Vidrio, Industria Del QUÍM.

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Química

Generalidades. Los v. (lat. vitrum) son líquidos sobreenfriados, producto de la fusión de mezclas de varias sustancias, que quedan como masas rígidas al disminuir la temperatura, debido a la mayor viscosidad, que impide el desplazamiento de las moléculas para ordenarse y cristalizar. Los v. se reblandecen con el calor, por disminuir la fricción interna, y no presentan un punto de fusión determinado. El estado vítreo se caracteriza, pues, por conservar a temperatura ordinaria el desorden propio del estado líquido con las características del sólido: rigidez y resistencia; es un estado metastable logrado por enfriamiento rápido. Por calefacción prolongada se desvitrifica, apareciendo núcleos de cristalización; las moléculas con más movilidad comienzan a ordenarse, alcanzando posiciones de menor energía. lista es una propiedad de la sílice, Si02, base de los v. corrientes (v. SILICATOS). Las unidades estructurales -tetraedros de SiO4- se unen por los vértices para formar redes cristalinas. En la fig. 1 tenemos redes planas de cristal de cuarzo y v. de cuarzo; en ésta hay cierta ordenación, pero no periódica, hay orden en las cadenas, no entre ellas. Además son formadoras de vidrios:

B2O3, P2O5, AS2O3, WO3.

Vidrios industriales. Reúnen propiedades excepcionales: transparencia, refrigerancia, refractariedad, resistencia mecánica, química y térmica. La sílice pura ya las tiene, pero presenta dos graves inconvenientes: a) su elaboración exige elevadísima temperatura, unos 2.000° C, con dificultades de precio y de refractarios; b) se trabaja mal por su alta viscosidad y retiene burbujas. La viscosidad se disminuye por vía química, y la temperatura por mezcla con fundentes: éstos son óxidos alcalinos en proporción precisa: si es pequeña no forma estado vítreo; si es excesiva es demasiado soluble. El álcali (v. HIDRÓXIDOS), se sitúa entre los elementos de la red, acorta las cadenas y debilita las acciones intermoleculares, por lo que el producto se ablanda a menor temperatura, es menos resistente mecánicamente y más soluble. Incorporando a este sistema OCa, se atenúa el efecto debilitador del álcali y se consiguen v. prácticamente insolubles con temperaturas de ablandamiento aún menores. Los v. sodocálcicos de base SiO2-CaO-Na2O, forman el 90% de la producción total. Los óxidos de Na y Ca actúan como modificadores de red (fig. 2). A mayor contenido de sílice, mayor es la resistencia y menor el coeficiente de dilatación, pero se requiere mayor temperatura de trabajo. A mayor proporción de cal, menor solubilidad, pero mayor tendencia a la desvitrificación. Si aumenta la sosa, son menores la viscosidad y la temperatura de fusión, y mayor la solubilidad. Una combinación entre estas propiedades y las facilidades de fusión y moldeo nos darán los v. para los usos diversos: ventanas, espejos, botellas, bombillas, etcétera.

Vidrios especiales. Los v. sodocálcicos, preferidos por su bajo precio, no llenan algunas exigencias -v. refractarios, de laboratorio, ópticos, etc.-. Para mejorar sus propiedades se sustituyen parcial o totalmente los óxidos citados por otros de acción análoga. Como formadores de red se emplean B2O3, Al2O3, WO3, P2O5. El B origina v. silico-bóricos, de gran resistencia química y bajo coeficiente de dilatación -resistencia al choque térmico-, fácil trabajo con dosis bajas de álcalis, con lo que -se aumenta la resistencia química. El Al mejora también esta resistencia, y evita la desvitrificación, pero aumenta la viscosidad. Como modificadores se usan MgO, PbO, BaO, ZnO, K2O. El Mg evita la desvitrificación, el Pb mejora las propiedades ópticas -brillo, índice de refracción, dispersión-, pero disminuye la resistencia química; el K mejora la resistencia óhmica -electrónica, lámparas-; el Zn aumentó la fluidez sin perjudicar el coeficiente de dilatación. El papel de formador o modificador de red no es tajante, hay iones (v. IONIZACIÓN) intermedios que pueden actuar de una u otra manera. Según Zachariassen la atracción coulombiana interiónica depende del radio y la carga iónica:

Formadores típicos: P, B, Si.

