Propiedades del Vidrio
Las propiedades del vidrio común son una función tanto de la naturaleza de las materias primas como de la composición química del producto obtenido. Esta composición composición química se suele representar representar en forma de porcentajes porcentajes en peso de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos químicos que lo forman. Las composiciones de los vidrios se establecen en la tabla adjunta. Intervalos de composición frecuentes en los vidrios comunes Componente
Desde ... %
... hasta %
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K 2O SO3
68,0 0,0 0,0 9,0 0,0 10,0 0,0 0,0
74,0 4,0 0,45 14,0 4,0 16,0 4,0 0,3
El vidrio cuenta con propiedades físicas y mecánicas. Propiedades Físicas:
Son las propiedades inherentes al vidrio propiamente dicho. •
Densidad:
La densidad, definida como el resultado de la masa entre el volumen, es otra propiedad de los vidrios que ha sido muy estudiada. Depende de facto factores res co como mo la temp temper erat atur ura, a, la pres presión ión a la que que está está somet sometido ido y la composición. la densidad aumenta al incrementar la concentración de óxido de calcio (CaO) y de titanio (TiO 2), mientras que cuando se eleva la cantidad de alumina (A12O3) o de magnesia (MgO) la densidad disminuye. La densidad del vidrio es de 2 500 Kg/m3, lo cual le otorga a un vidrio plano un peso de 2,5 Kg/m2 por cada mm de espesor •
Punto de Ablandamiento:
Define la temperatura en la que un vidrio se alarga bajo su propio peso de acuerdo a parámetros empíricos. En algunos vidrios comunes este punto se encuentra en los 719 ºC. •
Conductividad Térmica:
El vidrio es un mal conductor de calor por lo que práctico para el aislamiento térmico.
Lambda = 1,05 W/mK. La diferencia para diferentes tipos de vidrio es lo suficientemente pequeña como para considerarla despreciable. •
Dureza:
La dureza superficial del vidrio (resistencia a ser rayado) evaluada siguiendo el método de MOHS es de 6,5. Es decir aproximadamente igual al cuarzo. •
Resistencia al Choque Térmico:
La resistencia al choque térmico está íntimamente relacionada a su tenacidad, a su conductividad y dilatación térmica y a su resistencia a la tracción. Las fisuras se producen cuando las tensiones internas ocasionadas por la dilatación o contracción térmica del vidrio superan su resistencia a la tracción. Un vidrio de 6mm de espesor, calentado a una mayor temperatura y sumergido en agua a 21ºC, romperá con una diferencia de temperatura del orden de los 55ºC. Un vidrio templado lo hará con un diferencial de temperatura del orden de los 250ºC. Coeficiente de Dilatación Lineal:
Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura experimentando una dilatación térmica. Es el alargamiento experimentado por la unidad de longitud al variar 1ºC su temperatura. Para el vidrio entre 20 y 220ºC de temperatura, dicho coeficiente es de 9x10-6 . Por ejemplo: un vidrio de 2 000 mm de longitud que incremente su temperatura en 30ºC, sufrirá un alargamiento de 2 000 (9 x 10-6) 30 = 0,54mm
Material
Madera (pino) Ladrillo Vidrio Hierro Aluminio
Coeficiente Dilatación
deRelación aprox.
4 x 10-6
0,5
5 x 10-6 9 x 10-6 12 x 10-6 23 x 10-6
0,5 1,0 1.4 2.5
Propiedades Mecánicas:
Son las propiedades con respecto a su desempeño. •
Elasticidad:
Los vidrios por debajo de su temperatura de relajación presentan un intervalo de deformación elástica ideal que termina con la fractura frágil espontánea al sobrepasar el límite de elasticidad. En lo referente al módulo de elasticidad, podemos decir que es tanto mayor cuánto más fuertes sean los enlaces. En el caso de la sílice este módulo alcanza 710kbar, pero claro no todo es sílice. Módulo de Young Es el coeficiente que relaciona el alargamiento D l que experimenta una barra de vidrio de longitud l y sección S sometida a una fuerza de tracción F Para el vidrio plano: E = 7,3 X 105 Kg/cm2 •
Coeficiente de Poisson
Es la relación entre la deformación lateral (contracción) y la longitud (alargamiento) cuando se aplica al vidrio un esfuerzo de tracción. En el vidrio común m = 0,22 •
Resistencia a la Tracción:
Varía según la duración de la carga y oscila entre 300 y 700 Kg/cm2. Para cargas permanentes, la resistencia a la traccion del vidrio disminuye en un 40%. A mayor temperatura menor resistencia a la traccion. •
Resistencia a la compresión
El vidrio tiene una resistencia a la compresión muy alta, su resistencia promedio a la compresión es de 1000 MPa; lo que quiere decir que para romper un cubo de vidrio de 1 cm por lado es necesaria una carga de aproximadamente 10 toneladas. La figura 7 indica los distintos porcentajes de compresibilidad para los distintos vidrios dependiendo de las temperaturas. La resistencia del vidrio es muy elevada, aproximadamente 10 000 Kg/cm2 •
Flexión:
La flexión de los vidrios es distinta para cada composición del vidrio. Un vidrio sometido a flexión presenta en una de sus caras esfuerzos de comprensión, y en la otra cara presenta esfuerzos de tensión (Ver figura 8). La resistencia a la ruptura de flexión es casi de 40 Mpa (N/mm2) para un vidrio pulido y recocido de 120 a 200 Mpa (N/mm2) para un vidrio templado (según el espesor, forma de los bordes y tipos de esfuerzo aplicado). El elevado valor de la resistencia del vidrio templado se debe a que sus caras están situadas fuertemente comprimidas, gracias el tratamiento al que se le somete.
