11 Tecnología del Vidrio Generalidades.pptx

1. FACULTAD DE INGENIERÍA
METALÚRGICA Y DE MATERIALES
CURSO: INGENIERÍA DE MATERIALES I SEMESTRE: VIII
TEMA: TECNOLOGÍA DEL VIDRIO - GENERALIDADES
DOCENTE: Ing. Ciro Zenteno Cuba

2. -0.1-0.3
1.8
21.0
10.6
1.52.1 1.9 1.6
6.3
12.2
12.6
-5.3
-1.3
3.8
-14.0
-6.8
0.7
8.3
2.1 1.8 0.9
-2.3
-5.5
0.8
5.3
-32.2
-9.6
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Ene
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Ene
Feb
Mar
Acum
20
2018 2019 2020
Gráfico Nº 1
Manufactura: Variación porcentual interanual del
Índice de Volumen Físico (IVF)
Manufactura
Primaria
-23.0%
Manufactura
No Primaria
-35.2% -26.7
-5.5
Subsector Variación
(Porcentaje)
Incidencia en el
crecimiento de la
Manufactura
(Puntos Porcentuales)
Gráfico Nº 2
Desempeño por subsector
(Variación porcentual interanual del IVF e incidencia porcentual)
Marzo 2020
En marzo de 2020, la producción industrial manufacturera disminuyó en 32.2%. Este resultado, se debe al desempeño
negativo registrado por el subsector primario y el subsector no primario, a causa de la paralización de la mayoría de las
industrias por el aislamientos social obligatorio.
La producción manufacturera experimentó una disminución de 32.2%
Fuente: Encuesta Industrial Mensual Elaboración: PRODUCE (OEE)
Ene-Mar
(20/19)
La M. primaria se dedica a la extracción y el procesamiento de materias
primas, p. ej. carbón, madera, rocas y minerales de todo tipo.
M. secundario se ocupa de la transformación de la materia prima en productos
de consumo o en bienes de equipo, constituyendo el segundo paso en la
cadena productiva luego de la extracción de la materia prima.

3. Este análisis proporciona información sobre los productores de vidrio en todo el mundo como una herramienta
permanentemente actualizada y en expansión. La web está basada en diferentes bases de datos, que se
actualizan regularmente:
1.Productores de vidrio con nombres,
ubicaciones, hornos, capacidades,
productos, colores y años de
construcción.
2.Datos demostrativos, como la
población, el empleo, la tasa de
desempleo, el Producto Interior Bruto
(PIB), la Renta Nacional Bruta (RNB) en
los países productores de vidrio,
parcialmente desde 1995 y con una
expectativa hasta 2020.
3.Importar y exportar datos, con datos en
peso y valor.
4.Inversiones (nuevas plantas de vidrio
planificadas, inversiones, reparaciones).
Empresas del sector del vidrio en Europa.

4. Mapa del mundo de proyectos de fábrica de vidrio.
El vidrio para construcción o arquitectónico
es uno de los tres sub-mercados que
componen la industria del vidrio a nivel
mundial, siendo complementado por los
sub-mercados automotriz y de vidrios
especiales.
La composición del mercado por tipo de
empresas son las siguientes:
Las empresas productoras son las que
fabrican el vidrio crudo.
Las procesadoras le dan un valor
agregado al vidrio (vidrio templado,
laminado, insuflado, entre otros)
Las distribuidoras solamente entregan el vidrio al usuario final.
La estructura de estos tres niveles de empresas se da en mercados maduros.

5. PRINCIPALES LÍNEAS Y PRODUCTOS
Envases de vidrio para alimentos · Botellas para cerveza,
gaseosa y aguas de mesa y frascos para alimentos
Vajillas de vidrio · Platos, vasos , jarras, copas, tazones etc.
Vidrios planos · Vidrios para uso en edificaciones (viviendas,
oficinas e industria)
Vidrios de seguridad · Vidrios para usos en el sector
automotriz (parabrisas y similares)
Envases para droguería · Frascos para medicamentos
Delimitación
En esta clase se incluye la fabricación de vidrio en todas sus formas y de artículos de vidrio.

