas.
Los vidrios sin sílice a menudo pueden tener malas tendencias de formación de vidrio. Se pueden usar técnicas novedosas, incluido el procesamiento sin contenedores por levitación aerodinámica (enfriar la masa fundida mientras flota en una corriente de gas) o el enfriamiento por salpicadura (presionar la masa fundida entre dos yunques o rodillos metálicos), para aumentar la velocidad de enfriamiento o reducir los desencadenantes de la nucleación de cristales.
Metales amorfos
En el pasado, se producían pequeños lotes de metales amorfos con configuraciones de área superficial alta (cintas, alambres, películas, etc.) mediante la implementación de velocidades de enfriamiento extremadamente rápidas. Se han producido alambres de metal amorfo pulverizando metal fundido sobre un disco de metal giratorio.
Se han producido varias aleaciones en capas con un espesor superior a 1 milímetro. Estos se conocen como vidrios metálicos a granel (BMG). Liquidmetal Technologies vende una serie de BMG a base de circonio.
También se han producido lotes de acero amorfo que demuestran propiedades mecánicas muy superiores a las que se encuentran en las aleaciones de acero convencionales.
La evidencia experimental indica que el sistema Al-Fe-Si puede sufrir una transición de primer orden a una forma amorfa (denominada 'q-glass') al enfriarse rápidamente desde el fundir. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) indican que el q-glass se nuclea a partir de la fusión como partículas discretas con un crecimiento esférico uniforme en todas las direcciones. Si bien la difracción de rayos X revela la naturaleza isotrópica del vidrio q, existe una barrera de nucleación que implica una discontinuidad interfacial (o superficie interna) entre las fases de vidrio y fusión.
Polímeros
Los vidrios poliméricos importantes incluyen compuestos farmacéuticos amorfos y vítreos. Estos son útiles porque la solubilidad del compuesto aumenta mucho cuando es amorfo en comparación con la misma composición cristalina. Muchos productos farmacéuticos emergentes son prácticamente insolubles en sus formas cristalinas. Muchos termoplásticos poliméricos familiares del uso diario son vidrios. Para muchas aplicaciones, como botellas de vidrio o gafas, los vidrios de polímero (vidrio acrílico, policarbonato o tereftalato de polietileno) son una alternativa más ligera al vidrio tradicional.
Líquidos moleculares y sales fundidas
Los líquidos moleculares, los electrolitos, las sales fundidas y las soluciones acuosas son mezclas de diferentes moléculas o iones que no forman una red covalente sino que interactúan solo a través de fuerzas débiles de van der Waals o mediante enlaces de hidrógeno transitorios. En una mezcla de tres o más especies iónicas de diferente tamaño y forma, la cristalización puede ser tan difícil que el líquido puede sobreenfriarse fácilmente en un vaso. Los ejemplos incluyen LiCl:RH2O (una solución de sal de cloruro de litio y moléculas de agua) en el rango de composición 4<R<8. azúcar glass, o Ca0.4K0.6(NO3)1.4. Los electrolitos de vidrio en forma de vidrio de litio dopado con Ba y vidrio de Na dopado con Ba se han propuesto como soluciones a los problemas identificados con los electrolitos líquidos orgánicos utilizados en las celdas de batería de iones de litio modernas.
Producción
Luego de la preparación y mezcla del lote de vidrio, las materias primas se transportan al horno. El vidrio de sosa y cal para la producción en masa se funde en hornos de fundición de vidrio. Los hornos de menor escala para vidrios especiales incluyen fundidores eléctricos, hornos de olla y tanques de día. Después de la fusión, homogeneización y refinado (eliminación de burbujas), se forma el vidrio. El vidrio plano para ventanas y aplicaciones similares está formado por el proceso de vidrio flotado, desarrollado entre 1953 y 1957 por Sir Alastair Pilkington y Kenneth Bickerstaff de Pilkington Brothers del Reino Unido, quienes crearon una cinta continua de vidrio usando un baño de estaño fundido sobre que el vidrio fundido fluye sin obstáculos bajo la influencia de la gravedad. La superficie superior del vidrio se somete a nitrógeno a presión para obtener un acabado pulido. Los envases de vidrio para botellas y frascos comunes se forman mediante métodos de soplado y prensado. Este vidrio a menudo se modifica ligeramente químicamente (con más alúmina y óxido de calcio) para una mayor resistencia al agua.
