Introducción
El vidrio es un material omnipresente en nuestra vida cotidiana. Ya sea en cristales de ventanas, gafas de lectura, copas de vino o en los componentes electrónicos de nuestros teléfonos móviles, los campos de aplicación del vidrio son versátiles y múltiples. Básicamente, los vidrios son sólidos amorfos que no tienen un orden estructural atómico de largo alcance. Los vidrios más utilizados se componen principalmente de óxidos inorgánicos como el dióxido de silicio (SiO2) y el óxido de sodio (Na2O), así como de otros aditivos [1]. Las proporciones de mezcla -o la pureza de los componentes- determinan las propiedades y, por tanto, el campo de aplicación.
El vidrio de silicato puro, también llamado sílice fundida, es un tipo especial de vidrio compuesto por óxido de silicio de gran pureza y que no contiene impurezas significativas. En comparación con otros vidrios inorgánicos, se caracteriza por su resistencia a las altas temperaturas, su baja dilatación térmica, su resistencia química y su biocompatibilidad, así como por su elevada transparencia óptica, que abarca desde el ultravioleta hasta el infrarrojo [2]. Este material tiene aplicaciones en diversos campos, como las gafas de visión en entornos de altas temperaturas, las lentes de sistemas láser, los procedimientos implantológicos y los instrumentos analíticos, como los dilatómetros.
Medida de las Propiedades Termomecánicas deVidrios mediante DMA
El análisis dinámico-mecánico (abreviado DMA) es un método experimental para investigar las propiedades viscoelásticas de los materiales. Consiste en analizar la respuesta del material a cargas mecánicas periódicas para determinar propiedades como la elasticidad, la viscosidad y la amortiguación. El DMA 303 Eplexor® es un instrumento dinámico-mecánico de sobremesa que permite niveles de fuerza total de hasta 50 N. El sistema presenta un rango de temperatura de -170°C a 800°C, único para instrumentos de sobremesa. Gracias a estas propiedades, pueden caracterizarse hasta temperaturas de 800 °C tanto materiales en el rango de bajas temperaturas, como los polímeros, como materiales muy rígidos, como aceros, cerámicas o vidrios.
Resultados de las mediciones
En la figura 1 se compara la medición DMA en un vidrio flotado convencional (curva azul), como el empleado en las ventanas domésticas, con la de la sílice fundida pura (curva roja) de 100°C a 800°C. La medición se realizó en flexión de 3 puntos con una longitud de flexión libre de 20 mm y una frecuencia de 1 Hz. Las muestras cúbicas tienen un grosor de 1 mm y una anchura de 10 mm, habiéndose alisado el contorno exterior de las muestras.
Tanto el vidrio de sílice fundida como el vidrio de silicato puro tienen un módulo de almacenamiento, E', ligeramente inferior a 70 GPa a 100 °C. El módulo de almacenamiento, E', describe las propiedades elásticas del material; en términos sencillos, su rigidez.
Con el aumento de la temperatura, el módulo de almacenamiento del vidrio de sílice fundida disminuye ligeramente y adquiere un valor de aproximadamente 60 GPa a 500°C. A 566°C (inicio extrapolado), se produce una fuerte disminución del módulo de almacenamiento, E', junto con un aumento significativo de tan δ. Tan δ representa las propiedades de amortiguación de un material o su disipación de energía.
Es la característica de transición vítrea (Tg) de los sólidos amorfos. A temperaturas inferiores a la Tg, los materiales son mayoritariamente sólidos y posiblemente quebradizos. En la transición vítrea, la energía cinética de los átomos desestructurados es lo suficientemente alta como para superar el enlace intermedio. En este punto, el vidrio se vuelve más blando y moldeable. Por esta razón, la medición no se continúa al llegar a este punto, para evitar la fusión del vidrio en el portamuestras.
Por el contrario, el vidrio de silicato puro, como se muestra en la figura 1, presenta un comportamiento bastante atípico para los sólidos. Dentro del intervalo de temperaturas observado, no se produce ablandamiento del material. En cambio, el módulo de almacenamiento, E', aumenta ligeramente con el aumento de la temperatura. Babcock et al. [3] suponen la coexistencia de dos estructuras atómicas de orden de corto alcance que tienen fuerzas de enlace y densidades diferentes. Al aumentar la temperatura, se forma cada vez más la estructura con mayores fuerzas de enlace atómico y el material se vuelve más rígido.
El ejemplo demuestra el uso del vidrio de silicato puro para aplicaciones de alta temperatura. Aunque el vidrio de silicato puro también puede emplearse para temperaturas superiores a 600°C, el vidrio de sílice fundida convencional ya no garantizaría la estabilidad estructural. Además, este ejemplo ilustra las diferencias de comportamiento que pueden presentar materiales bastante similares desde el punto de vista visual y químico, y cómo el análisis dinámico-mecánico puede ayudar a investigarlo.
Resumen
El análisis dinámico-mecánico es un método utilizado habitualmente para determinar la transición vítrea de polímeros amorfos y semicristalinos. El DMA 303 Eplexor® permite analizar materiales hasta 800 °C, un rango de temperatura que no tiene rival entre los instrumentos de sobremesa. Esto permite caracterizar y evaluar para su aplicación incluso materiales empleados en el rango de medium- a altas temperaturas, como metales, cerámicas o vidrios.