6. Para la adquisición de insumos para su proceso
productivo, la industria de vidrios se articula hacia
atrás con el sector minero que le provee de arena
(óxidos de Si, Al, y Fe), ceniza de sosa, ácido
bórico, feldespato, dolomita y alúmina entre otros.
Con el sector comercio exterior se relaciona para la
importación de vidrios estirados o soplados en hoja,
vidrios desbastados o pulidos.
Hacia delante, la industria de vidrios se relaciona
con la industria de cerveza y gaseosa, asimismo,
con la industria farmacéutica, agroindustria,
construcción, comercio exterior
Articulación con otras actividades económicas

7. El vidrio que se encuentra en el mercado peruano es
fabricado netamente en el exterior, debido a que en
nuestro país solamente operan empresas procesadoras
(30%) y distribuidoras (70%). En ese sentido, según
fuentes del mercado, nuestro mercado se considera
menos desarrollado a comparación de otros países en
donde la proporción mencionada es inversa.
La totalidad del vidrio para construcción que se utiliza en
el mercado peruano proviene del exterior, principalmente
de China (78%), Chile (5%), México (5%), Brasil (4%) y
otros países.
Según OE para diciembre de 1996 existen 129 establecimientos lo que
significa el 0,76 % de establecimientos
ESTABLECIMIENTOS Y PERSONAL OCUPADO
(Establecimientos con 5 y más trabajadores)

8. Por las características del producto, el 52% de las
importaciones correspondería a vidrio flotado incoloro,
bronce o negro, del cual a su vez, el 23% sería vidrio
de 6mm. de espesor, el 18% de 8mm. de espesor y
16% de 10mm. de espesor. Adicionalmente, el 25% de
las importaciones correspondería a vidrio flotado
coloro.
De acuerdo a cifras del Ministerio de Producción
(PRODUCE), el procesamiento de vidrio presentó un
crecimiento promedio de 12.2% entre el 2005 y 2015,
habiéndose procesado 728 mil metros cuadrados.
La capacidad instalada de empresas procesadoras de
vidrio ha presentado un incremento promedio de 2% entre
el 2005 y 2012. Asimismo, del año 2009 al 2014, se
generó un crecimiento de 7.4% debido al ingreso de
mayor cantidad de proyectos de edificación al mercado, y
a la entrada de nuevas empresas procesadoras de vidrio
al mercado. En relación al último motivo, según fuentes
del mercado, entre los años 2013 y 2016 se instalaron
seis nuevos hornos procesadores de vidrio templado y
dos nuevos hornos procesadores de vidrio insulado.
Asimismo, según fuentes del mercado, es importante
indicar que el precio del vidrio en el Perú es el más bajo
en la región, debido a que este producto proviene
principalmente de China, país que lo ofrece a un precio
bajo.
CONCENTRACIÓN GEOGRÁFICA
(Total de Empresas Operativas a Diciembre del 2000)

9. Mercado y principales empresas
Vidrios Industriales S.A., es la unidad productiva que se ha consolidado como la empresa líder del mercado de
envases de vidrio con aproximadamente 98% de participación. La concentración de esta industria permitiría
aprovechar la economía de escala y la reducción de costos, para hacer frente a la competencia interna y externa.
Del total producido se estima que el 97,5% es consumida en el mercado nacional, fundamentalmente envases de
vidrio como botellas y frascos y en menor medida vidrios planos, siendo el restante destinado al exterior.
PRINCIPALES EMPRESAS
PRODUCCION DE LOS PRINCIPALES PRODUCTOS

10. PRINCIPALES PRODUCTOS EXPORTADOS – 2000 en miles de US$
PRINCIPALES PRODUCTOS IMPORTADOS – 2000 en miles de US$

11. La Estructura Cristalina
esta caracterizada por un
apilamiento simétrico de
los átomos en el espacio.
este apilamiento
denominado red cristalina
es propio de cada
elemento.
Estado sólido: sus partículas están en contacto entre si, en
posiciones fijas y con fuertes atracciones mutuas.
El estado sólido presenta dos formas fundamentales que
describen el arreglo atómico
. Estado cristalino y el Estado amorfo.
CARACTERÍSTICAS DEL ESTADO VÍTREO