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Una vez que se obtiene la forma deseada, el vidrio suele recocerse para eliminar las tensiones y aumentar la dureza y la durabilidad del vidrio. Pueden seguir tratamientos superficiales, recubrimientos o laminados para mejorar la durabilidad química (recubrimientos de recipientes de vidrio, tratamiento interno de recipientes de vidrio), la resistencia (vidrio templado, vidrio a prueba de balas, parabrisas) o las propiedades ópticas (acristalamiento aislado, revestimiento antirreflectante).
Las nuevas composiciones químicas de vidrio o las nuevas técnicas de tratamiento pueden investigarse inicialmente en experimentos de laboratorio a pequeña escala. Las materias primas para la fusión de vidrio a escala de laboratorio a menudo son diferentes de las que se utilizan en la producción en masa porque el factor costo tiene una prioridad baja. En el laboratorio se utilizan principalmente productos químicos puros. Se debe tener cuidado de que las materias primas no hayan reaccionado con la humedad u otros químicos en el ambiente (como óxidos e hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos, u óxido de boro), o que las impurezas estén cuantificadas (pérdida por ignición). Las pérdidas por evaporación durante la fusión del vidrio se deben considerar durante la selección de las materias primas, por ejemplo, se puede preferir el selenito de sodio al dióxido de selenio que se evapora fácilmente (SeO2). Además, se pueden preferir las materias primas que reaccionan más fácilmente a las relativamente inertes, como el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) sobre la alúmina (Al2O3 ). Por lo general, las fusiones se llevan a cabo en crisoles de platino para reducir la contaminación del material del crisol. La homogeneidad del vidrio se logra homogeneizando la mezcla de materias primas (lote de vidrio), agitando la masa fundida y triturando y volviendo a fundir la primera masa fundida. El vidrio obtenido suele recocerse para evitar roturas durante el procesamiento.
Color
El color del vidrio puede obtenerse mediante la adición de iones cargados eléctricamente distribuidos homogéneamente (o centros de color). Mientras que el vidrio sodocálcico común parece incoloro en secciones delgadas, las impurezas de óxido de hierro (II) (FeO) producen un tinte verde en secciones gruesas. Se puede agregar dióxido de manganeso (MnO2), que le da al vidrio un color púrpura, para eliminar el tinte verde que le da el FeO. Los aditivos FeO y óxido de cromo (III) (Cr2O3) se utilizan en la producción de botellas verdes. El óxido de hierro (III), por otro lado, produce vidrio amarillo o marrón amarillento. Las bajas concentraciones (0,025 a 0,1 %) de óxido de cobalto (CoO) producen un rico vidrio de cobalto azul intenso. El cromo es un colorante muy potente que produce un color verde oscuro. El azufre combinado con el carbón y las sales de hierro produce un vidrio ámbar que va del amarillento al casi negro. Un vidrio fundido también puede adquirir un color ámbar en una atmósfera de combustión reductora. El sulfuro de cadmio produce el rojo imperial y, combinado con el selenio, puede producir tonos de amarillo, naranja y rojo. El aditivo óxido de cobre (II) (CuO) produce un color turquesa en el vidrio, en contraste con el óxido de cobre (I) (Cu2O) que da un color marrón rojizo opaco.
Los aditivos de óxido de hierro (II) y cromo(III) se utilizan a menudo en la producción de botellas verdes.
El óxido de cobalto produce vidrio azul rico, profundo, como el vidrio azul de Bristol.
Diferentes aditivos de óxido producen los diferentes colores en el vidrio: turquesa (óxido de cobre(II), púrpura (dióxido de manganés), y rojo (sulfuro de calcio).
