EL VIDRIO
¿ Qué es el vidrio ?
El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza, aunque también puede ser producido por el ser humano. El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es una materia amorfa, por lo que no dispone de una estructura cristalina. Es por ello que las partículas que forman este material están desordenadas o ordenadas al azar. Su estado concreto es líquido muy viscoso, llamado VÍTREO, A + t ª + viscoso, hasta llegar a sólido en frío. Por lo tanto, aunque tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas (sólida, líquida y gaseosa), nuevos medios de investigación han puesto al descubierto durante el siglo XX otras formas o Estados en que se puede presentar la materia, y una de ellas es el estado en que se encuentra el vidrio; el estado vítreo (o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido, sin serlo),que no presenta una ordenación interna determinada (como ocurre con los sólidos cristalinos) pero en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera aleatoria.
El vidrio se obtiene a unos 1500 °C a partir dearena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).
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 están dispuestas de forma irregular) y no un sólido cristalino.
Estado
– Estado cristalino: Su disposición es ordenada geométricamente y periódica formando una red perfectamente definida. Además la temperatura a la que la fase cristalina coexiste en equilibrio con la fase fundida. Y por último decir que la viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura.
-Estado vítreo: No poseen ordenación reticular con un ordenamiento de corto alcance. Aparentemente son sólidos a temperatura ambiente dada su rigidez mecánica y estabilidad de forma. Carecen de punto de fusión, el cual es el paso reversible entre estado fundido y estado rígido o congelado. Viscosidad inversamente proporcional a la temperatura.
Composición del vidrio
La fabricación del vidrio se obtiene a partir de elementos naturales no reciclados, es por ello que se mezclan y se funden los siguientes componentes:
-Sílice: es el principal componente del vidrio (más de un 60%), y se obtiene a partir de la arena.
-Carbonato o sulfato de sodio o de potasio: sirve para que el sílice funda a menor temperatura.
-Piedra caliza: su función es estabilizar la mezcla y darle durabilidad. Añadiendo otros ingredientes se puede dar al vidrio determinadas propiedades físicas y características según las aplicaciones técnicas a las que se quiera aplicar.
Tipos de vidrio
– Vidrio templado
El templado térmico del vidrio le permite obtener gran resistencia mecánica. La mayoría de los vidrios que se fabrican para seguridad pasan el proceso de temple térmico. En este proceso, las piezas de vidrio ya poseen su forma definitiva antes de ingresar al horno de temple, puesto que después de haber sido templadas, no es posible realizar ningún tipo de corte.
El proceso de templado se realiza calentando los vidrios a una temperatura un poco más baja que la de ablandamiento y luego se enfrían bruscamente mediante chorros de aire frío por su superficie.
Ésto hace que la placa de vidrio quede sometida a fuerzas externas de compresión mientras que internamente aparecen fuerzas de tracción. El templado otorga al vidrio mayor resistencia mecánica y de seguridad pues si llega a la rotura, se parte fragmentándose en pequeños trozos sin astillarse.
– Vidrio laminado
El vidrio laminado se compone de dos o más vidrios simples unidos entre sí mediante láminas plásticas que poseen muy buena adherencia, transparencia, resistencia y elasticidad.
La lámina de butiral absorbe las radiaciones ultravioletas y ofrece ventajas acústicas pues atenúa el fenómeno de resonancia.
Una de las características más relevantes de este tipo de vidrio es su alta resistencia al impacto y la penetración, motivo por el cual se lo utiliza para protección de personas y bienes.
En caso de rotura, la lámina plástica retiene por adherencia los fragmentos de vidrio, reduciendo así los riesgos de daños en caso de accidente.
– Vidrio flotado
El vidrio flotado consiste en una plancha de vidrio fabricada haciendo flotar el vidrio fundido sobre una capa de estaño fundido. Este método proporciona al vidrio un grosor uniforme y una superficie muy plana, por lo que es el vidrio más utilizado en la construcción. Se le denomina también vidrio plano, sin embargo no todos los vidrios planos son vidrios fabricados mediante el sistema de flotación.
– Vidrio aislante
Sus objetivos son aislar el calor. Tiene suficiente resistencia para aguantarlo sin ningún tipo de modificación y eliminar o limitar la probabilidad de que se transmita un incendio.
