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ESTADO VÍTREO

Tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas: la sólida, la líquida y la gaseosa. Nuevos medios de investigación de su estructura íntima particularmente durante el siglo XX han puesto al descubierto otras formas o estados en los que la materia puede presentarse. Por ejemplo el estado mesomorfo (una forma líquida con sus fases esmécticas, neumáticas y col estéricas), el estado de plasma (o estado plasmático, propio de gases ionizados a muy altas temperaturas) o el estado vítreo, entre otros.

Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótopos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyendo paulatinamente –como la mayor parte de los líquidos- hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o "punto de fusión".

Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido sub enfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo. Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado meta estable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.

Cristal organizado de SiO2.

En apoyo de esta hipótesis se aduce el hecho experimental de que, calentado un cuerpo en estado vítreo hasta obtener un comportamiento claramente líquido (a una temperatura suficientemente elevada para que su viscosidad sea inferior a los 500 poises, por ejemplo), si se enfría lenta y cuidadosamente, aportándole a la vez la energía de activación necesaria para la formación de los primeros corpúsculos

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sólidos (siembra de micro cristales, presencia de superficies activadoras, catalizadores de enucleación, etc.) suele solidificarse dando lugar a la formación de conjuntos de verdaderos cristales sólidos.

Todo parece indicar que los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos. Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.

Esto ha conducido a diferentes investigadores a plantear diversas teorías sobre la estructura interna del estado vítreo, tanto de tipo geométrico, basadas tanto en las teorías atómicas como en las de tipo energético.

SiO2 en estado vítreo.

Según la teoría atómica geométrica, en la sílice sólida cristalizada el átomo de silicio se halla rodeado de cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices de un tetraedro cada uno de los cuales le une a los átomos de silicio vecinos. Una vista en planta de este ordenamiento se esquematiza en la figura 1, en la que el cuarto oxígeno estaría encima del plano de la página. Cuando esta sílice pasa al estado vítreo, la ordenación tetraédrica se sigue manteniendo a nivel individual de cada átomo de silicio, aunque los enlaces entre átomos de oxígeno y silicio se realizan en un aparente desorden, que sin embargo mantiene una organización unitaria inicial (véase la figura 2).

No obstante, ninguna de estas teorías es suficiente para explicar el comportamiento completo de los cuerpos vítreos aunque pueden servir para responder, en casos concretos y bien determinados, a algunas de las preguntas que se plantean.

Las sustancias susceptibles de presentar un estado vítreo pueden ser tanto de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras:

Elementos químicos: Si, Se, Au-Si, Pt-Pd, Cu-Au. Óxidos: SiO2, B2O3, P2O5, y algunas de sus combinaciones. Compuestos: As2S3, GeSe2, P2S3, BeF2, PbCl2, AgI, Ca (NO3)2.

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Siliconas (sustancias consideradas como semi orgánicas) Polímeros orgánicos: tales como glicoles, azúcares, polietilenos, etc.

Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica.  

Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótropos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X , da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad  va disminuyendo paulatinamente, como la mayor parte de los líquidos, hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o punto de fusión.

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Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido sub enfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido, sin serlo. Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado meta estable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.

Todo parece indicar que los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos. Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.

Esto ha conducido a diferentes investigadores a plantear diversas teorías sobre la estructura interna del estado vítreo, tanto de tipo geométrico, basadas tanto en las teorías atómicas como en las de tipo energético.

Temperatura de transición vítrea (Tg) es la temperatura a la que se da una seudo transición termodinámica en materiales vítreos, por lo que se encuentra en vidrios, polímeros y otros materiales inorgánicos amorfos. Esto quiere decir que, termodinámicamente hablando, no es propiamente una transición. La Tg se puede entender de forma bastante simple cuando se entiende que en esa temperatura el polímero aumenta su densidad, dureza y rigidez, además su porcentaje de elongación disminuye de forma drástica.

Se entiende que es un punto intermedio de temperatura entre el estado fundido y el estado rígido del material. El estudio de Tg es más complejo en el caso de polímeros que en de cualquier otro material de moléculas pequeñas.

Por encima de la Tg los enlaces secundarios de las moléculas son mucho más débiles que el movimiento térmico de las mismas, por ello el polímero se torna gomoso y adquiere cierta elasticidad y capacidad de deformación plástica sin fractura. Este comportamiento es específico de polímeros termoplásticos y no ocurre en polímeros termoestables

Características básicas

Este tipo de transición se observa en materiales vítreos, entre un estado líquido (el material fluye) y otro estado aparentemente sólido, este estado aparentemente

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sólido es un estado de no-equilibrio termodinámico, el material es considerado un líquido sub enfriado (que fluye a velocidades extremadamente lentas), con movimientos en sus segmentos prácticamente congelados.

Polímeros

Todos los polímeros termoplásticos presentan una Tg, ya sean estos amorfos o semi cristalinos. Los polímeros amorfos al calentarse presentan solamente una transición, la Tg. Los polímeros semi cristalinos presentan dos, la Tg y la temperatura de fusión de los cristales (Tm).

Tg es un valor de extrema importancia en ingeniería de polímeros, pues indica la temperatura de trabajo del plástico y por ende determina si un plástico concreto puede ser utilizado para una aplicación dada.

Análisis de Tg

Determinación de temperatura de transición vítrea por dilatometría, con diferentes condiciones de alineamiento.

La Tg no es una temperatura a la cual específicamente ocurre el cambio de estado, existen diferentes métodos experimentales para determinarla, pero debido al carácter termodinámico de esta seudo transición, cada método provee de un valor de Tg diferente, es por ello que en los artículos científicos se provee siempre del método por el cual se determinó su valor. Para fines prácticos, no es tan importante el valor exacto de Tg, pues es comprensible que alrededor de esta temperatura, el polímero adquiere cierta plasticidad.