12. Los niveles del arreglo atómico en los materiales: (a) los gases inertes no tienen un
orden regular en sus átomos. (b, c) Algunos materiales, incluyendo el vapor de
agua y el vidrio, tienen orden en una distancia muy corta. (d) Los metales y
muchos otros sólidos tienen un orden regular de los átomos que se extiende por
todo el material.
Sin Orden u Orden de
Corto Alcance. Orden
que se extiende a su
vecindad inmediata.
O. de Largo Alcance.
Los átomos o iones en
esos materiales forman
un patrón regular y
repetitivo
(c)

14. Sólidos cristalinos y amorfos
Según la distribución espacial de los átomos, moléculas
o iones, los materiales sólidos pueden ser clasificados en:
Cristalinos: compuestos por átomos,
moléculas o iones organizados de una
forma periódica en tres dimensiones. Las
posiciones ocupadas siguen una
ordenación que se repite para grandes
distancias atómicas (de largo alcance).
Dentro de estos materiales de
importancia tecnológica , figuran los
metales (Cu, Zn, Fe, Etc.),
semiconductores (Si, Ge, GaAs, etc.),
cerámicos, superconductores y otros.

15. Amorfos: compuestos por
átomos, moléculas o iones
que no presentan una
ordenación de largo alcance.
Pueden presentar ordenación
de corto alcance. Como el
Silicio amorfo, vidrios
metálicos, polímeros y vidrios
inorgánicos.
EJEMPLOS DE SÓLIDOS AMORFOS
1- Polímeros termoplásticos
2.- Polímeros termoestables
3.- Elastómeros
4.- Polímeros expandidos (espumas)
5.- Vidrio
6.- Náilon

17. ESTRUCTURA DEL VIDRIO
El comportamiento de los materiales está
condicionado en buena parte en la
ordenación que guardan entre si sus
elementos constituyentes. Por lo tanto del
conocimiento que se posea acerca de su
estructura dependerán las posibilidades
de aplicación y en definitiva la utilidad de
un material
Las peculiares características de los vidrios
han hecho mucho más difícil el estudio de
su estructura. A ello hay que añadir que la
diversidad de los tipos de vidrios obtenidos
hasta la fecha y en muchos casos, la
complejidad de su composición han
complicado el problema impidiendo que
pueda adoptarse con validez general un
modelo estructural único.
Estructura del acero (austenita)

18. MODELOS ESTRUCTURALES
Despues de muchas investigaciones se plantean diferentes modelos estructurales
Modelo del Retículo al Azar
La aparición de bandas difusas con ausencia de líneas de interferencia en los diagramas de
difracción de rayos X obtenidos en los vidrios, excluye la existencia de una rigurosa ordenación
geométrica y conduce a la idea de un extenso retículo distorsionado.
Por lo que Zachariasen sostiene que la diferencia fundamental entre una sustancia en estado
cristalina y en estado vítreo no radica en la forma de sus unidades poliédricas de coordinación, si no
en su orientación relativa.
En el caso de la sílice dichas unidades
corresponden a grupos tetraédricos [SiO4];
en las variedades cristalinas de la sílice
estos tetraedros se hallan regularmente
dispuestos, manteniendo a lo largo de las
tres direcciones del espacio una secuencia
determinada, en la sílice vítrea
se distribuyen con una ordenación
al azar.
Representación plana esquemática de la estructura del SiO2 según Zachariasen.
(a) Red con una ordenación periódica, correspondiente a una fase cristalina; (b) retículo al azar de la sílice vítrea

19. Hipótesis de los Cristalitos
Partiendo de la observación de que algunas
propiedades físicas de los vidrios varían de forma
brusca a ciertas temperaturas, como, por ejemplo:
♦ El índice de refracción de un vidrio de silicato sódico
varía linealmente con la temperatura hasta los 520ºC,
pero presenta un cambio brusco entre 520 y 595ºC,
justo en las proximidades de la temperatura de la
reacción de inversión α-β del cuarzo (573ºC)
♦ El coeficiente de dilatación térmica de un vidrio de
sílice es máximo en ese mismo intervalo de temperatura
Por lo que Lebedev supone que un vidrio está
constituido por una agregación de partículas cristalinas
de muy pequeño tamaño (microcristalitos o
simplemente cristalitos) dispersas en una matriz vítrea.
Modelo de un retículo vítreo de SiO2 mostrando áreas de
ordenación cristalina (zonas punteadas) de acuerdo con
la hipótesis de Lebedev . Los triángulos negros
representan tetraedros [SiO4]

