LECCION 9.- VIDRIO / TIPOS DE VIDRIOS. 1.

LECCION 9.- VIDRIO / TIPOS DE VIDRIOS.
1.- Introducción.
Una carga de vidrio comercial puede llegar a constar de una mezcla de siete a doce materias primas
diferentes, pero en general esta formada por cuatro a seis , elegidos de materiales como la arena, la piedra
caliza, la dolomita, la ceniza de sosa, el ácido bórico, el bórax, materiales feldespáticos y compuestos de
plomo y bario. Además de estos, en la mayor parte de las cargas comerciales, es común que se incluya vidrio
de desecho en la cantidad de 15 – 30 %. El vidrio de desecho se compra o se obtiene de la práctica de
producción normal.
La lista que se va a dar refleja las composiciones aproximadas y propiedades más significativas de los tipos
principales de vidrio. Se dan los porcentajes en peso de los óxidos y elementos principales. Las
propiedades detalladas dependen de la composición exacta y pueden ser sensibles a cambios pequeños en
las materias primas secundarias.
2.- Composición de los vidrios.
La constitución química de los vidrios puede representarse por la formula general:
Anhidrido + MO + M'20
El anhidrido es el SiO2, que puede reemplazarse en mayor o menor grado por B2O3, TiO2, P2O5 o As2O3. Los
metales monovalentes ( M´) son generalmente el Na y K, y los divalentes ( M) Ca, Ba, Mg, Pb, Zn, Cu o
Zr.
El vidrio no puede expresarse correctamente por medio de fórmulas, por variar sus componentes entre
límites más o menos amplios El vidrio ordinario puede responder a una formula aproximada:
 1
2.5SiO2 .   CaO. 5Na2O
2
El vidrio de ventanas se representa por la fórmula: 5SiO2 .CaO .Na2O
y el cristal por la siguiente: 6SiO2 .PbO .K2O
A continuación se da la relación de los distintos tipos de vidrios.
3.- Vidrio de sílice pura.
SiO 2: 99.5% +
Utilizado principalmente por su baja expansión térmica, alta temperatura de servicio y, cuando es muy puro,
por su transparencia a un amplio rango de longitudes de onda en el espectro electromagnético y a las ondas
sonoras (Alta transmisión espectral). También tiene buena resistencia química, eléctrica y dieléctrica. Su
desventaja es la muy elevada temperatura necesaria para su fabricación, aun cuando se puede producir por
hidrólisis del SiCl4, pero en cualquiera de los dos casos es caro.
Se usa para los espejos ligeros para los telescopios transportados por satélites, reflectores de rayos láser,
crisoles especiales para la fabricación de cristales sencillos puros de sílice para transistores y como un tamiz
molecular que deja pasar el hidrogeno y el helio.
4.- Vidrio de 96 % de sílice.
SiO 2 : 96%
B2O3 : 3%
Producido al formar un articulo, mas grande que del tamaño requerido, a partir de un vidrio especial de
borosilicato, lixiviando los ingredientes que no son silicato con ácido y dando un tratamiento a alta
temperatura para contraer el articulo y cerrar los poros. Buenas propiedades térmicas; temperatura de
servicio mas elevada y coeficiente de expansión mas bajo que los de cualquier otro vidrio, excepto el de sílice
pura. Es más caro que el vidrio de borosilicato.
Se usa para los conos de nariz de los misiles, lunas de las ventanas de los vehículos espaciales y de túneles
aerodinámicos y algunos artículos de vidrio para laboratorio en donde se necesita una resistencia especial al
calor ( sistemas ópticos en dispositivos espectrofotométricos).
5.- Vidrio de sosa, cal y sílice.
SiO 2 :
Na 2O:
CaO:
70 %
15 %
10 %
La adición de sosa (Na2O) y, a veces, potasa (K2O) y de CaO a la sílice baja el punto de ablandamiento en
800-900 °C (desde 1600 °C hasta alrededor de 730 °C ), por lo que es más fácil su fabricación. A este tipo
de vidrios se les adiciona entre 1 y 4 % de MgO para prevenir la desvitrificación y también se les incorpora
de 0.5 a 1.5 % de alúmina para aumentar su duración aumentando su resistencia química. Las propiedades
eléctricas pueden variar ampliamente con la composición.