– Vidrio armado
El vidrio armado es aquel vidrio que se obtiene por el proceso de colado y se le incrusta en su interior una malla metálica en forma de retícula, de manera que, si se rompe, los pedazos de vidrio quedan unidos al alambre evitando su caída y que estos puedan producir lesiones. Esto hace que sea apto para zonas de riesgo y en donde se necesita una seguridad adicional, aunque no se trata de un vidrio antirrobos. Sin embargo, se desaconseja este tipo de vidrio si se expone a temperaturas extremas. Esto es debido a que la diferencia de comportamiento ante el calor o el frío es diferente en el vidrio y el metal, dando lugar a tensiones provocadas por la dilatación de ambos materiales que provocan la ruptura del vidrio.
Propiedades del vidrio
– Propiedades mecánicas
| Densidad |
2500 kg/m3
Un panel de 4 mm de espesor de vidrio pesa 10kg/m2
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| Dureza |
470 HK
La dureza del vidrio flotado se establece conforme a Knoop. La base es el método de ensayo dado en la norma DIN 52333 (ISO 9385).
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| Resistencia a la comprensión |
800 – 1000 MPa
La resistencia a la compresión define la capacidad de un material para soportar una carga aplicada verticalmente a su superficie.
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| Módulo de elasticidad |
70 000 MPa
El módulo de elasticidad se determina a partir del alargamiento elástico de una barra fina, o bien doblando una barra con una sección transversal redonda o rectangular.
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| Resistencia a la flexión |
45 MPa
La resistencia a la flexión de un material, es una medida que valora su resistencia durante la deformación. Se determina por ensayos de flexión en la placa de vidrio, utilizando el método del anillo doble, de acuerdo a la norma EN 1288-5. |
– Propiedades térmicas
| Rango de transformación |
520 – 550 °C |
| Temperatura para su emblandecimiento |
approx. 600 °C
Contrariamente a los cuerpos sólidos de estructura cristalina, el vidrio no tiene punto de fusión definido. Se transforma continuamente desde el estado sólido al estado plástico viscoso. El rango de transición se denomina rango de transformación y de acuerdo con DIN 52324 (ISO 7884), se encuentra entre 520 °C y 550 °C. El templado y el curvado, requieren una temperatura suplementaria más de 100 °C.
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| Calor específico |
0,8 J/g/K
El calor específico (en Julios) define la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de vidrio flotado en 1K. El calor específico del vidrio aumenta ligeramente la temperatura, que va aumentando hasta el intervalo de transformación.
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| Conductividad térmica: |
0,8W/mK
la cantidad de calor requerido para fluir a través del área de sección transversal de la muestra de vidrio flotado en el tiempo en que disminuye la temperatura. |
| Expansión termal |
9.10-6 K-1
Encontramos un diferente comportamiento en la expansión del cuerpo bajo efecto de calor, en caso de expansión lineal y expansión volumétrica. Con los cuerpos sólidos, la expansión volumétrica es tres veces el de la expansión lineal. El coeficiente de temperatura de expansión del vidrio flotado se administra de acuerdo a DIN 52328 e ISO 7991.
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– Propiedades ópticas
El vidrio tiene varios puntos fuertes en cuanto a sus propiedades ópticas:
– Puede ser producido en paneles grandes y homogéneos
– Sus propiedades ópticas no se ven afectadas por el paso del tiempo
– Esta producido con superficies perfectamente planas y paralelas
| Índice de refracción |
n = 1.52
Si la luz de un medio ópticamente menos denso (aire) se encuentra con un medio ópticamente más denso (vidrio), entonces el rayo de luz se divide en las interfaces de superficie. La medida de la desviación determina el índice de refracción. Para el vidrio flotado, este índice de refracción es n = 1,52.
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– Propiedades técnicas
| Resistencia frente: |
Agua = clase 3 (DIN 52296)
Ácido = clase 1 (DIN 12116)
Alcalino = clase 2 (DIN 52322 e ISO 695)
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La superficie de vidrio se ve afectada si se expone durante mucho tiempo a los álcalis (y a los gases de amoníaco) en combinación con altas temperaturas. El vidrio flotado también reacciona a los compuestos que contienen ácido fluorhídrico en condiciones normales. Estos se utilizan para el tratamiento de superficies de vidrio.
| Pruebas de desgaste: |
Ensayos de abrasión (DIN 52347 e ISO 3537) Se evalúa la dispersión de la luz que impacta directamente la superficie. |
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El aumento de la dispersión de la luz en el vidrio flotado es de aprox. 1% (después de 1 000 ciclos de abrasión). El aumento de la dispersión de la luz permitida para el vidrio de seguridad del vehículo (parabrisas) es de 2% en Europa (ECE R43) y EE.UU.(ANSI Z 26.1) .
