A Química do Vidro

A Química do Vidro

• O que faz do vidro um material curioso e único a ponto de ser motivo de especulações referentes ao seu estado sólido? Isso mesmo, os vidros têm seu estado físico “meio indefinido”. Tais suposições são esclarecidas pela forma de obtenção do vidro, uma vez que é através do congelamento de líquidos que obtemos este material.

Vamos à definição de vidro: material inorgânico cuja composição básica é sílica, óxidos fundentes, estabilizantes e substâncias corantes, juntos, estes ingredientes formam o silicato.

• O silicato se apresenta como um líquido que quando levado ao supercongelamento se converte em um sólido amorfo (vidro). Entende-se por amorfo, o estado físico que não apresenta ordem estrutural das moléculas num estado definido (organizado).

O supercongelamento de um líquido ocorre quando a temperatura ultrapassa o ponto de congelamento antes que a solidificação tenha início, desta forma não há uma cristalização do material. Quando um líquido chega a esse ponto, sua viscosidade torna-se muito alta e ele se torna semelhante a um sólido, com maior dureza, rigidez e forma constante.

• Podemos considerar como sólido todo composto que tem estrutura cristalina definida, ou seja, estrutura microscópica periodicamente organizada. Como a estrutura do vidro é amorfa (desordenada), ela não se encaixa na definição acima.Afinal, como podemos classificar o vidro? Um sólido amorfo ou um líquido com viscosidade enorme.

O componente básico do vidro de soda-cal é a sílica. Entretanto, os problemas de manufactura tem historicamente levado à introdução de outros materiais para facilitar a produção e melhorar a qualidade. Infelizmente esses materiais trouxeram com eles um declinador das propriedades que agora procuramos.

• Considerando o número de materiais disponíveis e necessários para fabricar o vidro, pode-se constatar que o número de tipos de vidro que podem ser feitos é infinito, com composições e desempenhos muito variáveis. No entanto, os vidros mais usados em edifícios entram em cinco grupos, quimicamente.:

Vidros de Soda-cal:

• Estes são os vidros mais comuns, usados no vidro plano, lâmpadas, recipientes, etc.. Significantemente, a família de soda-cal é a usada no desenvolvimento do processo “float”.

Vidros de Sílica Fundida ou Quartzo:

• Esses incluem o único componente do vidro realmente importante, e é caracterizado por altas temperaturas de fusão e trabalho, um coeficiente de expansão térmica baixo (e assim resistência ao choque térmico), e alta resistência química. O seu alto ponto de fusão o torna caro e difícil de produzir como um vidro derretido primário. Os vidros dessa família são aplicados em laboratórios de alta tecnologia.

Vidros de Borossilicato:

• Esses vidros são muito resistentes à corrosão química, e têm um coeficiente de expansão térmica baixo, um terço do coeficiente do vidro de soda-cal (ainda que seis vezes o da sílica fundida). Esta família de vidros tem uma enorme gama de usos: utensílios domésticos (Pyrex) e de laboratórios, lâmpadas e ainda é usado em vidros resistentes ao fogo aumentando a resistência ao impacto e baixando o coeficiente de expansão.

Vidros de Chumbo:

• É um vidro com baixas temperaturas de fusão e trabalho, possui um alto índice de refratividade e densidade. A quantidade de óxido de chumbo pode variar muito (até três vezes), e vidros com alto teor de chumbo (onde o óxido de chumbo compreende até 80% do total) são usados como protetores de radiação de Vidros de Silicato de Alumínio:

Enquanto ainda compreende mais de 50% de sílica, o alumínio, contudo, nesses vidros é dez vezes maior do que nos de soda-cal. O óxido de boro também está presente, e o vidro resultante em uma grande durabilidade química.

Produtos do vidro plano:

Vidros com Lâminas (Impressos):

• Os vidros com lâmina distinguem-se dos vidros planos em razão do seu método de manufactura, antes dos materiais que o contêm. 

Apesar disso esta é uma importante família a se considerar, envolvendo a modificação de uma ou ambas superfícies durante o processo de laminação, eles compreendem um grupo de vidros no qual a natureza da transparência é alterada: distorções na superfície alteram o padrão de transmissão da radiação por refracção, e resulta em obscurações visuais. O desenvolvimento recente no desenho e manufactura de padrões abriram uma nova gama de produtos.Vidros com lâminas convencionais incluem os seguintes produtos:

