Pyrex

Antecedentes

El vidrio Pyrex es un vidrio de borosilicato producido por primera vez por la empresa The Corning Glass Works. Se fabrica calentando materias primas como arena de sílice y óxido bórico a temperaturas extremadamente altas durante períodos prolongados. Luego, el material fundido se procesa en diferentes tipos de cristalería. Formulado por primera vez a principios del siglo XX, Pyrex se ha convertido en un material importante para una variedad de aplicaciones que requieren resistencia química y al calor.

Para comprender cómo Pyrex es único, es importante comprender la naturaleza del vidrio en sí. El vidrio es un estado de la materia que tiene características similares tanto a los sólidos como a los líquidos cristalinos. En un nivel macroscópico, el vidrio parece ser sólido. Es rígido y permanece en una sola pieza cuando se saca de un recipiente. Sin embargo, a nivel molecular, los vidrios se parecen más a los líquidos. En los sólidos cristalinos, las moléculas están dispuestas de forma ordenada. En líquidos se disponen de forma aleatoria. Esta disposición aleatoria también es una característica del vidrio.

El vidrio se fabrica típicamente calentando compuestos cristalinos a temperaturas lo suficientemente altas como para fundirlos. La fusión rompe la estructura molecular ordenada, dejándolos en un estado desordenado. Cuando el material derretido se enfría, las moléculas se bloquean en su lugar antes de que puedan reformarse en la estructura cristalina ordenada. Las propiedades de un vidrio específico, como dureza, fragilidad, claridad y resistencia química y térmica, dependen de su composición química.

Cuando se estaba desarrollando Pyrex, los científicos intentaban crear una composición de vidrio que tuviera una alta resistencia térmica. En algún momento se descubrió que las composiciones de vidrio con boro se podían calentar a altas temperaturas sin romperse. El boro, que es el quinto elemento de la tabla periódica, tiene la capacidad única de crear una variedad de enlaces químicos. Cuando se une con oxígeno, puede crear una estructura tridimensional que es fuerte. En una composición de vidrio, esta resistencia adicional le da resistencia térmica y química que la hace útil para aplicaciones de cocina, termómetros y equipos de laboratorio. Pyrex también tiene un bajo contenido de álcali que le confiere una alta resistencia a la corrosión.

Historial

Si bien se desconoce la fecha exacta en que la gente descubrió que la arena podía combinarse y fundirse con otros materiales para producir vidrio, su descubrimiento probablemente fue accidental. Los procesos formales para la fabricación de vidrio se conocen desde hace más de 3.000 años. En Mesopotamia, los arqueólogos han descubierto tablillas de arcilla que contienen antiguas "instrucciones" para hacer vidrio en hornos. A lo largo de la historia, la tecnología de producción de vidrio se volvió más sofisticada. La gente descubrió constantemente las mejores proporciones para combinar las materias primas y también aprendió prácticas de fabricación como el soplado de vidrio.

A principios del siglo XX, las linternas de queroseno se utilizaron ampliamente para alumbrado público y dispositivos de señalización ferroviaria. Desafortunadamente, el vidrio utilizado para hacer estas linternas era sensible al calor de la llama y a menudo se rompía. Los científicos comenzaron a buscar fórmulas de vidrio que pudieran resistir el calor.

Los primeros experimentos llevaron al descubrimiento de que cuando el ácido bórico estaba presente en las materias primas, el vidrio era más resistente al calor. Sin embargo, estas primeras fórmulas eran químicamente débiles y a menudo se descomponían en el agua. Se procedió al trabajo para encontrar las proporciones correctas de arena de sílice y óxido bórico que continuarían siendo resistentes al calor y químicamente estables. En 1912 se encontró una fórmula adecuada. Estos vidrios, llamados borosilicatos, se introdujeron luego en la producción de linternas. Uno de los tipos originales de vidrio de borosilicato introducido por Corning Glass Works Company fue el de marca Nonex.