Formadores frecuentes: Ti, Al, Fe, Zr.

Intermedios: Mg, Zn, Fe.

Modificadores típicos: Ca, Pb, Na, K.

Materias primas de la industria vidriera. Para las mezclas se parte, por lo general, de los óxidos correspondientes. A veces se usan productos que a la temperatura del baño originan el óxido y restos volátiles, p. ej., Al(OH)3, BO3H3, B4O7Na4, 1OH2O, CO3Na2, CO3K2, CO3Ca, F6AlNa3. Si se usan los sulfatos alcalinos, más baratos, hay que añadir carbón para facilitar la descomposición. La exigencia de pureza para las materias primas se limita a rechazar la presencia de impurezas que perjudiquen la masa vítrea por su insolubilidad en la misma o por coloración indeseada. El control ha de ejercerse sobre las materias naturales, como la arena, por su impurificación con hierro. Los v. ópticos, y, en particular, los transparentes al ultravioleta, exigen menos de 0,01% de Fe -en forma ferrosa-. Para conseguirlo se añade al baño C, Al o ácido oxálico. Puede disimularse un bajo contenido de Feo con oxidantes; el MnO2 se llamaba antiguamente "jabón de vidrieros" por oxidar el Fe2+ a Fe3+, de tono amarillo complementario de Mn2+, purpúreo.

También es materia prima el residuo de fusiones anteriores, desperdicios, etc. Su presencia en la frita (mezcla molida) favorece la fusión y protege los refractarios.

Fabricación de vidrio. Se funde una mezcla de materias primas; a continuación se procede al moldeo y estabilización de tensiones; por último, al acabado comercial: rotulado, pulido, tallado, etc.

Se dosifican previamente, por análisis, las materias primas y se muele bien la mezcla en molinos tubulares, con alimentación múltiple controlada: molienda y mezcla simultáneas. Para pequeñas producciones se utilizan hornos continuos; si son grandes, los hornos son discontinuos, con regeneradores de calor, por economía, y del tipo Martín-Siemens, con crisoles cubiertos de gran tamaño, hasta 1 t. de frita, aconsejados cuando el gas de combustión puede alterar el producto. Los v. de plomo, p. ej, son sensibles al SO2 y al CO2 de los gases de combustión Los continuos son de mejor rendimiento calorífico, y consisten en largas balsas o canales, con carga y descarga continua por los extremos opuestos (fig. 3); la carga funde primero a 1.300º-1.400° C, caléntandose por radiación-convección, poco a poco van disolviéndose los óxidos y homogeneizándose la masa, se desprenden las burbujas de aire y los gases de descomposición de las materias primas. P,ste es el periodo de afino, que a veces se facilita inyectando en la masa fundida vapor de agua, o se incorporan sustancias gasificables para que las burbujas grandes formadas engloben y arrastren a las pequeñas, más difíciles de eliminar, por ser su relación superficie/volumen muy grande y, por ello, también grande el rozamiento. El afino es la fase más lenta; en el horno, esta zona se alarga o se eleva en ella la temperatura (1.400°-1.500° C). Se prefieren los combustibles gaseosos a los líquidos, por no dejar cenizas y precalentarse fácilmente en los regeneradores. La calefacción eléctrica es cara y sólo se usa en v. ópticos. Es importante la elección de buenos refractarios -sílicoaluminosos- por la fuerte tensión química y térmica del proceso.