• Vidro Natural: Este é um produto laminado com ou sem uma forma padrão, produzido pelo processo de laminação simples porque é opticamente plano, superfícies paralelas não são exigidas. O padrão, se existe um, aparece em uma superfície somente.
• Vidro Ornamental: Esta categoria cobre o grupo de vidros desenhados para obscurecer tanto para efeito decorativo como para alta dispersão e redução do brilho ofuscante.
• Vidro “Greenhouse”: Essa é uma forma mais precisa, com uma superfície especialmente desenhada para dispersar eventualmente a radiação solar.
• Vidro Aramado: Esse usa métodos de laminação para implantar uma malha de arame no vidro para sustentá-lo junto no caso de quebra, por dano mecânico ou fogo. Pode ser natural ou polido. Tradicionalmente vidros aramados tem tido um lugar importante no projeto de edifícios, sendo um produto que foi cedo considerado conveniente para certos locais de risco.
• Vidro em Perfil: A forma mais comum de perfil é produzida em “U”, que tem a vantagem de ser auto-portante. Esses vidros são geralmente translúcidos, antes de transparentes, dando a natureza dispersiva da superfície criada durante a manufactura. Todos os vidros citados acima podem ser claros ou tingidos.
• Vidro Antigo: Essa família que compreende vidros fabricados pelos métodos de sopro, desenho ou outro qualquer, mantém vivo os velhos métodos de produção na arte de fazer vidros.

Vidro Anti Refletivo:

• A reflexão da luz golpeando perpendicularmente a superfície do vidro é de cerca de quatro porcento, e essa aumenta a medida em que o ângulo torna-se oblíquo. A necessidade de boa visão através de um vidro ininterrupta pela reflexão na superfície é usualmente requerida por vidros de gravuras. Existe, entretanto, muitas aplicações onde tal vista é uma vantagem, ou essencial como em lentes e óptica.Vidros Temperados:

Endurecido, ou temperado, é uma das duas maneiras geralmente usadas para melhorar a resistência do vidro, ao mesmo tempo alterando as suas características de quebra. Os termos diferem nas diferentes partes do mundo, mas uma distinção é geralmente feita entre o temperado (totalmente temperado) e o semi-temperado. O temperado é necessário para dar uma força genuína ao produto; o semi-temperado é usado para aumentar a resistência ao esforço térmico.

• O processo de temperamento envolve o aquecimento e rápido apagamento do vidro. A temperatura atingida é em torno de 150ºC acima da temperatura de transformação, e o vidro é assim plástico. O arrefecimento da superfície a solidifica, enquanto o interior do vidro ainda está esfriando-se e contraindo-se. 

A medida em que o interior continua a contrair, ele coloca a zona superficial em compressão, e é estendido em tensão. Num material típico 60% da parte interior está em tensão, e a parte superficial, correspondendo a 20% em cada lado está em compressão. Um vidro produzido nesse estado exibe a característica de quando quebrado fragmenta-se em pequenos pedaços, comparativamente seguro, sem bordas pontiagudas.

• Vidros temperados podem ser produzidos com uma resistência à flambagem quatro à cinco vezes maior do que um vidro não temperado. A decisão de especificar esse tipo de vidro deve balancear a necessidade de um produto forte com o desejo de criar um produto seguro. O termo vidro seguro deve ser usado com caução. 

A propriedade do vidro temperado que o faz parecer seguro é que quando quebrado as bordas dos pedaços são arredondadas e as dimensões deles são pequenas. Entretanto, 5m² de um vidro plano com 10 mm de espessura pesa 125 kg, e essa quantidade de material fragmentado caindo de um andar ou mais de altura pode causar grandes estragos, mesmo se as partículas sejam pequenas e arredondadas.

• Todos os vidros planos incluindo os vidros de borossilicato, podem ser temperados. O processo sem dúvida transforma o vidro num produto superior em termos de resistência que tem, entretanto, a desvantagem significante de não poder ser trabalhado (ser cortado, polir as bordas ser perfurado) depois do processo de temperamento e deve ser cuidadosamente trabalhado antes do processo.

Vidros Quimicamente Reforçados:

• Esses vidros são produzidos substituindo íons pequenos da zona superficial do vidro por íons grandes, assim colocando a superfície sob compressão como nos vidros temperados. O processo é muito lento e mais indicado para vidros muito finos que não podem ou são muito difíceis de serem temperados. O uso corrente é de lentes ópticas reforçadas e lâmpadas elétricas.

Vidros Laminados:

• Esses produtos estendem-se desde simples vidros de segurança até complexos sistemas multicamadas e na combinação de vidros e plásticos, constituem um grupo de vidros extremamente importante. O princípio básico por trás do uso do vidro laminado é a combinação do vidro rígido e durável mas quebradiço, com as propriedades elásticas do plástico. 

