Propiedades Del Vidrio

GENERALMENTE, cuando pensamos en el vidrio nos imaginamos un sólido con una rigidez y elasticidad comparables a las del acero, pero con ciertas propiedades mecánicas que limitan sus aplicaciones; como por ejemplo que no tiene ductibilidad, ya que no se deforma a temperatura ambiente, y que si tratamos de cambiar su forma aplicando una fuerza, lo único que logramos es que se rompa. En realidad es un material duro pero frágil al mismo tiempo, y algo que refuerza esa debilidad es la presencia de imperfecciones superficiales, como astilladuras o ranuras.

El éxito en la manufactura del vidrio radica en controlar la temperatura del proceso, para regular las fuerzas internas que lo hacen quebradizo. Estas fuerzas internas también se aprovechan para producir vidrio de extrema dureza y resistencia si se emplea la técnica del templado. Templar un vidrio es someterlo a un calentamiento controlado y después enfriarlo rápidamente. La superficie queda en un estado permanente de compresión, de modo que las fuerzas que se apliquen al objeto tendrán que vencer primero las tensiones de comprensión. El efecto del templado se puede demostrar con las conocidas gotas de Prince Rupert, como se ve en la figura 26. En este experimento se dejan caer unas gotas de vidrio fundido en agua fría. Aquellas gotas que sobreviven son muy resistentes, tanto, que puedes golpearlas con un martillo y no se rompen, pero si después de golpear una de ellas la presionas ligeramente con los dedos, la gota entera explota en fragmentos diminutos. De alguna manera la presión de los dedos actúa como una imperfección que se propaga a través de la pieza entera en respuesta del impresionante esfuerzo interno.

Figura 26. La gota de Rupert.

Por diversos experimentos se ha comprobado que la tensión en un vidrio puede ser menor cuando éste ha sido templado dentro de cierto rango de temperatura. En la figura 27 se muestra la temperatura de templado de un vidrio pyrex contra el tiempo. Cuando la temperatura y el tiempo son bajos, en la figura se indica con puntos, y cuando tienen valores mayores, aparecen círculos cada vez más grandes. Esto quiere decir que, para el vidrio pyrex, cuando la temperatura de templado es alta y el tiempo largo, la diferencia entre el límite superior y el inferior es grande. El límite superior está determinado por la temperatura a la cual el vidrio es un líquido que fluye con facilidad. El límite inferior, también llamado punto de tensión, no está completamente definido, aunque lo han descrito como la temperatura a la que una pieza puede ser rápidamente enfriada sin que tenga una tensión permanente. Así, mientras más separados estén estos límites es mejor, porque el rango en el que podemos trabajar es mayor.

Figura 27. Curva de templado de un vidrio pyrex.

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, pero si el vidrio parece un sólido, ¿por qué medimos su viscosidad? Lo hacemos porque los vidrios, en realidad, son líquidos sobreenfriados. Un líquido sobreenfriado es aquel que permanece como líquido a temperaturas más bajas que la de solidificación. Esto se logra llevando a cabo el enfriamiento en condiciones extremas de cuidado y pureza. La viscosidad de algunos líquidos sobreenfriados comienza a aumentar violentamente a medida que la temperatura disminuye y alcanzan una consistencia tal que su endurecimiento los hace aparecer como sólidos, pero en realidad tienen la misma estructura atómica que un líquido. Esto mismo le ocurre al vidrio.

Una forma de determinar la viscosidad es midiendo el tiempo que tarda en pasar una cantidad determinada de líquido a través de un tubo de diámetro pequeño a una presión dada. La resistencia a fluir se debe a la atracción entre las moléculas, por lo que es una medida de su fuerza. En general, a medida que aumenta la temperatura, las fuerzas de cohesión están más incapacitadas para competir con el creciente movimiento molecular, y por lo mismo la viscosidad disminuye.

Para tener un material con cierta resistencia es necesario que las moléculas estén unidas con una firmeza relativamente constante, lo que se traduce en tener una viscosidad invariable. Si medimos el tiempo requerido para que esto ocurra, observamos que la temperatura de templado es importante. En la figura 28(a) la temperatura de templado es menor que en la 28(b), y lo que vemos es que la primera tarda más en llegar a ser una línea horizontal que la segunda, y por lo tanto necesita más tiempo para que su viscosidad sea constante. Por otro lado, es evidente que también varía en función de la composición. En la figura 29 cada raya de la gráfica representa un valor diferente de x en la fórmula química que aparece en el pie de la figura. Es normal que al variar la cantidad de sodio y calcio cambien las propiedades del vidrio.

...