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Proceso de goteo de arena (DIN 52348 e ISO 7991). Para esta prueba la abrasión por impacto diagonal, se hicieron gotear 3 kg de arena con un tamaño de partícula 0,5/0,71mm sobre la superficie a ensayar, con una inclinación de 45 y, desde una altura de 1600 mm. La medición del desgaste es la densidad luminosa reducida (según la norma DIN 4646 parte 2).
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La densidad luminosa reducida para el vidrio flotado es de aprox. 4cd/m2lux. |
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La dureza al rayado de vidrio flotado es de aprox. 0,12N
El ensayo se diseñó originalmente para determinar la dureza al rayado de los plásticos. Una punta de diamante con ángulo 50 y 15 mm de radio, se dibuja sobre la superficie del vidrio mediante la aplicación de diferentes cargas. La carga a la cual se produce un rasguño en la superficie, es una medida de la dureza al rayado. Esto no es un método preciso, debemos tener en cuenta la influencia del probador.
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¿ Cómo se elabora el vidrio ?
Para la elaboración del vidrio común se siguen las siguientes etapas:
a) Mezcla de la materia prima
Los componentes del vidrio se mezclan mecánicamente en las proporciones adecuadas, y por lo general se añade una cierta proporción de vidrio roto obtenida de mercadería defectuosa de la misma fábrica. Esta mezcla constituye una carga, la que se pasa por un separador magnético (para separar alambres, clavos, etc.), con la que se alimenta los hornos donde se obtiene el vidrio fundido.
Existen dos tipos de hornos: los hornos para crisoles y los hornos de cubeta u
hornos tanques.
b) Obtención del vidrio fundido
Se realiza en dos etapas sucesivas llamadas fusión y refinado o afinado. En la primera las materias funden y se combinan produciendo una masa que contiene mucho gas en su interior (dióxido de carbono). La temperatura es alrededor de 1300 ºC y las reacciones que ocurren no pueden afirmarse exactamente. En la etapa de refinación o afinación los gases contenidos se desprenden del vidrio fundido (la temperatura es aproximadamente de 1400 ºC) y los silicatos producidos se unen formando un silicato doble sódico-cálcico, que es el vidrio común.
c) Manufactura del vidrio
La manufactura del vidrio depende de si éste se elabora:
1) manualmente (a caña);
2) mecánicamente (por alimentadores o prensado).
METALES
Los materiales metálicos proceden de minerales que se encuentran en la corteza terrestre, normalmente en estado combinado (mezclados con otros elementos formando óxidos, arenas, silicatos, etc.) y en su forma más reducida. Los metales se obtienen de minerales, que son rocas naturales que contienen el metal que deseamos extraer junto con otros elementos químicos en distintas proporciones. Por lo tanto los metales no se encuentran en la naturaleza, tal como nosotros los conocemos, si no que es necesario procesar los minerales para obtener los metales. El proceso de extracción del metal de su mineral, cambia en cada caso, pudiendo hacerse bien en minas subterráneas o en explotaciones a cielo abierto. Cuando extraemos el mineral de la corteza, la parte que contiene el metal útil se denomina mena, mientras que el resto es lo que se denomina ganga, o parte no útil para la metalurgia.
Tipos de metales
– Ferrosos
Son los que contienen hierro. El hierro se obtiene a partir de minerales que contienen óxidos de hierro ( oligisto, limonita, magnetita o siderita ).
En estado puro es buen conductor de la calor y electricidad, pero con baja resistencia mecánica. Para aumentar estas propiedades se alea con carbono u otros metales obteniendo: hierro puro, aleaciones y fundiciones.
– No ferrosos
Son los que no contienen hierro. Estos metales y sus aleaciones son resistentes a la oxidación y a la corrosión, tienen cualidades especiales: facilidad para ser trabajado, ligereza, conductividad térmica y eléctrica etc.