Botella de vidrio rojo con superposición de vidrio amarillo
Cristal color ámbar
Tazón de vidrio romano de cuatro colores, fabricado alrededor del siglo 1 a.C.
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Usos
Arquitectura y ventanas
La hoja de vidrio de soda y cal se usa normalmente como material de acristalamiento transparente, generalmente como ventanas en las paredes externas de los edificios. Los productos de lámina de vidrio flotado o laminado se cortan a la medida, ya sea marcando y rompiendo el material, corte con láser, chorros de agua o sierra con hoja de diamante. El vidrio puede ser templado térmicamente o químicamente (reforzado) por seguridad y doblado o curvado durante el calentamiento. Se pueden agregar recubrimientos superficiales para funciones específicas, como resistencia a los arañazos, bloqueo de longitudes de onda de luz específicas (p. ej., infrarrojos o ultravioleta), repelencia de la suciedad (p. ej., vidrio autolimpiante) o recubrimientos electrocrómicos conmutables.
Los sistemas de acristalamiento estructural representan una de las innovaciones arquitectónicas más significativas de los tiempos modernos, donde los edificios de vidrio ahora suelen dominar los horizontes de muchas ciudades modernas. Estos sistemas utilizan accesorios de acero inoxidable avellanados en los huecos de las esquinas de los paneles de vidrio, lo que permite que los paneles reforzados parezcan sin soporte, creando un exterior al ras. Los sistemas de acristalamiento estructural tienen sus raíces en los invernaderos de hierro y vidrio del siglo XIX.
Vajilla
El vidrio es un componente esencial de la vajilla y generalmente se usa para vasos de agua, cerveza y vino. Las copas de vino suelen ser copas, es decir, copas formadas por un cuenco, un tallo y un pie. El cristal o el cristal de plomo se puede cortar y pulir para producir vasos decorativos con facetas brillantes. Otros usos del vidrio en la vajilla incluyen decantadores, jarras, platos y tazones.
Gafas de vino y otros artículos de mesa de cristal
Juguete de cerveza de vidrio extenso
Cristal de cristal de plomo
Decantador de vidrio y tapón
Embalaje
La naturaleza inerte e impermeable del vidrio lo convierte en un material estable y ampliamente utilizado para el envasado de alimentos y bebidas como botellas y tarros de vidrio. La mayor parte del vidrio para envases es vidrio de sosa y cal, producido mediante técnicas de soplado y prensado. El vidrio de los envases tiene un contenido más bajo de óxido de magnesio y óxido de sodio que el vidrio plano, y un contenido más alto de sílice, óxido de calcio y óxido de aluminio. Su mayor contenido de óxidos insolubles en agua imparte una durabilidad química ligeramente superior frente al agua, lo que es ventajoso para almacenar bebidas y alimentos. Los envases de vidrio son sostenibles, fácilmente reciclables, reutilizables y recargables.
Para aplicaciones electrónicas, el vidrio se puede utilizar como sustrato en la fabricación de dispositivos pasivos integrados, resonadores acústicos a granel de película delgada y como material de sellado hermético en el empaque de dispositivos, incluida la encapsulación muy delgada basada únicamente en vidrio de circuitos integrados y otros semiconductores en altos volúmenes de fabricación.
Laboratorios
El vidrio es un material importante en los laboratorios científicos para la fabricación de aparatos experimentales porque es relativamente barato, se le da fácilmente las formas requeridas para los experimentos, es fácil de mantener limpio, puede resistir el tratamiento con calor y frío, generalmente no reacciona con muchos reactivos, y su transparencia permite la observación de reacciones y procesos químicos. Las aplicaciones de cristalería de laboratorio incluyen matraces, placas de Petri, tubos de ensayo, pipetas, cilindros graduados, recipientes metálicos revestidos de vidrio para procesamiento químico, columnas de fraccionamiento, tubos de vidrio, líneas Schlenk, manómetros y termómetros. Aunque la mayoría del material de vidrio de laboratorio estándar se ha producido en masa desde la década de 1920, los científicos aún emplean sopladores de vidrio calificados para fabricar aparatos de vidrio a medida para sus requisitos experimentales.