20. Estudios por difracción de rayos X
Randall, Rooksby y Cooper, utilizando la técnica de difracción de rayos X, encontraron que la posición de las bandas
difusas en los difractogramas de la sílice vítrea correspondía, aproximadamente, a los mismos ángulos de reflexión
de las líneas de la cristobalita, lo que les llevó a postular la existencia de esta fase cristalina en dicho vidrio.
El investigador Warren plantea las siguientes objeciones: 1) La cristobalita experimenta un notable cambio de
volumen entre 200 y 300ºC, causado por la reacción de inversión α-β, los vidrios de sílice no presentan la variación
dimensional que cabría esperar en el caso de que estuvieran constituidos por cristalitos de esa especie.
2) Al someter un vidrio de sílice a sucesivos tratamientos térmicos, deberían desarrollarse los hipotéticos cristalitos
de cristobalita y hacerse cada vez más estrecha la correspondiente banda del difractograma; sin embargo, la
amplitud de la banda resulta prácticamente constante e independiente de la
historia térmica del vidrio.

21. Teorías basadas en la formación de agrupamientos atómicos
Teoría de los estructones. Huggins desarrolló la teoría de los estructones. Define un estructón como
un agrupamiento de átomos en el que uno de ellos se rodea lo más estrechamente posible por los
otros. Los estructones pueden adoptar diferentes formas según los requerimientos de enlace de sus
átomos integrantes, el índice de coordinación de los mismos y sus cargas eléctricas.
Según Huggins los vidrios están compuestos por estructones. Las ideas expuestas por Huggins
concuerdan bien con las observaciones experimentales realizadas en algunos vidrios simples, pero
resultan difíciles de confirmar en sistemas más complejos.
Teoría de los vitrones. Vitrón es una unidad estructural que se puede
describir, para los vidrios de silicato, de la siguiente forma: cinco unidades
elementales de composición [SiO4] y geometría tetraédrica se unen, a través
de los átomos de oxígeno, formando un anillo pentagonal; este anillo queda,
pues, definido por cinco átomos de silicio en los vértices y cinco átomos de
oxígeno actuando de puente entre los de silicio. Los cinco átomos de silicio
definen un plano y el ángulo de los enlaces Si-O-Si es, aproximadamente,
de 180º. Cada anillo pentagonal está, a su vez, unido con otros cinco anillos
pentagonales, situados en otros tantos planos diferentes, formando un
pentagonododecaedro. Por lo tanto se puede decir que el vitrón es un
agrupamiento de veinte unidades elementales, de composición[SiO4], con
una geometría dodecaédrica.
vitrón constituido por veinte
Tetraedros [SiO4] dispuestos en
los vértices de un dodecaedro

22. Teoría polímero cristalinica.
El modelo de Porai-Koshits postula la existencia de una estructura polimerocristalínica: la red del
vidrio no presenta un desorden absoluto, sino que está constituida por regiones aisladas, con un
elevado grado de ordenación atómico y una elevada concentración de algunos elementos químicos,
unidas a través de un entorno más o menos deformado al resto de la matriz vítrea de composición
química diferente.
Por otra parte, Dietzel considera
que, en los vidrios de silicatos
alcalinos binarios con baja
concentración de álcali, existen
acumulaciones locales, en forma
de enjambre, de los iones
modificadores.
Modelo esquemático del retículo polimerocristalítico de un vidrio de composición Na2O.2SiO2.
Se han representado zonas de SiO2 vítreo con un distinto grado de ordenación (proporcional a
la intensidad del sombreado), separadas por una fase más rica en silicato sódico. Los triángulos
negros correponden a tetraedros [SiO2] y los círculos a iones Na+

23. Separación de Fases
Los vidrios transparentes y ópticamente homogéneos no presentan una rigurosa homogeneidad estructural, si
no que están constituidos por fases vítreas diferentes que forman una dispersión microheterogenea.
La fase dispersa en la matriz adopta unas veces la
forma de diminutas gotitas cuyo diámetro puede
variar entre 10 y 500 nm.
Aspecto de minúsculos canales interconectados.
Microfotografía de Vidrio de Borosilicato Sódico
con separación de fases interconectados.
Microfotografía de Vidrio de Silicato de Cadmio
con separación de fases goticulares.

