Vidros: Estrutura, Propriedades e Processamento
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Vidros: Estrutura, Propriedades e Processamento Dachamir Hotza Universidade Federal de Santa Catarina [Smith, 1996: 640; Schaffer,1999: 187] Vidro: definições Produto inorgânico de fusão que foi resfriado até atingir condição de rigidez, sem sofrer cristalização. 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. VIDRO 2 [Schaffer,1999: 207] Material vítreo x cristalino Vidro de sílica Cristobalita sen θ/λ VIDRO 3 [Fernandes,1999: 31] Material vítreo x cristalino Vidro de sílica Cristal de sílica VIDRO 4 [Fernandes,1999: 24; Schaffer,1999: 208] Sistemas formadores de vidro Elementos: S, Se, Te, P Óxidos: SiO2, B2O3, P2O5, GeO2, As2O5, Sb2O3, In2O3, SnO2, PbO3, SeO2 Haletos, sulfetos, selenetos, teluretos, nitretos, nitratos, sulfatos, carbonatos Polímeros: PE, PS, PMMA, PC, PET, Nylon Moléculas simples: éter etílico, glicerina, álcool metílico, sacarose Ligas metálicas: Au4Si, Pd4Si, Fe-Si-B VIDRO 5 [Schaffer,1999: 208] Ligações químicas e vidro Vidros iônicos (inorgânicos) Óxidos Sais Vidros covalentes (orgânicos) Polímeros Moléculas simples Semicondutores amorfos Vidros metálicos Elementos Ligas VIDRO 6 [Smith,1996: 681] Vidros metálicos Composição típica Metais ferromagnéticos (Fe, Co, Ni) Não-metais (B, Si) 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 VIDRO 7 [Smith,1996: 683] Vidros metálicos Forno Metal fundido Sistema de fundição sob pressão Controle de espessura Fita de cobre de alta velocidade VIDRO Resfriamento (T ambiente) 8 [Padilha,1997: 210] Polímeros amorfos Materiais orgânicos constituídos de macromoléculas Ligações intracadeias covalentes fortes Ligações intercadeias secundárias fracas Polímeros Termofixos: arranjo tridimensional, totalmente amorfos Termoplásticos: amorfos ou parcialmente cristalinos Processamento de termoplásticos Resfriamento rápido: amorfos Resfriamento lento: parcialmente cristalinos VIDRO 9 [Smith, 1996: 643] Principais vidros óxidos Sílica Fundida: difícil de fundir e fabricar, uso até 1000 C 96% sílica: a partir de vidro de borossilicato Soda-cal 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 VIDRO 10 [Smith, 1996: 643; Fernandes,1999: 40] Composições de vidros óxidos Vidro SiO2 Na2O K2O Sílica fundida > 99,5 96,3 <0,2 <0,2 Soda-cal 70-75 12-18 0-1 5-14 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 Sílica VIDRO CaO MgO Al2O3 PbO <0,4 0-4 B2O3 <2,9 0,5-2,5 5-20 11 [Fernandes,1999: 40] Matérias-primas de vidros Vitrificantes SiO2: areias de quartzo B2O3: H3BO3, boratos de sódio Fundentes Na2O: Na2CO3, Na2SO4 K2O: carbonatos de potássio Li2O: Li2CO3 CaO: CaCO3 (calcita), feldspato cálcico (anortita) MgO: CaCO3MgCO3 (dolomita) BaO: BaCO3 Estabilizantes Al2O3: feldspatos PbO: Pb3O4 (zarcão), PbO (litargírio), carbonato básico ZnO: ZnCO3 (smithsonita), ZnO (zinquita) VIDRO 12 [Fernandes,1999: 40] Estrutura de vidros óxidos Vitrificantes formadores de rede SiO2 , B2O3 Fundentes modificadores de rede Na2O, K2O, Li2O, CaO, MgO, BaO Estabilizantes Intermediários Al2O3, PbO, ZnO Outros componentes Corantes, descorantes, opacificantes Água, vidro reciclado VIDRO 13 [Callister, 1997: 415] Deformação viscosa de vidros Ponto de fusão (melting point) Viscosidade: 10 Pas (considerado líquido) Ponto de trabalho (working point) Viscosidade: 103 Pas (facilmente deformado) Ponto de amolecimento (softening point) Viscosidade: 4×106 Pas (máxima T na qual uma peça de vidro pode ser manipulada sem variações dimensionais) Ponto de recozimento (annealing point) Viscosidade: 1012 Pas (difusão atômica suficientemente rápida; remoção de tensões residuais) Ponto de tensão (strain point) Viscosidade: 3×1013 Pas (para T menores, ocorre fratura sem deformação plástica; Tg > ponto de tensão) VIDRO 14 [Fernandes,1999: 55] Obtenção de vidros Fornos de potes Intermitentes: alimentação/recolha em ~8 h Seção reta circular ou oval Capacidade: 250-1000 litros 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 VIDRO 15 [Fernandes,1999: 56] Forno de potes 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. VIDRO Potes Queimadores Purga Boca Compartimentos Regeneradores Fumos 16 [Fernandes,1999: 56] Forno tanque 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Fusão/afinagem Carga Queimadores Pórticos Garganta Anteparos Trabalho/ acondicionamento 8. Distribuição 9. Alimentador 10. Gota VIDRO 17 T (°C) [Fernandes,1999: 81] Forno tanque: etapas de fusão Fusão Afinagem Homogeneização Acondicionamento VIDRO 18 [Norton, 1952: 162; Fernandes,1999: 62] Conformação de vidros Prensagem pratos Sopro garrafas Laminação ou estiramento vidro plano Fiação fios, fibras VIDRO 19 [Callister, 1996: 417] Tratamento térmico de vidros Recozimento (annealing) Aquecimento a temperatura de recozimento, seguida de resfriamento Alívio de tensões térmicas Têmpera (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 VIDRO 20
