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For a youth magazine. Autor: Juan Esteban Cataño Días Institución Educativa Marco Fidel Suarez Área: Tecnología Año: 2012

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E

L VIDRIO

Es un material inorgánico duro, frágil y transparente que se encuentra en la naturaleza aunque también puede ser producido por el hombre. El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

4. Separación o Selección por colores. La separación se realiza manualmente y/o con equipos específicos: imanes fijos para el hierro, ciclones para papeles y plásticos detector de metales no férricos por impulsos mecánicos “trimetau”, captadores de cerámicas y piedras “sistema trioptic”. En la actualidad, ya se está operando con equipo láser para separar todas las impurezas.

El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto en el ámbito científico debido a que el vidrio es un sólido amorfo (sus moléculas no están dispuestas de forma regular) y no un sólido cristalino.

PROCESO DE RECICLADO EN LA FÁBRICA DE VIDRIO Existe una gran diversidad tecnológica para su tratamiento. En la fábrica de vidrio el proceso puede resumirse en los siguientes pasos: 1. La fábrica recibe los envases enteros, rotos o ya triturados. 2. Separación. El proceso de separación consiste en retirar los elementos extraños que suelen acompañar al vidrio: tapas, papel, etiquetas, plásticos, corchos, piedras, metales, porcelana, etc. 3. Lavado inicial.

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5. Reducciónel volumen mediantetrituración o rotura. El producto triturado se denomina calcín, que permite fabricar envases de vidrio exactamente iguales a los originales. 6. Procesamiento final. Se explica más adelante.El objetivo de todosestos tratamientos es mejorar la calidad del vidrio con el fin de conseguir un alto rendimiento en los hornos de cocción. Calidad del vidriocon el fin de conseguir un alto rendimiento en los hornos de cocción.

Procesamiento final para obtener vidrio reciclado El calcín o vidrio triturado se mezcla con arena, sosa, caliza y otros componentes, y se funde en un horno a una temperatura que varía entre 1.425 y 1.525°C, según el tamaño de las partículas de vidrio. A menor tamaño de los fragmentos de vidrio la temperatura es menor. El vidrio fundido cae sobre unaMáquina moldeadora donde se sopla o se moldea hasta conseguir la forma final. Los nuevos envases ya formados se enfrían lentamente en un túnel de recocido. El vidrio reciclado exige menor temperatura de fusión que las materias primas originales (arena, sosa y caliza), con ello se consume menos energía. La operación del reciclado se puede realizar tantas veces como sea necesario, sinnecesidad de extraer nuevas materias primas.

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ESTRUCTURA ATOMICA Las estructuras vítreas se producen al unirse los tetraedros de sílice u otros grupos iónicos, para producir una estructura reticular no cristalina, pero sólida

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 subunidades que son triángulos planos con el átomo de boro ligeramente fuera del plano de los átomos de oxígeno. 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.

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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.

ovoidal o lenticular según el procedimiento de fabricación.

TIPOS DE IMPERFECCIONES

PICADURAS

Las Imperfecciones que presentan los vidrios, originadas en su proceso de obtención. Son normalmente causados por el hombre y estos son defectos de afino, homogeneidad, vitrificación y recocido.

Es causado cuando un grano del abrasivo grueso utilizado ha hecho una erosión profunda que no se elimina ni con el pulido.

Después de una ardua búsqueda se pudimos determinar que los 2 defectos son por masa o superficiales. Y clasificando dichos defectos se obtiene lo siguiente: DEFECTOS POR MASA ESCORIAS Son los granos de cualquier sustancia contenida en el vidrio y que no se han fundido en el curso de la fabricación. Pueden ser granos de materias primas que por un defecto de fusión no han salido del estado sólido o pueden ser cuerpos extraños.

DEFECTOS SUPERFICIALES

RAYADO Defecto producido por deficiencias en el pulido o como causa de roces con cuerpos duros durante el almacenado o en el transporte. AGUAS Se encuentra en los vidrios planos no pulidos, a causa de la imperfección en lo plano de las superficies. MERMAS O CRECES Defectos o excesos de dimensiones en los vidrios moldeados. REBABAS

VETAS Son causadas por la falta de homogeneidad del vidrio, debida a diferencias de composición o de enfriamiento. Se clasifican según la forma de presentarse (ondas, hilos y estrías). BURBUJAS

Son espacios gaseosos en el interior del vidrio y tienen forma esférica,

Imperfecciones causadas por el mal encaje en las juntas de los moldes en el momento de la fabricación. GRIETAS Fisuras de diferentes longitudes y profundidades, causadas principalmente por el enfriamiento radical bruto a partir de una temperatura inferior al punto de reblandecimiento o bien por la

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presión excesiva del émbolo en productos moldeados .

mientras más separados estén estos límites es mejor, porque el rango en el que podemos trabajar es mayor.