24. La separación de fases es la consecuencia de un
proceso de inmiscibilidad entre líquidos de diferente
composición que se produce en el vidrio durante su
enfriamiento entre límites definidos de composición
y temperatura. Cuando las fases segregadas
presentan
una tensión interfacial distinta, se favorece su
separación, adoptando la fase de mayor tensión
superficial una forma goticular.
Sí en el transcurso de la separación las gotículas
llegan a alcanzar dimensiones del orden de la
longitud de onda de la luz visible, se produce una
dispersión de la misma al atravesar el vidrio, y éste
resulta opal.
La intensidad y forma de la separación de fases depende
en gran medida de la historia térmica del vidrio. Al
someterle a un tratamiento de recocido, tiene lugar una
coalescencia de las gotículas, que se agrupan primero en
forma de enjambre para después agregarse en otras de
mayor tamaño.
Después de un tratamiento térmico las fases goticulares
separadas coalescen y forman gotas de mayor tamaño.

25. El fenómeno de separación de fases vítreas, se
presenta con una frecuencia casi habitual en
vidrios de dos o más componentes, pero donde
alcanza mayor espectacularidad es en los vidrios
de borosílicato.
En la microfotografía electrónica de un vidrio Vycor
se puede apreciar las tres fases vítreas diferentes
de que está compuesto: gotas grandes debidas a
la fase de sílice pura, gotitas muy pequeñas
correspondientes a la fase de borato rica en sodio
y, por último, la fase vítrea matriz, constituida por
anhídrico bórico, en la que se hallan embebidas las
fases anteriores.
La existencia de fases vítreas separadas, de distinta
composición, ofrece un nuevo aspecto estructural de
los vidrios. Puesto que las fases separadas son
heterogéneas, ya no parece adecuado emplear con
carácter genérico el término de estructura para
referirse a la configuración íntima de los vidrios.

26. La inmiscibilidad de un vidrio constituye un caso particular de la separación de dos o más fases líquidas
cuya cristalización no ha llegado a producirse. Si esta separación tiene lugar a una temperatura superior a la
de liquidus, la inmiscibilidad es estable, pero si ocurre por debajo de ella, en la región de subliquidus, las
fases separadas se hallan en un estado metaestable con respecto a la fase cristalina.
La condición de equilibrio en todo sistema puede expresarse en términos de energía libre por:
La estabilidad local de una fase depende de la variación de energía libre resultante de la agrupación de las
especies químicas constituyentes. La inmiscibilidad o separación de dos fases a una temperatura
determinada T lleva consigo una disminución de la energía libre en relación con la de una mezcla ideal.
La energía libre de mezcla, a una temperatura T, puede ser expresada como:
donde ∆Hm y ∆Sm son funciones de la composición de la mezcla. En un sistema binario constituido por
dos componentes A y B la condición para que aparezca una nueva fase es que la variación de energía
libre de mezcla sea positiva, lo que sucede tanto en el caso de que la variación de la entalpía de mezcla
∆ Hm sea positiva, como si la variación de la entropía de mezcla ∆Sm es negativa. Así, pues, el que se
produzca una separación de fases depende de la intensidad de los enlaces químicos y del grado de
ordenación estructural.
(dG)PT = 0
∆Gm = ΔHm + TΔSm
Termodinámica de la Separación de Fases

27. Energía libre en función de la composición para una solución:
(a).- Cuando ∆Hm es positiva (b).- Para un sistema con inmiscibilidad
Energía libre en función de la composición
para una solución donde ∆Hm es negativa.
Si ∆Sm tiene un valor negativo o
muy pequeño positivo, el tipo
general de curva de energía libre
que se obtiene se muestra en la
figura y es es característica de
dos líquidos miscibles
Si el valor de ∆Sm es grande y positivo, el tipo de curva
que se obtiene es la mostrada en la figura inferior (a) con
la desviación dada en la figura (b) En un sistema con una
curva de energía libre de este tipo cualquier líquido cuya
composición este entre B y C, se separara en dos líquidos
de composición la B y C.
Sus concentraciones relativas vienen determinadas por la
regla de palanca.