Tomando en cuenta la ley de Vogel - Fulcher, se tiene que la temperatura de transición vítrea, del estado líquido al estado vítreo es un fenómeno cinético que corresponde al punto de referencia de un estado de no-equilibrio debido al congelamiento de la relajación α,

Además de los experimentos de dilatometría, la Tg se puede calcular por otras técnicas, una de ellas incluye el uso de experimentos de DSC o barrido de calorimetría diferencial. Esta técnica es una de las más populares debido a la mínima cantidad de polímero requerido, lo confiable de sus mediciones y la información extra reflejada, aunque el equipo moderno necesario es de alto precio.

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Los experimentos de DSC se pueden dividir en dos, el de temperatura modulada y el de potencia compensada. De cualquiera de ellos se puede extraer la información sobre Tg, además de otros valores como Cp., ΔH, Tm, y el comportamiento de cristalización de polímeros, copo limeros, mezclas, aleaciones de polímeros, etc.

El flujo de calor Φ obedece a: donde:

Los equipos de DSC modernos pueden además impartir una onda sinusoidal de temperaturas súper impuesta con el incremento lineal de temperatura, lo cual ayuda a proporcionar mejor información que el calentamiento lineal progresivo convencional.

El análisis de los resultados requiere de una análisis de Fourier, con el cual se obtiene un resultado una capacidad calorífica CP compleja, es decir con un

componente real y otro imaginario. Donde la parte real

y la parte imaginaria para y

(ángulo de fase del proceso de relajación dl polímero), que son funciones tanto de la temperatura como de la frecuencia.

Polímero Tg en °C Tm en °CABS 110 190Poli acetal -85 175Nylon 6 50 225Nylon 6,6 50 260Nylon 6,10 40 215Nylon 11 45 185Poli acrilonitrilo 87 320Poli butadieno -121 -Policarbonato 152 225Poli cloruro de vinilideno -20 215Poli cloruro de vinilo 80 205Polietileno táctico 100 235Poliéster - 235Polietileno PEAD -35 a -120 135Polietileno PEBD -35 a -120 105Politereftalato de etileno (PET) 80 265Polimetilmetacrilato 100 a 120 -Polipropileno -15 a -25 160

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PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS DE UN MATERIAL VÍTREO

características del estado vítreo, vidrios o cuerpos vítreos gran variedad de sustancias que, aunque a temperatura ambiente tienen la apariencia de cuerpos sólidos, que les proporciona su rigidez mecánica, no pueden considerarse como tales, ya que carecen de la estructura cristalina que caracteriza y define al estado sólido si por la estabilidad de su forma los vidrios podrían asimilarse a sólidos, desde el punto de vista de su desorden estructural sus semejanzas con los líquidos son mucho más acusadas

El vidrio común contiene aproximadamente el 70-72% en peso de dióxido de silicio (SiO2).  La materia prima principal es la arena (o "arena de cuarzo) que contiene casi el 100% de sílice cristalina en forma de cuarzo.  A pesar de que se trata de un cuarzo casi puro, todavía se puede contener un poco (<1%) de óxidos de hierro que el color del vidrio, por lo general, esta arena es enriquecido en la fábrica para reducir la cantidad de óxido de hierro de <0,05%. Grandes cristales de cuarzo natural único son el dióxido de silicio puro, y que, a la trituración, se utilizan para las gafas especiales de alta calidad.

 

La Temperatura de transición vítrea (Tg) es la temperatura a la que se da una seudo transición termodinámica en materiales vítreos, por lo que se encuentra en vidrios, polímeros y otros materiales inorgánicos amorfos. Esto quiere decir que, termodinámicamente hablando, no es propiamente una transición. La Tg se puede entender de forma bastante simple cuando se entiende que en esa temperatura el polímero deja de ser rígido y comienza a ablandarse.

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Se entiende que es un punto intermedio de temperatura entre el estado fundido y el estado rígido del material. El estudio de Tg es más complejo en el caso de polímeros que en de cualquier otro material de moléculas pequeñas.

Por encima de la Tg los enlaces secundarios de las moléculas son mucho más débiles que el movimiento térmico de las mismas, por ello el polímero se torna gomoso y adquiere cierta elasticidad y capacidad de deformación plástica sin fractura. Este comportamiento es específico de polímeros termoplásticos y no ocurre en polímeros termoestables.

Este tipo de transición se observa en materiales vítreos, entre un estado líquido (el material fluye) y otro estado aparentemente sólido, este estado aparentemente sólido es un estado de no-equilibrio termodinámico, el material es considerado un líquido sub enfriado (que fluye a velocidades extremadamente lentas), con movimientos en sus segmentos prácticamente congelados.

Material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos.

El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio,

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aunque es incorrecto debido a que el vidrio es un sólido amorfo y no un cristal propiamente dicho.

 

EN QUE SE UTILIZA EL ESTADO VÍTREO

Vidrio soplado a una temperatura justo por encima de la transición vítrea.

La cianita tiene un lustre perloso y vítreo

De una manera un tanto simplificada podríamos establecer dos grandes grupos de materiales vítreos. En uno de ellos incluiríamos las CERÁMICAS VÍTREAS basadas en los silicatos con cantidades variables de diferentes óxidos como el de sodio o el de calcio, que como veremos juegan un papel fundamental en la estructura y propiedades del vidrio.

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En el otro gran grupo incluiríamos los VIDRIOS METÁLICOS formados a partir de diversas aleaciones metálicas como Cu-Zr, Fe-Ni-Cr-Pb-B, que con las composiciones adecuadas y sometidas a las condiciones de enfriamiento pertinentes darán lugar a materiales no cristalinos con interesantes propiedades mejor conocido como estado vítreo