TIPOS DE VIDRIO VIDRIOS DE BORO SILICATO La sustitución de óxidos alcalinos por óxido de boro en la red vítrea de la sílice da lugar a vidrios de más baja expansión. 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. Los virios boro-silicatados (vidrios pyrex) se usan para equipos de laboratorio, tuberías, material de cocina, como equipo para procesos químicos, hornos y faros de lámparas reflectoras. En la figura 2 se muestra la temperatura de templado de un vidrio pyrex contra el tiempo. Cuando la temperatura y el tiempo son bajos, en la figura se indica con puntos, y cuando tienen valores mayores, aparecen círculos cada vez más grandes. Esto quiere decir que, para el vidrio pyrex, cuando la temperatura de templado es alta y el tiempo largo, la diferencia entre el límite superior y el inferior es grande. El límite superior está determinado por la temperatura a la cual el vidrio es un líquido que fluye con facilidad. El límite inferior, también llamado punto de tensión, no está completamente definido, aunque lo han descrito como la temperatura a la que una pieza puede ser rápidamente enfriada sin que tenga una tensión permanente. Así,

VIDRIOS AL PLOMO El óxido de plomo es normalmente un modificador de la red de la sílice, pero además puede actuar como un formador de la red. Los vidrios al plomo con altos contenidos de óxido de plomo son de baja fusión y se utilizan para soldar vidrios de cierre herméticos. Los vidrios de alto contenido en plomo son usados para proteger de la radiación de alta energía y encuentra aplicación para ventanas de radiación, carcasas de lámparas fluorescentes y lámparas de televisión. Por sus altos índices de refracción, los vidrios al plomo se emplean para algunos vidrios ópticos y para algunos vidrios decorativos. VIDRIOS DE BOTELLA De composición parecida a la del vidrio común, pero con cierto porcentaje de óxido de hierro. VIDRIOS DE CRISTAL Con adición de plomo o bario, lo que le confiere elevado brillo, mucho peso 6


y sonido metálico, y el óptico, de transparencia, inalterabilidad, homogeneidad e isotropía tales que permiten su uso en la fabricación de lentes, prismas, espejos. VIDRIOS SÍLICO-SÓDICOCÁLCICOS Los vidrios silico-sódico-calcicos utilizados en la construcción recibe este nombre porque tienen en su composición los siguientes elementos:

de vehículos espaciales y túneles aerodinámicos y para sistemas ópticos en dispositivos espectrofotométricos. A veces, los vidrios de sílice son caros y difíciles de procesar. PROPIEDADES FISICAS COLOR En cuestiones del color en los vidrios, el color es originado por los elementos que se agregan en el proceso de fusión, llamados colorantes. ELEMENTO

1. Sílice, un cuero vitrificante introducido en forma de arena (70 a 72%).

COLOR

Óxido de cobalto

Rojo azulado

Óxido ferroso

Azul

Óxido férrico

Amarillo

Óxido de cromo

Verde grisáceo

2. Sodio, un fundente en forma de carbonato y sulfato (aprox. 14%).

Trióxido de cromo Amarillo Óxido de cobre

Verde azulado

3. Cal, un estabilizante en forma de caliza (alrededor 10%).

Óxido de uranio

Verde amarillento fosforescente

Diversos óxidos, como los de aluminio y los de magnesio, que mejoran las propiedades físicas del vidrio sobre todo su resistencia a la acción de los agentes atmosféricos (alrededor 5%).

Selenio elemental Rosa Sulfuro de cadmio Amarillo coloidal

TEXTURA VIDRIOS DE SÍLICE FUNDIDO Es el vidrio de composición simple más importante, presenta una alta transmisión espectral y no está sujeto a daño de radiación que origina coloración en otros vidrios. Es casi siempre el vidrio idealpara las lunas

La superficie de los vidrios puede variar en cuestiones de brillo, esto depende del proceso de fundido en el que se haya quedado. Un vidrio completamente fundido presenta un brillo, porque el vidrio se nivela y aplana cuando se funde, formando una superficie extremadamente lisa,

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dicha homogeneidad es una muy buena característica del material pues lo hace más fácil de limpiar.

Focos 74 1

Cuando un vidrio no se funde completamente en el proceso de cocción o en su defecto su viscosidad es todavía alta, la superficie resulta ser rugosa y por lo tanto con tendencia a mate; el vidrio mate es a la vez opaco por el defecto en la aspereza de su superficie haciendo que no haya transparencia.