El potencial de este producto en el área de la cocina fue descubierto en 1913 por el Dr. Jesse T. Littleton, que trabajaba en Corning. Le dio a su esposa una cazuela hecha de Nonex, el precursor de Pyrex. Funcionó tan bien como un plato de cocina de cerámica y había comenzado una nueva era en los utensilios de cocina. Se revisó la fórmula de vidrio de Nonex para eliminar el plomo, y los utensilios para horno se entregaron a la Escuela de Cocina de Filadelfia para realizar más pruebas. Una serie de pruebas exitosas condujeron a la introducción de los utensilios para horno Pyrex en 1915. Este mismo año, Corning Glass Works Company patentó la fórmula y le dio el nombre de marca registrada Pyrex. Se ha sugerido que el término Pyrex era un derivado de la palabra "pastel" (refiriéndose a su uso original) o del griego "pyra", que significa hogar. En ambos casos, se utilizó el sufijo "ex" para darle similitud de marca a Nonex.

Cuando estalló la Primera Guerra Mundial, los científicos que confiaron en los productos de vidrio alemanes descubrieron que el nuevo material Pyrex satisfacía sus necesidades de vasos de precipitados, tubos de ensayo y otro material de vidrio de laboratorio. El vidrio de borosilicato se ha hecho cada vez más resistente a los productos químicos, al calor y a los golpes. También se ha aplicado a numerosos productos como anteojos, telescopios y componentes electrónicos.

Materias primas

Se utilizan tres clases de materiales para fabricar Pyrex, incluidos formadores, fundentes y estabilizadores. Los formadores son los ingredientes principales en toda la fabricación de vidrio. Estos son materiales cristalinos que, cuando se calientan lo suficientemente alto, se pueden derretir y enfriar para crear vidrio. Los fundentes son compuestos que ayudan a reducir la temperatura requerida para que los formadores se fundan. Los estabilizadores son materiales que ayudan a evitar que el vidrio se desmorone, se rompa o se deshaga. Son necesarios porque los fundentes suelen desestabilizar las composiciones de vidrio.

Un anuncio de Corning Pyrex.

Eugene G. Sullivan estableció el laboratorio de investigación de Corning Glass Works en 1908 y se propuso con William C, Taylor hacer un vidrio resistente al calor para lentes de linternas de ferrocarril. El problema era que el vidrio de sílex (del tipo que se encuentra en las botellas y ventanas, fabricado al derretir arena de sílice, sosa y cal) tiene una expansión térmica bastante alta pero una conductividad térmica deficiente. Ambos provocan la rotura del vidrio. Fueron posibles dos soluciones:mejorar la conductividad térmica o reducir la expansión térmica. La formulación que idearon Sullivan y Taylor fue un vidrio de borosilicato, un vidrio de cal sodada con bórax que reemplaza a la cal, con una pequeña cantidad de alúmina agregada. Esto proporcionó la baja expansión térmica necesaria y también tuvo una buena resistencia a los ácidos, lo que llevó al uso de los tarros de batería necesarios para los sistemas de telégrafo ferroviario y otras aplicaciones. El vidrio se comercializó como "Nonex" (para vidrio sin expansión).

Jesse T. Littleton se unió a Corning en 1913. Como físico, Littleton sabía que el vidrio absorbe bien la energía radiante, mientras que el metal la refleja principalmente. Littleton se llevó a casa un tarro de batería cortado y le pidió a su esposa que horneara un pastel en él. Lo llevó al laboratorio al día siguiente. Littleton desarrolló variaciones de Nonex y el resultado fue Pyrex, patentado y registrado en mayo de 1915.

La venta inicial de Pyrex tuvo lugar en los grandes almacenes Jordan Marsh en Boston en 1915. En 1919 se vendieron más de 4,5 millones de piezas. En 1915, Pyrex se introdujo en el laboratorio. El material de vidrio de laboratorio vino de Alemania, pero la Primera Guerra Mundial cortó el suministro. Corning llenó el vacío con cristalería Pyrex, que funcionó tan bien que Pyrex reemplazó a la mayoría de los demás elementos. Hoy en día, la cristalería de estilo Corning se encuentra en laboratorios de todo el mundo.

Los formadores primarios utilizados para hacer Pyrex incluyen arena de sílice y ácido bórico. La arena de sílice también se conoce como dióxido de silicio. Es un material cristalino y probablemente fue el componente principal del primer vidrio utilizado por humanos. En una composición de vidrio Pyrex típica, el dióxido de silicio constituye aproximadamente el 60-80% en peso.

