tecnologia do VIDRO

Prévia do material em texto

VIDRO 
Introdução ao estudo dos sistemas vítreos 
A sílica cristalina apresenta ordem em seu arranjo tetraédrico, 
entretanto a sílica vítrea tem um alto grau de aleatoriedade. Uma 
ordem de curto alcance é encontrada tanto na sílica vítrea como na 
sílica cristalina. 
Definição 
Vidro é um sólido amorfo, geralmente formado pela solidificação de 
um material fundido sem cristalização. A diferença básica entre a 
estrutura do vidro e de uma substancia cristalina cristalina está 
demonstrada na figura 1 
Segundo o senso atual o termo vidro é usado para designar um produto inorgânico 
resultante da fusão e posterior resfriamento de forma a atingir um estado rígido sem 
cristalizar. 
 
Outras maneiras de definir vidro: 
 
Vidro é um liquido super resfriado. 
 
Vidro é um material sólido que não apresenta em sua estrutura a longa distancia. 
 
Vidro é um líquido que perdeu sua capacidade de fluir. 
 
Como são feitos os vidros ? 
A fusão não é a única maneira de produzir vidro. 
Existem outras técnicas: 
-condensação de vapores, 
-conversão de cristais ao estado amorfo por meios mecânicos ou por 
irradiação de nêutrons, desidratação e sinterização de géis, etc. 
Alguns autores designam os produtos destas técnicas como amorfos, 
usam o termo vidro apenas para os produtos obtidos pelo resfriamento 
de um fundido. Ambos são sólidos não cristalinos 
Ambos são sólidos não cristalinos 
 
A fase líquido super 
resfriado ocorre se 
não houver núcleos 
de cristalização. 
O gráfico mostra que o volume 
do vidro é maior que o do cristal 
que o originou nesta mesma 
temperatura, indicando que há 
no vidro uma estrutura mais 
aberta. 
O vidro pertence a um estado particular da matéria conhecido como estado vítreo 
que é caracterizado por: 
 
- ausência de estrutura cristalinas, as substancias neste estado são amorfas; 
 
- ponto de fusão não definido; 
 
- não desvia a luz polarizada quando é por ela atravessado; 
 
- não é estável em altas temperaturas, se for mantido por longo tempo em 
temperaturas acima do seu ponto de amolecimento, pode cristalizar, este 
fenômeno é chamado desvitrificação; 
 
- mau condutor de calor e de eletricidade. 
 
Principais características do vidro 
Composição dos vidros 
Existem inúmeras substanciam orgânicas e inorgânicas que podem formar vidro. 
Alguns dos formadores de vidro inorgânicos : 
 
Elementos: S, Se, Te, P 
 
Óxidos: B2O3, SiO2, GeO2, P2O5, As2O5,etc. 
 
Boratos e Silicatos: Na2B4O7, Na2Si2O5,etc. 
 
Outros compostos: BeF2, AlF3, ZnCl2, KHSO4, sulfetos, selenetos, e teluretos 
de alguns elementos, misturas de alguns nitratos, carbonatos. 
Regras para formação de um vidro 
Em 1932 Zachariasen propôs um conjunto de regras para que composto 
formasse vidro: 
• Conter uma alta proporção de cátions com tamanho suficiente para serem 
rodeados por quatro átomos de oxigênio. Ou seja, os cátions devem ser 
capazes de formar uma rede. 
• Os poliedros assim formados são unidos apenas por seus vértices. Isto significa 
dizer que a rede apresenta uma estrutura aberta. 
• O oxigênio deve estar ligado a apenas dois cátions e não formar ligações 
adicionais com outros cátions. A rede formada deve ser contínua. 
Sua análise foi baseada nas seguintes considerações: 
A força das ligações inter atomicas nos vidros e cristais devem ser similares 
dado a similaridade entre os módulos de elasticidade destes dois tipos de 
sólidos. E como os cristais o vidro consiste de uma extensa rede tridimensional. 
Por volta da década 50 do século passado, Stanworth sugeriu que os critérios 
primários para a formação de vidro a partir de óxidos metálicos seriam: 
O cátion apresentar valência maior ou igual a 3. 
A tendência para formar vidro aumenta com a diminuição do tamanho do cátion. 
A eletronegatividade do cátion deve estar entre 1,5 e 2,1. 
 
Teorias mais recentes sobre a formação de vidro têm reconsiderado o critério 
para definir uma substancia como vidro-formadora. Atualmente é aceito que 
virtualmente qualquer material formará vidro se for resfriado tão rapidamente de 
modo que o tempo seja insuficiente para a ocorrência da cristalização. 
Recentemente pesquisadores alemãs constataram, em simulação computacional, que 
um líquido pode ser transformado em vidro através de alterações em sua estrutura. Na 
simulação os átomos foram induzidos a formar um maior número de poliedros e a 
estrutura continuou desordenada. 
Estrutura do vidro. 
Regras sobre as estruturas dos vidros 
1ª regra: a unidade estrutural dos silicatos é o tetraedro regular de SiO4 
2ª regra: os óxidos dos elementos eletropositivos, tais como sódio, potássio e 
 
 cálcio, entram na estrutura dos silicatos como íons e se instalam no espaço entre 
 
os tetraedros. 
 