A chave para o sucesso é a adesão, e a técnica de manufactura convencional envolve o uso de uma folha de polivinil butiral (PVB). Ele é colocado entre duas camadas de vidro, comprimido e então autoclavando por em torno de quatro horas a 140ºC sob uma pressão de 120 lb/sq. O tratamento transforma o PVB numa camada adesiva clara e rija. Uma grande gama de produtos está disponível e a técnica proporciona campo de ação para a criação, mas o produto mais simples é a folha padrão de 6.4mm, compreendendo duas folhas de vidro de 3mm e uma intercamada de 0.4mm de PVB. Tais vidros apresentam quatro principais vantagens sobre o uso do vidro plano sozinho:

• Segurança: o vidro numa vidraça quebrada permanecerá aderido à camada de PVB, minimizando o risco de danos e ferimentos;
• Garantia: vidros laminados, particularmente produtos multilaminados, podem proporcionar resistência à severos ataques armados ou explosão. Multicamadas de até 100mm ou mais podem ser produzidos;
• Redução Sonora: A camada elástica de PVB proporciona um efeito de amortecimento na pressão das ondas sonoras.
• Trabalhabilidade: vidros laminados podem ser cortados ao tamanho depois da manufactura, o que o torna muito conveniente para o uso como envidraçado de segurança simples, onde o tamanho das esquadrias podem variar.Uma gama adicional secundária de características de desempenho pode ser introduzida pelo uso de inter-camadas tingidas que o transforma num produto laminado absorvente de calor Enquanto a laminação com PVB é a mais convencionalmente usada, o sucesso de produtos manufacturados com combinação de camadas estende-se ao uso de outras técnicas e materiais.
• Vidro Aramado: Uma malha ou filamentos de aço na camada interior pode acrescentar segurança ao vidro.
• Vidros com Alarme: Uma fiação pode ser incorporada na camada interior, conectada ao circuito eléctrico de alarme que dispara o alarme quando quebrado. Alternativamente uma camada condutiva pode ser usada.
• Vidros Temperados: A técnica de produzir camadas temperadas já foi descrita, mas um método alternativo usa elementos aramados muito finos na camada intermediária.
• Vidros com Superfície Selada: Análogo ao reforço químico, mas totalmente diferente na intenção e nos materiais, é uma processo novo que modifica quimicamente a superfície do vidro e aumenta a durabilidade às intempéries.

Envidraçado À Prova de Fogo:

• Vidros de borossilicato, pré-esforçados, temperados podem manter a sua integridade por até duas horas ou mais, mas tem desvantagens, como folhas simples, de se tornarem extremamente quentes em caso de fogo, possivelmente causando ignição no lado onde não existia fogo. 

Eles podem assim conter um incêndio nos termos dos gases, de ações das chamas, mas apresentam na superfície, do outro lado, com 800ºC, ao mesmo tempo quente e deformada. Isso torna tais vidros inutilizáveis em, por exemplo, meios de rota de escape no outro lado do vidro.

• Criando um sistema múltiplo, tipicamente usando vidro temperado, com as cavidades preenchidas com um gel polímero, o produto formado resiste à expansão do fogo e proporciona isolamento térmico ao mesmo tempo. Materiais como esse, com vidros de borossilicato, que suportam a temperatura enquanto fica muito quente, tem revolucionado a arquitetura de transparência numa época que a preocupação com a segurança é grande.

Propriedades e funções do vidro:

Propriedades Físicas

• As propriedades intrínsecas e essenciais do vidro são transparência e durabilidade. Outras propriedades tornam-se significantes de acordo com o uso que é colocado ao material. 

Os vários fluidos e modificadores que são introduzidos para facilitar a manufactura, tem efeito nessas propriedades, e o desenvolvimento do design do vidro tem identificado uma larga série de composições para permitir a realização de específicas propriedades físicas. As principais propriedades significantes são:

• Transmissão de luz/radiação, reflexão, absorção
• Índice de Refracção
• Propriedades Térmicas
• Resistência
• Dureza e Resistência à abrasão
• Durabilidade Química
• Durabilidade às Intempéries
• Densidade
• Resistência ao Fogo

Isolamento Acústico

A Química do vidro

Transmissão da luz:

• A natureza da transmissão da luz e da radiação é a capacidade de transmitir radiação, em geral, a luz visível, em particular, que dá ao vidro uma significância única. A transmissão da luz tem sido descrito nos termos de teoria de ondas ou partículas, desse modo tem sido continuamente enriquecida desde que James Clerck Maxwel postulou a sua teoria da radiação eletromagnética em 1864.

A ideia de comprimento de onda ajuda a explicar a natureza aparentemente periódica e pulsante, visto no fenômeno da difração e interferência. Pensar na luz como algo que se propaga em ondas ajuda a explicar esse fenômeno, em termos da variação das distâncias entre ondas, e a frequência que ela ocorre.