Son los vidrios de fabricación más corrientes y constituyen alrededor del 90% de todo el vidrio producido.
Se utilizan para vidrios planos, objetos prensados y soplados y productos ligeros para los que no se precise
una alta resistencia química y una alta resistencia al calor, como ventanas, frascos, bombillas eléctricas, etc.
El "crownglass" es de este tipo, aun cuando el crownglass óptico moderno suele contener oxido de bario, en
lugar de cal.
6.-Vidrio de plomo, álcali y silicato.
SiO2:
PbO:
Na2O y/o K2O:
30 – 70 %
18 – 65 %
5 - 20 %
El oxido de plomo es normalmente un modificador de la red de sílice, pero puede actuar además como un
formador de red. Los vidrios al plomo con alto contenido en oxido de plomo, son de baja fusión y se utilizan
para soldar vidrios de cierre hermético. El óxido de plomo además de reducir el punto de ablandamiento,
incluso más que la cal, también incrementa el índice de refracción y el poder dispersor.
Las composiciones varían dentro de un amplio rango, así un vidrio de alta resistencia eléctrica contiene
alrededor de 2 5 % de PbO y 6 o 7 %, tanto de Na2O como de K 2O, sin embargo para que tengan un
elevado índice de refracción, el contenido de PbO puede ser del 65 %.
El vidrio flint, para fines ópticos y el vidrio "cristalino", para las vajillas, son vidrios al plomo. También
se utilizan para tubos de termómetros, piezas de lámparas eléctricas y tubos de anuncios de neón. Tienen gran
densidad y se utilizan para proteger de la radiación de alta energía y para ventanas de radiación -absorben
los rayos X-, carcasas de lámparas fluorescentes y lámparas de televisión. El principal inconveniente que
presentan estos vidrios es el de ser más blandos que los de sodio y calcio.
Por sus altos índices de refracción, los vidrios al plomo se emplean para algunos vidrios ópticos y para
vidrios decorativos, ya que dan lugar a vidrios brillantes y con buena sonoridad. Cuando el contenido en
oxido de plomo es superior al 24 %, reciben, de forma inadecuada, el nombre de cristal.
7.-Vidrio de borosilicato.
SiO2:
B2O3:
Al 2O3:
60 – 80 %
10 – 25 %
1–4%
La sustitución de óxidos alcalinos por oxido de boro en la red vítrea de la sílice da lugar a vidrios de más
baja expansión térmica. 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.
Tiene baja expansión térmica, alrededor de un tercio de la del vidrio a la sosa y cal, se puede hacer con buena
resistencia química y una elevada resistencia dieléctrica y se usa en donde se necesitan combinaciones de
estas dos propiedades. Su elevada temperatura de ablandamiento lo hace más difícil de trabajar que los
vidrios a la sosa y cal y al plomo. Se utiliza para utensilios de vidrio para laboratorios, tubería industrial,
termómetros para temperaturas elevadas, espejos de telescopios grandes, utensilios domésticos para cocina,
como los "Pyrex", bulbos para lámparas muy calientes y tubos electrónicos de alto wattiaje.
Los vidrios borosilicatados (vidrios Pyrex) tienen buena resistencia al choque térmico (pequeños
coeficientes de dilatación térmica) y buena estabilidad química y se usan ampliamente en la industria
química para equipos de laboratorio, tuberías, hornos y faros de lámparas reflectoras.
8.- Vidrio de aluminosilicato.
SiO2:
Al2O3:
CaO:
B2O3:
5 - 60 %
20- 40 %
5 - 50 %
0 - 10 %
Otro vidrio de baja expansión y químicamente resistente que tiene una temperatura de servicio mas elevada
que el vidrio de borosilicato pero que, de manera correspondiente, es mas difícil de fabricar. Se usa para tubos
de alto rendimiento de aplicación militar, tubos para ondas viajeras y para muchas aplicaciones semejantes
a las del vidrio de borosilicato.