En este apartado caben destacar metales como: aluminio, cobre, estaño, niquel, plomo, oro, plata…
Propiedades de los metales
1. Son buenos conductores del calor.
2. Son buenos conductores de la electricidad.
3. Son tenaces, pues aguantan los golpes sin romperse con facilidad, es decir, poseen la propiedad de la tenacidad.
4. Son resistentes a los distintos esfuerzos, pues soportan bien la compresión, flexión o tracción.
5. Son dúctiles y maleables en general, es decir, pueden transformarse en hilos finos o láminas con calor y presión debido a su gran plasticidad.
6. Son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio que es líquido.
7. La temperatura de fusión de los metales en general es alta, por encima de los 200 ºC.
8. Algunos presentan propiedades magnéticas, sobre todo los que contienen hierro (Fe).
9. Son pesados, es decir, presentan una gran densidad en general, salvo el magnesio o aluminio que son ligeros.
10. Son económicos, sobre todo el acero, de ahí su gran uso.
¿ Cómo se obtienen los metales ?
La mayor parte de los metales se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos, formando minerales metálicos.
Por ello, el primer paso en la obtención del metal consiste en localizar y extraer el mineral, que normalmente se encuentra en el subsuelo. A esta etapa corresponden los trabajos de minería.
La extracción de los minerales se realiza practicando minas subterráneas o a cielo abierto con la ayuda de grandes máquinas.
Como los minerales metálicos están mezclados con otros materiales, hay que triturar la roca extraída para separar el mineral metálico del resto de materiales.
Trabajo con metales
Con materiales metálicos podemos construir una gran variedad de piezas y objetos. Aquí tienes algunas de las operaciones con metales que se realizan más habitualmente:
| MARCAR Y TRAZAR |
Antes de realizar cualquier corte sobre un material metálico, debemos trasladar las dimensiones y la forma de la pieza deseada al material.
Para marcar y trazar las dimensiones y el contorno de la pieza se utilizan la regla, la escuadra de tacón, el compás de puntas y la punta de trazar. |
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| CORTAR Y SERRAR |
Para cortar o separar piezas metálicas se utilizan distintas herramientas según el tipo de piezas. Por ejemplo, se utiliza:
– La tijera de chapa, para cortar piezas de chapa delgadas.
– La sierra de arco, para cortar perfiles y tubos.
– El cortatubos, para cortar tubos de sección circular poco duros. |
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| TALADRAR |
Debido a la gran dureza y resistencia de los materiales metálicos, para perforar una pieza es necesario usar una taladradora. |
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| DOBLAR Y CURVAR |
Las chapas y varillas metálicas pueden cambiar su forma mediante operaciones de curvado o plegado.
Algunas piezas metálicas se pueden doblar directamente con las manos o con alicates. En ocasiones se utilizan objetos que facilitan el doblado sujetando la pieza con un tornillo de banco. |
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| LIMAR |
El corte de piezas metálicas deja bordes irregulares que se deben eliminar utilizando limas.
Existe una gran variedad de limas que se diferencian por su forma y por el tamaño de sus dientes cortantes. |
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Producción de los metales
PLÁSTICOS
Podemos definir un plástico como un material que es flexible, ligero, aislante de la electricidad y del calor y bastante resistente.
Además, podemos añadir pigmentos para dar color, aditivos para mejorar ciertas prestaciones.
Un plástico está formado por la unión de varias moléculas ( denominadas monómeros ) para dar lugar a otra mas grande, llamada polímero.
Esto es algo así como construir casas de distinto tamaño ( polímero ) basándonos en un elemento esencial, que es el ladrillo ( monómero ).
Para llegar al polímero se recurre al proceso polimerización por el cual , en un proceso térmico-químico se enlazan los monómeros para dar lugar a la cadena larga del polímero.
Para fabricar un plástico , es necesario enlazar los monómeros entre sí para formar el polímero. Este fenómeno se denomina reacción de polimerización.
¿ Cómo los obtenemos ?
Según la naturaleza del monómero base, tenemos dos tipos:
– Naturales: Los monómeros son derivados de productos de origen natural como la celulosa, el caucho o la caseína. Algunos ejemplos son:
De la celulosa tenemos por ejemplo el celofán.
La goma es un derivado del caucho.
– Sintéticos: Principalmente son los derivados del petróleo. El polietileno es un ejemplo de este tipo de plástico.