• Considerando nos termos de partículas, podemos propor que, quando o átomos estão extremamente excitados e vibrando, eles descarregam a sua energia na forma de fótons que escapa dos átomos na velocidade da luz e interagem ao chocarem-se, passando facilmente através do espaço e “saltando fora” ou sendo absorvido por muitos gases e por sólidos não transparentes. 

A medida em que a temperatura do corpo aumenta acima do que é chamado zero absoluto (-273ºC), a temperatura que toda matéria para de se mover, a energia associada com esse movimento é emitida como radiação eletromagnética que pode ser genericamente considerada como calor. Quanto mais os átomos e moléculas tornam-se quentes, e quanto mais excitados eles ficam, maior será a frequência da radiação, e menor o comprimento de onda.

• As características de emissão e absorção de um material são proporcionais, e um corpo negro (um absorsor de energia perfeito) também é um emissor perfeito. O Sol é o corpo mais atomicamente ativo no nosso sistema planetário e emite energia com uma curva similar em forma e posição de um corpo negro com uma temperatura de 5.900ºK. É essa temperatura, em outros campos, também chamada de temperatura colorida.

O espectro solar estende-se entre comprimentos de onda de 300 e 2100nm. A luz é a banda de radiação com comprimento de onda entre aproximadamente 400 e 780nm, os quais o olho humano responde. Entre 300 e 400nm é a zona da radiação ultravioleta e entre 780 e 2100nm é a infravermelha. O conteúdo efetivo do espectro solar varia em termos da quantidade e distribuição espectral de acordo com o material que ele atravessa.  A energia contida na radiação solar é dividida da seguinte maneira:

• Ultravioleta 3%
• Visível 53%
• Infravermelha 44%

Toda essa energia, quando absorvida por um material, seja ele vidro, um edifício ou uma pessoa é eventualmente convertido em calor. O vidro é quase um transmissor perfeito: o comprimento de onda que transmite radiação coincide a maioria quase exatamente com o comprimento de onda pico do Sol. É fácil de ver como o conhecimento da transparência seletiva e absortiva num vidro é essencial para a compreensão do seu desempenho.

A Transparência e o Fóton:

• O conceito de transparência exige consideração nos termos de partículas interagindo com a estrutura atômica dos materiais. Conhecer como os fótons viajam através do vidro, e mantêm ou perdem a sua energia em relação ao comprimento de onda, é particularmente importante, no desenvolvimento de novos materiais com o prognóstico de desempenhos de transmissão.

Índice de refração:

• É a medida da quantidade de luz que é “flexionada” quando passa através do vidro e é comparativamente constante para os vidros. É de 1,52 para os vidros de soda-cal, e varia de 1,47 para os vidros de borossilicato a 1,56 para os vidros de chumbo. O índice de refração para o vidro varia de acordo com o comprimento de onda da radiação considerada e o índice de todos os vidros diminui com o aumento do comprimento de onda. O índice de refracção é mais importante para o uso óptico

Quando a luz passa de um matéria opticamente mais denso ele é refracionado à normal. Num ângulo crítico é refletido de volta da superfície, e retido dentro do material opticamente mais denso.

Dureza:

• A dureza nos materiais, a resistência à abrasão e penetração, etc. são difíceis de definir. O teste de “arranhão” usa a escala de dureza Moh. Os outros testes são uma medida de resistência à penetração. O vidro é um material naturalmente duro, comparável com o aço, a sua dureza é uma das propriedades mais importantes e a base do envidraçado. 

A escala Moh de 1 a 10 estende do talco (silicato de magnésio) com 1 ao diamante com 10. O quartzo, uma forma natural de sílica tem uma dureza de 7. O vidro de soda-cal tem uma dureza de 5,4-5,8.

Durabilidade química:

• A dureza do vidro corresponde à sua durabilidade química. Ela é usualmente medida na escala de 1-4 e relata a resistência à água, ácido e intempéries de água e dióxido sulfúrico. A corrosão natural provocada pelas intempéries pode ser da ordem de 8 microns por ano. Borossilicatos duros são particularmente resistentes ao ácido, e os vidros de soda-cal podem ser feitos para resistirem ao ataque alcalino. 

A maioria dos vidros, entretanto, são suscetíveis ao cal e soluções concentradas de soda cáustica e são atacados também por ácido hidrosulfúrico e fosfórico, que, como resultado, são usados na água-forte.

Os silicatos são o maior e mais importante classe de minerais, 

porque eles são o grupo mineral mais abundante na crosta da Terra.