3ª Regra: Cada oxigênio deve se ligar a dois tetraedros, formando uma 
 
estrutura rígida e o modo pelo qual essas estruturas tetraédricas se juntam, 
 
depende do número relativo de silícios e oxigênios. 
Quanto mais oxigênio menos rígida será a estrutura pois alguns destes átomos se 
 
ligará à apenas um tetraedro. 
4ª Regra: Dois tetraedros jamais compartilham mais de que um átomo de 
 
oxigênio, ou seja, os tetraedros sempre serão ligados pelos vértices, nunca por 
 
uma face ou por uma aresta. 
Classificação dos óxidos participarem da composição dos vidros. 
Óxidos formadores de rede ou vidro formadores: atendem a condição 1 
Os cátions destes óxidos formam ligações de caráter 50% iônica. 
Ex: B2O3, P2O5, As2O3, GeO2 
Óxidos modificadores. 
Seus cátions apresentam tamanho maior (maior número de coordenação) 
e podem ser rodeados por mais de quatro átomos de oxigênio. 
Não podem formar vidro sozinhos, mas seus cátions podem substituir 
parcialmente os cátions formadores. 
Óxidos de sódio, potássio, lítio, cálcio, magnésio, bários e outros. 
Sozinhos estes óxidos formam cadeias regularmente repetidas, formando 
cristais. 
Podem formar vidros sozinhos, mas quando fundidos com os vidroformadores 
adquirem o número de coordenação destes e atuam como formadores de rede,. 
Óxidos Intermediários 
O Al2O3 é um exemplo. 
Óxidos mais comuns encontrados nas composições vítreas 
Composição e principais tipos de vidro. 
Vidro quebrado Moldagem de um frasco de vidro 
Principais Propriedades 
Temperatura de transição vítrea. 
Temperatura na qual o líquido formador do vidro passa do estado borrachoso 
(plástico) à rígido (frágil, vítreo). Em outras palavras, é a temperatura na qual o 
líquido super resfriado se torna vidro ou seja, se torna rígido e amorfo. 
Em geral a adição de um modificador tende a reduzir Tg, enquanto a adição de 
formadores aumenta-a. 
A Tg é uma medida da rigidez da rede vítrea 
 Experimentalmente uma das técnicas para determinar se um óxido é formador 
ou modificador é medir seu efeito sobre a Tg 
Para medir a Tg, uma das técnicas usadas é a análise térmica diferencial. 
Durante o aquecimento em um aparelho de análise térmica curva do ATD 
apresenta um alargamento na linha base. Se o vidro não cristalizar esta é a 
única anomalia. Porém, se ocorrer cristalização entre a Tg e Tf dois outros 
picos extras serão produzidos. O primeiro deles corresponde à temperatura 
de cristalização e o segundo devido à fusão dos cristais. 
Viscosidade 
A viscosidade define o regime de temperatura sobre a qual o vidro pode ser 
trabalhado.Por exemplo, a faixa de trabalho do vidro normalmente acontece em 
uma faixa de viscosidade entre 103Pa e 106Pa. 
A temperatura de transição vítrea, Tg, corresponde a uma viscosidade média de 
1011.3Pa.s 
Recozimento 
A má condutibilidade térmica do vidro implica em uma diferença de temperatura, 
durante o resfriamento,entre as partes externas e as internas com a consequente 
geração de tensões que permanecem à temperatura ambiente. 
O relaxamento destas tensões acontece por um lento resfriamento de forma a 
diminuir esta diferença de temperatura e para evitar o reaparecimento das tensões 
– o recozimento. 
Duas temperaturas são definidas para este processo: Annealing point e o Strain point 
Temperaturas de trabalho 
Temperatura inferior de recozimento 
(strain point) : temperatura na qual as 
tensões do vidro são 
substancialmente relaxadas em 4 
horas. Corresponde a uma 
viscosidade, η= 1015.5Pa.s. e está 
abaixo de 50% do valor do annealing 
point. 
O ponto superior de recozimento 
(annealing point): temperatura na 
qual qualquer tensão interna é 
substancialmente reduzida em 5min. 
Corresponde a uma viscosidade é 10 
13,4Pa.s. Acima desta temperatura as 
peças se deformam por ação do 
próprio peso. 
O ponto de amolecimento (softening point): temperatura na 
qual a viscosidade atinge o valor de 108,6Pa.s. Neste ponto o 
alongamento é aproximadamente 3% em uma velocidade de 
1mm/min sob ação de seu próprio peso quando aquecida em 
um forno na velocidade de 5°C/min. 
Faixa de trabalho (working point) é o intervalo de temperatura na qual o vidro pode 
ser prontamente moldado, perfilado, etc 
Classificação dos vidros quanto à faixa de trabalho 