Pyrex tiene una gota en la estructura de fase de matriz. El dióxido de silicio crea la matriz básica. El material de borato crea las gotas dentro de esa estructura. El formador de borato puede provenir de un material como el tetraborato de sodio. Antes de su fabricación, este compuesto se reduce químicamente con ácido sulfúrico para crear ácido bórico. Cuando el ácido bórico se mezcla con dióxido de silicio y se calienta, se oxida en óxido bórico. El óxido bórico es responsable de la estructura molecular única de Pyrex. El óxido bórico constituye entre el 5% y el 20% del vidrio Pyrex.

Los ingredientes secundarios utilizados en la producción de vidrio incluyen fundentes, estabilizadores y colorantes. Los fundentes se incluyen en las mezclas de vidrio porque reducen la temperatura de fusión del vidrio de borosilicato. Los fundentes que se pueden usar en la fabricación incluyen carbonato de sodio, potasa y carbonato de litio. Constituyen alrededor del 5% de una composición de vidrio Pyrex.

Desafortunadamente, los fundentes también hacen que el vidrio sea más inestable químicamente. Por esta razón se incluyen estabilizadores como el carbonato de bario y el óxido de zinc. En la fabricación de Pyrex, se agrega aproximadamente un 2% de óxido de aluminio para hacer que el vidrio sea más rígido cuando se funde. Finalmente, para producir vidrio con diferentes colores, se pueden agregar compuestos de plata.

El
proceso de fabricación

El proceso de fabricación se puede dividir en dos fases. En primer lugar, se elabora un gran lote de composición de vidrio fundido. A continuación, el vidrio se introduce en máquinas de conformación para crear diferentes tipos de cristalería. El proceso se mueve a velocidades tremendas y es bastante eficiente.

Procesamiento por lotes

• 1 Se producen grandes lotes de vidrio Pyrex en un área de composición específica de la planta de producción. Aquí, los vidrieros siguen las instrucciones de la fórmula y agregan las materias primas requeridas en las proporciones correctas en tanques grandes. Antes de su uso, las materias primas se pulverizan y granulan hasta un tamaño de partícula uniforme. Se almacenan en torres de lotes. Los materiales se mezclan y se calientan a temperaturas superiores a 2.912 ° F (1.600 ° C). Esta alta temperatura derrite los ingredientes y les permite mezclarse completamente para crear vidrio fundido. Sin embargo, la mezcla generalmente requiere un calentamiento más prolongado, hasta 24 horas, para eliminar el exceso de burbujas que pueden provocar una estructura más débil.

Formando

• 2 Los tanques de lote están diseñados para que el vidrio fundido fluya lentamente hacia el extremo de trabajo del tanque. Este extremo del tanque está conectado a máquinas formadoras de alimentación continua. A medida que el vaso sale del tanque, parece un jarabe espeso de color rojo anaranjado. Las máquinas formadoras trabajan el material rápidamente porque a medida que se enfría se vuelve rígido e impracticable. Las máquinas típicas de procesamiento de vidrio lo soplan, presionan, dibujan y enrollan en varias formas.
• 3 El proceso de formación utilizado depende del producto final. El soplado de vidrio se utiliza para crear productos de paredes delgadas como botellas. Se coloca una burbuja de vidrio fundido dentro de un molde de dos piezas. Se fuerza aire al interior del molde, que presiona el vidrio contra sus lados. El vidrio se enfría dentro del molde y se adapta a la forma. El prensado de vidrio se utiliza para crear piezas de vidrio más gruesas. El vidrio fundido se coloca en un molde y se baja un émbolo que obliga al vidrio a extenderse y llenar el molde. El dibujo se usa para crear tubos o varillas. En este proceso, el vidrio fundido se extrae sobre un cono hueco llamado mandril. Se sopla aire a través de él para evitar que el tubo se colapse hasta que el vidrio se vuelva rígido. Para las hojas de vidrio, como las ventanas, se utiliza un proceso de laminación.
• 4 Una vez formado el producto, se enfría y se pule. A continuación, se puede decorar con diversas impresiones o marcas y, si es necesario, equiparlo con piezas de plástico. Luego, el producto de vidrio se revisa para detectar imperfecciones, se coloca en cajas protectoras y se envía a los clientes. Dependiendo del tamaño del tanque de dosificación, se pueden producir hasta 700,000 lb (317,520 kg) de producto de vidrio en un año.