El vidrio de aluminosilicato sin boro es especialmente resistente a los álcalis. Casi lodos los utensilios de
vidrio para laboratorio se fabrican de vidrio de borosilicato, de vidrio de aluminosilicato o de un vidrio
conocido como de aluminoborosilicato, que contiene cantidades muy aproximadamente iguales de Al2O3 y
de B2O3. La elección depende de la aplicación, de este modo, el de aluminosilicato se usa para aplicaciones a
temperaturas elevadas o cuando se necesita un vidrio resistente a los álcalis. El de aluminoborosilicalo es ligeramente mejor que el de borosilicato respecto a la resistencia química pero tiene una expansión térmica un
poco mayor.
9.- Vidrios ópticos.
En la tabla 9.1 se dan las composiciones aproximadas en porcentaje en peso de unos cuantos vidrios ópticos.
También se dan el índice de refracción, nD, y la constringencia, V. Los valores V se dan en orden descendente
porque, para un tipo particular de vidrio, suelen disminuir a medida que nD crece.
Tabla 9.1.- Tipos de vidrios ópticos.
TIPO VIDRIO
SiO 2
(%)
B2O3
(%)
Na2O
(%)
K2O
(%)
Crownglass ligero al bario
(nD = 1.54 - 1.55 , V = 63 - 59)
45 - 50
3-5
1
7
Crownglass denso al bario
(nD = 1.58 - .66 , V = 60 - 50)
30 - 40 10 - 15
BaO
(%)
ZnO
(%)
20 - 30 10 - 15
10 - 15
PbO
(%)
Al2O3
(%)
0-5
0 - 10
10
Vidrio flint muy ligero
(n D = 1.54 - 1.55 , V = 47 - 45)
60
8
27
Vidrio flint muy denso
(nD = 1.6 - 1.9 , V = 34 - 20)
20 - 40
0 - 10
50 - 80
10.- Vidrios especiales.
En la tabla 10.1 se dan las composiciones aproximadas en porcentaje en peso de algunos vidrios inorgánicos
menos comunes. Algunos han sido desarrollados para aplicaciones especiales; otros resultan interesantes
debido a sus ingredientes desacostumbrados.
Tabla 10.1.- Tipos de vidrios especiales.
TIPO
VIDRIO
SiO2
(%)
Vidrio de alto
contenido de plomo
para la absorción de
rayos gamma o de
rayos X.
Asimismo, un vidrio
flint muy denso.
Vidrio de telurita de
índice de refracción
(alrededor de 2.2) y
constante dieléctrica
(valor estático
alrededor de 25) muy
elevados
Vidrio óptico con
elevada refracción
y baja dispersión
(nD = 1.68 , V = 58).
Na2O
(%)
K2O
(%)
36
Vidrio sin sodio para
lámparas
de descarga de vapor
de sodio
Vidrio de fosfato
con alta
resistencia al HF
Vidrio "soldadura
suave" con
temperatura de
transformación por
debajo de 400 ºC.
Vidrio "Lindemann"
con baja absorción de
rayos X. Todos los
átomos metálicos
tienen
números atómicos
bajos
Vidrio absorbente de
neutrones
con alto contenido de
cadmio.
B2O3
(%)
Vidrio de
calcogenuro
bidielectrico
transparente al
infrarrojo.
Vidrio elemental
(consistente en un
elemento puro)
ZnO
(%)
PbO
(%)
27
10
5
15
Al2O3
(%)
MgO
(%)
27
10
18
16
P2O5
(%)
BeO
(%)
Li2O
(%)
2
15
CaF2
(%)
64
8
TeO2
(%)
V 2O 5
(%)
La2O3
(%)
Tm2O3
(%)
20
20
64
26
2
20
CdO
(%)
72
83
80
6
40
14
80
20
5
Vidrio semiconductor
de vanadato
Vidrio de calcogenuro
semiconductor
transparente al
infrarrojo.