28. Diagrama de inmiscibilidad de fases en
el sistema ternario CaO – BaO - SiO2
.
Microfotografías electrónicas de un vidrio de borosilicato de bario antes y después
de ser recocido. En el primer caso (a) se pueden apreciar seis microfases
diferentes y en el segundo (b) ocho.
(a) (b)
Si un fundido se enfría rápidamente hasta una temperatura
determinada, tiene lugar en él un proceso sencillo de
separación de fases, es decir, en el vidrio matriz se forman
microheterogeneidades goticulares.
Vogel ha observado separaciones múltiples de fases, como las
que muestra la figura inferior, en la que se pueden reconocer
hasta seis microfases diferentes formadas a partir de un vidrio
de borosilicato de bario.
A partir de los diagramas de equilibrio de
dos sistemas binarios parciales, pueden
determinarse por extrapolación las curvas
límite de metastabilidad que definen las
regiones de inmiscibilidad en un sistema
ternario, como el que se representa en la
figura que corresponde al sistema
CaO - BaO - SiO2

29. En la clasificación tradicional los vidrios constituyen un subconjunto de las cerámicas, por que se
obtienen sobre todo de silicatos. La diferencia entre los vidrios y las cerámicas radica en sus
estructuras cristalinas. Las cerámicas presentan orden de largo alcance, son cristalinas y tienen
estructura cristalina. Por su parte, los vidrios tienen sólo orden de corto alcance, son amorfos y carecen
de estructura cristalina.
La mayoría de los cerámico de óxidos tienen estructuras cristalinas con base en iones oxígeno con
empaquetamiento casi compacto. En función a las estructuras FCC y la HC. Los iones oxígeno
(aniones) ocupan los sitios de la red FCC y de la HC, quedando disponibles los sitios intersticiales
donde los cationes pueden ubicarse en las estructuras
Red cúbica centrada en las caras en las que se muestran las posiciones tetraédricas (T) y octaédricas (O) de las redes

30. Red cúbica hexagonal compacta en las que
se muestran las posiciones tetraédricas (T)
y octaédricas (O) de las redes
Diagrama de fase binario cerámico que muestra la
solubilidad total de los silicatos de magnesio y
ferroso en el sólido lo mismo que en el líquido

31. Los enlaces entre los átomos de silicio y oxígeno contienen
características iónicas y covalentes. Una red flexible se forma como
la que se muestra en la imagen, con los tetraedros tocándose de
esquina a esquina sin orden de rango largo.
La estructura cristalina más común para el SiO2 es el cuarzo (o
cuarzo α), una estructura trigonal. Cuando el cuarzo se calienta
a 573º C, se transforma en una red cristalina hexagonal y se
convierte en cuarzo β (o cuarzo alto). A medida que la
temperatura se incrementa a 867º C, el SiO2 se transforma esta
vez en una red cristalina hexagonal llamada tridimita, la cual
después se convierte a cristobalita cúbica a 1713º C.
Diagrama de fases para el SiO2
La unidad básica del vidrio es un tetraedro de SiO4
-4,
como el que se muestra en la imagen. En este arreglo,
cada átomo de silicio se posa en el centro de un
tetraedro con un átomo de oxígeno en cada esquina.

32. Si todos los tetraedros se colocan de una forma regular y ordenada, se forma una estructura cristalina.
Existen tres formas cristalinas polimórficas primarias de la sílice: cuarzo, cristobalita y tridimita. Sus
estructuras son relativamente complicadas y comparativamente abiertas; no estando los átomos
empaquetados al máximo. Como consecuencia estas sílices cristalinas tienen densidades relativamente
bajas.
Distribución de los átomos de
Si y O en una celda unitaria
de cristobalita, un polimorfo
del SiO2

34. uncp.edu.pe
GRACIAS