Vidros: Estrutura, Propriedades e Processamento

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: CaCO3—MgCO3 (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 Pa—s (considerado líquido)
Ponto de trabalho (working point)
Viscosidade: 103 Pa—s (facilmente deformado)
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)
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