BaO
(%)
As : 44%
(1) As 2S3 : 100%
10
Te : 24%
;
85
I : 32%
(2) As : 40% , Ti : 20% , S : 40%
S : 100 %
Vidrio fotosensible al
rubi-oro
Si O 2: 72 % , Na 2O : 17 % , CaO : 11 % , Au: 0.02 % , Se : 0.04 %
Vidrio fotocrómico
S i O 2: 60 % , Na2O: 10 % , Al 2O3 : 10% , B2O3: 20 % , Ag : 0.6 % , Cl : 0.3 % , Li2O : 0.9 %
11.- Composición y propiedades de algunos vidrios comerciales.
En la tabla 11.1 se recoge la composición de algunos tipos de vidrios más importantes.
Tabla 11.1.- Composición y característica de algunos vidrios comerciales comunes.
En la tabla 11.2 se recoge un conjunto de propiedades de dos tipos de vidrios. En ella se puede ver que un
vidrio común de ventanas, que tiene 70 % de sílice, por lo que esta muy modificado, es sencillo trabajar con
el a 700 °C. Sin embargo el vidrio Pyrex, con 80 % de sílice, tiene menor cantidad de modificadores, mejor
resistencia al choque térmico (ya que su expansión térmica es menor), pero es más difícil trabajar con el, ya
que requiere una temperatura superior a los 800 °C.
Tabla 11.2.- Algunas propiedades de los vidrios más característicos.
Como curiosidad, en la figura 11.1 puede verse un vidrio con cristales líquidos, en la que se da su
composición, su funcionamiento y uno de sus posibles usos.
VIDRIOS CON CRISTALES LIQUIDOS
Composición de base
Funcionamiento
vidrio
ON
OFF
films intercalarios
film con cristales
líquidos
TRASLUCIDO
TRANSPARENTE
film PET
capa ITO
matriz polímero
CRISTALES LIQUIDOS
ON
?
??
OFF
Figura 11.1.- Vidrio con cristales líquidos. Principio de funcionamiento.Usos.
Finalmente, en la tabla 11.3 se dan los vidrios no convencionales, con sus propiedades y usos.
Tabla 11.3.- Vidrios no convencionales. Propiedades y usos.
VIDRIOS NO CONVENCIONALES ( I )
COMPONENTES
ESPECIFICOS
DENOMINACION
PROPIEDADES
DESTACABLES
- Calcogenuros
VITRO-CERAMICOS - TiO2, ZrO 2
- Fluoruros alcalinos
VITRO-CRISTALINOS - ZnO, Al2 O3
- Comp. de Plata
VIDRIOS PARA LA
ELECTRONICA
- Pb O
- Ba O
- Sr O
- Resistencia química y mecánica
- Bajo coef. dilatación
- Indice de refracción
- Conductiv. eléctrica
- INDUSTRIA ESPACIAL
- USO DOMESTICO y de LABORATO.
- LENTES ASTRONOMIA
- SEMI-CONDUCTORES
- DPTO. ELECTRONICA
- Aislamiento eléctrico
- Bajas pérdidas dieléctricas
- Impermeabilidad a los gases
- Alto coeficiente de dilatación
- TUBOS DE TV y ORDENADORES
- EQUIPOS de RAYOS X
- TUBOS y LAMPARAS A.T.
- Exentos de impurezas de- Tansparencia en el IR
V. TRANSPARENTES H 2O, C, S H 2
al IR
- Se, As, Ge
- Mo, Si O2
V. FOTOCROMICOS
- Halogenuros de Ag, Cu, - Cambio de transmision en el VIS
por la acción del UV ó NIR.