Vidros longos: suas massas fundidas 
possuem uma grande faixa de trabalho 
Vidros curtos: suas massas fundidas 
que possuem pequena faixa de trabalho 
Vidro duro: sua faixa de trabalho 
ocorre em temperaturas 
reativamente altas com relação 
à faixa do vidro sílica-cal-soda. 
Vidro macio: sua faixa de temperatura 
de trabalho está abaixo da faixa do vidro 
sílica-cal-soda. 
Efeito da composição sobre a viscosidade 
A adição de 10% em mol do modificador 
provoca uma queda da viscosidade de 
magnitude 5, aproximadamente. 
 Sistema silicatado 
A adição de óxidos básicos* à massa fundida 
provoca a quebra da rede de silicato pela 
formação de oxigênio não ligados 
(nonbridging). 
* um óxido básico é um óxido que ao ser dissolvido na 
massa fundida contribui com oxigênio para a massa. 
A medida que a quebra acontece, o número de 
ligações Si-O diminui e com isso o fluxo viscoso 
também diminui. 
Porém, a fragilidade aumenta com a 
diminuição da viscosidade. 
Boratos e Germanatos: 
A viscosidade dos boratos vítreos está entre as mais baixas registradas 
nos vidros comuns. A adição de óxidos alcalinos aumenta a viscosidade 
em uma primeira etapa para em seguida diminuí-la com o aumento no 
teor de óxido. 
Os germanatos apresentam viscosidade intermediária entre os 
silicatados e os boratos. A adição de pequenas quantidades de óxidos 
alcalinos contribui para a diminuição da viscosidade até valor mínimo 
para uma adição de 1 a 2% de R2O e a partir deste valor a viscosidade 
passa a aumentar atingindo um máximo com a adição de 17% de R2O. 
Viscosidade e trabalhabilidade. 
O gráfico mostra o comportamento de dois vidros:1 e 2. 
1 é mais curto que o 2: pode ser 
trabalhado ao longo de um 
intervalo de temperatura de 230° 
enquanto no 2 é de 320° 
O vidro 2 é mais duro: sua faixa de temperatura de 
trabalho está situada em um patamar mais 
alto : 580-900°C 
Permeabilidade gasosa e difusão. 
São controladas pela mobilidade dos átomos ou moléculas através da rede vítrea. 
A condutividade elétrica e a dissolução química são controladas pela permeabilidade 
e pela difusão de íons. 
A permeabilidade gasosa, dependendo da taxa pode causar sérios problemas: 
• o hélio atravessar facilmente, muitos vidros usados em tubos de vácuo; 
• o hidrogênio pode reduzir íons em baixo estado de valência e provocar mudança de cor 
• o oxigênio pode atravessar as paredes de uma lâmpada elétrica, reagir com o filamento 
e provocar seu rompimento. 
São vidros até 10 vezes mais resistentes a impactos e a altas temperaturas 
que o vidro comum. Muito utilizados na fabricação de boxes para 
banheiros, portas, janelas e fachadas em geral. O vidro temperado é mais 
rígido, tem maior resistência térmica e se estilhaça em pequenos 
fragmentos quando é danificado. 
Vidros temperados 
Estihaço produzido na quebra 
de um vidro temperado 
http://www.zun.com.br/ 
O aumento da resistência mecânica pode ser alcançada pelo processo de TÊMPERA. 
Este processo consiste em introduzir tensões no vidro de forma controlada de modo 
que as partes externas do vidro fiquem sob compressão e as internas sob tração. 
Um grande impacto pode anular a compressão superficial levando à quebra em 
uma infinidade de pequenos cubos. 
O processo químico alternativo à têmpera térmica é o de troca 
de íons onde uma lâmina de vidro com pelo menos 100µm é 
imersa numa tanque de nitrato de potássio derretido. O 
processo força os íons do nitrato de potássio aos óxidos de 
sódio do vidro. A têmpera química resulta num vidro de 
extrema rigidez mecânica ao preço de uma rigidez térmica 
menor quando comparado ao vidro temperado comum, sendo 
utilizado quando é necessária a têmpera de vidros moldados em 
formas complexas. 
O vidro de segurança temperado também é usado em: 
Monitores de tv, telas de cristal líquido, clarabóias, porta de forno, portas 
de ventilação, prateleiras de refrigerador 
A TEMPERA TERMICA de um vidro é feita pelo aquecimento controlado do vidro 
comum (não temperado) até uma temperatura próxima de seu amolecimento 
havendo chances de quebra durante o processo. 
Vidro laminado 
O vidro laminado é composto de uma camada de filme plástico de 
polivinil butiral (PVB) entre duas placas. A sua função é manter o vidro no 