•
Viscosidad:
La viscosidad en un vidrio es otra propiedad de importancia práctica en todas las etapas de preparación porque de ésta depende la velocidad de fusión. Podríamos definir la viscosidad como la resistencia que presenta un líquido a fluir, y el vidrio es un liquido sobre enfriado. La resistencia a fluir se debe a la atracción entre las moléculas, por lo que es una medida de su fuerza. Propiedades Térmicas •
Calor Específico
Se define como el calor necesario para elevar una unidad de masa de un elemento un grado de temperatura. En los vidrios el calor específico es de 0,150 cal/g °C aproximadamente. •
Conductividad Térmica
La conductividad térmica del vidrio es de aproximadamente 0,002 cal/cm seg. °C. Cifra mucho más baja que la conductividad de los metales, no obstante el vidrio tiene una variable que no se aplica a los demás materiales, la radiación causada por el almacenamiento de luz infrarroja y ultravioleta, la cual es muy variable y puede provocar en ocasiones que el vidrio transmita el calor de manera mucho más efectiva que los metales, es por esto que esta característica es raramente tomada a consideración para el diseño. Propiedades Eléctricas
Para las propiedades eléctricas se manejan en lo vidrios dos medidas en especiales las cuales son: La constante dialéctica y la resistividad eléctrica superficial. La resistividad eléctrica superficial, es la resistencia que presenta el vidrio al paso de la corriente eléctrica, la cual es muy alta en este material, 108 veces más alta que en el cobre, lo cual hace al vidrio muy popular en el diseño de partes y máquinas eléctricas. La constante dieléctrica es la capacidad de almacenar energía eléctrica, la opacidad y la constante dieléctrica están relacionadas de manera inversamente proporcional, siendo que mientras más transparente sea el vidrio, mayor será su capacidad para almacenar energía.
Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio Propiedad
Valor
Densidad a 25ºC(1) 2,49 Coeficiente de dilatación lineal a 25 ºC(2) 8,72•10-6 Conductividad térmica a 25 ºC 0,002 Tensión superficial a 1200ºC 319 Índice de refracción (a 589,3 nm)(3) 1,52 Módulo de elasticidad a 25ºC 719 Módulo de Poisson a 25ºC 0,22 Resistencia a la tracción a 25ºC(4) (900) Constante dieléctrica (4.5.188 Hz) 7,3 Resistencia eléctrica a 1100ºC 1,06 Resistencia eléctrica a 1500ºC 0,51 Calor específico a 25ºC 0,20 Atacabilidad química DIN 12111(5) 13,52
Unidades
g/cm3 ºC-1 cal/cm.s.ºC dinas/cm kbar bar Ώ.cm Ώ.cm cal/g/ºC ml de ClH 0,01N
La viscosidad se expresa en la siguiente figura:
Logaritmo de la viscosidad según temperaturas
Básicamente las propiedades de los vidrios se deben al tipo de vidrio con respecto a su composición, como se puede observar en la siguiente tabla:
Otros Datos:
La absorción (o transparencia) a la luz de los vidrios de silicato sódico en la zona del espectro visible (0,40 μ a 0,70 μ) depende de su contenido en elementos de transición (Ni y Fe en el ejemplo). Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un objeto casi opaco, independientemente de cualquiera de estos elementos. La densidad es algo más elevada que en el cuarzo fundido 2,5 frente a 2,2 g/cm3). El coeficiente de dilatación térmica lineal a temperatura ambiente, es notablemente más alto que el de la sílice fundida (unas 20 veces más), por lo que los objetos de vidrios de silicato sódico son menos resistentes al "choque térmico". Su índice de refracción es ligeramente mayor que el del vidrio de cuarzo y puede aumentarse mediante el uso de aditivos. La resistencia a la tracción en cualquier tipo de vidrio es una magnitud que depende extraordinariamente del estado de la superficie del objeto en cuestión, por lo que su cuantificación es compleja y poco fiable. La resistencia al ataque químico o físico (disolución) de los vidrios comunes es una función de su composición química fundamentalmente. No obstante, en todos ellos esta resistencia es elevada. Se suele medir mediante una serie de pruebas tipificadas internacionalmente. Entre las más usadas:
DIN 12116 DIN 52322 DIN 12111
La atacabilidad de los vidrios también se modifica mediante tratamientos superficiales: con SO2, Sn, Ti, y otros. Para moldear un vidrio es necesaria una viscosidad que se sitúa entre 1000 poises y 5000 poises. En el caso de la sílice son necesarias temperaturas de más de 2600ºC, en tanto que para los vidrios comunes basta con 1200ºC, aproximadamente. La absorción de la luz se ve influenciada por la estructura íntima de estas materias transparentes. En el caso de una estructura Si-O la absorción de fotones es baja, incluso para longitudes pequeñas de onda (transparencia a los rayos UVA). No es así cuando a esta sencilla estructura se le añaden otros elementos (Na, Mg Ca, etc.) que inciden decisivamente en la absorción a las longitudes de onda pequeñas (< 0,2 μ) y en las infrarrojas (> 0,7 μ). Por otra parte, la presencia en la red vítrea de elementos de transición produce absorciones selectivas de radiación visible, lo que permite, entre otras cosas, colorear los vidrios con una amplia gama de matices. Un vidrio con su superficie esmerilada o arenada tiene un 30% menos de resistencia a la tracción.