Cd, otros
- Reversibilidad
- Sistema MULTICAPA
- Cambio de transmisión en el VIS
V. ELECTROCROMICOS VIDRIO/ITO/WO3 /electr. por acción eléctrica.
- Reversibilidad
- PbO
V. para TECNOLOGIA - CeO2
- B 2 O3, CdO
NUCLEAR
- Absorción de radiaciones X y Y
- Estabilidad térmica, mecánica,
óptica y química
FIBRAS OPTICAS
VIDRIOS PARA LASERS
VIDR. CONDUCTORES
de ELECTRONES
VIDRIOS METALICOS
VIDRIOS POROSOS
VIDRIOS
SUPERCONDUCTORES
V. ELECTROLITOS
SOLIDOS
OXI-NITRUROS
- VIDRIOS OFTALMICOS
- PANTALLAS de PROTECCION
- CONSTRUCCION ?
- ESPEJOS de REFLEXION VARIABLE
- CONSTRUCCION / AUTOMOVIL
- DISPLAYS
- EQUIPOS de RAYOS X
- VENTANAS de REACT. NUCLEARES
- ENCAPSULACION de DESECHOS
RADIOACTIVOS
- Estabilidad química
- Resistividad mecánica
- Compatibilidad con tejidos
-K2 O
- P2 O5
- Reactividad química controlada - V. NUTRITIVOS PARA LA AGRICULT.
- Solubilidad lenta
(ABONOS de LARGA DURACION)
- FRIBRAS INOCUAS
- Zr F4
- Hf F4
- Ba F2
- M F 3 (M = Al, La,)
- Baja atenuación óptica
(< 0,2 dB/Km)
- Gran pureza
- Oxidos de Er, Yb, Nd, ,.. - Emisión a baja frecuencia
- Pureza
- Ef. de Luminiscencia
- IMPLANTACIONES OSEAS
- PROTESIS
- GUIAS de ONDAS
- TELECOMUNICACIONES
- EQUIPOS (MEDIC., INDUSTRIA, etc.)
- OPTOELECTRONICA
- AMPLIFICACION LUMINOSA
- FUENTES LASER (MEDIC., INDUST.)
- TELECOMUNICACIONES
- DEFENSA
- V 2 O5
- P2 O 5
- Baja resistencia eléct.
- EQUIPOS ELECTRONICOS
(10 4 Ω cm a tª normal)
- Cambio de conductividad para
ciertos valores de V.
- Oxidos metálicos
(Pb, Fe, Ni, Cr)
- Metales
- Flexibilidad
- Alta resist. mecánica
- Conductividad eléctrica
- INDUSTRIA
- Separación de fases en - Microporos de dimensión
vidrios de P2 O5 , B2 O3 , controlada
SiO 2
- Lixiviación
- MEMBRANAS MICROPOROSAS INERTES
- INDUSTRIA QUIMICA
- DESALINIZACION AGUA del MAR
- MEDICINA
- V. microporosos como - Alta conductividad
soporte de Aleaciones - Magnetismo remanente
superconductoras
(Bi-Pb)
- INVESTIGACION NUCLEAR
- INDUSTRIA ELECTRICA
(TRANSFORM., REGUL.)
- ELECTRONICA
- Calcogenuros
- BATERIAS
- Alta conductividad
+
- Fluoruros con Ag , Li
- B 2 O3, P 2O 5
V. para CONVERSION - Si amorfo dopado
FOTOVOLTAICA
VIDRIOS SIALON
- VISION NOCTURNA
- EQUIPOS de TELEDIRECCION
- P2 O5
BIO-VIDRIOS
V. DEGRADABLES
UTILIZACION
+
- ELECTRODOS de IONES
- Transform. energía luminosa
en eléctrica
- Si3 N 4 - SiO 2
- Dureza
(Al 2 O3 - Li2 O - La 2O3 ) - Resist. mecánica
- Resist. química
VIDRIOS obtenidos - Alcóxidos metálicos
(+ const. vidrio)
por SOL-GEL
- CONVERSION de ENERGIA SOLAR
- APLICACIONES DIVERSAS
- Vidrios diversos
- RECUBRIMIENTOS, CAPAS
(a baja temperatura)
- VIDRIOS PUROS
Obtenc.. de compos. no fusibles - TODAS APLICACIONES