Propiedades de los plásticos
Como la familia de los plásticos es muy amplia, es normal que nos encontremos con características que difieren de uno a otros aunque , en general, las propiedades de todos ellos son muy similares.
– Aislantes de la electricidad: Los plásticos, a diferencia del cobre, no son buenos conductores de la electricidad. Esto le permite ser muy utilizado para recubrimiento de cables, entre otras aplicaciones.
– Conductividad térmica: Tiene la propiedad de conducir mal el calor y por ello se utilizan en objetos donde necesitamos que el calor no pase de un lugar a otro, como por ejemplo el calor de la sartén.
– Resistencia mecánica: Si tenemos en cuenta lo que pesa, podemos decir que los plásticos son muy resistentes. Por este motivo y cuando el peso es primordial ( naves, coches, etc ) se suelen usar junto a aleaciones metálicas para reducir el peso y, consecuentemente, bajar el consumo de energía.
– Combustibilidad: Debido a la presencia de Carbono e hidrógeno en la molécula del plástico , la mayoría de los plásticos arden con facilidad.
– Plasticidad: Un gran grupo de los plásticos tienen la capacidad de moldearse al aumentar la temperatura, sin pérdida de sus propiedades. Esto permite la fabricación de piezas complicadas.
– Se puede combinar con otros materiales: En la imagen de abajo , se representa una prótesis de una aleación metálica combinada con plástico. Otro ejemplo, es el poliéster reforzado con fibra de vidrio, utilizado para los vasos de las piscinas.
– Economía: Salvo algunos tipos, el plástico es un material muy barato.
Tipos de plásticos
– Termoplásticos
La característica principal de estos es que al aumentar la temperatura, puede moldearse, sin perder sus características principales. Se pueden reciclar, o sea, podemos tomar este tipo de plástico para fabricar otros objetos del mismo.
– Termoestables
En la fabricación se le aplica presión y calor para dar la forma definitiva del objeto ( Proceso de curado ). Esto hace que sean plásticos mas:
1. Rígidos.
2. Resistentes a las altas temperaturas
3. Frágiles.
Tienen el inconveniente que no pueden reciclarse aplicando calor.
– Elastómeros
Como su nombre sugiere, pueden estirarse y contraerse al ser sometidos a fuerzas externas. Las características principales son:
1. Son muy elásticos.
2. Se degradan a temperaturas medias ( Una goma para el pelo se vuelve pegajosa al darle el sol ).
3. No es reciclable por calor.
Un ejemplo de esta familia es un neumático de un coche, fabricado por caucho que puede ser natural o sintético. Para que la función del neumático sean óptimas, en la fabricación se pasa por un proceso de vulcanización, que a modo simplificado consiste en añadir azufre a la mezcla y su posterior calentamiento. Con ello conseguimos parar de una sustancia muy flexible y pegajosa, a otra con propiedades más interesantes y una mejoría sustancial en cuanto a dureza y durabilidad, incremento de la resistencia al ataque químico y, todo ello sin perder la elasticidad natural del material.
Pero este proceso no se detiene, sino que continúa de forma permanente una vez que el proceso de fabricación ha terminado. Según los factores externos ( temperatura, luz, presión, etc ) el proceso seguirá mas o menos rápido. Todo ello lleva a un proceso de cristalización del caucho que lo hace peligroso para el vehículo.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.salleurl.edu/tecnologia/pdf/teoria/primerC/14.pdf
http://www.saint-gobain-sekurit.com/es/glazingcatalouge/propiedades-del-vidrio
http://www.ieslaaldea.com/documentos/tecnologia/resumenmetales.pdf
http://www.ehu.eus/zorrilla/juanma/T7Metales.pdf
http://www.iestiemposmodernos.com/depart/dtec/Recursos/metalesnoferrosos.pdf
http://www.librosvivos.net/smtc/hometc.asp?TemaClave=1079
https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2011/09/plasticos-tejina.pdf
formando óxidos que se encuentran en los minerales. Por ejemplo, la Hematita es un mineral que contiene óxido férrico ( Fe2O3 ) con algunas trazas de otros minerales como aluminio, magnesio, etc. Otro mineral usado para obtener el hierro es la magnetita.
La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades. Veremos el caso del acero.
Para ello usamos un horno convertidor.
