Vidros: Estrutura, Propriedades e Processamento

Dachamir HotzaDachamir HotzaUniversidade Federal de Santa Catarina

Vidro: definições

Produto inorgânico de fusão que foi resfriado até atingir condição de rigidez, sem sofrer cristalização. Material que não apresenta ordem de longo

[Sm

ith, 19

96:

640;

Sch

affe

r,199

9: 1

87]

VIDRO 2

Material que não apresenta ordem de longo alcance e está abaixo da temperatura na qual rearranjos atômicos ou moleculares podem ocorrer numa escala de tempo similar àquela do experimento.

[Sm

ith, 19

96:

640;

Sch

affe

r,199

9: 1

87]

Material vítreo x cristalino[S

chaf

fer,1

999:

207

]

Vidro de sílica

VIDRO 3

[Sch

affe

r,199

9: 2

07]

Cristobalita

sen θ/λ

Material vítreo x cristalino[F

erna

ndes

,199

9: 3

1]

VIDRO 4

Vidro de sílica Cristal de sílica

[Fer

nand

es,1

999:

31]

Sistemas formadores de vidro[F

erna

ndes

,199

9: 2

4; S

chaf

fer,1

999:

208

]

Elementos: S, Se, Te, PÓxidos: SiO2, B2O3, P2O5, GeO2, As2O5, Sb2O3, In2O3, SnO2, PbO3, SeO2

Haletos, sulfetos, selenetos, teluretos,

VIDRO 5

[Fer

nand

es,1

999:

24;

Sch

affe

r,199

9: 2

08]

Haletos, sulfetos, selenetos, teluretos, nitretos, nitratos, sulfatos, carbonatosPolímeros: PE, PS, PMMA, PC, PET, NylonMoléculas simples: éter etílico, glicerina, álcool metílico, sacaroseLigas metálicas: Au4Si, Pd4Si, Fe-Si-B

Ligações químicas e vidro[S

chaf

fer,1

999:

208

]

Vidros iônicos (inorgânicos)� Óxidos� Sais

Vidros covalentes (orgânicos)

VIDRO 6

[Sch

affe

r,199

9: 2

08]

Vidros covalentes (orgânicos)� Polímeros � Moléculas simples� Semicondutores amorfos

Vidros metálicos� Elementos� Ligas

Vidros metálicos[S

mith

,199

6: 6

81]

Composição típica� Metais ferromagnéticos (Fe, Co, Ni)� Não-metais (B, Si)

Aplicações como magnetos moles

VIDRO 7

[Sm

ith,1

996:

681

]

Aplicações como magnetos moles � Transformadores de potência � Sensores magnéticos� Cabeçotes de gravação

Processamento� Resfriamento rápido (~106 K/s)� Fita contínua de ~25 µm de espessura e 15 cm de largura

Vidros metálicos[S

mith

,199

6: 6

83]

Forno

Sistema de

Metal fundido

VIDRO 8

[Sm

ith,1

996:

683

]

Sistema de fundição sob pressão

Controle de espessura

Resfriamento (T ambiente)

Fita de cobre de alta velocidade

Polímeros amorfos[P

adilh

a,19

97:

210]

Materiais orgânicos constituídos de macromoléculas� Ligações intracadeias covalentes fortes� Ligações intercadeias secundárias fracas

Polímeros

VIDRO 9

[Pad

ilha,

1997

: 21

0]

Polímeros � Termofixos: arranjo tridimensional, totalmente amorfos � Termoplásticos: amorfos ou parcialmente cristalinos

Processamento de termoplásticos� Resfriamento rápido: amorfos� Resfriamento lento: parcialmente cristalinos

Principais vidros óxidos

Sílica� Fundida: difícil de fundir e fabricar, uso até 1000 C� 96% sílica: a partir de vidro de borossilicato

Soda-calFabricado facilmente

[Sm

ith, 19

96:

643]

VIDRO 10

� Fabricado facilmente� Uso em janelas, garrafas e lâmpadas

Plúmbicos ou de chumbo� Fundido facilmente, boas propriedades elétricas� Uso em lentes e vidros ”cristal”

Borossilicato� Baixa expansão, boa resistência ao choque térmico � Uso na indústria química

[Sm

ith, 19

96:

643]

Composições de vidros óxidos[S

mith

, 19

96:

643;

Fer

nand

es,1

999:

40]

Vidro SiO2 Na2O K2O CaO MgO Al2O3 PbO B2O3

Sílica fundida > 99,5

Sílica 96,3 <0,2 <0,2 <0,4 <2,9

VIDRO 11

[Sm

ith, 19

96:

643;

Fer

nand

es,1

999:

40]