Una columna Vigreux en una configuración de laboratorio
Una línea Schlenk con cuatro puertos
Cilindros graduados
Erlenmeyer flask
Óptica
El vidrio es un material omnipresente en la óptica en virtud de su capacidad para refractar, reflejar y transmitir la luz. Estas y otras propiedades ópticas se pueden controlar variando las composiciones químicas, el tratamiento térmico y las técnicas de fabricación. Las numerosas aplicaciones del vidrio en óptica incluyen anteojos para la corrección de la vista, óptica de imágenes (por ejemplo, lentes y espejos en telescopios, microscopios y cámaras), fibra óptica en tecnología de telecomunicaciones y óptica integrada. Las microlentes y la óptica de índice de gradiente (donde el índice de refracción no es uniforme) encuentran aplicación en, p. lectura de discos ópticos, impresoras láser, fotocopiadoras y diodos láser.
Arte
El vidrio como arte se remonta al menos al año 1300 a. C. y se muestra como un ejemplo del vidrio natural que se encuentra en el pectoral de Tutankamón, que también contenía esmalte vítreo, es decir, vidrio coloreado fundido sobre un respaldo de metal. El vidrio esmaltado, la decoración de recipientes de vidrio con pinturas de vidrio de colores, existe desde el 1300 a. C. y fue prominente a principios del siglo XX con el vidrio Art Nouveau y el de la Casa Fabergé en San Petersburgo, Rusia. Ambas técnicas se utilizaron en vidrieras, que alcanzaron su apogeo aproximadamente entre 1000 y 1550, antes de un renacimiento en el siglo XIX.
El siglo XIX vio un renacimiento en las antiguas técnicas de fabricación de vidrio, incluido el camafeo, logrado por primera vez desde el Imperio Romano, inicialmente principalmente para piezas de estilo neoclásico. El movimiento Art Nouveau hizo un gran uso del vidrio, con René Lalique, Émile Gallé y Daum de Nancy en la primera ola francesa del movimiento, produciendo jarrones de colores y piezas similares, a menudo en vidrio camafeo o en técnicas de vidrio brillante.
Louis Comfort Tiffany en América se especializó en vidrieras, tanto seculares como religiosas, en paneles y sus famosas lámparas. El comienzo del siglo XX vio la producción industrial a gran escala de arte en vidrio por parte de firmas como Waterford y Lalique. Los estudios pequeños pueden producir obras de arte en vidrio a mano. Las técnicas para producir arte en vidrio incluyen soplado, fundición en horno, fusión, desplome, pâte de verre, trabajo con llama, escultura en caliente y trabajo en frío. El trabajo en frío incluye el trabajo tradicional de vidrieras y otros métodos para dar forma al vidrio a temperatura ambiente. Los objetos hechos de vidrio incluyen vasijas, pisapapeles, canicas, cuentas, esculturas y arte de instalación.
El jarrón de Portland, vidrio de cameo romano, aproximadamente 5–25 dC
Placa de esmalte de cloisonné bizantina de St Demetrios, c. 1100, utilizando la senkschmelz o técnica "sunk"
La Real Copa de Oro con Basse-taille esmaltes en oro; peso 1.935 kg, finales del siglo XIV. Saint Agnes aparece a sus amigos en una visión.
El Reichsadlerhumpen, vidrio esmaltado con el águila de doble cabeza del Santo Imperio Romano, y los brazos de los diversos territorios en sus alas, fue un popular espectáculo de vidrio esmaltado en las tierras alemanas del siglo XVI en adelante.
Estilo Filigree Jarrón de vidrio veneciano
Émile Gallé, Jarrón de vidrio de marquetería con flores clematis (1890-1900)
Jarrón de vidrio del artista artístico René Lalique
Clara Driscoll Lámpara de Tiffany, patrón de la quemadura, c. 1910
Una escultura de vidrio de Dale Chihuly, "The Sun" en la exposición "Gardens of Glass" en Kew Gardens, Londres
Moderna ventana de vidrio manchado
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