lugar caso o mesmo se quebre, diminuindo ferimentos. 
Outros benefícios: reduz a transmissão de sons de alta freqüência 
e bloqueia 97% da radiação ultravioleta . 
Ele é usado em: 
automóveis 
termômetros para medir a temperatura do corpo 
tábuas para corte 
janelas de estufas 
boxes de banheiro 
divisórias de escritório . 
Os bancos também usam esse vidro para ajudar a impedir a perfuração por 
balas. 
A blindagem em vidros é feita com a aplicação de um filme plástico 
resistente, composto por carbonato de sódio, carbonato de cálcio e sílica, 
materiais que são submetidos a temperaturas extremamente altas que 
chegam a até 1.500ºC para se fundirem com o vidro. Em seguida é feito o 
resfriamento da placa. Além da película de resistência, é adicionada uma 
película de “retenção de estilhaços” que faz com que o vidro permaneça 
no lugar depois de ser atingido. 
Vidro Blindado 
No processo de produção do vidro blindado é usado o vidro laminado ao 
invés do vidro temperado. Para automóveis os vidros blindados ganham 
forma através de uma modelação feita em temperatura de 800ºC a 900ºC. 
http://www.zun.com.br/ 
Vitro cerâmicos 
Cerâmicas vítreas são materiais cristalinos obtidos a partir de vidros. 
São materiais policristalinos produzidos pela cristalização controlada de vidro e 
compostos de cristais orientados aleatoriamente com teor de vidro residual entre 2 
e 5 por cento, sem espaços vazios ou porosidade. 
Restaurações dentárias: 
a) Ponte de vitro ceramica a base de 
dissilicato de lítio e fluorapatita; 
b) Coroa de vitrocerâmica à base de leucita 
c) Obturação à base de leucita 
d) Máscara à base de leucita 
Processamento 
1. Cristalização (controlada): a) nucleação dos cristais 
 b) crescimento dos cristais 
Agentes de nucleação: TiO2 , ZrO2 
Cerâmicas vítreas são processados ​​da mesma maneira como os vidros, mas são, 
em seguida, submetidas um tratamento térmico de nucleação e crescimento de 
uma fase cristalina, de tal forma que a microestrutura finalé composta de cristais 
em uma matriz vítrea. A possibilidade de adaptar tanto a composição inicial e 
tamanho e a fracção de volume da fase cristalina permite precisão otimização de 
propriedades. 
Um dos maiores cuidados na produção de um vidro cerâmico é o de assegurar 
que a cristalização não ocorra durante o resfriamento a partir da temperatura 
de formação. 
O passo seguinte é aumentar a temperatura para que os núcleos cresçam. Esta 
temperatura deve ser suficiente para permitir o crescimento dos cristais sem a 
deformação viscosa do objeto. 
Em princípio, qualquer vidro pode ser convertido em cerâmica vítrea, desde que 
haja um agente de nucleação adequado e um tratamento térmico adequado. 
A temperatura mais baixa induz a 
nucleação dos cristais. 
E a temperatura mais elevada 
promove o crescimento dos cristais. 
Temperatura ótima para nucleação: a que corresponde a uma viscosidade entre 
1011 a 1012 dPa.s 
Durante este passo ocorre a formação de 1012 a 1015 núcleos/ cm3 
Vantagens 
A vantagem mais importante de vitrocerâmicas é a facilidade de 
processamento. Sinterização é muito mais fácil e mais rápido do 
que sinterização em estado sólido. O motivo para a utilização de 
cerâmicas vítreas é tirar vantagem da facilidade de processamento 
inerente ao vidro a moldar e formar formas complexas, seguido de 
transformação da fase de vidro para um sólido mais refractária em 
que as propriedades podem ser adaptadas por cristalização 
judiciosa. 
 
 
Ao contrário dos corpos cerâmicos feitos por prensagem e 
sinterização convencional, cerâmicos de vidro tendem a ser livre 
de poros. Isto é porque durante a cristalização o vidro pode fluir e 
acomodar variações no volume. 
Normalmente, a presença da fase cristalina resulta em 
temperaturas de deformação muito maior do que às dos 
vidros de composição correspondente. Por exemplo, 
muitos óxidos têm valores de Tg de 400 a 450 ° C e 
amolecem facilmente a temperaturas acima de 600 ° C. A 
vitrocerâmica da mesma composição, no entanto, pode 
manter a sua integridade mecânica e rigidez a 
temperaturas tão elevadas como 1000 a 1200 ° C. 
A força e a tenacidade de vitrocerâmicas são normalmente mais 
elevados do que os de vidros.