Sílica

Soda-cal 70-75 12-18 0-1 5-14 0-4 0,5-2,5

Chumbo 53-60 5-10 1-10 0-6 0-2 15-40

Borossilicato 73-82 3-10 0,4-1 0-1 2-3 0-10 5-20

Matérias-primas de vidros[F

erna

ndes

,199

9: 4

0] Vitrificantes � SiO2: areias de quartzo� B2O3: H3BO3, boratos de sódio

Fundentes � Na2O: Na2CO3, Na2SO4

K O: carbonatos de potássio

VIDRO 12

[Fer

nand

es,1

999:

40]

� K2O: carbonatos de potássio� Li2O: Li2CO3

� CaO: CaCO3 (calcita), feldspato cálcico (anortita)� MgO: CaCO3�MgCO3 (dolomita)� BaO: BaCO3

Estabilizantes � Al2O3: feldspatos� PbO: Pb3O4 (zarcão), PbO (litargírio), carbonato básico� ZnO: ZnCO3 (smithsonita), ZnO (zinquita)

Estrutura de vidros óxidos[F

erna

ndes

,199

9: 4

0]

Vitrificantes � formadores de rede � SiO2 , B2O3

Fundentes modificadores de rede

VIDRO 13

[Fer

nand

es,1

999:

40]

� modificadores de rede � Na2O, K2O, Li2O, CaO, MgO, BaO

Estabilizantes � Intermediários � Al2O3, PbO, ZnO

Outros componentes� Corantes, descorantes, opacificantes � Água, vidro reciclado

Deformação viscosa de vidros[C

allis

ter,

1997

: 41

5]

Ponto de fusão (melting point)� Viscosidade: 10 Pa�s (considerado líquido)

Ponto de trabalho (working point)� Viscosidade: 103 Pa�s (facilmente deformado)

Ponto de amolecimento (softening point)

VIDRO 14

[Cal

liste

r, 19

97:

415]

Ponto de amolecimento (softening point)� Viscosidade: 4×106 Pa�s (máxima T na qual uma peça de

vidro pode ser manipulada sem variações dimensionais)

Ponto de recozimento (annealing point)� Viscosidade: 1012 Pa�s (difusão atômica suficientemente

rápida; remoção de tensões residuais)

Ponto de tensão (strain point)� Viscosidade: 3×1013 Pa�s (para T menores, ocorre fratura

sem deformação plástica; Tg > ponto de tensão)

Obtenção de vidros[F

erna

ndes

,199

9: 5

5]

Fornos de potes� Intermitentes: alimentação/recolha em ~8 h � Seção reta circular ou oval� Capacidade: 250-1000 litros

VIDRO 15

[Fer

nand

es,1

999:

55]

� Número: até 24

Fornos tanque� Contínuos: etapas ao longo do forno� Seção retangular� Alimentação e extração pelas extremidades� Dimensões: H = 0,90-1,5 m, L = 2-10 m, X = 3-15 m

Forno de potes[F

erna

ndes

,199

9: 5

6]

1. Potes2. Queimadores3. Purga4. Boca

VIDRO 16

[Fer

nand

es,1

999:

56]

4. Boca5. Compartimentos6. Regeneradores7. Fumos

Forno tanque[F

erna

ndes

,199

9: 5

6]

1. Fusão/afinagem2. Carga 3. Queimadores 4. Pórticos

VIDRO 17

[Fer

nand

es,1

999:

56]

4. Pórticos 5. Garganta 6. Anteparos 7. Trabalho/

acondicionamento8. Distribuição 9. Alimentador 10. Gota

Forno tanque: etapas de fusão[F

erna

ndes

,199

9: 8

1]

T (°

C)

VIDRO 18

[Fer

nand

es,1

999:

81]

Fusão

Afinagem

Homogeneização

Acondicionamento

Conformação de vidros[N

orto

n, 1

952:

162

; Fe

rnan

des,

1999

: 62

]

Prensagem� pratos

Soprogarrafas

VIDRO 19

[Nor

ton,

195

2: 1

62;

Fern

ande

s,19

99:

62]

� garrafas

Laminação ou estiramento� vidro plano

Fiação� fios, fibras

Tratamento térmico de vidros[C

allis

ter,

1996

: 41

7]

Recozimento (annealing)� Aquecimento a temperatura de recozimento,

seguida de resfriamento� Alívio de tensões térmicas

VIDRO 20

[Cal

liste

r, 19

96:

417]

� Alívio de tensões térmicasTêmpera (tempering)� Aquecimento a T>Tg e < ponto de amolecimento� Resfriado a T ambiente com jato de ar ou banho

de óleo� Tensões residuais compressivas na superfície e de

tração no interior