Termó 73 6 metro

El vidrio mate puede hacerse a propósito si se somete al vidrio a un enfriado lento. Los vidrios mate son muy atractivos para usos artesanales, con la única ventaja que son difíciles de limpiar.

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Fibras 54 14 16

Vidrio de 67 Plomo

Cristal 50 óptico

4 10 4

10 10

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10 % 17 K2 O

1

13 % Ba O, 19 8% K2 O, Zn O

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2% Ba O, 8% K2 O

PESO El peso en los vidrios difiere de acuerdo a su composición de los vidrios típicos según su uso. Vidrios

Vidrio 70 óptico

10

Si Al2 Ca Na B2 Mg Pb Otr O2 O3 O 2O O3 O O os Fibras de 55 15 20 vidrio F

Sílice Fundid 99 o Vycor

96

Pyrex

81 2

Jarras de 74 1 vidrio

4 4 5 15

Vidrio para 72 1 ventana

10 14

Vidrio Plano

13 13

73 1

Fibras de 65 25 vidrio S

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Los vidrios presentan maleabilidad cuando se encuentran en su etapa de fundición pues pueden ser moldeados y es la etapa de maleabilidad del vidrio, pues es donde se les da las formas deseadas ya sea por moldes o por cualquier otro método. Los principales métodos empleados para

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moldear el vidrio son el colado, el soplado, el prensado, el estirado y el laminado. PROPIEDADES QUIMICAS DENSIDAD Debido a los distintos tipos de vidrios que pueden ser fabricados, las densidades varían de acuerdo a la sustancia con la que sean complementados; normalmente un vidrio puede tener densidades relativas (con respecto al agua) de 2 a 8, lo cual significa que hay vidrios que pueden ser más ligeros que el aluminio y vidrios que puedan ser más pesados que el acero.

caracteriza su resistencia a fluir, debida al rozamiento entre sus moléculas; generalmente un material viscoso es aquel que es muy denso y pegajoso. La viscosidad en materia de vidrios es muy importante porque esta determinará la velocidad de fusión.

La densidad en un vidrio aumenta al incrementar la concentración de óxido de calcio y óxido de titanio. En cambio sí se eleva la cantidad de alúmina (Al2O3) o de magnesia (MgO) la densidad disminuye.

CORROSION El vidrio tiene como característica muy importante la resistencia a la corrosión, en el medio ambiente son muy resistentes y no desisten ante el desgaste, he ahí por lo cual los vidrios son utilizados incluso para los experimentos químicos. Aunque su resistencia a la corrosión es muy buena no quiere decir que sea indestructible ante la corrosión, existen cuatro sustancias que logran esta excepción. VISCOSIDAD La viscosidad es definida como la propiedad de los fluidos que

Ácido Hidrofluorídrico Ácido fosfórico de alta concentración Concentraciones alcalinas a altas temperaturas

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Agua “súper calentada” VENTAJAS La ventaja principal del vidrio uviol es la utilización que pretende dársele en invernaderos por su capacidad de dejar pasar los rayos UV. Es ventajoso este material porque a un vidrio las personas ya saben cómo tratarlos, y se utiliza de la misma manera que cualquier vidrio. La ventaja de los vidrios también reside en el precio regular que tiene en comparación con demás materiales que pretendan igualar la cualidad principal del vidrio uviol que es la manera en que puede dejar pasar rayos ultravioleta. DESVENTAJAS Se podría considerar como desventaja principal el hecho de que este tipo de vidrios no esta tan disponible a cualquier persona. Otra desventaja es la fragilidad característica de los vidrios ante los otros diferentes materiales que ofrecen mayores resistencias pero carecen de las propiedades ópticas peculiares de los vidrios

El vidrio en la antigüedad Plinio el Viejo (siglo I), en su Historia Natural, cuenta que unos mercaderes que se dirigían hacia Egipto para vender natrón (carbonato de sodio), se detuvieron para cenar a orillas del río Belus, en Fenicia. Como no había piedras para colocar sus ollas, decidieron utilizar algunos trozos de natrón. Calentaron sus alimentos, comieron y se dispusieron a dormir. A