En los hornos continuos, la extracción es continua y automática. La materia afinada pasa a moldeo por soplado, por colada o por laminado, operaciones hoy totalmente mecanizadas. Para el moldeo hay que aprovechar el intervalo de enfrentamiento en que la viscosidad (v. ESTADOS DE LA MATERIA III) pasa de 103 poises a 108. Su amplitud depende de la composición y se puede modificar añadiendo a la frita algún flujo. Terminado el moldeo, los objetos se enfrían lentamente. Aun así, las tensiones debidas a la escasa conductividad calorífica los hacen demasiado sensibles. Para eliminarlas se practica un recocido, que consiste en calentar hasta conseguir una viscosidad de unos 1013 poises para que el v. conserve suficiente

rigidez y no se deforme y bastante blandura para distender la malla sin cristalizar. Es importante la velocidad de calefacción en el recocida, inversamente proporcional a los cuadrados del coeficiente de dilatación y del espesor de la pieza. También puede dárseles temple: un enfriamiento brusco controlado, para hacerles irrompibles al golpe, pero un rayado fuerte o un golpe bastante brusco desencadena las tensiones y los pulveriza. Los v. de "parabrisas son laminados templados que no se astillan, se pulverizan. Los laminados, finalmente, se someten a pulimento, para corregir y abrillantar sus caras (lunas de escaparate, espejos).

Métodos especiales de fabricación. Se han conseguido productos con 96% de sílice, sin operar a alta temperatura. Es el caso del v. Vycor, muy utilizado, por su gran resistencia química y a los choques térmicos, en el laboratorio y la cocina. Con una frita muy fusible de sílice, sosa y ácido bórico, se moldean los objetos del modo usual; la masa vítrea se segrega en una fase boro-silícea y otra boro-sódica. Enfriada a 100º, se somete a un baño ácido -ClH 3N,SO4H25N- que disuelve la fase alcalina, quedando un esqueleto de la fase boro-silícea. Un nuevo recocido cierra los poros. Este v. parece tener propiedades superiores al Pyrex y muy semejantes al cuarzo.

El v. óptico es muy delicado y obliga a evitar contaminaciones por los recipientes y los combustibles. Supone también una rigurosa homogeneidad de la masa en composición y velocidad de enfriamiento. A veces se funde en crisoles de platino. Su baja conductividad calorífica impone enfriamientos lentísimos, tanto mayores cuanto más grande sea el bloque.

Vidrios especiales. Añadiendo a la frita diversos óxidos o metales se consiguen vidrios coloreados con tonos variables según la base y el grado de dispersión que alcance el aditivo. Si la dispersión es coloidal, el color es por difracción, determinando el tono el tamaño de las partículas dispersas. Otras adiciones determinan la permeabilidad y la absorbibilidad de los v. para determinadas radiaciones -v. atérmanos o transparentes al ultravioleta-. Los v. opacos resultan de la adición de criolita, espato flúor, ceniza de huesos u otras sustancias adecuadas. Los v. de seguridad son un emparedado de una lámina de plástico transparente -alcohol polivinílico, celuloide- entre dos láminas de vidrio. La resistencia de los laminados mejora mucho con temples especiales. Así, las lunas Armour se templan en corriente de aire con un gradiente determinado de temperatura y poseen una resistencia al impacto muy superior a la normal. Un temple en baños de silicona a más de 200° eleva enormemente la resistencia a la flexo-tracción. Parece que la silicona suelda las microfisuras superficiales del v., responsables de que la resistencia sea siempre inferior a la calculada teóricamente.

Esmaltes. Los esmaltes (v.) son v. opacos y coloreados, con una fusibilidad y un coeficiente de dilatación compatibles con el metal, porcelana o v. que han de recubrir. Sus características varían según se pretendan efectos artísticos o de protección.

Vidrio soluble. Con una frita de sosa o sulfato sódico y sílico se obtienen v. que no tienen aplicación como tales por ser solubles, pero con aplicación a las industrias de papel y cartón (encolante), de jabones (ahorro de grasa), de esmaltes, para riegos antipolvo, para conservación de madera, impermeabilización de hormigón, para preparar gel de sílice, etc. La fusión es análoga a los v. de construcción. La colada se muele después de fría y así se expende. Disuelta en agua origina el v. soluble o v. líquido.

A. VIÁN ORTUÑO, J. M. BRUSI GARCÍA-AMADO.

BIBL.:E. A. HAUSER, Silicio Science, Nueva York 1955;J. HOME DICKSONN, Glass. A handbook for students and technicians, Londres 1951; C. J. PHILLIPS, El vidrio, su historia, tecnología y aplicaciones, Barcelona 1948.