Control de calidad

Dado que la calidad del vidrio depende de la pureza de las materias primas, los fabricantes emplean químicos de control de calidad para probarlos. Se verifican las características físicas para asegurarse de que se adhieran a las especificaciones previamente determinadas. Por ejemplo, partícula Un diagrama de la producción de Pyrex. El tamaño se mide utilizando mallas de malla adecuada. La composición química también se determina con un IR o GC. Otros controles simples que se realizan en las materias primas incluyen controles de color y evaluaciones de olores. Durante la producción de un producto de vidrio, los inspectores observan los productos de vidrio en puntos específicos de la línea de fabricación para asegurarse de que cada producto se vea correcto. Notan cosas como grietas, defectos u otras imperfecciones. Para ciertos productos, se mide el espesor del vidrio.

Subproductos / Residuos

Dado que Pyrex está hecho de compuestos que se convierten en óxidos cuando se calientan, la contaminación del aire es un problema potencial. Una variedad de subproductos pueden ser liberados durante la fabricación, incluidos nitratos, sulfatos y cloro. Estos productos químicos pueden reaccionar con el agua para formar ácidos. Se ha demostrado que la lluvia ácida causa un daño significativo a las estructuras artificiales, así como a los ecosistemas naturales. Un método que utilizan los fabricantes de vidrio para reducir la contaminación es hacer composiciones de vidrio que tengan temperaturas de fusión más bajas. Las temperaturas más bajas reducen la cantidad de volatilización, reduciendo así la cantidad de contaminantes gaseosos. Otro control de la contaminación es el uso de precipitadores que se instalan en chimeneas. Estos dispositivos ayudan a reducir la contaminación del aire al filtrar los sólidos que persisten en el humo y el vapor creado por el proceso de fusión. Los desagües de eliminación de desechos se controlan para garantizar que solo se liberen al medio ambiente cantidades permitidas de desechos de fábrica. Esto ayuda a prevenir la contaminación del agua.

Un método adicional de control de la contaminación es el uso de ventiladores. Estos dispositivos también se denominan regeneradores porque ayudan a recuperar y reciclar la energía térmica consumida durante la fabricación. Esto tiene el doble efecto de reducir la contaminación del aire y reducir los costos de producción. Otras técnicas de reducción de costos y ambientalmente racionales empleadas incluyen el uso de calor eléctrico en lugar de calor de gas, y la incorporación de vidrio reciclado roto durante la producción de vidrio nuevo.

El futuro

En el futuro, los fabricantes de vidrio de borosilicato se concentrarán en aumentar las ventas y mejorar el proceso de producción. Para aumentar las ventas, los fabricantes de vidrio participarán en la búsqueda y promoción de nuevas aplicaciones para sus productos. Esto podría requerir nuevas formulaciones de vidrio que tengan una variedad de características que van desde la claridad, el punto de fusión y la resistencia a la rotura. Desde el punto de vista de la producción, las mejoras futuras se centrarán en aumentar las velocidades de fabricación, minimizar los desechos químicos y reducir los costos generales.

Dónde obtener más información

Libros

Bansal, N. P. y R. H. Doremus. Manual de propiedades del vidrio. Nueva York:Academic Press, Inc., 1986.

Enciclopedia de tecnología química de Kirk-Othmer. Vol. 12. Nueva York:John Wiley &Sons, 1994.

Mazurin, 0. V. Manual de datos de vidrio. Nueva York:Elsevier Science Publishing Co., 1991.

Rogove, S. T. y M. B. Steinhauer. Pyrex de Corning:una guía de coleccionista. Nueva York:Publicaciones antiguas, 1993.

Otro

Página web del Museo del Vidrio de Corning. 1 de octubre de 2001. .

Patente de Estados Unidos 4.075.024. Gafas de colores y método. 1976.

Perry Romanowski