la mañana siguiente vieron asombrados que las piedras se habían fundido y habían reaccionado con la arena para producir un material duro y brillante, el vidrio. En realidad, el hombre aprendió a fabricar el vidrio muchísimo tiempo antes en forma de esmaltes vitrificados, la fayenza. Hay cuentas de collares y restos de cerámica elaborados con fayenza en tumbas del periodo predinástico de Egipto, en las culturas Naqada (35003200 a. C.) Los primeros objetos de vidrio que se fabricaron fueron cuentas de collar o abalorios. Es probable que fueran artesanos asiáticos los que establecieron la manufactura del vidrio en Egipto, de donde proceden las primeras vasijas producidas durante el reinado de Tutmosis III (1504-1450 a. C.). La fabricación del vidrio floreció en Egipto y Mesopotamia hasta el 1200 a. C. y posteriormente cesó casi por completo durante varios siglos. Egipto produjo un vidrio claro, que contenía sílice pura; lo coloreaban de azul y verde. Durante la época helenística Egipto se convirtió en el principal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales. Sin embargo, fue en las costas fenicias donde se desarrolló el importante descubrimiento del vidrio soplado en el siglo I a.C. Durante la época romana la manufactura del vidrio se extendió por el Imperio, desde Roma hasta Alemania.En esta época se descubrió que añadiendo óxido de manganeso se podía aclarar el vidrio.

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El vidrio en la Edad Media En el norte de Europa y Gran Bretaña continuaron produciendo objetos utilitarios de vidrio. El vidrio común tipo Waldglas (del alemán, ‘vidrio del bosque’) continuó fabricándose en Europa hasta la era moderna. Sin embargo, la producción más importante en este material durante la edad media fueron los mosaicos de vidrio en la Europa mediterránea y las vidrieras en la zona del norte. Los mosaicos se hacían con teselas de vidrio, que se cortaban de bloques de vidrio. En documentos del siglo VI se hace referencia a vidrieras en las iglesias, aunque los primeros ejemplares conservados datan del siglo XI. Las más apreciadas se elaboraron durante los siglos XIII y XIV, principalmente en Francia e Inglaterra. El vidrio se coloreaba o se laminaba ya coloreado añadiendo óxidos metálicos a la mezcla, y después se cortaba. Los detalles se pintaban sobre el cristal con un esmalte. Las piezas se sujetaban con varillas de plomo en una estructura de hierro. El arte de la fabricación de vidrieras decayó a finales del renacimiento aunque volvió a recuperarse en el siglo XIX. El vidrio en los países islámicos, entre los siglos VIII y XIV, tuvo su auge en el Oriente Próximo. La antigua tradición Sasánida de tallado del vidrio fue continuada por los artesanos musulmanes que realizaron vasijas decoradas en altorrelieve, muchas con motivos animales, y con vidrio incoloro de

gran calidad con diseños tallados a la rueda. La técnica de esmaltado al fuego y la del dorado incrementaron las posibilidades decorativas, destacando los artesanos vidrieros de Alepo y Damasco. De Egipto proviene el descubrimiento de coloraciones vidriadas con brillantes efectos metálicos, tanto en cerámica como en vidrio. Las lámparas de las mezquitas y otras vasijas de uso cotidiano se pintaron con motivos geométricos propios del islam. Sus formas y decoraciones influyeron en la producción occidental posterior, destacando las de Venecia y España.

Del renacimiento al siglo XVIII El cristal veneciano El «cristal veneciano» más antiguo conocido data del siglo XV, aunque el vidrio ya se fabricaba en Venecia desde el siglo X. Con centro en la isla de Murano, los venecianos dominaron el mercado europeo hasta el año 1700. La contribución más importante fue la elaboración de un vidrio sódico duro y refinado muy dúctil. Conocido como «cristallo», era incoloro, de gran transparencia, muy semejante al cristal. También se hacían en cristal coloreado y opaco. Hacia finales del siglo XVI las vasijas se hicieron más ligeras y delicadas. Desarrollaron un tipo de filigrana de vidrio que sería muy imitada. Consistía en incorporar hebras de vidrio blanco opaco dentro de un cristal transparente, que producía el efecto de un encaje. También en Murano surgieron muchos estilos diferentes para 11


lámparas de cristal, aunque fue la factoría de Nevers, en Francia, la que adquirió mayor fama durante el siglo XVII. La práctica del grabado al diamante, técnica de los artesanos holandeses del siglo XVII, lograba elaborados diseños. Los fabricantes de vidrio de Europa intentaron copiar las técnicas y decoraciones de los venecianos. La información se difundió con el libro El arte del vidrio (1612) de Antonio Neri, y también por los sopladores de vidrio venecianos, pues aunque una ley prohibía a los artesanos vidrieros abandonar Venecia y divulgar los secretos de su arte, muchos se instalaron en otros países europeos. Cada país desarrolló sus imitaciones. La influencia italiana declinó en el siglo XVII, al surgir en Alemania e Inglaterra nuevos métodos para la fabricación de vidrio.

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EL VIDRIO