La materia prima básica para la obtención del vidrio es el silicio el cual se obtiene a partir de rocas magmáticas. Los componentes principales de estas rocas son el feldespato y el cuarzo. El feldespato es un silicato de aluminio que siempre se encuentra en presencia de elementos alcalinos. El sílice y alúmina que se encuentran en el feldespato se disgregan químicamente para mostrar su forma gel (es decir, se forman el gel de sílice y alúmina). La coagulación de dichos geles da lugar a la formación de minerales de sílice y alúmina los cuales son conocidos como minerales arcillosos.

Al disgregarse el feldespato queda libre el cuarzo de la roca, el cual no experimenta cambios de carácter químico. De todos modos, el cuarzo se disgrega física o mecánicamente para así obtener lo que conocemos como arena.  El sílice se encuentra en forma de cuarzo en la naturaleza y muestra la siguiente conformación cristalina:

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La afinidad intermolecular que se establece entre los diferentes tetraedros justifica la elevada temperatura que hay que alcanzar para fundir el cuarzo. Si se funde el cuarzo, este pierde su cristalinidad obteniéndose un fluido de alta viscosidad. Si una vez fundido este se vuelve a solidificar, los tetraedros se mantienen ordenados mientras que con la estructura no ocurre lo mismo. Esta situación o estado se conoce como estado VITREO. En la siguiente figura se pueden comparar la estructura del cuarzo (ordenado) y del estado vítreo (desordenado).

 

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Entre las características a destacar del estado vítreo se encuentran la transparencia y la fortaleza de la estructura. Los compuestos  que pueden llegar a este estado se conocen como generadores de red y en la mayoría de ellos el sílice es la base de la estructura.

Si bien es cierto que las propiedades del sílice justifican su uso como materia prima para obtener el vidrio, hay varios inconvenientes a superar.

OBTENCION DEL VIDRIO

Al hilo de lo mencionado, a continuación se formulan dos de los inconvenientes principales a la hora de obtener el vidrio:

  • La temperatura de fusión llega a ser de 1800-2000ºC por lo que desde el punto de vista energético y de resistencia de los materiales es un inconveniente importante.
  • La alta viscosidad del sílice fundido complica su moldeo y manipulación

A tenor de lo mencionado, el objetivo es disminuir el punto de fusión y la viscosidad. Para ello, como primera medida se añaden óxidos alcalinos (principalmente de sodio) que se introducen entre los enlaces de oxígeno de la red cristalina. Al meter estos compuestos disminuyen tanto la temperatura de fusión como la viscosidad pero al mismo tiempo la resistencia química es menor. Para evitar que esto ocurra se introduce óxido cálcico que aumenta la resistencia química.

Dicho esto la composición base del vidrio seria la siguiente: 75% SiO2, 15% Na2O y 10% CaO.  Una vez introducidos estos componentes la estructura varía significativamente, como se puede ver a continuación:

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MODIFICADORES DEL VIDRIO

Aparte de los óxidos de sodio y calcio (los cuales normalmente se introducen al horno como carbonatos) hay otros compuestos que se pueden añadir como por ejemplo el óxido de magnesio.

Del mismo modo también es común añadir feldespatos de potasio o sodio que aportan sílice y alúmina (que mejoran las propiedades del vidrio). Por otro lado, la adición de restos de vidrio de anteriores procesos favorece la fusión en el horno.

TECNOLOGIA DE PROCESO

El proceso consta de las siguientes etapas:

1. Dosificación

2. Fusión y homogenización

3. Moldeo

 

DOSIFICACION

Esta etapa de proceso consiste en la preparación de la materia prima en las proporciones adecuadas, que será triturada y mezclada antes de introducirse al horno

FUSION Y HOMOGENEIZACION

Una vez introducida la alimentación al horno, se quema un combustible para alcanzar temperaturas de fusión (1400-1500ºC). Una vez homogenizada la masa y retiradas las burbujas de aire (por diferencia de presión), el vidrio sale del horno.

MOLDEO

Cuando la viscosidad del fluido se encuentra en el intervalo adecuado (entre 103 y 107 cp), es el momento adecuado para llevar a cabo su moldeo. Dependiendo del uso que se le vaya a dar al vidrio este se moldea de diferentes formas y por diferentes técnicas.

En la etapa de moldeo y enfriamiento se crean tensiones en la estructura del vidrio que provocan que la resistencia mecánica sea menor. Para que esto no ocurra existen dos procesos similares:

1. Método: el vidrio se lleva hasta temperaturas de 500ºC y se enfría lenta y controladamente para hacer desaparecer tales tensiones.

2. Método: el proceso denominado  “templado del vidrio” consiste prácticamente en los mismo que el anterior con la diferencia de que en este caso el enfriamiento es rápido (y controlado). Así, no desaparecen las tensiones sino que se equilibran dando lugar a un vidrio de gran resistencia mecánica.

Las etapas mencionadas más otras que por su especificidad no se han comentado se agrupan en la siguiente figura esquemática:

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VIDRIOS ESPECIALES

Como ya he comentado antes dependiendo del uso que se le vaya a dar al vidrio los “ingredientes” para su formación pueden variar. A modo de ejemplo en los vidrios ópticos se añade óxido de plomo y en los vasos de laboratorio óxido de boro.

Por último mencionar un vidrio especial conocido como vidrio Vicor, el cual está conformado en un 96% por sílice y en un 3% por óxido de boro (bórax). Para su obtención, se parte de sílice, bórax y carbonato sódico. A lo largo del proceso el óxido de sodio formado se retira (por agentes ácidos) obteniendo un vidrio con excelentes propiedades mecánicas.

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